SG與RV減速器綜合性能對(duì)比分析

趙巧絨，王雪雯，王 鑫，張宏偉

（1.西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安710123；2.寶雞文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 寶雞721016；3.陜西省機(jī)器人關(guān)鍵零部件先進(jìn)制造與評(píng)估省市共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安721016）

機(jī)器人減速器是工業(yè)機(jī)器人的核心零部件，占整機(jī)成本的30%以上。世界75%的精密減速器市場(chǎng)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(chǎng)份額。我國(guó)目前正逐步進(jìn)入工業(yè)機(jī)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(guó)產(chǎn)減速器的綜合性能參數(shù)，為國(guó)產(chǎn)減速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考，可以加速我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)諧波減速器、擺線針輪傳動(dòng)進(jìn)行的研究較多，主要包括齒廓優(yōu)化[2]、傳動(dòng)誤差[3-4]、疲勞壽命[5-6]、性能測(cè)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(yàn)分析是近幾年才發(fā)展起來(lái)的，雖然時(shí)間較短沒(méi)有諧波減速器的研究完善，但也涵蓋了齒廓修型[10-11]、傳動(dòng)誤差[12-13]、疲勞與模態(tài)[14-15]、實(shí)驗(yàn)測(cè)試[16-17]等方面。本文研究的另一種工業(yè)機(jī)器人用減速器來(lái)源于陜西省某新興企業(yè)自主研發(fā)的SG 系列機(jī)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(cè)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(duì)比，為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

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

1 測(cè)試方案

1.1 測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試儀器

本文研究的SG 減速器來(lái)源于陜西省某新興企業(yè)，如圖1所示，該款減速機(jī)沒(méi)有走仿制進(jìn)口的路子，打造出了機(jī)器人減速機(jī)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(xiàng)指標(biāo)均處于國(guó)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(jī)器人減速器綜合性能測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。其結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、減速器等部件組成。

圖2 機(jī)器人減速器綜合性能測(cè)試系統(tǒng)

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試系統(tǒng)主要是由單向振動(dòng)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(dòng)信號(hào)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(duì)減速器X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，測(cè)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)臺(tái)中部，見(jiàn)圖2。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

2 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

在電機(jī)轉(zhuǎn)速為0～3 000 r/min的升速過(guò)程中，分別測(cè)量?jī)煞N減速器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。從時(shí)域、頻域、溫度、噪聲及傳動(dòng)效率的角度對(duì)比兩減速器的綜合性能。

2.1 時(shí)域分析

利用機(jī)器人減速器綜合測(cè)試系統(tǒng)，分別測(cè)試兩減速器的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)。由于篇幅原因在此僅列出RV-40E 在電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min、負(fù)載50 N，采樣頻率為2 000 Hz 時(shí)，X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖，見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，三個(gè)方向整體振動(dòng)均圍繞0 m/s2上下波動(dòng)，漂移較小。相比而言，X（水平）、Z（豎直）方向振動(dòng)幅值較小，而Y（軸向）振動(dòng)較大，該特征符合傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)的一般規(guī)律。計(jì)算整理此時(shí)三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)，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(dòng)性能指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 RV-40E減速器振動(dòng)性能

圖4 RV-40E減速器時(shí)域振動(dòng)信號(hào)

由表1中可見(jiàn)，RV-40E 減速器X、Y、Z三個(gè)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(shuō)明信號(hào)的直流分量、外界隨機(jī)噪聲干擾較小。振動(dòng)信號(hào)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(dòng)加速度小于0.1m/s2，由此可知RV-40E減速器X、Z向振動(dòng)信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)，Y向超差。

測(cè)試SG減速器同樣在電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min、負(fù)載50 N，采樣頻率為2 000 Hz時(shí)，X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)，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(dòng)性能指標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 SG減速器振動(dòng)性能

由表2可見(jiàn)，SG 減速器平均值大很多，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)信號(hào)大多為正，負(fù)值較少，說(shuō)明信號(hào)漂移較大。振動(dòng)信號(hào)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(gè)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(dòng)信號(hào)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(dòng)特性

以上研究為固定轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)特性，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，兩種減速器的幅值變化呈非線性增長(zhǎng)，因此有必要考察轉(zhuǎn)速升高過(guò)程中各方向振幅的變化。測(cè)試采樣頻率為2 000 Hz 時(shí)，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(guò)程中，每個(gè)轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定采樣5 s求得各方向的振動(dòng)平均值，繪制兩種減速器各向振動(dòng)對(duì)比折線圖，見(jiàn)圖5至圖6所示。

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

由圖6可見(jiàn)，隨著驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的增大，SG 減速器三個(gè)方向的振幅亦呈上升趨勢(shì)。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(dòng)對(duì)比圖

圖6 SG減速器各向振動(dòng)對(duì)比圖

兩種減速器隨轉(zhuǎn)速變化的振幅趨勢(shì)相同，振幅增長(zhǎng)是階段性變化的，0～500 r/min區(qū)間段轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)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(zhǎng)越來(lái)越緩慢，直至停止增長(zhǎng)。

2.3 溫度變化對(duì)比分析

利用機(jī)器人減速器綜合測(cè)試系統(tǒng)中的溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)試，分別測(cè)試兩種減速器空載狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中隨轉(zhuǎn)速升高的溫度變化，見(jiàn)圖7所示。

由圖7可知，兩種減速器溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)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(yùn)行，即處于低功率狀態(tài)，溫度不會(huì)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(shí)減速器處于正常運(yùn)行狀態(tài)，溫度略有升高，但對(duì)設(shè)備性能及潤(rùn)滑油等都不會(huì)造成影響。相比較而言，RV-40E 的溫度偏高，在最開(kāi)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(shí)RV-40E 比SG 高出4°C。兩種減速器均為新機(jī)，除去新機(jī)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(duì)比圖

2.4 噪聲變化對(duì)比分析

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

圖8 噪聲對(duì)比圖

由圖8可見(jiàn)，隨著驅(qū)動(dòng)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(guò)程中噪聲均呈上升趨勢(shì)，在1 500 r/min 以后逐漸趨于平穩(wěn)。啟動(dòng)階段SG 噪聲較低，但隨轉(zhuǎn)速不斷增大的過(guò)程中，SG噪聲超過(guò)了RV-40E。SG減速器傳動(dòng)噪聲過(guò)大的原因可能是內(nèi)部齒輪精度等級(jí)略低。秦川機(jī)床廠作為高精度機(jī)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(dòng)噪聲小的多。同時(shí)減速器內(nèi)部的齒輪誤差、裝配時(shí)的同心度，安裝過(guò)程中機(jī)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(gè)方面，從齒輪精度、箱體、連接件、軸承等設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.5 傳動(dòng)效率變化對(duì)比分析

傳動(dòng)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(dòng)效率可以達(dá)到85%～95%，國(guó)內(nèi)主流廠商的出廠指標(biāo)大約在60%～90%。分別測(cè)試兩種減速器不加載狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中隨轉(zhuǎn)速升高的傳動(dòng)效率變化，如圖9所示。

圖9 傳動(dòng)效率對(duì)比圖

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

3 傳動(dòng)效率差異分析及優(yōu)化

3.1 傳動(dòng)效率計(jì)算

在上文分析中，雖然在振動(dòng)、溫度、噪聲方面SG都存在差異，但在傳動(dòng)效率上的差距最為明顯，其他參數(shù)性能也可能受到傳動(dòng)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(dòng)效率上產(chǎn)生差異的原因。

對(duì)于RV減速器的傳動(dòng)效率，國(guó)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(dòng)效率一般可達(dá)到85%～92%[18-19]。部分學(xué)者采用仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jī)RV SERIES 技術(shù)資料集，RV-40E 減速器效率曲線見(jiàn)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(jì)算時(shí)可等效為一級(jí)NGW 行星齒輪和一級(jí)正號(hào)機(jī)構(gòu)NN串聯(lián)[21]，如圖11所示。因此，NGWN 行星齒輪的傳動(dòng)比為一級(jí)NGW 行星齒輪的傳動(dòng)比和一級(jí)正號(hào)機(jī)構(gòu)NN 傳動(dòng)比的乘積，NGWN 行星齒輪的效率為一級(jí)NGW 行星齒輪的效率和一級(jí)正號(hào)機(jī)構(gòu)NN 效率的乘積。其中i12=-7，i1″2″=1.043，單對(duì)齒輪嚙合效率為95.06%。

圖11 SG等效機(jī)構(gòu)

其傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率為

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

3.2 傳動(dòng)效率差異分析及改善方案

造成SG 減速器傳動(dòng)效率未達(dá)到理論值的原因主要有以下兩點(diǎn)：

（1）SG 嚙合齒對(duì)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(shí)間增長(zhǎng)嚙合齒對(duì)數(shù)量增多，輸出端負(fù)載會(huì)逐漸升高，進(jìn)而傳動(dòng)效率升高。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中RV-40E 的傳動(dòng)效率即隨時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，最終達(dá)到最高傳動(dòng)效率98 %時(shí)已運(yùn)行了30 分鐘。但SG減速器未出現(xiàn)隨時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的現(xiàn)象，因此推斷其內(nèi)部嚙合點(diǎn)數(shù)量未達(dá)到理論值（9個(gè)）。

（2）齒輪傳動(dòng)的功率損耗較大。傳動(dòng)效率主要來(lái)源于齒輪傳動(dòng)的功率損耗、軸承摩擦的功率損耗及潤(rùn)滑油攪動(dòng)的功率損耗等。其中齒輪傳動(dòng)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(guò)拆機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，SG減速器經(jīng)過(guò)測(cè)試后其潤(rùn)滑油由黃色變?yōu)楹谏?，?rùn)滑油中含有大量鐵屑，其齒輪加工等級(jí)為9級(jí)，齒面存在劃痕。因此SG 減速器加工精度過(guò)低也是造成其傳動(dòng)效率低的重要因素。

大速比行星齒輪效率會(huì)隨傳動(dòng)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(shí)際測(cè)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(dòng)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文測(cè)試分析了SG減速器與RV-40E減速器的振動(dòng)、噪聲、溫度及效率指標(biāo)，剖析了SG減速器相對(duì)于RV減速器的優(yōu)缺點(diǎn)。振動(dòng)特性方面，兩者在軸向振動(dòng)幅值方面與國(guó)外產(chǎn)品相比均超差，水平與垂直方向符合國(guó)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(shì)，均低于RV。傳動(dòng)效率方面，SG減速器表現(xiàn)欠佳，與RV傳動(dòng)效率相差4倍，沒(méi)有達(dá)到國(guó)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(dòng)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(jì)中SG可以考慮在齒輪精度、加工誤差、整體的安裝過(guò)程、間隙等方面來(lái)減少摩擦，提高傳動(dòng)效率。