工業(yè)機(jī)器人精密減速器傳動(dòng)效率試驗(yàn)與分析

王佳藝，周倩瑤

中汽檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東廣州 510530

0 引言

精密減速器是工業(yè)機(jī)器人的核心部件，占工業(yè)機(jī)器人本體成本的30%以上，是影響工業(yè)機(jī)器人精確性、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)的重要元件。按照傳動(dòng)原理劃分，主流的精密減速器有行星擺線減速器和諧波減速器兩類，具有小體積、輕質(zhì)量、高精度等特點(diǎn)。

近年來，隨著汽車等智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的需求量劇增，市場(chǎng)廣泛發(fā)展。減速器作為機(jī)器人關(guān)鍵的零部件之一，進(jìn)行各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)測(cè)試，也是必不可少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。但是目前減速器的國產(chǎn)化率不足，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人減速器約70%的份額被外資企業(yè)壟斷，制約著機(jī)器人的國產(chǎn)市場(chǎng)發(fā)展。傳動(dòng)效率作為減速器的重要性能指標(biāo)之一，影響著減速器的工作精度和可靠性。因此，本文通過對(duì)國內(nèi)外減速器進(jìn)行傳動(dòng)效率測(cè)試，分析總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為減速器國產(chǎn)化及實(shí)際應(yīng)用發(fā)展提供參考價(jià)值。

1 減速器工作原理及傳動(dòng)效率

1.1 工作原理

1.1.1 行星擺線減速器工作原理

行星擺線減速器是由漸開線行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和擺線針輪減速機(jī)構(gòu)組成的精密傳動(dòng)裝置，如圖1所示。

圖1 行星擺線減速器結(jié)構(gòu)

第一級(jí)減速的實(shí)現(xiàn)，是由主動(dòng)的太陽輪與輸入軸相連，帶動(dòng)3個(gè)呈120°布置的行星輪在繞太陽輪軸心公轉(zhuǎn)同時(shí)反方向自轉(zhuǎn)，使曲柄軸同速轉(zhuǎn)動(dòng)。第二級(jí)減速則是通過曲柄軸帶動(dòng)擺線輪做偏心運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。擺線輪在固定的針齒的嚙合作用下，在其軸線繞針輪軸線公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生反方向自轉(zhuǎn)，從而將運(yùn)動(dòng)傳到輸出軸。

1.1.2 諧波減速器工作原理

諧波減速器主要由波發(fā)生器、柔輪和剛輪3個(gè)基本部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。波發(fā)生器一般安裝在減速器的輸入端，由柔性軸承與橢圓形凸輪組成。柔性軸承內(nèi)圈固定在凸輪上，外圈通過滾珠形成彈性變形。柔輪是帶有外齒圈的可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪，一般安裝在減速器的輸出端。而剛輪是帶有內(nèi)齒圈的剛性圓環(huán)形零件，一般固定在減速器機(jī)體上。作為減速器使用，通常是采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪輸出的形式；同時(shí)亦可將柔輪固定、剛輪輸出來得到不同的傳動(dòng)比。

圖2 諧波減速器結(jié)構(gòu)

當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，然后長(zhǎng)軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合；而短軸兩端附近的齒則與剛輪的齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)；周長(zhǎng)上其他區(qū)段的齒處于逐漸嚙入或嚙出的過渡狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪不斷地產(chǎn)生可控彈性變形，使柔輪與剛輪的輪齒在進(jìn)行嚙入、嚙合、嚙出、脫開的過程中不斷改變各自的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)柔輪相對(duì)剛輪沿波發(fā)生器相反方向的旋轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

1.2 傳動(dòng)效率

機(jī)械傳動(dòng)的效率是衡量傳動(dòng)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，傳動(dòng)效率越高，傳動(dòng)的質(zhì)量越好，機(jī)械動(dòng)力傳輸?shù)男阅茉胶?。雖然兩類精密減速器的傳動(dòng)方式略有不同，但減速器傳動(dòng)效率的定義是指輸出軸實(shí)際輸出功率與理論輸出功率的比值，因此兩者測(cè)量的方法一致。傳動(dòng)效率的計(jì)算公式為：

(1)

式中：為減速器的輸入軸扭矩;為減速器的輸出軸扭矩;為減速器的傳動(dòng)比。

通過計(jì)算公式可以推導(dǎo)出，試驗(yàn)減速器的傳動(dòng)比是固定的，所以在進(jìn)行傳動(dòng)效率試驗(yàn)中，只需要讓減速器在指定的工況下，通過扭矩傳感器測(cè)量并記錄輸入和輸出端扭矩，就可以計(jì)算出傳動(dòng)效率。

2 試驗(yàn)研究與分析

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理如圖3所示。將待檢測(cè)的減速器通過連接工裝安裝到試驗(yàn)平臺(tái)上，使減速器的輸入軸連接試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，輸出端連接試驗(yàn)臺(tái)的加載裝置，同時(shí)在減速器的輸入和輸出端配置扭矩傳感器，實(shí)時(shí)采集扭矩?cái)?shù)值。測(cè)試系統(tǒng)連接傳感器的信號(hào)線，通過串行通信在工控計(jì)算機(jī)顯示工況運(yùn)行時(shí)的輸入輸出扭矩，最后計(jì)算出傳動(dòng)效率。在進(jìn)行傳動(dòng)效率試驗(yàn)前，需要將扭矩傳感器進(jìn)行調(diào)零，以免殘余的扭矩影響測(cè)試結(jié)果。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理

2.2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.2.1 試驗(yàn)樣品參數(shù)

選擇國產(chǎn)知名品牌的行星擺線減速器和諧波減速器各5款進(jìn)行傳動(dòng)效率試驗(yàn)，同時(shí)選取具有行業(yè)代表性的進(jìn)口品牌產(chǎn)品(行星擺線減速器、諧波減速器各1款)參與比較試驗(yàn)，來對(duì)比國內(nèi)外產(chǎn)品的性能水平。減速器樣品參數(shù)見表1。

表1 減速器樣品參數(shù)

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在傳動(dòng)效率試驗(yàn)中，起動(dòng)電機(jī)，保證減速器在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，加載裝置逐漸增大負(fù)載，給減速器加載25%、50%、75%、100%的額定扭矩值，記錄每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸入端與輸出端扭矩，通過傳動(dòng)效率的公式分析計(jì)算，得出傳動(dòng)效率值，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制負(fù)載效率曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 行星擺線減速器負(fù)載效率曲線

圖5 諧波減速器負(fù)載效率曲線

由負(fù)載效率曲線可看出，減速器在恒定輸出轉(zhuǎn)速的工況下，隨著輸出扭矩的增大，傳動(dòng)效率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)減速器在小于50%額定輸出扭矩的工況下，傳動(dòng)效率隨扭矩的增加有較快的爬升速度，而大于50%額定扭矩后的工況下，傳動(dòng)效率變化逐漸平緩;當(dāng)達(dá)到100%額定輸出扭矩時(shí)，傳動(dòng)效率增長(zhǎng)到最高值。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37718—2019《機(jī)器人用精密行星擺線減速器》和GB/T 30819—2014《機(jī)器人用諧波齒輪減速器》的要求，試驗(yàn)的減速器在100%額定扭矩條件下，傳動(dòng)效率應(yīng)不小于80%。

由圖4可知，參與試驗(yàn)的國產(chǎn)行星擺線減速器傳動(dòng)效率差異不大，只有擺線樣品4沒有達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。其中額定扭矩工況時(shí)的傳動(dòng)效率最高達(dá)到87.93%，最低79.83%，平均值84.43%。個(gè)別樣品傳動(dòng)效率比較突出，如擺線樣品1和擺線樣品3，超過85%，優(yōu)于進(jìn)口品牌。其中擺線樣品1的參數(shù)與進(jìn)口品牌完全一致，傳動(dòng)質(zhì)量水平已經(jīng)超過進(jìn)口品牌?？偟膩碚f，5款樣品的行星擺線減速器傳動(dòng)效率平均值曲線，與進(jìn)口的樣品的傳動(dòng)效率曲線較為接近，可見在傳動(dòng)效率方面，國產(chǎn)品牌的行星擺線減速器與進(jìn)口品牌減速器差距不大。

由圖5可知，參與試驗(yàn)的國產(chǎn)諧波減速器的傳動(dòng)效率均不高，其中額定扭矩下最高傳動(dòng)效率只有75.07%，最低只有65.36%，平均值71.03%，沒有達(dá)到80%的標(biāo)準(zhǔn)要求。雖然進(jìn)口品牌的傳動(dòng)效率也沒有滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是比國產(chǎn)減速器的傳動(dòng)效率都高，可見諧波減速器國產(chǎn)化仍有一定差距。另外與行星擺線減速器的傳動(dòng)效率相比，諧波減速器傳動(dòng)效率較低，因而行星擺線減速器的傳動(dòng)平穩(wěn)，應(yīng)用更為廣泛。

選取國產(chǎn)同規(guī)格不同廠家的行星擺線減速器和諧波減速器的傳動(dòng)效率進(jìn)行比較，如圖6所示。行星擺線減速器在低扭矩的工況下，傳動(dòng)效率相差超過15%，隨著扭矩的增大，傳動(dòng)效率的差值才逐漸減少，但也有接近5%的差距。而諧波減速器在整個(gè)試驗(yàn)過程中，傳動(dòng)效率一直保持有10%左右的差距。由此可知，國內(nèi)各減速器企業(yè)的發(fā)展差異較大，減速器產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，在傳動(dòng)性能的綜合一致性方面仍需加強(qiáng)。

圖6 同規(guī)格減速器傳動(dòng)效率對(duì)比

通過傳動(dòng)效率試驗(yàn)結(jié)果分析，總體上來說，國產(chǎn)行星擺線減速器基本能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，相比于進(jìn)口品牌差距不大；諧波減速器傳動(dòng)效率整體不高，但是整體與進(jìn)口品牌的差距不小。相比諧波減速器，行星擺線減速器的傳動(dòng)方式更為新穎，傳動(dòng)更為平穩(wěn)，應(yīng)用更為廣泛，所以行星擺線減速器與國外進(jìn)口品牌差距的縮小，也體現(xiàn)了減速器國產(chǎn)化的成效。同時(shí)，國內(nèi)的減速器廠家仍需加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量一致性，從而提升國產(chǎn)減速器的生產(chǎn)水平。

3 結(jié)束語

本文選取了國內(nèi)外生產(chǎn)的行星擺線減速器和諧波減速器，進(jìn)行傳動(dòng)效率試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明國產(chǎn)減速器發(fā)展水平與國外的差距在減小，對(duì)減速器國產(chǎn)化的發(fā)展提供參考數(shù)據(jù)。