雙聯(lián)行星減速器與RV減速器性能測試對(duì)比分析*

/1.寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院；.陜西北方動(dòng)力有限責(zé)任公司；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

0 引言

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

目前國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)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(biāo)進(jìn)行了對(duì)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(dòng)準(zhǔn)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(dòng)準(zhǔn)確度的計(jì)算[3]、控制[4]與測試[5]方面均進(jìn)行了研究。為檢驗(yàn)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(yàn)裝置和振動(dòng)測試系統(tǒng)，分析了國產(chǎn)RV減速器的振動(dòng)、噪聲及綜合性能?；谟邢拊膭?dòng)態(tài)仿真[9]及模態(tài)分析[10]也為RV減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)器人綜合性能測試系統(tǒng)，分別進(jìn)行雙聯(lián)行星減速器與RV減速器的驅(qū)動(dòng)功率、負(fù)載功率及傳動(dòng)效率的性能測試，對(duì)比分析兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，為雙聯(lián)行星系列減速器的設(shè)計(jì)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(dòng)穩(wěn)定；輸出端采用YRT軸承與機(jī)殼一體化設(shè)計(jì)，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(duì)減速器及機(jī)器人機(jī)體的傷害；鍵槽采用半圓缺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jī)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(jī)、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(jì)算得到驅(qū)動(dòng)功率、負(fù)載功率及傳動(dòng)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(dòng)電機(jī)控制減速器輸入轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)輸入轉(zhuǎn)速逐漸升高，輸出軸同步電機(jī)也協(xié)同調(diào)整轉(zhuǎn)速，這一過程一般需要10 s。扭矩達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)還需要更長的時(shí)間，其隨轉(zhuǎn)速增加的跨度不同需要的時(shí)間不等，一般在3 min內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。待參數(shù)穩(wěn)定后數(shù)值輕微波動(dòng)，予以忽略。測試過程中采集變速5 min后的瞬時(shí)數(shù)據(jù)作為計(jì)算參數(shù)。

圖1 機(jī)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(fù)載功率和驅(qū)動(dòng)功率的變化，繪制RV減速器驅(qū)動(dòng)功率與負(fù)載功率變化對(duì)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(dòng)轉(zhuǎn)速的升高，RV減速器的負(fù)載功率總體呈上升趨勢，在1 700 r/min時(shí)達(dá)到0.16 kW峰值，隨后下降，在驅(qū)動(dòng)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(fù)載功率同樣呈上升趨勢，在1 700 r/min時(shí)達(dá)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(dòng)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(dòng)功率與負(fù)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(dòng)功率與負(fù)載功率隨驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高而增大。負(fù)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(dòng)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(dòng)功率一直維持在負(fù)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(jī)械損耗較多。

2.3 兩種減速器驅(qū)動(dòng)功率對(duì)比

對(duì)比兩種減速器的驅(qū)動(dòng)功率，如圖4所示。

圖4 兩種減速器驅(qū)動(dòng)功率對(duì)比

由圖4可見，雙聯(lián)行星減速器與RV減速器的驅(qū)動(dòng)功率隨驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高均呈上升趨勢。雙聯(lián)行星減速器驅(qū)動(dòng)功率上升較快，呈線性增長，在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)逐漸平穩(wěn)。而RV減速器驅(qū)動(dòng)功率一直比較穩(wěn)定，隨著驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)提高扭矩，降低負(fù)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(dòng)比，RV減速器的傳動(dòng)比為121，而雙聯(lián)行星減速器的傳動(dòng)比為194，大傳動(dòng)比導(dǎo)致其驅(qū)動(dòng)功率相比其他結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)功率高于大多數(shù)國產(chǎn)減速器驅(qū)動(dòng)功率，其減速結(jié)構(gòu)沒有RV減速器的成熟。對(duì)于雙聯(lián)行星減速器而言，驅(qū)動(dòng)功率過大將會(huì)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(jī)器人上的一大問題。

2.4 兩種減速器負(fù)載功率對(duì)比

對(duì)比兩種減速器的負(fù)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(fù)載功率隨驅(qū)動(dòng)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(shí)達(dá)到最大值。由于雙聯(lián)行星減速器驅(qū)動(dòng)功率較大，其負(fù)載功率同樣高于RV減速器。RV減速器在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速變化區(qū)間內(nèi)，負(fù)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(dòng)轉(zhuǎn)速變化區(qū)間內(nèi)，負(fù)載功率最大值為0.34 kW，約為RV減速器的4倍。工業(yè)機(jī)器人末端機(jī)械手最大承載能力一般為3 kg，對(duì)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(dòng)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(biāo)。

圖5 兩種減速器負(fù)載功率對(duì)比

3 傳動(dòng)效率對(duì)比

傳動(dòng)效率等于減速器負(fù)載功率與驅(qū)動(dòng)功率的比值。計(jì)算兩種減速器的傳動(dòng)效率，如圖6所示。

圖6 傳動(dòng)效率對(duì)比

由圖6可見，隨著驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高，雙聯(lián)行星減速器傳動(dòng)效率狀態(tài)平穩(wěn)，并沒有出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，傳動(dòng)效率一直保持在20%～22%。RV減速器傳動(dòng)效率上下波動(dòng)頻繁，每次測試都需經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，傳動(dòng)效率才能穩(wěn)定。RV減速器的傳動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)傳動(dòng)效率達(dá)到最大值98%。而雙聯(lián)行星減速器傳動(dòng)效率最大值為22.7%，總體來看，雙聯(lián)行星減速器在傳動(dòng)效率上表現(xiàn)欠佳。經(jīng)計(jì)算，雙聯(lián)行星減速器的傳動(dòng)效率極低，理論傳動(dòng)效率僅為44.53%。同時(shí)，雙聯(lián)行星減速器的齒輪工藝性能差，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。

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

表1 國內(nèi)外典型產(chǎn)品傳動(dòng)效率指標(biāo)

通過拆機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，雙聯(lián)行星減速器新機(jī)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(jí)為9級(jí)，齒面存在劃痕。因此，判斷其傳動(dòng)效率過低的原因可能為齒輪精度過低以及裝配工藝不當(dāng)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(dòng)摩擦小得多。同時(shí)減速器內(nèi)部的齒輪誤差、裝配時(shí)的同心度、齒測間隙、安裝過程中機(jī)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(dòng)效率。對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)而言，傳動(dòng)效率是檢驗(yàn)一個(gè)減速器綜合性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，其傳動(dòng)效率偏低勢必會(huì)阻礙未來的發(fā)展。后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以參考以上幾個(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，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(dòng)功率、負(fù)載功率，并計(jì)算了傳動(dòng)效率。通過分析可知，雙聯(lián)行星減速器的負(fù)載功率和驅(qū)動(dòng)功率都明顯高于RV減速器，而其傳動(dòng)效率遠(yuǎn)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(dòng)比大、承載大的優(yōu)點(diǎn)，也使得其在突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)具備自身優(yōu)勢。在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)效率。