新型機(jī)器人用RV減速器測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

史旭東，崔玉明，朱劍鋒

（1.南京工程學(xué)院，南京 211167；2.南京康尼機(jī)電股份有限公司，南京 210013）

新型機(jī)器人用RV減速器測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

史旭東1，2，崔玉明2，朱劍鋒2

（1.南京工程學(xué)院，南京 211167；2.南京康尼機(jī)電股份有限公司，南京 210013）

以機(jī)器人用RV減速器為研究對(duì)象，針對(duì)影響其主要精度和性能的項(xiàng)目指標(biāo)，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析并設(shè)計(jì)新型機(jī)器人用RV減速器測(cè)試平臺(tái)及相應(yīng)的PLC數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究了測(cè)試平臺(tái)的精度和測(cè)試效果。結(jié)果表明：該測(cè)試平臺(tái)能夠滿足多型號(hào)RV減速器多項(xiàng)主要性能參數(shù)的測(cè)試要求，提高測(cè)試效率，降低測(cè)試成本；實(shí)際對(duì)比測(cè)試結(jié)果顯示部分國(guó)產(chǎn)RV減速器在扭轉(zhuǎn)剛度、回差和角度傳遞誤差等方面均不及進(jìn)口減速器水平；對(duì)比測(cè)試的結(jié)果與理論值接近，測(cè)試方法正確，可為其他類型機(jī)器人用精密減速器的測(cè)試提供參考和依據(jù)。

RV減速器；扭轉(zhuǎn)剛度；回差；測(cè)試平臺(tái)；對(duì)比試驗(yàn)

0　引言

隨著德國(guó)“工業(yè)4.0”概念的提出，智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流的理念迅速普及開(kāi)來(lái)，國(guó)內(nèi)也相應(yīng)的提出了“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略。在由“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”的深刻改革進(jìn)程中都離不開(kāi)智能工業(yè)機(jī)器人的參與。機(jī)器人生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量則主要取決于機(jī)器人關(guān)節(jié)RV減速器的精度和性能［1，2］，RV減速器如圖1所示。因此，對(duì)機(jī)器人用RV減速器的精度和性能進(jìn)行精確地測(cè)試是優(yōu)化RV減速器、提高機(jī)器人精度、保證其產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)和前提［3，4］。現(xiàn)有減速器測(cè)試臺(tái)測(cè)試精度和效率較低、適用范圍小、測(cè)試成本高，故設(shè)計(jì)一種新型的機(jī)器人RV減速器測(cè)試平臺(tái)是十分重要和必要的。

圖1　機(jī)器人用RV減速器

1　性能分析

對(duì)于機(jī)器人用RV減速器而言，其主要性能指標(biāo)有很多項(xiàng)，使用過(guò)程中對(duì)機(jī)器人精度起主要影響作用的有以下三項(xiàng)［5，6］。

1.1回差

將RV減速器輸入端與殼體均固定，在輸出端施加3%額定轉(zhuǎn)矩順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，減速器輸出端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角差值即為減速器的回差。其在RV減速器滯回曲線中可以形象的表示出來(lái)，如圖2中所示。

圖2　RV減速器滯回曲線

1.2扭轉(zhuǎn)剛度和空程

將RV減速器輸入端與殼體均固定，對(duì)減速器輸出端施加扭矩載荷時(shí)，減速器承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與切向彈性變形轉(zhuǎn)角之比值即為其扭轉(zhuǎn)剛度，它描述的是減速器抗變形能力的大小。而空程則代表減速器輸出軸由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的過(guò)程中齒輪嚙合的間隙對(duì)減速器精度的影響，以負(fù)載扭矩為零時(shí)輸出軸換向轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)角變化來(lái)表示，如圖2所示。

1.3角度傳遞誤差

角度傳遞誤差是指輸入任意旋轉(zhuǎn)角時(shí)的理論輸出旋轉(zhuǎn)角度與實(shí)際輸出旋轉(zhuǎn)角度之間的差，它反映了減速器在不同工作狀態(tài)下的輸出精度。

2　測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與分析

現(xiàn)有測(cè)試臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一型號(hào)減速器產(chǎn)品的測(cè)試，或者可以對(duì)不同型號(hào)產(chǎn)品的同一項(xiàng)性能要求進(jìn)行測(cè)試［7～11］，但是為了進(jìn)一步提高測(cè)試精度、降低測(cè)試成本、擴(kuò)大測(cè)試平臺(tái)的適用范圍，本文基于對(duì)RV減速器多項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目要求的分析，設(shè)計(jì)一種新型RV減速器測(cè)試平臺(tái)。

新型RV減速器測(cè)試平臺(tái)主要包括伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。其中伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要控制伺服電機(jī)和加載裝置，為整個(gè)測(cè)試平臺(tái)提供動(dòng)力和負(fù)載；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的零部件結(jié)構(gòu)與配合，保證RV減速器測(cè)試平臺(tái)傳動(dòng)和加載的實(shí)現(xiàn)；控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括角度編碼器、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PLC控制器和顯示器等，主要將傳感器輸出的信號(hào)采集并分析處理后以Excel圖表形式輸出，并以PLC控制器實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目之間的切換。

圖3　測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)框圖

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型RV減速器測(cè)試平臺(tái)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(dòng)滑臺(tái)、伺服電機(jī)、輸入端軸承座和輸入端角度編碼器；減速器組件包括輸入齒輪軸、RV減速器、安裝法蘭和輸出法蘭；輸出端組件包括輸出軸、輸出端軸承座、輸出端角度編碼器和扭矩傳感器；加載裝置為氣動(dòng)盤式制動(dòng)器。RV減速器測(cè)試平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　測(cè)試平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

該方案將測(cè)試平臺(tái)的輸入端設(shè)置成可快速移動(dòng)的精密移動(dòng)滑臺(tái)結(jié)構(gòu)，減速器安裝和輸出部分也設(shè)計(jì)成可拆卸的過(guò)渡法蘭聯(lián)接，方便多種型號(hào)RV減速器的快速換接，因此，該新型測(cè)試平臺(tái)可以方便的對(duì)不同型號(hào)RV減速器進(jìn)行性能測(cè)試。在對(duì)不同RV減速器進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，僅需要將移動(dòng)滑臺(tái)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(dòng)滑臺(tái)推進(jìn)至原位置并鎖緊即可，大大提高了測(cè)試效率，增大了測(cè)試平臺(tái)的適用范圍，縮減了測(cè)試成本。

同時(shí)，測(cè)試平臺(tái)加載裝置采用氣動(dòng)盤式制動(dòng)器，克服了磁粉離合器施加扭矩限制和手動(dòng)砝碼加載的非連續(xù)性限制，能夠同時(shí)適用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)加載，提高了加載效率。

2.2系統(tǒng)精度分析

根據(jù)文獻(xiàn)［12］可知，現(xiàn)有RV減速器精度基本在1′左右，高精度RV減速器精度甚至可以達(dá)到30″以內(nèi)，因此本測(cè)試臺(tái)輸出端采用德國(guó)HEIDENHAIN高精度RON886角度編碼器（測(cè)量精度可以達(dá)到1″）測(cè)量減速器輸出軸的扭轉(zhuǎn)角變化量，同時(shí)在輸入端采用德國(guó)HEIDENHAIN高精度RON785角度編碼器（測(cè)量精度達(dá)到2″）測(cè)量減速器輸入軸的扭轉(zhuǎn)角變化量用來(lái)對(duì)比驗(yàn)證，該方法大大提高的測(cè)試的精度。

RV減速器輸出端采用0～100N.m和0～1000N.m雙量程扭矩傳感器，扭矩傳感器精度為0.15%F.S，能夠滿足多種型號(hào)RV減速器性能測(cè)試的要求。

由于任何測(cè)試系統(tǒng)都不可避免的存在方法誤差，所以本系統(tǒng)中也存在一些對(duì)精度產(chǎn)生影響的因素，直接測(cè)得的數(shù)據(jù)并非是減速器本身的剛度，還包括輸入軸剛度、輸出軸剛度和支架剛度等等，各剛度因素等效示意圖如圖5所示。因此，還需要在測(cè)試數(shù)據(jù)上進(jìn)行一定的處理才能得到RV減速器自身的扭轉(zhuǎn)剛度。

圖5　剛度影響因素等效示意圖

如上圖所示，各環(huán)節(jié)剛度影響基本為串聯(lián)關(guān)系，且支座剛度kz1和減速器支座剛度kz2與臺(tái)架固定連接，對(duì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果影響較小，可以忽略不計(jì)。其中，考慮輸入軸剛度kin對(duì)輸出軸測(cè)試結(jié)果的影響，需要計(jì)入減速器傳動(dòng)比i，因此減速器實(shí)際扭轉(zhuǎn)剛度k：

式中：

k為RV減速器實(shí)際扭轉(zhuǎn)剛度，N.m/arcmin；

kc為測(cè)試剛度，N.m/arcmin；

kin為輸入軸剛度，N.m/arcmin；

i為減速比；

kout為輸出軸剛度N.m/arcmin。

以上參數(shù)中，kc通過(guò)實(shí)際測(cè)試擬合得到，kin、kout通過(guò)計(jì)算得到，減速比i為已知量，進(jìn)而可以求得RV減速器扭轉(zhuǎn)剛度k。

2.3數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)利用1臺(tái)S700控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的伺服驅(qū)動(dòng)器、扭矩編碼器、角度編碼器進(jìn)行通訊，其原理如圖6所示。其中伺服驅(qū)動(dòng)器采用總線通訊方式；扭矩傳感器采用硬接線方式（PLC接收編碼器0～10V信號(hào)）；角度編碼器利用差分信號(hào)轉(zhuǎn)換器將1vpp信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器通訊。所有數(shù)據(jù)在S7200PLC內(nèi)進(jìn)行處理。系統(tǒng)配置1臺(tái)人機(jī)界面觸摸屏與PLC控制器連接，用于顯示及設(shè)定各相關(guān)參數(shù)。

圖6　數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)原理圖

3　試驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1扭轉(zhuǎn)剛度、空程及回差試驗(yàn)

對(duì)RV減速器分別正反向加載至其額定扭矩并卸載，采集扭矩傳感器及角度編碼器數(shù)值，并繪制RV減速器滯回曲線，使用最小二乘法擬合得到其扭轉(zhuǎn)剛度曲線，即可確定減速器空程、回差及其扭轉(zhuǎn)剛度。

為驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果，特取某型號(hào)國(guó)產(chǎn)RV減速器與進(jìn)口RV減速器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。由于測(cè)試數(shù)據(jù)較多，故取部分加載及測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示，表1為進(jìn)口RV減速器測(cè)試數(shù)據(jù)，表2為國(guó)產(chǎn)RV減速器測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1　進(jìn)口某型號(hào)RV減速器剛度測(cè)試數(shù)據(jù)表

表2　國(guó)產(chǎn)某型號(hào)RV減速器剛度測(cè)試數(shù)據(jù)表

根據(jù)上表可以作出兩種RV減速器各自滯回曲線，如圖7所示，進(jìn)而根據(jù)最小二乘法計(jì)算得出其扭轉(zhuǎn)剛度、空程和回差的實(shí)測(cè)值，剔除輸入輸出軸的剛度影響后，兩款RV減速器剛度特性各參數(shù)計(jì)算值如表3所示。

圖7　試驗(yàn)滯回曲線

表3　RV減速器剛度特性表

可以看出，國(guó)產(chǎn)RV減速器扭轉(zhuǎn)剛度較進(jìn)口RV減速器低28%，空程卻高出25.2%，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)RV減速器承載運(yùn)行時(shí)抗變形能力較差，而空載運(yùn)行時(shí)的嚙合間隙卻很大，進(jìn)而可能導(dǎo)致RV減速器整體精度較差。另外，進(jìn)口RV減速器剛度和回差的測(cè)試結(jié)果均與理論值接近且略大于理論值，正反轉(zhuǎn)過(guò)程中的換向精度較高，而國(guó)產(chǎn)RV減速器在該測(cè)試中表現(xiàn)較為一般。該試驗(yàn)說(shuō)明機(jī)器人用RV減速器的國(guó)產(chǎn)化要達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平還需要一定的努力。通過(guò)該試驗(yàn)研究，既得到了減速器的相關(guān)性能參數(shù)，同時(shí)也驗(yàn)證了該測(cè)試平臺(tái)的適用性和實(shí)用性，為其他型號(hào)機(jī)器人用精密減速器的測(cè)試提供了參考和依據(jù)。

3.2角度傳遞誤差試驗(yàn)

根據(jù)角度傳遞誤差測(cè)試原理，對(duì)國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口RV減速器分別進(jìn)行測(cè)試后得到其各自角度傳遞誤差曲線，如圖8所示。進(jìn)而由圖8可以得到兩款減速器的角度傳遞誤差及其標(biāo)準(zhǔn)差，如表4所示。

由圖8和表4可以看出，進(jìn)口RV減速器運(yùn)行平穩(wěn)，角度傳遞更為精確，且重復(fù)誤差較小，誤差波動(dòng)范圍小。國(guó)產(chǎn)RV減速器在角度傳遞誤差上比進(jìn)口產(chǎn)品誤差高出24.9%，角度傳遞誤差波動(dòng)范圍超出28.9%，傳動(dòng)精度明顯低于進(jìn)口RV減速器。尤其是國(guó)產(chǎn)RV減速器角度傳遞的重復(fù)誤差為-0.441arcmin，遠(yuǎn)大于進(jìn)口減速器的0.018arcmin，因而對(duì)機(jī)器人重復(fù)定位精度影響較大。通過(guò)該測(cè)試，既得到了減速器的相關(guān)性能參數(shù)，同時(shí)也驗(yàn)證了該測(cè)試平臺(tái)的適用性和實(shí)用性，為其他型號(hào)機(jī)器人用精密減速器的測(cè)試提供了參考和依據(jù)。

圖8　角度傳遞誤差試驗(yàn)曲線

表4　RV減速器角度傳遞誤差表

4　結(jié)論

本文針對(duì)機(jī)器人用RV減速器測(cè)試?yán)щy的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)器人用RV減速器測(cè)試平臺(tái)，并通過(guò)對(duì)進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)某型號(hào)RV減速器的測(cè)試驗(yàn)證了該測(cè)試平臺(tái)的實(shí)用性。結(jié)果表明：

1）該新型RV減速器測(cè)試平臺(tái)及其控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠滿足多型號(hào)RV減速器多項(xiàng)主要性能參數(shù)的測(cè)試要求，提高測(cè)試效率，降低測(cè)試成本；

2）對(duì)進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)某型號(hào)RV減速器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試后分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)RV減速器在扭轉(zhuǎn)剛度、回差和角度傳遞誤差等方面均不及進(jìn)口減速器水平，整體研制水平還需進(jìn)一步提高；

3）該新型測(cè)試平臺(tái)能夠?qū)V減速器的主要性能進(jìn)行高精度測(cè)試，對(duì)比測(cè)試結(jié)果與理論值接近，可信度高，可為其他類型機(jī)器人用精密減速器的測(cè)試提供參考和依據(jù)。

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Design and experimental analysis of new test platform for RV reducer used in robot

SHI Xu-dong1，2，CUI Yu-ming2，ZHU Jian-feng2

TH132

A

1009-0134（2016）09-0141-05

2016-08-12

史旭東（1968 -），男，江蘇溧陽(yáng)人，高級(jí)工程師，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械加工工藝與自動(dòng)化設(shè)備。