機器人精密減速器綜合測試系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究

徐全坤，闞 侃，黃振宇，羅旭東

（1.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計量技術(shù)重點實驗室，廣州 510405；2.廣東省計量科學(xué)研究院，廣州 510405）

0 引言

機器人精密減速器是機器人的核心部件之一，機器人用減速器與一般的齒輪傳動相比較，具有傳動比大、傳動精度高、承載能力強等優(yōu)點[1-3]。按照傳動原理劃分，機器人精密減速器主要分為諧波減速器、RV 減速器和行星減速器，三種類型減速器的共同特點是都可以實現(xiàn)輸入輸出同軸。精密減速器的傳動誤差、回差、傳動效率、扭轉(zhuǎn)剛度等關(guān)鍵參數(shù)和指標(biāo)的測試得到越來越多的關(guān)注[4]。在機器人精密減速器關(guān)鍵參數(shù)測試方面已有一些研究，王海霞等[5]利用搭建的機器人RV 減速器綜合試驗臺，測量了兩款型號RV 減速器的傳動誤差，分析了不同負(fù)載、不同輸入轉(zhuǎn)速對傳動誤差測量的影響。徐航等[6]對精密減速器的空載摩擦特性與模型進行分析，介紹了空載摩擦轉(zhuǎn)矩的測量原理，并進行從低速到高速的測量實驗。張越等[7]針對精密減速器傳動誤差測量精度分析問題，通過對測量儀器或測量系統(tǒng)對測試臺的實際測量，分析了各誤差源對傳動誤差的影響程度。林志宇[7]研究了精密減速器單工位多性能指標(biāo)測試調(diào)度技術(shù)、多工位多性能指標(biāo)測試調(diào)度技術(shù)、精密減速器性能退化評估方法，研制了綜合測試平臺，提高了測試效率。徐航[8]針對精密減速器的回差參數(shù)，提出精密減速器全生命周期的回差評價體系，提出靜態(tài)測量時幾何回差的評定新方法，提出精密減速器靜態(tài)回差曲線的表征與獲取方法，進行了回差靜態(tài)和動態(tài)測量評價實驗，并對測量結(jié)果進行了對比分析。王開[9]針對工業(yè)機器人用減速器的使用要求，對工業(yè)機器人常用減速器如RV、諧波等的綜合性能參數(shù)檢測的方法進行了研究，并開發(fā)出一套測試系統(tǒng)，可以實現(xiàn)傳遞精度、背隙、扭轉(zhuǎn)剛度、回差、機械效率、啟停轉(zhuǎn)矩、空載摩擦轉(zhuǎn)矩等性能的測量。何文杰等[10]探討了工業(yè)機器人精密減速器扭轉(zhuǎn)剛度、空程、傳動效率、傳動誤差和啟動扭矩關(guān)鍵性能指標(biāo)的試驗方法，自主設(shè)計了機器人精密減速器試驗系統(tǒng)，通過RV 減速器性能試驗，對試驗方法加以驗證。綜合現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，目前的測試平臺多針對部分傳動類型精密減速器的部分參數(shù)，部分可以測量多參數(shù)的綜合測試平臺，在測試精度或測試效率上仍有一定提升空間。

本文基于多個機器人精密減速器現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國外先進產(chǎn)品性能參數(shù)，介紹了精密減速器關(guān)鍵參數(shù)測量方法，設(shè)計了適用于多傳動類型的精密減速器多參數(shù)綜合測試系統(tǒng)，并通過試驗研究驗證了測試系統(tǒng)的有效性。

1 測試方法

現(xiàn)有精密減速器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 37718-2019 機器人用精密行星擺線減速器、GB/T 37165-2018機器人用精密擺線針輪減速器、GB/T 36491-2018 機器人用擺線針輪行星齒輪傳動裝置通用技術(shù)條件、GB/T 39523-2020 精密行星擺線減速器扭轉(zhuǎn)振動性能測試方法、GB/T 30819-2014 機器人用諧波齒輪減速器等。綜合以上標(biāo)準(zhǔn)文件，機器人精密減速器關(guān)鍵參數(shù)主要包括：傳動誤差、回差、傳動效率、扭轉(zhuǎn)剛度、啟動轉(zhuǎn)矩、空載摩擦轉(zhuǎn)矩、負(fù)載特性、空載特性等。

1.1 傳動誤差

（1）定義

減速器的傳動誤差是指輸入軸單向旋轉(zhuǎn)時輸出軸實際輸出角度與理論輸出角度的差值：

式中：θin為減速器輸入角度，θout為減速器輸出角度，i為減速器減速比。

（2）測試方法

在輕載或空載及低輸入轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，在輸出端轉(zhuǎn)動一周范圍內(nèi)，連續(xù)多次采集輸入端、輸出端角度值，將輸出端角度測量值與理論值進行比較，繪制傳動誤差曲線，曲線最大值與最小值之差即為減速器傳動誤差。

1.2 回差

（1）定義

減速器工作狀態(tài)下，當(dāng)輸入軸由正向改為反向旋轉(zhuǎn)時，輸出軸轉(zhuǎn)角值的滯后量。

（2）測試方法

減速器輸入軸固定，在輸出軸施加±3%額度轉(zhuǎn)矩，記錄輸出軸的轉(zhuǎn)角變化量。

1.3 傳動效率

（1）定義

傳動效率是指輸出軸實際功率與理論功率的比值：

式中：Tout為輸出軸實際轉(zhuǎn)矩，Tin為輸入軸轉(zhuǎn)矩，i為減速器減速比。

（2）測試方法

在不同轉(zhuǎn)速和載荷工況下，測量輸出軸、輸入軸轉(zhuǎn)矩，并計算傳動效率。

1.4 扭轉(zhuǎn)剛度

（1）定義

減速器輸入軸固定情況下，輸出軸承受的轉(zhuǎn)矩與輸出軸的彈性扭轉(zhuǎn)角的比值。

式中，K為減速器扭轉(zhuǎn)剛度，△Tout為輸出軸扭矩變化量，△θout為輸出軸扭矩變化對應(yīng)的角度變化量。

（2）測試方法

將減速器輸入軸固定，在輸出軸上施加轉(zhuǎn)矩，從0 逐漸增加至額定轉(zhuǎn)矩，然后逐漸卸載至0，然后逐漸反向加載至額定轉(zhuǎn)矩，最后再卸載至0。實時記錄輸出軸的轉(zhuǎn)矩及對應(yīng)轉(zhuǎn)角變化量，繪制遲滯曲線，計算扭轉(zhuǎn)剛度。

1.5 后端啟動轉(zhuǎn)矩

（1）定義

減速器后端啟動時，輸入端無負(fù)載，在輸出端施加緩慢、平穩(wěn)增加的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)驅(qū)動力矩大于最大靜摩擦力矩時，減速器開始轉(zhuǎn)動時的瞬間力矩即為減速器的后端啟動轉(zhuǎn)矩。

（2）測試方法

減速器輸入端空載，輸出端施加緩慢、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，同時記錄輸出端轉(zhuǎn)矩值和角度值，轉(zhuǎn)角開始變化時對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值即為減速器的后端啟動轉(zhuǎn)矩。

1.6 空載摩擦轉(zhuǎn)矩

（1）定義

減速器在空載情況下，減速器的齒輪、軸承等傳動部件內(nèi)部存在摩擦，由此引起的減速器摩擦轉(zhuǎn)矩。

（2）測試方法

輸出端無負(fù)載，輸入端從零逐漸增加至額定轉(zhuǎn)速，在此過程中，連續(xù)多次讀取穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的輸入端轉(zhuǎn)矩值，乘以傳動比后即可得到不同轉(zhuǎn)速下的空載摩擦轉(zhuǎn)矩，繪制轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線。

2 綜合測試系統(tǒng)

精密減速器綜合測試系統(tǒng)的原理和關(guān)鍵零部件組成如圖1 所示，測試系統(tǒng)中驅(qū)動電機和負(fù)載電機均為高性能伺服電機，均具有轉(zhuǎn)矩運行模式和轉(zhuǎn)矩運行模式，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的連續(xù)平穩(wěn)輸出。輸入軸、輸出軸角度通過高精度圓光柵測量，轉(zhuǎn)矩通過高精度轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測量，通過基于FPGA 的多路信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)各傳感信號的實時同步采集。與現(xiàn)有測試系統(tǒng)相比，本綜合測試系統(tǒng)在輸入端和負(fù)載端均安裝有高精度轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和圓光柵，實現(xiàn)了單個測試系統(tǒng)對多個關(guān)鍵參數(shù)的測試。該綜合測試系統(tǒng)除可以測試上一章節(jié)介紹的減速器關(guān)鍵參數(shù)，也可以進行空載試驗、負(fù)載試驗等各種自定義工況下的減速器性能測試。被測減速器的測試臺架靈活可拆卸，通過更換測試臺架及設(shè)定測試系統(tǒng)參數(shù)，可實現(xiàn)多種傳動類型機器人精密減速器的綜合測試。

根據(jù)圖1 精密減速器綜合測試系統(tǒng)原理圖搭建的實驗系統(tǒng)如圖2 所示，測試系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。為了保證測量的準(zhǔn)確度，除選用高精度的傳感器外，測試系統(tǒng)裝配誤差的控制也十分關(guān)鍵，各軸系之間同軸度在±0.01 mm 以內(nèi)，可得到較好的測量精度。另外，由于輸入軸、輸出軸與轉(zhuǎn)矩傳感器之間通過支撐軸承及聯(lián)軸器連接，在測試過程中應(yīng)通過置零或補償?shù)姆绞较屋S承及聯(lián)軸器摩擦力矩對測試結(jié)果的影響。

圖1 精密減速器綜合測試系統(tǒng)原理圖

圖2 精密減速器綜合測試系統(tǒng)

表1 綜合測試系統(tǒng)參數(shù)

3 測試試驗

以RV-20E 型號的機器人精密減速器為測試對象，對測試系統(tǒng)進行驗證，被測減速器參數(shù)如表2。

表2 被測減速器參數(shù)

3.1 傳動誤差試驗

試驗時，輸出端伺服電機以轉(zhuǎn)矩模式運行，施加5 N·m（額定負(fù)載的3%）的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，輸入端伺服電機以轉(zhuǎn)速模式運行，輸出30 r/min 的低轉(zhuǎn)速，通過信號同步采集器，同時采集輸入端和輸出端的圓光柵信號，換算成角度信號，通過式（1）計算傳動誤差，繪制傳動誤差曲線，測試結(jié)果如圖3，該減速器的傳動誤差為39″。

圖3 精密減速器傳遞誤差曲線

3.2 剛度

試驗時，減速器輸入端與測試臺架剛性固定，輸出端伺服電機以轉(zhuǎn)矩模式運行，按照1.4 節(jié)中的測試方法，從0 加載值額定轉(zhuǎn)矩167 N·m，并卸載至0，然后反向加載至額定轉(zhuǎn)矩167 N·m，最后卸載至0，同時采集輸出端轉(zhuǎn)矩傳感器信號和圓光柵角度，繪制的滯后曲線如圖4 所示。在曲線上取50%負(fù)載至額定負(fù)載段，通過式（3）計算減速器扭轉(zhuǎn)剛度，測試結(jié)果為33 N·m/（arc min）。

圖4 精密減速器遲滯曲線

3.3 回差

按照1.2 中的方法，在圖4 中滯回曲線中線上取±3%額定力矩區(qū)間對應(yīng)的角度變化量，即為減速器的回差，測試結(jié)果為36″。

3.4 傳動效率

試驗時，輸入端伺服電機以轉(zhuǎn)速模式運行，輸出端伺服電機以轉(zhuǎn)矩模式運行，在一定轉(zhuǎn)速下，改變輸出端負(fù)載，通過輸入、輸出端轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器分別測量輸入、輸出端轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)式（2）計算傳動效率。在不同轉(zhuǎn)速N下，各測量一組數(shù)據(jù)。在輸出轉(zhuǎn)速分別為5 r/min、10 r/min 及額定輸出轉(zhuǎn)速15 r/min 下測得的傳動效率如圖5 所示。

圖5 減速器傳動效率測試曲線

3.5 后端啟動轉(zhuǎn)矩

試驗時，減速器輸入端空載，輸出端伺服電機以轉(zhuǎn)矩模式運行，施加緩慢、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，同步采集輸出端轉(zhuǎn)矩值和角度值，取轉(zhuǎn)角開始變化時對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值作為減速器的后端啟動轉(zhuǎn)矩，輸出端轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩隨試驗試驗變化曲線如圖6 所示，后端啟動轉(zhuǎn)矩測試結(jié)果為58.6 N·m。

圖6 輸出端轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩測試曲線

3.6 空載摩擦轉(zhuǎn)矩

試驗時，減速器輸出軸空載，輸入端伺服電機以轉(zhuǎn)速模式運行，從零逐漸增加至額定轉(zhuǎn)速，連續(xù)多次讀取穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的輸入端轉(zhuǎn)矩值，乘以減速比后即為不同轉(zhuǎn)速下的空載摩擦轉(zhuǎn)矩，繪制轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線，測試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 空載摩擦轉(zhuǎn)矩測試曲線

4 結(jié)論

機器人精密減速器作為機器人的關(guān)鍵核心部件之一，傳動型式多樣，性能參數(shù)較多，本研究綜合多項現(xiàn)有精密減速器標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了可以實現(xiàn)多種傳動類型精密減速器多參數(shù)測量的綜合測試系統(tǒng)，并通過試驗研究驗證了測量系統(tǒng)和方法的可行性。同時，在研究過程中也發(fā)現(xiàn)，影響減速器運行性能的因素除減速器本身的性能參數(shù)，也跟減速器測試時的安裝精度、設(shè)定工況有關(guān)。