RV减速器动力性能综合检测试验平台设计

郑钰馨,奚 鹰,袁 浪,卜王辉,李梦如

(同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804)

目前我国精密减速机、控制器、伺服系统以及高性能驱动器等机器人核心零部件大部分依赖进口,这些零部件占到整个生产成本70%以上,采购核心零部件的成本就高于国外同款机器人的整体售价,所以大力发展具有自主知识产权的国产机器人核心部件势在必行.RV减速器相对于谐波减速器和单级摆线针轮减速器而言,具有传动效率高、精度高、传递扭矩大、传动平稳、体积小、质量轻的优点,这些优点让其在机器人市场中占有越来越重要的地位.目前,我国已经制造出同类型产品,但产品的性能和使用情况与国外产品有很大差距.所以,找到存在差距的关键性因素,制造出具有优良动态性能的国产减速器具有重大意义.研究RV减速器系统的动态特性主要包括3种方法:理论仿真[1-2]、软件仿真[3]和试验验证.其中试验虽然成本高、时间长,但却是最直观和最具有说服力的研究方法.目前,部分学者对RV试验台的搭建进行了一定的研究,文献[4]对320E样机的传动误差进行测试,文献[5-6]对自制的RV减速器进行了扭转刚度的测试,但以上试验台只是对RV减速器的某一性能或参数进行了检测,还不是能对RV减速器进行整体性能检测的多参数、多目标的综合试验台.

建立RV减速器动力性能综合检测试验平台目的在于实时动态监测国产RV减速器和进口RV减速器的运行状态,记录其运行状态数据,从数据中寻找RV减速器的运行规律,分析参数对动力学性能的影响；检测运行状态和运行环境的变化对RV减速器动力学性能的影响,监测RV减速器失效条件和失效状态,得到系统设计薄弱点,找到影响RV减速器动力性能差异的关键性因素,并提出优化设计方案.

1 综合试验台测量对象和测量原理

1.1 传动误差

当输入轴转动一定角度时,输出轴理论转角与实际转角的差值的理论公式为

Δθ=θ2-θ1/i

(1)

1.2 回差

回差是在工作状态下,当改变减速器转动方向时,输出轴相对于输入轴在转角上的滞后量,其主要是由齿轮侧隙和轮齿弹性变形引起的，其表达式为

(2)

式中:θ入max和θ入min为输入轴的扭矩分别为+3%和-3%时候的输入轴编码器的平均读数值;θ出max和θ出min为输出轴的扭矩分别为+3%和-3%时候的输入轴编码器的平均读数值.

齿隙的计算公式为

(3)

式中:β入max和β入min为输入轴的扭矩为0时候的最大扭转角和最小扭转角;β出max和β出min为输出轴的扭矩为0时候的最大扭转角和最小扭转角.

1.3 扭转刚度

把输入端固定,在输出轴上施加一定扭矩,输出轴会因减速器内部的弹性变形而产生一定扭转角,将输出轴上的转矩与对应扭转角之比作为减速器的扭转刚度.

2 RV减速器动力性能综合检测试验平台设计过程

2.1 试验平台设计要求

(1) 实时检测和监控RV减速器动态运行性能;

(2) 具有针对多个系列国产和国外RV减速器的安装接口;

(3) 拆卸安装快速,重复工作量少;

(4) 试验台测量范围广,适用性强;

(5) 系统操作简便,可观可控性好;

(6) 系统测量精度高,系统稳定可靠,兼容性好;

(7) 测量项目多,可基本满足RV减速器所有性能参数检测;

(8) 具有故障检测和报警系统.

2.2 试验平台测量范围

测量型号范围包括RV-20E，RV-40E，RV-80E.

2.3 试验平台设计示意图

试验台采用双电机作为输入驱动和负载驱动,电机和增速器作为负载代替了传统磁粉制动器负载方式,可控性更强,振动噪声更小,试验台设计思路和示意图如图1所示.

图1 RV减速器动力性能综合检测试验平台示意图Fig.1 The diagram of test bed for RV reducer’s dynamic characteristics comprehensive testing

2.4 试验平台设备选型

2.4.1联轴器的选型

刚性联轴器,能够保证两轴转角完全相同,但是使用时如果不能保证被联接两轴的同心度和同轴度,将会降低联轴器的使用寿命、传动精度和传动频率,并引起振动和噪声.

弹性联轴器,通过弹性元件补偿两轴之间由于制造误差、安装误差、承载变形以及温升变化所引起的轴向、径向和角向偏移.

电动机输出轴与输入扭矩传感器之间采用铝合金无齿隙弹性联轴器,以减少对中性要求,同时在高转速时能减少振动,充分保障电机轴承使用寿命.电机和输入扭矩传感器之间采用带键槽,额定扭矩为20 N·m,最大扭矩为25 N·m,最高转速为5 000 r/min的弹性联轴器.输入扭矩传感器与RV减速器输入端之间采取同样联轴器,只是传感器的内径值发生改变.

RV减速器输出端与输出扭矩传感器之间采用定制的胀套联结单型联轴器,公称扭矩为1 000 N·m,允许转速为1 000 r/min.输出扭矩传感器与磁粉制动器之间采取刚性联轴器.

2.4.2驱动电机的选型

(1) 三系列满程测量.当电机安全倍数为1.2时,电机最高转速为11 592 r/min,最低转速为342 r/min.15 r/min为RV减速器额定转速,则电机额定转速为2 898 r/min,取整后,电机应该取额定转速为3 000 r/min.当扭矩范围为110～1 088 N·m时,电机最大输入扭矩为19.087 7 N·m,电机扭矩上限应不小于20 N·m,额定扭矩不小于13.754 N·m.

(2) 40E满程测量.当电机安全倍数为1.2时,电机最高转速为11 016 r/min,最低转速为342 r/min.15 r/min为RV减速器额定转速,电机额定转速为2 754 r/min,取整后,电机应该取额定转速为3 000 r/min.当扭矩范围为271～572 N·m时,电机最大输入扭矩为10.035 N·m,则电机扭矩上限应不小于11 N·m,额定扭矩不小于7.228 N·m.

(3) 驱动电机最终选型.15 r/min为RV减速器额定转速,412 N·m为RV减速器额定输出扭矩,7.228 N·m为最小额定电机输出扭矩,电机输出扭矩上限应不小于11 N·m,3 000 r/min为电机额定转速,计算得出电机额定功率为2.272 kW.根据图2电机控制流程图所示,电机选型还包括驱动器选型和控制方式选择.驱动器与所选电机配套出售,控制方式分为模拟量控制、PLC控制、编程语言直接数字控制等.

图2 电机控制方案图Fig.2 The plan of motor control

综合考虑价格和性能需求后,最终选择松下MDME302GCGM电机,电压为220 V,额定功率为3 kW,额定转矩为14.3 N·m,额定转速为2 000 r/min,最高转速为3 000 r/min,防护等级为IP65.

2.4.3扭矩传感器选型

(1) 输入端的扭矩传感器.增速启动转矩20E为42 N·m,40E为47 N·m,80E为70 N·m,3个系列RV减速器满程时需要最小扭矩为0.457 N·m,最大量程不小于20 N·m,40E满程时需要最小扭矩为0.307 N·m,最大量程不小于11 N·m.

(2) 输出端的扭矩传感器.输出端转矩20E为231 N·m,40E为572 N·m,80E为1 088 N·m,3个系列RV减速器满程时需要最小扭矩为1 088 N·m,40E满程时需要最小扭矩为572 N·m.

2.4.4编码器选型

3个系列RV减速器满程,测试速度为额定转速的40%时,最小输入转速为966 r/min,40E满程时,最小输入转速为918 r/min.最终选择编码器型号TEH90K25,精度为±10″,最高机械转速为2 000 r/min,但编码器一般用于低速,防止损坏.

2.4.5加载器选型

负载端电机同输入端的电机,同时配合传递功率为3 kW的增速器.

2.4.6工控机选型

选用研华IPC-610L,其内置英特尔双核E5300处理器、4GB金士顿内存、500GB希捷硬盘和DVD光驱.

2.4.7控制柜选型

由于测试平台仪器众多,电气线路复杂,零散放置电气设备不易于美观和保护,故选择控制柜将显示器、控制器、保护、报警、工控机、计算机等电气设备和线路集中起来.控制柜分立式和卧式两种,卧式可以放置电脑,易于操作,故采用卧式配合单独小的电机控制柜.

2.4.8基础铸铁平台选型

作为减速机基础平台,必须具有吸振、变形小等特点,这样才能在以后的工作过程中,避免因为变形导致不同心、振动等问题.最终选用传统的铸铁平板,规格为2.50 m×1.0 m×0.3 m.

2.4.9安装支架设计

据设备三维造型图,初步设计安装支架,由实物机械接口尺寸最终确定安装支架尺寸.为了方便拆装,达到通用性强、安装定位精度高的目的,采用导轨定位方法,将安装支架做成组合模块形式,安装在导轨上,使用螺栓将模块与平台相连接.模块分为3大部分,即电机和输入扭矩传感器模块、被测RV减速器模块、制动和输出扭矩传感器模块.

3 RV减速器动力性能综合检测试验平台搭建

3.1 三维模型

RV减速器动力性能综合检测试验平台三维模型造型如图3所示.

图3 RV减速器动力性能综合检测试验平台三维模型简图Fig.3 The 3D diagram of test bed for RV reducer’s dynamic characteristics comprehensive testing

3.2 试验平台工作范围

RV减速器动力性能综合检测试验平台工作范围如表1所示.

表1 RV减速器动力性能综合检测试验平台工作范围Tab.1 The working condition of test bed for RV reducer’s dynamic characteristics comprehensive testing

3.3 试验平台可完成的工作

(1) 减速器试验系统能对减速机进行空载、超载、寿命、温升、振动和噪声试验,最主要的是能进行启动力矩、扭转刚度、传动误差、传动效率试验项目.

(2) 减速器试验系统能实时显示减速机的输入输出转矩、输入输出转速、功率、效率、速比、环境温度、振动、噪声等.

(3) 减速器试验系统能自动判别并显示正负扭矩.

(4) 减速器试验系统可以对测试数据进行手动取数或自动取数,自动取数间隔时间可任意设定.

(5) 减速器试验系统在存储数据的同时,能实时显示采集数据和曲线.

(6) 减速器试验系统可将测试结果进行时间、输出功率、转矩、效率等曲线绘制.

(7) 减速器试验系统可随时由曲线观察减速机运行情况.

(8) 减速器试验系统可任意设置曲线坐标值以满足减速机试验的需求.

(9) 减速器试验系统对于各种参数的设置具有记忆功能,只需输入一次即可.

(10) 减速器试验系统具有历史数据回放功能.

(11) 减速器试验系统可以通过打印机对测试结果进行数据、曲线的打印.

3.4 试验平台搭建

搭建RV减速器动力性能综合检测试验平台如图4所示.

图4 RV减速器动力性能综合检测试验平台Fig.4 The test bed for RV reducer’s dynamic characteristics comprehensive testing

图4(a)是试验台整体图,从右到左依次是驱动电机、输入扭矩传感器、RV减速器、输出扭矩传感器、增速器和负载电机.图4(b)是电子千分表,在输出轴轴向和径向各一个,用于测量输出轴的轴向跳动.图4(c)是驱动电机下的导轨,整个平台通过高精度导轨实现便于拆卸安装定位的高精度要求.图4(d)是带操作台的试验台总体图.

4 RV减速器动力性能综合检测试验平台运行结果

4.1 启动力矩试验

在启动力矩试验中,由上位机控制负载端伺服电机缓慢增加驱动力矩,对被测件输出端进行匀速驱动,同时高速同步数据采集系统实时采集系统中的扭矩、角度参数,绘制启动力矩——角度曲线,当角度传感器信号变化时的扭矩值即是本次测试的启动力矩,如图5所示,图中M2是被测RV减速器启动所需力矩曲线,Lf是系统数据步数计数.

图5 启动力矩试验结果Fig.5 The test result of start torque

4.2 扭转刚度试验

在扭转刚度试验中,将输入端锁死,输出端由自由状态开始,首先通过自动无级加载机构对被测件输出端正向缓慢施加扭力至被测件额定扭矩值,然后控制无级加载机构对被测件输出端反向缓慢施加扭力至被测件额定扭矩值,最后控制无级加载机构回到起始状态(试验全程由扭矩传感器读数值作为参考进行闭环控制).在试验全过程中，扭矩传感器实时记录下施加的扭矩，输出端编码器实时记录下角度变化.试验结束,绘制刚度曲线.典型的刚度曲线为非线性滞回曲线,如图6所示,扭转刚度即为右下角带圈直线表示的那部分中心线的斜率.

4.3 传动误差试验

在传动误差试验中,设置RV减速器速比,并启动伺服电机运行,系统自动检测输入端和输出端角度,并实时绘制传动误差曲线.当输出端角度转过360°时测试完成,并绘制输出角度与传动误差曲线,取最大值作为传动误差参考值,如图7所示.

图6 扭转刚度试验结果Fig.6 The test result of torsional stiffness

图7 传动误差试验结果Fig.7 The test result of transmission error

4.4 传动效率试验

在传动效率试验中,驱动端需要达到试验要求的驱动转速,同时,负载端采用扭矩控制模式,进行25%，50%，75%，100%，110%的额定负载加载,达到设定稳态工况.通过扭矩测量系统即可采集到当前工况下被测件输入端的扭矩、转速及输出端的扭矩、转速各参数,系统软件自动计算出传递功率、效率等参数,绘制功率、效率曲线图,如图8所示,图中n1是驱动转速,M2是负载扭矩,η是效率.

图8 传动效率试验结果Fig.8 The test result of transmission efficiency

5 结论

(1) 设计、搭建了RV减速器动力性能综合检测试验平台,其中详细介绍了平台中设备的选型过程和方法,采用三维软件对平台进行了绘制,并最终确定了平台设计方案.

(2) 通过电控监测装置,对被测RV减速器的动力学特性进行实时监测,最终绘制了减速器的启动力矩、扭转刚度、传动误差和传动效率等曲线.

(3) 此试验台综合程度较高,能够同时得到多种动力学性能参数,并且通用性和标准性较强,能够对RV-20E，RV-40E，RV-80E全部系列产品进行监测.

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