/1.寶雞文理學(xué)院機械工程學(xué)院；.陜西北方動力有限責(zé)任公司；3.陜西省機器人關(guān)鍵零部件先進制造與評估省市共建重點實驗室

0 引言

RV減速器已成為工業(yè)機器人的三大核心技術(shù)之一，我國對工業(yè)機器人用精密減速器的研究相比國外較晚，與國外先進技術(shù)相比存在一定的差距，嚴重制約了我國工業(yè)機器人的發(fā)展進程[1]。

目前國內(nèi)外學(xué)者已對RV減速器開展了基礎(chǔ)研究。黃興[2]將典型品牌精密減速器的關(guān)鍵技術(shù)指標進行了對比，分析了國內(nèi)外精密減速器的技術(shù)差距。國產(chǎn)減速器主要在傳動準確度上與國外產(chǎn)品存在差距。為此，國內(nèi)專家學(xué)者在傳動準確度的計算[3]、控制[4]與測試[5]方面均進行了研究。為檢驗RV減速器的綜合性能，測試與分析工作也同樣重要。陳李果[6]、王建輝[7]與彭鵬[8]等利用RV減速器綜合性能試驗裝置和振動測試系統(tǒng)，分析了國產(chǎn)RV減速器的振動、噪聲及綜合性能?；谟邢拊膭討B(tài)仿真[9]及模態(tài)分析[10]也為RV減速器的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。但國內(nèi)RV減速器的綜合性能還有待提高。

本文研究一種用于工業(yè)機器人的雙聯(lián)行星減速器，該減速器可作為RV減速器的替代產(chǎn)品。利用機器人綜合性能測試系統(tǒng)，分別進行雙聯(lián)行星減速器與RV減速器的驅(qū)動功率、負載功率及傳動效率的性能測試，對比分析兩者的優(yōu)缺點，為雙聯(lián)行星系列減速器的設(shè)計與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 測試方案

1.1 測試儀器

本文研究的雙聯(lián)行星減速器采用雙聯(lián)行星結(jié)構(gòu)，減速比大，同軸輸出，傳動穩(wěn)定；輸出端采用YRT軸承與機殼一體化設(shè)計，外形更緊湊，體型更??；內(nèi)部增加了扭力緩沖裝置，可以減輕碰撞對減速器及機器人機體的傷害；鍵槽采用半圓缺結(jié)構(gòu)設(shè)計，可承受的切向力比普通鍵槽高3倍以上；采用自研發(fā)的T形輪架，在減速器受相同承載力的情況下，其加工制造成本低于普通行星減速器的一半以上，裝配也更簡單。所用的RV減速器為國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的RV-40E減速器。

本文所用機器人減速器綜合性能測試系統(tǒng)如圖1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。通過采集輸入端與輸出端扭矩傳感器的數(shù)據(jù)，計算得到驅(qū)動功率、負載功率及傳動效率。

1.2 測試方法

利用圖1測試系統(tǒng)，通過控制輸入端驅(qū)動電機控制減速器輸入轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速變化時輸入轉(zhuǎn)速逐漸升高，輸出軸同步電機也協(xié)同調(diào)整轉(zhuǎn)速，這一過程一般需要10 s。扭矩達到穩(wěn)定狀態(tài)還需要更長的時間，其隨轉(zhuǎn)速增加的跨度不同需要的時間不等，一般在3 min內(nèi)可以達到穩(wěn)定狀態(tài)。待參數(shù)穩(wěn)定后數(shù)值輕微波動，予以忽略。測試過程中采集變速5 min后的瞬時數(shù)據(jù)作為計算參數(shù)。

圖1 機器人減速器綜合性能測試系統(tǒng)

2 數(shù)據(jù)測試與分析

2.1 RV減速器功率變化

測試空載狀態(tài)下，RV減速器輸入端轉(zhuǎn)速由200 r/min升至3 000 r/min的過程中，由其負載功率和驅(qū)動功率的變化，繪制RV減速器驅(qū)動功率與負載功率變化對比圖，如圖2所示。

圖2 RV減速器功率隨轉(zhuǎn)速變化

由圖2可見，隨驅(qū)動轉(zhuǎn)速的升高，RV減速器的負載功率總體呈上升趨勢，在1 700 r/min時達到0.16 kW峰值，隨后下降，在驅(qū)動轉(zhuǎn)速為2 000 r/min到3 000 r/min的區(qū)間穩(wěn)定保持在0.09 kW。負載功率同樣呈上升趨勢，在1 700 r/min時達到0.09 kW峰值，隨后在2 000～3 000 r/min的區(qū)間穩(wěn)定地保持在0.09 kW，與驅(qū)動功率幾乎相同。

2.2 雙聯(lián)行星減速器功率變化

同樣在空載狀態(tài)下，測試雙聯(lián)行星減速器隨著轉(zhuǎn)速升高的過程中，其驅(qū)動功率與負載功率的變化，如圖3所示。

圖3 雙聯(lián)行星減速器功率隨轉(zhuǎn)速變化

如圖3可見，雙聯(lián)行星減速器驅(qū)動功率與負載功率隨驅(qū)動轉(zhuǎn)速的升高而增大。負載功率比較平緩，基本呈線性上升趨勢，最大值為0.32 kW。驅(qū)動功率在200～2 000 r/min的區(qū)間增長較快，呈線性，在大于2 000 r/min后增長放緩，穩(wěn)定在1.2 kW。驅(qū)動功率一直維持在負載功率的4～5倍。由此可見，雙聯(lián)行星減速器在200～2 000 r/min的區(qū)間機械損耗較多。

2.3 兩種減速器驅(qū)動功率對比

對比兩種減速器的驅(qū)動功率，如圖4所示。

圖4 兩種減速器驅(qū)動功率對比

由圖4可見，雙聯(lián)行星減速器與RV減速器的驅(qū)動功率隨驅(qū)動轉(zhuǎn)速的升高均呈上升趨勢。雙聯(lián)行星減速器驅(qū)動功率上升較快，呈線性增長，在驅(qū)動轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時逐漸平穩(wěn)。而RV減速器驅(qū)動功率一直比較穩(wěn)定，隨著驅(qū)動轉(zhuǎn)速的升高，幅值基本都處于0.1 kW以下，而雙聯(lián)行星減速器最大值則為1.23 kW，兩者相比，雙聯(lián)行星減速器驅(qū)動功率明顯較大，是RV減速器的12倍，即雙聯(lián)行星減速器需要以接近RV減速器12倍的功率去克服摩擦力，驅(qū)使減速器旋轉(zhuǎn)、減速，同時提高扭矩，降低負載慣量。雙聯(lián)行星減速器結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于具有大傳動比，RV減速器的傳動比為121，而雙聯(lián)行星減速器的傳動比為194，大傳動比導(dǎo)致其驅(qū)動功率相比其他結(jié)構(gòu)的驅(qū)動功率迅速增大。從全國典型品牌產(chǎn)品性能來看，雙聯(lián)行星減速器的驅(qū)動功率高于大多數(shù)國產(chǎn)減速器驅(qū)動功率，其減速結(jié)構(gòu)沒有RV減速器的成熟。對于雙聯(lián)行星減速器而言，驅(qū)動功率過大將會導(dǎo)致其各方面性能損耗較大，這也將成為雙聯(lián)行星減速器今后在用于工業(yè)機器人上的一大問題。

2.4 兩種減速器負載功率對比

對比兩種減速器的負載功率，如圖5所示。

通過觀察圖5可知，RV減速器與雙聯(lián)行星減速器負載功率隨驅(qū)動轉(zhuǎn)速的升高均呈線性上升趨勢，且均在轉(zhuǎn)速2 500 r/min時達到最大值。由于雙聯(lián)行星減速器驅(qū)動功率較大，其負載功率同樣高于RV減速器。RV減速器在驅(qū)動轉(zhuǎn)速變化區(qū)間內(nèi)，負載功率最大值為0.09 kW，而雙聯(lián)行星減速器在相同的驅(qū)動轉(zhuǎn)速變化區(qū)間內(nèi)，負載功率最大值為0.34 kW，約為RV減速器的4倍。工業(yè)機器人末端機械手最大承載能力一般為3 kg，對于部分應(yīng)用場合受限很大，但雙聯(lián)行星減速器內(nèi)置自動抱死結(jié)構(gòu)，其在承載能力上的提升也許能突破這一技術(shù)指標。

圖5 兩種減速器負載功率對比

3 傳動效率對比

傳動效率等于減速器負載功率與驅(qū)動功率的比值。計算兩種減速器的傳動效率，如圖6所示。

圖6 傳動效率對比

由圖6可見，隨著驅(qū)動轉(zhuǎn)速的升高，雙聯(lián)行星減速器傳動效率狀態(tài)平穩(wěn)，并沒有出現(xiàn)劇烈的波動，傳動效率一直保持在20%～22%。RV減速器傳動效率上下波動頻繁，每次測試都需經(jīng)過長時間的運轉(zhuǎn)，傳動效率才能穩(wěn)定。RV減速器的傳動效率明顯高于雙聯(lián)行星減速器，其平均值為80%。RV減速器在驅(qū)動轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時傳動效率達到最大值98%。而雙聯(lián)行星減速器傳動效率最大值為22.7%，總體來看，雙聯(lián)行星減速器在傳動效率上表現(xiàn)欠佳。經(jīng)計算，雙聯(lián)行星減速器的傳動效率極低，理論傳動效率僅為44.53%。同時，雙聯(lián)行星減速器的齒輪工藝性能差，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不到理論計算值。

由表1可見，國內(nèi)外減速器傳動效率普遍在60%以上，而雙聯(lián)行星減速器傳動效率嚴重偏低，沒有達到國內(nèi)外減速器傳動效率參數(shù)指標。

表1 國內(nèi)外典型產(chǎn)品傳動效率指標

通過拆機觀察發(fā)現(xiàn)，雙聯(lián)行星減速器新機經(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，判斷其傳動效率過低的原因可能為齒輪精度過低以及裝配工藝不當造成的齒面劃傷。相比之下RV減速器的齒輪加工精度更高，高精度齒輪比低精度齒輪傳動摩擦小得多。同時減速器內(nèi)部的齒輪誤差、裝配時的同心度、齒測間隙、安裝過程中機身與基礎(chǔ)支撐以及連接件之間的配合，都可能影響其傳動效率。對于現(xiàn)代工業(yè)而言，傳動效率是檢驗一個減速器綜合性能的重要標準，其傳動效率偏低勢必會阻礙未來的發(fā)展。后續(xù)優(yōu)化設(shè)計中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、維護方面進行優(yōu)化，提升雙聯(lián)行星減速器綜合性能，提升國內(nèi)減速器自主研發(fā)水平。

4 結(jié)語

本文測試分析了雙聯(lián)行星減速器與RV減速器的驅(qū)動功率、負載功率，并計算了傳動效率。通過分析可知，雙聯(lián)行星減速器的負載功率和驅(qū)動功率都明顯高于RV減速器，而其傳動效率遠低于RV減速器，相比之下，RV減速器較為成熟，而雙聯(lián)行星減速器雖然其綜合性能欠佳，但其傳動比大、承載大的優(yōu)點，也使得其在突破傳統(tǒng)設(shè)計的同時具備自身優(yōu)勢。在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計中雙聯(lián)行星減速器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。