趙巧絨，王雪雯，王 鑫，張宏偉

（1.西京學(xué)院 機械工程學(xué)院，西安710123；2.寶雞文理學(xué)院 機械工程學(xué)院，陜西 寶雞721016；3.陜西省機器人關(guān)鍵零部件先進(jìn)制造與評估省市共建重點實驗室，西安721016）

機器人減速器是工業(yè)機器人的核心零部件，占整機成本的30%以上。世界75%的精密減速器市場被日本的Harmonica 和Nabtesco 所占領(lǐng)，其中Nabtesco 的RV 減速器約占60%的市場份額。我國目前正逐步進(jìn)入工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，以精密減速器為代表的核心零部件不能自給自足的現(xiàn)狀顯得尤為突出[1]。因此分析國產(chǎn)減速器的綜合性能參數(shù)，為國產(chǎn)減速器的設(shè)計與優(yōu)化提供參考，可以加速我國工業(yè)機器人的發(fā)展。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對諧波減速器、擺線針輪傳動進(jìn)行的研究較多，主要包括齒廓優(yōu)化[2]、傳動誤差[3-4]、疲勞壽命[5-6]、性能測試[7-8]、以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析[9]等。有關(guān)RV 減速器的性能研究與試驗分析是近幾年才發(fā)展起來的，雖然時間較短沒有諧波減速器的研究完善，但也涵蓋了齒廓修型[10-11]、傳動誤差[12-13]、疲勞與模態(tài)[14-15]、實驗測試[16-17]等方面。本文研究的另一種工業(yè)機器人用減速器來源于陜西省某新興企業(yè)自主研發(fā)的SG 系列機器人關(guān)節(jié)減速器。受該企業(yè)委托進(jìn)行其綜合性能的全面測試，并與陜西省老牌企業(yè)生產(chǎn)的RV減速器進(jìn)行綜合性能對比，為其優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

本文利用機器人綜合性能測試系統(tǒng)，分別進(jìn)行SG減速器與RV減速器的振動、溫度、噪聲及傳動效率的性能測試，對比分析兩者的優(yōu)缺點，為SG 系列減速器的設(shè)計與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 測試方案

1.1 測試系統(tǒng)與測試儀器

本文研究的SG 減速器來源于陜西省某新興企業(yè)，如圖1所示，該款減速機沒有走仿制進(jìn)口的路子，打造出了機器人減速機領(lǐng)域新結(jié)構(gòu)。本文作為標(biāo)桿的RV 減速器為秦川RV-40E 減速器，其各項指標(biāo)均處于國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

圖1 SG減速器

本文所用機器人減速器綜合性能測試系統(tǒng)如圖2所示。其結(jié)構(gòu)主要由電機、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、減速器等部件組成。

圖2 機器人減速器綜合性能測試系統(tǒng)

1.2 測點布置

測試系統(tǒng)主要是由單向振動加速度傳感器、溫度傳感器、噪聲傳感器、扭矩傳感器及便攜式振動信號分析儀組成。在采樣頻率為2 000 Hz 的情況下，利用單向加速度傳感器對減速器X、Y、Z三個方向的振動信號進(jìn)行采集，測點布置如圖3所示。溫度傳感器在減速器的正下方如圖3所示。噪聲傳感器位于實驗臺中部，見圖2。

圖3 測點布置

2 測試數(shù)據(jù)與分析

在電機轉(zhuǎn)速為0～3 000 r/min的升速過程中，分別測量兩種減速器的各項性能指標(biāo)。從時域、頻域、溫度、噪聲及傳動效率的角度對比兩減速器的綜合性能。

2.1 時域分析

利用機器人減速器綜合測試系統(tǒng)，分別測試兩減速器的時域振動信號。由于篇幅原因在此僅列出RV-40E 在電機轉(zhuǎn)速為500 r/min、負(fù)載50 N，采樣頻率為2 000 Hz 時，X、Y、Z三個方向的振動信號時域圖，見圖4。

由圖4可見，三個方向整體振動均圍繞0 m/s2上下波動，漂移較小。相比而言，X（水平）、Z（豎直）方向振動幅值較小，而Y（軸向）振動較大，該特征符合傳動系統(tǒng)振動的一般規(guī)律。計算整理此時三個方向的振動信號，求解最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)，得到RV-40E減速器振動性能指標(biāo)，見表1。

表1 RV-40E減速器振動性能

圖4 RV-40E減速器時域振動信號

由表1中可見，RV-40E 減速器X、Y、Z三個方向的振幅平均值分別為-0.059 m/s2、-0.119 9 m/s2、0.003 5 m/s2，整體漂移較小，說明信號的直流分量、外界隨機噪聲干擾較小。振動信號的最大值為0.764 m/s2，出現(xiàn)在Y（軸向）方向。標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.039 2 m/s2、0.185 m/s2、0.039 6 m/s2，查得日本帝人公司生產(chǎn)的RV 減速器在工作情況下振動加速度小于0.1m/s2，由此可知RV-40E減速器X、Z向振動信號符合標(biāo)準(zhǔn)，Y向超差。

測試SG減速器同樣在電機轉(zhuǎn)速為500 r/min、負(fù)載50 N，采樣頻率為2 000 Hz時，X、Y、Z三個方向的振動信號，求解最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)，得到SG減速器振動性能指標(biāo)，見表2。

表2 SG減速器振動性能

由表2可見，SG 減速器平均值大很多，在測試中發(fā)現(xiàn)其振動信號大多為正，負(fù)值較少，說明信號漂移較大。振動信號的最大值為0.833 m/s2，同樣出現(xiàn)在Y（軸向）方向，與表1相比，三個方向最大值均高于表1。標(biāo)準(zhǔn)差方面同樣如此，X、Z向高于表1，而Y向略低于表1。X、Z向振動信號符合標(biāo)準(zhǔn)，Y向超標(biāo)。由此可知SG減速器整體穩(wěn)定性低于RV減速器。

2.2 隨轉(zhuǎn)速變化的振動特性

以上研究為固定轉(zhuǎn)速下的振動特性，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時，兩種減速器的幅值變化呈非線性增長，因此有必要考察轉(zhuǎn)速升高過程中各方向振幅的變化。測試采樣頻率為2 000 Hz 時，輸出端不加載狀態(tài)下轉(zhuǎn)速由0 r/min升到3 000 r/min的過程中，每個轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定采樣5 s求得各方向的振動平均值，繪制兩種減速器各向振動對比折線圖，見圖5至圖6所示。

由圖5可見，隨著轉(zhuǎn)速的增大，RV-40E減速器三個方向振幅都呈上升趨勢，相比較而言，Y向振幅最大，X向次之，Z向增長較為平緩。

由圖6可見，隨著驅(qū)動轉(zhuǎn)速的增大，SG 減速器三個方向的振幅亦呈上升趨勢。Y向振幅最大，其最大值為RV-40E的3倍，X、Z向振幅幾乎相等。

圖5 RV-40E各向振動對比圖

圖6 SG減速器各向振動對比圖

兩種減速器隨轉(zhuǎn)速變化的振幅趨勢相同，振幅增長是階段性變化的，0～500 r/min區(qū)間段轉(zhuǎn)速增長劇烈，而500 r/min～1 000 r/min 區(qū)間段幅值保持平穩(wěn)，1 000 r/min～2 500 r/min 區(qū)間段振幅繼續(xù)增加，但增長越來越緩慢，直至停止增長。

2.3 溫度變化對比分析

利用機器人減速器綜合測試系統(tǒng)中的溫度傳感器進(jìn)行溫度測試，分別測試兩種減速器空載狀態(tài)下連續(xù)運行過程中隨轉(zhuǎn)速升高的溫度變化，見圖7所示。

由圖7可知，兩種減速器溫度增長趨勢大致相同，在0～1 700 r/min 轉(zhuǎn)速區(qū)間溫度變化不大，減速器空載、低速下運行，即處于低功率狀態(tài)，溫度不會造成任何影響。在1 700 r/min～2 000 r/min 區(qū)間段溫度升高，并在隨后的2 000 r/min～3 000 r/min區(qū)間段保持穩(wěn)定，此時減速器處于正常運行狀態(tài)，溫度略有升高，但對設(shè)備性能及潤滑油等都不會造成影響。相比較而言，RV-40E 的溫度偏高，在最開始溫度比SG減速器高出7°C，在轉(zhuǎn)速增加后，SG溫升幅度更大，此時RV-40E 比SG 高出4°C。兩種減速器均為新機，除去新機器處于磨合階段造成溫度升高等客觀原因，SG的冷卻系統(tǒng)、設(shè)備的通風(fēng)散熱等優(yōu)于RV-40E。

圖7 溫度對比圖

2.4 噪聲變化對比分析

噪聲是判斷減速器運行狀態(tài)是否良好的診斷方法之一，分別測試兩種減速器空載狀態(tài)下連續(xù)運行過程中隨轉(zhuǎn)速升高的噪聲變化，見圖8所示。

圖8 噪聲對比圖

由圖8可見，隨著驅(qū)動轉(zhuǎn)速的不斷增大，RV-40E與SG 減速器的噪聲在不斷增大，兩者在轉(zhuǎn)速0～1 500 r/min 的升速過程中噪聲均呈上升趨勢，在1 500 r/min 以后逐漸趨于平穩(wěn)。啟動階段SG 噪聲較低，但隨轉(zhuǎn)速不斷增大的過程中，SG噪聲超過了RV-40E。SG減速器傳動噪聲過大的原因可能是內(nèi)部齒輪精度等級略低。秦川機床廠作為高精度機床供應(yīng)商，其齒輪的加工精度更高，高精度齒輪比低精度齒輪傳動噪聲小的多。同時減速器內(nèi)部的齒輪誤差、裝配時的同心度，安裝過程中機身與基礎(chǔ)支撐以及連接件之間的共振，都可能產(chǎn)生噪聲?？傊琒G 減速器在噪聲方面與RV-40E相比有些許不足，可以參考以上幾個方面，從齒輪精度、箱體、連接件、軸承等設(shè)計、安裝、維護(hù)方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.5 傳動效率變化對比分析

傳動效率是判斷減速器性能好壞的重要指標(biāo)，Nabtesco 出產(chǎn)的RV 減速器其傳動效率可以達(dá)到85%～95%，國內(nèi)主流廠商的出廠指標(biāo)大約在60%～90%。分別測試兩種減速器不加載狀態(tài)下連續(xù)運行過程中隨轉(zhuǎn)速升高的傳動效率變化，如圖9所示。

圖9 傳動效率對比圖

由圖9可見，隨著驅(qū)動轉(zhuǎn)速的增大，SG 減速器傳動效率平穩(wěn)，并沒有出現(xiàn)比較劇烈的波動，傳動效率穩(wěn)定在20 %到22 %之間。RV-40E 上下輕微波動，基本穩(wěn)定在80 %左右，轉(zhuǎn)速在2 500 r/min～3 000 r/min時，其傳動效率達(dá)到最大值98%，此時性能已超過Nabtesco出產(chǎn)的RV減速器，說明國產(chǎn)減速器在部分指標(biāo)上已達(dá)到國際先進(jìn)水平?？傮w來看，SG 減速器在傳動效率上表現(xiàn)欠佳，與RV-40E 傳動效率相差4倍，沒有達(dá)到國內(nèi)廠商的最低標(biāo)準(zhǔn)。

3 傳動效率差異分析及優(yōu)化

3.1 傳動效率計算

在上文分析中，雖然在振動、溫度、噪聲方面SG都存在差異，但在傳動效率上的差距最為明顯，其他參數(shù)性能也可能受到傳動效率的影響而表現(xiàn)欠佳。因此有必要定量分析兩者在傳動效率上產(chǎn)生差異的原因。

對于RV減速器的傳動效率，國內(nèi)專家學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，普遍認(rèn)為RV減速器傳動效率一般可達(dá)到85%～92%[18-19]。部分學(xué)者采用仿真及實驗測試，得到RV-40E 最高效率為73.23 %[20]。參考Nabtesco 公司的精密控制用高剛性減速機RV SERIES 技術(shù)資料集，RV-40E 減速器效率曲線見圖10所示。

圖10 RV-40E減速器效率曲線圖

SG減速器為雙聯(lián)行星結(jié)構(gòu)(NGWN型)，計算時可等效為一級NGW 行星齒輪和一級正號機構(gòu)NN串聯(lián)[21]，如圖11所示。因此，NGWN 行星齒輪的傳動比為一級NGW 行星齒輪的傳動比和一級正號機構(gòu)NN 傳動比的乘積，NGWN 行星齒輪的效率為一級NGW 行星齒輪的效率和一級正號機構(gòu)NN 效率的乘積。其中i12=-7，i1″2″=1.043，單對齒輪嚙合效率為95.06%。

圖11 SG等效機構(gòu)

其傳動比和傳動效率為

經(jīng)計算SG 的傳動比較大，但傳動效率極低，理論傳動效率僅為44.53%。同時，雙聯(lián)行星輪工藝性差，制造、安裝復(fù)雜，對制造精度要求高，其均載性能對制造誤差敏感，因此實際傳動效率往往達(dá)不到理論計算值。

3.2 傳動效率差異分析及改善方案

造成SG 減速器傳動效率未達(dá)到理論值的原因主要有以下兩點：

（1）SG 嚙合齒對數(shù)量未達(dá)標(biāo)。在輸入轉(zhuǎn)速恒定的情況下，起初齒輪嚙合并不完美，所以效率達(dá)不到出廠樣本效率。隨著時間增長嚙合齒對數(shù)量增多，輸出端負(fù)載會逐漸升高，進(jìn)而傳動效率升高。在實驗過程中RV-40E 的傳動效率即隨時間增長而增長，最終達(dá)到最高傳動效率98 %時已運行了30 分鐘。但SG減速器未出現(xiàn)隨時間增長而增長的現(xiàn)象，因此推斷其內(nèi)部嚙合點數(shù)量未達(dá)到理論值（9個）。

（2）齒輪傳動的功率損耗較大。傳動效率主要來源于齒輪傳動的功率損耗、軸承摩擦的功率損耗及潤滑油攪動的功率損耗等。其中齒輪傳動的功率損耗所占比重最大，主要由輪齒間的嚙合摩擦引起，受齒面加工精度影響極大。通過拆機觀察發(fā)現(xiàn)，SG減速器經(jīng)過測試后其潤滑油由黃色變?yōu)楹谏?，潤滑油中含有大量鐵屑，其齒輪加工等級為9級，齒面存在劃痕。因此SG 減速器加工精度過低也是造成其傳動效率低的重要因素。

大速比行星齒輪效率會隨傳動比增大而迅速降低，這是由其結(jié)構(gòu)決定的。但相較于理論值，實際測試結(jié)果僅占理論值的50%，若能在制造及安裝工藝方面加以完善可以進(jìn)一步提高SG的傳動效率。

4 結(jié)語

本文測試分析了SG減速器與RV-40E減速器的振動、噪聲、溫度及效率指標(biāo)，剖析了SG減速器相對于RV減速器的優(yōu)缺點。振動特性方面，兩者在軸向振動幅值方面與國外產(chǎn)品相比均超差，水平與垂直方向符合國際標(biāo)準(zhǔn)。SG減速器整體穩(wěn)定性低于RV減速器，但在溫度、噪聲方面略有優(yōu)勢，均低于RV。傳動效率方面，SG減速器表現(xiàn)欠佳，與RV傳動效率相差4倍，沒有達(dá)到國內(nèi)廠商的最低標(biāo)準(zhǔn)，一方面由于大速比行星齒輪自身的傳動效率理論值偏低，另一方面SG 減速器的制造及安裝工藝均未達(dá)標(biāo)。在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計中SG可以考慮在齒輪精度、加工誤差、整體的安裝過程、間隙等方面來減少摩擦，提高傳動效率。