單玉兵，位云成，史旭東,2

（1.南京康尼機電股份有限公司技術(shù)中心，江蘇 南京 210013；2.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

機器人用RV減速器動態(tài)性能試驗系統(tǒng)研究與應(yīng)用

單玉兵1，位云成1，史旭東1,2

（1.南京康尼機電股份有限公司技術(shù)中心，江蘇 南京 210013；2.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

以機器人用RV減速器為研究對象，針對其傳動效率及承載能力等動態(tài)性能指標，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點，分析并設(shè)計機器人用RV減速器動態(tài)性能試驗系統(tǒng)及相應(yīng)的PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論分析和試驗驗證的方法，研究了試驗系統(tǒng)的測試效果。結(jié)果表明，該試驗系統(tǒng)能夠滿足多型號RV減速器傳動效率及承載能力等動態(tài)性能的測試要求，提高測試效率，降低測試成本；某國產(chǎn)RV減速器在傳動效率、承載能力等方面均不及某進口RV減速器水平；對比測試的結(jié)果與理論值接近，測試方法正確。

RV減速器；傳動效率；承載能力；試驗系統(tǒng)

隨著制造業(yè)向智能化、現(xiàn)代化發(fā)展，工業(yè)機器人憑借其獨特的優(yōu)勢逐漸在各個產(chǎn)業(yè)占據(jù)舉足輕重的地位。目前在汽車、航空航天、電子、食品、新能源等領(lǐng)域，工業(yè)機器人都有著廣泛的應(yīng)用。隨著工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展的日趨成熟，其優(yōu)勢正日益在各個行業(yè)中體現(xiàn)出來。作為工業(yè)機器人關(guān)鍵零部件之一，RV減速器的精度和性能很大程度上決定了機器人的性能和工作穩(wěn)定性。在這種情況下，為RV減速器設(shè)計專門的性能測試系統(tǒng)就成為了在發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)及RV減速器的研究中需要解決的關(guān)鍵性問題。

1 動態(tài)性能分析

1.1 傳動效率

傳動效率是衡量RV減速器質(zhì)量性能的最主要的指標之一，它直接決定了RV減速器的能量消耗的大小。傳動效率是指減速器的輸出功率與輸入功率之比。

一般情況下，RV減速器的傳動效率影響因素可以分為兩種：減速器內(nèi)在因素和使用條件因素。

減速器內(nèi)在因素主要包括：

（1）減速器本身設(shè)計、制造、裝配過程中的因素。

（2）使用過程中減速器本身產(chǎn)生的干涉、磨損、變形等因素。

使用條件因素包括：

（1）減速器工作過程中輸入轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

（2）選用的潤滑脂或潤滑油等。

效率試驗的主要目的是為了檢測RV減速器在負載狀態(tài)下的工作性能。

1.2 承載能力

承載能力體現(xiàn)了RV減速器的工作能力和承受負載的能力，它與RV減速器的壽命息息相關(guān)。根據(jù)國家頒布的《擺線針輪減速機承載能力及傳動效率測定方法》等標準，減速器的承載能力通過空載、負載和過載試驗來進行體現(xiàn)。

空載試驗是為了檢測減速器加工制造和裝配的質(zhì)量是否達到要求；負載試驗和過載試驗是為了檢測減速器在負載及超載狀態(tài)下的工作性能，以及在試驗完成后對減速器的加工制造和裝配的影響。

2 試驗系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)RV減速器所需要進行試驗的項目以及要采用的試驗方法，對該試驗系統(tǒng)的基本功能提出了以下要求。

（1）能夠精確控制電機的啟停、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。

（2）能夠精確控制被測RV減速器輸出端施加的負載值。

（3）能夠精確測量被測RV減速器的輸入、輸出端的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

（4）能夠保存測得的數(shù)據(jù)。

通過對RV減速器動態(tài)性能測試系統(tǒng)所要滿足的基本功能進行分析，該試驗臺主要包括驅(qū)動系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中驅(qū)動系統(tǒng)主要控制變頻電機和加載裝置，為整個試驗臺提供原動力和負載；機械傳動系統(tǒng)主要包括整個試驗臺的零部件結(jié)構(gòu)與配合，保證RV減速器動態(tài)性能試驗臺的傳動和加載功能實現(xiàn)；控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及相應(yīng)測量儀、磁粉制動器、電流程控器等，主要將傳感器輸出的信號采集并分析處理后以Excel圖表形式輸出。

圖1 RV減速器動態(tài)性能試驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 測試原理

根據(jù)傳動效率的定義，得出RV減速器的傳動效率計算公式（1）。

式中，i為RV減速器的速比。

在進行傳動效率的測試時，只需要測出RV減速器輸入、輸出端的轉(zhuǎn)矩值就可以計算出傳動效率。

使RV減速器的輸出轉(zhuǎn)速保持不變，控制磁粉制動器逐漸增大減速器的負載，獲得RV減速器輸入、輸出端的轉(zhuǎn)矩值，就可以得到不同負載下的傳動效率。再通過改變電機轉(zhuǎn)速使RV減速器的輸出轉(zhuǎn)速改變，就可以得到不同轉(zhuǎn)速、不同負載狀態(tài)下減速器的傳動效率。

2.2 試驗系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人用RV減速器動態(tài)性能試驗系統(tǒng)包括輸入端組件、減速器組件、輸出端組件和加載裝置等。其中，輸入端組件包括移動滑臺、變頻電機、輸入端軸承座、輸入端轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等；減速器組件包括輸入齒輪軸（通用）、RV減速器及其安裝法蘭、輸出法蘭等；輸出端組件包括輸出軸（通用）、輸出端轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等；加載裝置為磁粉制動器。RV減速器動態(tài)測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該方案將試驗系統(tǒng)的輸入端設(shè)置成可快速移動的精密移動滑臺結(jié)構(gòu)，減速器安裝和輸出部分也設(shè)計成可拆卸的過渡法蘭聯(lián)接，方便多種型號RV減速器的快速換接，因此該測試系統(tǒng)可以方便的對不同型號RV減速器進行動態(tài)性能測試。在對不同RV減速器進行性能測試時，僅需要將移動滑臺移出，更換RV減速器及其安裝和輸出法蘭以及相應(yīng)的輸入齒輪，然后將移動滑臺推進至原位置并鎖緊即可，大大提高了測試效率，增大了測試系統(tǒng)的適用范圍，降低了測試成本。

2.3 控制系統(tǒng)

本試驗系統(tǒng)主要的控制任務(wù)有：一是能夠精確控制電機的啟停、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向；二是能夠隨時控制被測RV減速器輸出端的負載。本試驗臺的控制系統(tǒng)主要是由驅(qū)動電機的控制系統(tǒng)以及加載裝置（磁粉制動器）的控制系統(tǒng)兩部分組成。

驅(qū)動電機的控制系統(tǒng)采用變頻器對電機的啟動、停止以及轉(zhuǎn)速大小進行控制。在本試驗系統(tǒng)采用的是西門子變頻電機YVF2-160M2-2和F系列重載變頻器的組合，它們可以提供的功率為15kW，額定扭矩為50Nm，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。

磁粉制動器的控制系統(tǒng)采用程控電流控制器，通過改變電流大小實現(xiàn)制動力矩大小的控制。本試驗系統(tǒng)選用FZ2000 J/Y型號的磁粉制動器，它能提供大小為2000Nm的額定制動力矩，與之對應(yīng)的電流大小為3A。為了實現(xiàn)對磁粉制動器的控制，這里選用程控電流控制器WLKC-3B。

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本試驗系統(tǒng)采用工控機對現(xiàn)場的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、程控電流器進行通訊。其中轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器將測得的信號傳輸?shù)焦た貦C中，并由工控機對信號進行處理，將數(shù)據(jù)保存起來，同時將處理后的數(shù)據(jù)顯示出來。

圖3 數(shù)據(jù)采集原理框圖

數(shù)據(jù)檢測和采集部分由傳感器和信號分析的元器件完成的，傳感器采集到減速器的各種參數(shù)后通過濾波電路對一些干擾信號進行篩選，并將篩選的信號放大。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集到的信號近似為正弦波的模擬信號，所以要將模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，并將數(shù)字信號輸入到單片機，單片機將得到的信號進行簡單的處理后通過串口通信的方式，將信號傳送給對信號進行處理分析的工控機。數(shù)據(jù)采集原理框圖如圖3所示。

3 設(shè)備選型

通過對測試原理的分析，綜合考慮RV減速器的動態(tài)性能要求，為了保證能夠滿足試驗系統(tǒng)所需要的測量范圍、使用壽命、承載能力等要求，盡可能地節(jié)約成本，動態(tài)性能試驗系統(tǒng)設(shè)備選型如表1所示。

表1 動態(tài)性能試驗系統(tǒng)設(shè)備選型

4 試驗驗證及分析

4.1 傳動效率

由于任何測試系統(tǒng)都不可避免的存在誤差，所以本試驗系統(tǒng)中也存在一定的誤差因素，直接測得的數(shù)據(jù)不是減速器本身的傳動效率，還包括了減速器兩端端聯(lián)軸器的效率、輸入軸與聯(lián)軸器連接處軸承的效率等。因此，還需要再測試數(shù)據(jù)上進行一定的校正處理才能得到RV減速器自身的傳動效率。

RV減速器的實際傳動效率計算公式為：

式中，ηr——RV減速器實際效率；

η1——輸入端聯(lián)軸器效率；

η2——輸出端聯(lián)軸器效率；

η3——輸入軸與聯(lián)軸器連接處軸承效率。

為驗證試驗系統(tǒng)和測試結(jié)果，選取某型號RV減速器為對象，將進口RV減速器與國產(chǎn)RV減速器（傳動比進行對比測試，具體測試步驟如下。

（1）控制電機產(chǎn)生1815r/min的轉(zhuǎn)速，此時RV減速器輸出轉(zhuǎn)速為15r/min。

（2）通過調(diào)節(jié)電流控制器，使磁粉制動器產(chǎn)生不同的負載在每一負載轉(zhuǎn)矩作用下，測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測得RV減速器的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值。

（3）通過公式計算即可得出RV減速器在輸出轉(zhuǎn)速為15r/min時的傳動效率。

（4）再依次通過變頻器控制電機產(chǎn)生605r/min、1210r/min的轉(zhuǎn)速，使RV減速器輸出轉(zhuǎn)速分別為：5r/min、10r/min，重復(fù)上述步驟（2）（3），測得這兩種輸出轉(zhuǎn)速下RV減速器的傳動效率。

對測試數(shù)據(jù)進行處理，傳動效率的計算參照公式（4）（5）進行，查閱手冊，取聯(lián)軸器與軸承效率為99%。當減速器輸出轉(zhuǎn)速為15r/min時，所測得的數(shù)據(jù)如表2、3所示。

表2 國產(chǎn)某RV減速器傳動效率測試數(shù)據(jù)

表3 進口RV某減速器傳動效率測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，國產(chǎn)RV減速器與進口RV減速器的傳動效率——輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖4所示。

圖4 傳動效率——輸出轉(zhuǎn)矩曲線

測得國產(chǎn)RV減速器輸出轉(zhuǎn)速分別為5r/min、10r/min、15r/min三種轉(zhuǎn)速下的傳動效率——輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖5所示。

通過對測試所得的數(shù)據(jù)及圖4、5的分析，可得以下結(jié)論。

（1）在同樣的工作情況下，國產(chǎn)RV減速器的傳動效率低于進口RV減速器的傳動效率。

（2）無論在何種轉(zhuǎn)速情況下，傳動效率隨著負載力矩的增加而增大，并且其增大的趨勢逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

（3）通過對比5r/min、10r/min、15r/min三種轉(zhuǎn)速下傳動效率的變化情況可以看出，傳動效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低。

（4）在一定輸入轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，RV減速器傳動效率隨著負載的增加而增大。當負載不變的時候，傳動效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。

4.2 承載能力

在額定輸入轉(zhuǎn)速下，對RV減速器進行正、反兩向空載試驗，試驗時間不少于30min。

負載試驗時，按被測RV減速器額定轉(zhuǎn)矩的25%、50%、75%和100%四個階段逐步施加平穩(wěn)負載，其中前三個加載階段的每一階段運轉(zhuǎn)時間不大于2h。在額定轉(zhuǎn)矩為100%加載階段的運轉(zhuǎn)時間，應(yīng)以潤滑劑溫升穩(wěn)定（在30min內(nèi)變化不大于1℃）為準，但不少于2h。在每個加載階段，每隔固定的時間，記錄減速器輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。

根據(jù)負載試驗測得的數(shù)據(jù)，繪制出減速器輸出轉(zhuǎn)速曲線圖，如圖6所示。

由負載試驗輸出轉(zhuǎn)速—時間曲線圖可以得出以下結(jié)論：在各負載階段，被測RV減速器的輸出轉(zhuǎn)速隨時間變化比較平穩(wěn)，波動較小。表明被測RV減速器在負載情況下，能夠正常工作和運轉(zhuǎn)。

負載試驗后，按其額定轉(zhuǎn)矩的160%進行過載試驗，試驗時間不少于2min。過載試驗完成后，再對RV減速器進行空載跑合試驗，減速器能夠正常運轉(zhuǎn)，說明被測RV減速器滿足承載能力的性能要求。

5 結(jié)語

本文結(jié)合RV減速器的研發(fā)實踐，針對RV減速器的傳動效率及承載能力等動態(tài)性能指標進行了試驗研究，開發(fā)設(shè)計了能對動態(tài)性能進行測試的試驗系統(tǒng)，以某型號RV減速器為試驗對象進行了相關(guān)的性能試驗，并且對試驗得出的數(shù)據(jù)進行了處理及分析。試驗結(jié)果如下。

（1）RV減速器的傳動效率隨輸出轉(zhuǎn)速和負載力矩的變化特性。

（2）證實了RV減速器動態(tài)性能試驗系統(tǒng)的可行性和合理性，試驗系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

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