RV减速器综合性能检测试验台的设计

RV减速器综合性能检测试验台的设计
郑鹏，孙瑞，赵文辉，梁全，刘晓超，郭光雨
（辽宁省智能制造与工业机器人重点实验室，沈阳110000）
摘要：在考虑试验台设计成本与测量参数精度等综合因素的前提下，将驱动部分、支撑部分、连接部分、精密检测部分组装为试验检测装置，通过结合被测减速器相关测试标准，搭建了可以在不同的工作状态下运行的高精度RV减速器综合性能检测试验平台。

该平台能够对被测减速器进行传动比、传动效率、传动误差、传动精度、扭转刚度等指标的测量与计算，为RV减速器的研究和发展提供了一定的试验基础。

关键词：RV减速器；综合试验台；传动效率；扭转刚度
中图分类号:TH132.41文献标志码:A文章编号：1002-2333（2020）08-0146-04 Design of Comprehensive Performance Test-bed for RV Reducer
ZHENG Peng,SUN Rui,ZHAO Wenhui,LIANG Quan,LIU Xiaochao,GUO Guangyu (Key Laboratory of Intelligent Manufacturing and Industrial Robot of Liaoning Province,Shenyang110000,China) Abstract:Considering the comprehensive factors such as the design cost of the test-bed and the accuracy of the measurement parameters,the driving part,the supporting part,the connecting part and the precision detection part are assembled into the test and detection device.By combining with the relevant test standards of the tested reducer,this paper builds a high-precision RV reducer comprehensive performance detection and test platform which can run under different working conditions.The platform can measure and calculate the transmission ratio,transmission efficiency, transmission error,transmission accuracy,torsional stiffness and other indicators of the tested reducer,which provides a certain experimental basis for the research and development of RV reducer.
Keywords:RV reducer;comprehensive test bed;transmission efficiency;torsional rigidity
0引言
随着德国“工业4.0”和中国“中国制造2025”的提出，全球制造业的改革己取得了巨大的成就，其中工业机器人的广泛应用具有不可替代的作用[1]。

但是我国的机器人的核心零部件大部分依赖进口，使得我国机器人的成本高于国外同款机器人的整体售价[2]。

因此高性能的RV减速器是提高机器人精度和质量的重点，提高RV减速器性能的任务迫在眉睫[3]。

由于我国RV减速器研发时间较短，虽然研究学者对其理论方面的研究很多，但关于检测方面的研究还很少。

研究RV减速器测试系统从传统仪器的人工记录和数据处理进行试验，到传统仪器与计算机结合进行试验，再到现代结合虚拟仪器技术的自动化测试技术。

现代自动化测试技术不仅提高了检测速度和精度，以及数据采集、分析、处理等能力，而且适用对象广泛，通用性及延展性强。

目前，部分学者对RV减速器试验台的搭建进行了一定的研究，有些学者对RV减速器的传动误差进行分析，但大多数数据结果只是对RV减速器的某一性能或参数进行检测，还不能对RV减速器进行整体性能检测[4]。

因此该次试验的意义在于比较国产RV减速器和进口RV减速器的参数差异，记录其传动比、传动效率、传动误差、传动精度、扭转刚度的检测数据，从数据中寻找自制RV减速器与进口RV减速器的差异，计算分析出设计中的薄弱点，找到影响RV减速器性能差异的关键性因素，并提出更优化的设计方案。

1综合试验台测量对象及原理
1.1传动比
传动比i通过转速可以计算得出，即
i=n1/n2。

（1）式中：i为被测减速器的传动比；n1为被测减速器的输入端的转速；n2为被测减速器的输出端的转速。

1.2传动效率
传动效率η的计算公式为
η=T2i·T
1
×100%。

（2）式中：η为被测减速器的传动效率；i为被测减速器的传动比；T1为被测减速器的输入转矩；T2为被测减速器的输出转矩。

1.3传动误差
传动误差E是指减速器输出轴的理论转角与实际转角之差，计算公式为
E=φ1i-φ2。

（3）式中：i为被测减速器的传动比；φ1为被测减速器输入端的实际转角；φ2为被测减速器输出端的实际转角。

1.4传动精度
传动精度θ是同一组数据内传动误差值中的最大值
基金项目：辽宁省高校产业技术研究院重大项目（201814015）
与最小值之差，即
θ=E max -E min 。

（4）通过对传动误差E 的测试，期间得出的数据中，用最大误差值E max 减去最小误差值E min 即可得到被测减速器的传动精度θ。

1.5
扭转刚度
通常情况下，扭转刚度K 是输出轴转矩与对应转角的比值，但是由于在载荷的作用下，会使轴发生不可避免的弹性变形。

首先要锁定被测减速器的输出端，然后在输入端预加设定载荷，此载荷可以通过转矩转速传感器得到，同时利用高精度角度编码器测量得到输入轴转角θ1，利用高精度角度编码器再次获得被测减速器输出端的扭转角
Δθ2。

[5]，
即可得到被测减速器的扭转刚度为K =
iT 1θ1/i -Δθ2。

（5）
式中：i 为被测减速器的传动比；T 1为被测减速器输入端的预加载荷；θ1为被测减速器输入端的转角；Δθ2为被测减速器输出端扭转角，Δθ2主要是为了克服在载荷作用下产生的弹性变形而进行转角位置的补偿。

2试验平台设计过程2.1试验平台设计要求
设计一台RV 减速器综合性能测试平台，快速检测RV 减速器综合性能[6]。

需要保证减速器拆卸安装快速，最大程度保证安装精度，满足减速器关键性能的测试要求。

2.2试验平台测量对象
该次试验测量的减速器为ZKRV-80E 。

2.3
试验平台的设计
该试验平台由主轴电动机、油气润滑装置、水冷装置、空压机、储气罐、过滤机、转矩转速传感器、编码器、摆线针轮齿轮箱、磁粉制动器、各功能模块支撑、自定位T 型槽底座、控制柜等部分组成。

各部分采用模块化设计，可自由拆卸组装，可测试多种类型传动结构的性能。

该次试验台总设计图如图1所示。

2.4
试验平台设备选型
2.4.1
试验台结构
根据国内外己有的减速器试验台设计，RV 减速器综合性能试验台的整体结构采用卧式结构。

RV 减速器轴线主要呈水平状态，驱动电动机位于减速器的一侧[7]。

虽然采用卧式结构时，RV 减速器产生径向载荷，但两轴系和RV 减速器的同轴度易于保证，操作更适合人体工学。

2.4.2基础铸铁平台选用传统的铸铁平板，规格为2.5m×1.0m×0.3m 。

2.4.3主轴电动机
该试验台主轴电动机型号为210MD09Y33C ，其中额
定功率S 1为33kW 、S 6为52.9kW ，额定频率为300Hz ，额定转速为9000r/min ，额定转矩为35.02N ·m ，最大转矩为56.03N ·m ，冷却方式为水冷却，润滑方式为油雾润滑。

2.4.4磁粉制动器
该试验台磁粉制动器型号为CZ-500，额定转矩为
5000N ·m ，激磁电流为3A ，磁粉用量为3600g ，滑差功率为40kW ，冷却方式为水冷。

2.4.5联轴器
各模块之间通过联轴器连接，各模块与底板通过直
线定位槽定位，由模块锁紧螺丝锁紧。

电动机输出轴与输入转矩传感器之间、输入转矩传感器与RV 减速器输入端之间采用型号为MJC-30C-GR-7×8的挠性梅花型夹紧型联轴器。

RV 减速器输出端与输出转矩传感器之间、输出转矩传感器与磁粉制动器之间采用型号为MJB-55-RD-10×10的挠性梅花型胀套联结单型联轴器[8]。

2.4.6油气润滑装置
该试验台的油气润滑装置型号为HL0A-03。

设备可
靠，维护量小；对不同黏度的油品适应性好；监控手段完善，机电一体化程度高；不污染环境。

2.4.7水冷装置
该试验台的水冷装置型号为CW-5200工业冷水机。

该冷水机的机型结构紧凑，体积小巧，方便移动，操作简单，有多种设定和故障显示功能，工作性能稳定，使用寿命长。

2.4.8气体装置
该试验台的气体装置分为空气压缩机、储气罐、粗过
滤器。

空气压缩机的型号为申沃V-1.6/8，转速为900r/min ，匹配功率为11kW ，额定排气压力为0.8MPa 。

储气罐为空压机的配套装置，型号为HK17-18-13-42，容积为0.3m 3，
0.8MPa ，耐压试验压力为1.26MPa 。

QSLZ-G1/2"-VI 。

该试验台气体环所有的试验台的气体装置能够有效地提避免因环境及油液润滑而对起到了更安全的辅助性作用。

控制柜选型
该试验台的控制柜型号为HY-3A 手动控制器。

精度高，考虑到经济成本，在不影响精度的情况下，用手动控制器代替自动控制器。

2.4.10转矩转速传感器选型
该试验台的主要测试对象为ZKRV-80E 型RV 减速
器，其输入轴的最高转速为9000r/min ，输入轴的最大转矩为16.53N ·m ，输出轴的最大转速为70r/min ，输出轴的最大转矩为800N ·m ，故选择ZJ-100AG 型转矩传感器作
电动机
联轴器A
转矩转速
传感器A
高速编码器
被测RV 减速器
低速编码器
转矩转速传感器B
磁粉制动器
测试装置
试验控制台
图1试验台总设计图
联轴器B
为RV 减速器输入轴的转矩传感器，ZJ-5000A 型转矩传感器作为RV 减速器输出轴的转矩传感器[9]。

3试验平台的搭建3.1三维模型图
根据试验台的设计要求，设计的三维图如图2所示。

3.2试验平台的工作范围
试验平台
中各个装置的参数如表1所示。

3.3验平台搭建
1）试验台传动部分。

从左到右依次是驱动电动机、输入转矩传感器、高速编码器、被测RV 减速器、低速编码器、输出转矩传感器、磁粉制动器。

2）滑动导轨。

整个平台通过高精度定位导轨实现便
于更换各部分模块的要求。

3）控制柜和操作平台。

实现后期数据的整合、分析。

4）角度编码器。

输入轴与输出轴两边各一个，用于测
量角度变化。

5）转矩转速传感器。

输
入轴和输出轴两边各一个，用于测量转矩与转速。

试验平台实体图如图3所示。

4试验平台的测试与结果4.1启动力矩
在该次试验中，角度编码器信号变化时的转矩值即是该次测试的启动力矩。

如图4所示。

该试验台所需要的力矩平均值为499.945N ·m 。

4.2传动比
在传动比试验中，设置RV 减速器的输出转速为15
r/min ，输出转矩为800N ·m ，系统自动检测输入端和输出端转速，绘制传动比实时曲线如图5所示。

该试验台减速器传动比的平均值为133.905。

4.3扭转刚度
在该次
试验中，将
输入端锁死，正反向每次为一个周期，不断将减速器输出端正、反
向缓慢施加载荷至减速器额定转矩值，重复试验，最后回到起始状态[4]。

试验结束之后，绘制刚度曲线如图6所示。

4.4传效率试验
试验中，为121，动记录存储输入输出端的转矩，计算机实时绘制传动效率曲线，所示。

该试验台减速器传动效率的平均值为0.822。

5
结
与有技术比，台的精效果是：
1试减速种类多，以对多种复杂型号的减速器等进行相关的性能检测，即将减速器安装在精密安装支架上进行检测，还方便更换不同的减速器；
2）测试性能全面，可以利用转矩转速传感器、高精度编码器等准确高效地完成RV 减速器的传动比、传动效率、传动误差、传动精度、扭转刚度等的检测；
3）更换减速器原理简单，只需打开平台中间位置的
联轴器，并将打开的联轴器向右侧移动，然后便可拆卸掉编码器、联轴片等，留出来卸下减速器的空间，可完成减速器的更换，省去了移动导轨，使结构更加简单；
4）平台采用的主轴伺服电动机，功率大，启动容易，
带载能力强，可以带动赋值很大载荷的传动机构，提速快，从而可以协助检测多种传动机构，效率高，并且带动
相同负载时比小功率电动机省电。

图2试验平台3D 模型
表1试验装置技术参数
测量对象
RV 减速器80E 系列
输入转速/（r ·min -1）0~9000加载力矩/（N ·m ）0~5000输入轴转矩量程/（N ·m ）±100输出轴转矩量程/（N ·m ）±5000角度编码器分辨率/位
64
图3
试验平台实体图
图4启动力矩试验结果
图5传动比试验结果
-1200-800-400
400800
1200
转矩/（N ·m ）
图6扭转刚度试验结果
图7传动效率试验结果
时间/s
112.596
435
114.022113.309
114.735
115.449
467499531563时间/s
112.596
0.66
114.022113.309
114.735
115.449
0.740.820.900.98时间/s
112.596
-5000114.022113.309
114.735
115.449
-250002500
5000(下转第153页)
I/O状态，I/O有输入输出时该信号点亮。

也可以在操作界面里点击查看其它设备的I/O状态，I/O包含PLC中直接接线部分及CC-Link分配的地址。

系统中所有的交互信号都可以在屏幕显示，直观可见每个信号的接通及其功能情况，机床的输入对应机器人的输出，机床的输出对应机器人的输入，本文通过PLC将信号对接，以方便观测及控制。

2)图7为机器人与机床一序一卡盘夹紧检测的交互
结论
机床自动上下料自动线运行的关键是稳定的工件装夹、稳定的信号检测与传输、稳定的机床加工，任何一个环节有问题都会导致整个自动线的运行故障，需要每个环节精确配合，设计并实施的该自动线完美解决了诸多困难，目前实际使用效果良好，已经批量生产加工产品。

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作者简介:黄东(1986—),男,硕士,助理工程师,从事机床与机器人等设备的研究与应用工作。

收稿日期:2020-02-25
图5CC-Link连接梯形图
图6机床I/O监控图
图7机器人与机床交互梯形图
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作者简介：郑鹏（1964—），男，博士，教授，研究方向为现代制造技术与测量、数控制造技术、机械成套设备设计与开发等；
孙瑞（1995—），女，硕士研究生，研究方向为机械工程及其
自动化。

通信作者：孙瑞，****************。

收稿日期：2020-03-19
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（责任编辑马忠臣）
作者简介：张威（1980—），男，硕士研究生，研究员，研究员级高工，从事飞机起落装置设计工作。

收稿日期：2020-03-12
(上接第150页) (上接第148页)。