摘 要: RV 减速器在正式投入使用之前，其各项关键指标参数需要进行严格的测试。考虑到当前国内尚无RV 减速器测试的方法标准，市面上也缺乏 RV 减速器综合性能测试的技术解决方案，本文从RV 减速器的机械传动原理入手，分析了现有可参照的测试方法标准的不足之处，研究了 RV 减速器的测试方法标准，并对其试验方法和装置方案进行了设计。最后，开展了 RV 减速器传动误差、旋转效率、扭矩刚度、回程误差和空程等性能参数的验证试验，结果表明本文提出的测试标准和试验方法科学有效。
关键词: 回程误差; 传动误差; 性能测试; RV 减速器
0 引言
现有高精密减速器主要有三种类型，分别是RV 减速器、摆线针轮减速器和谐波减速器。其中，RV 减速器较其它减速器在传动精度、旋转效率、扭矩刚度、使用寿命方面更具优势， 在高精密传动领域应用最为广泛，具有较高的性价比。对RV 减速器来说， 其运动精度包括定位精度和传动精度， 回程误差和传动误差是其主要的对应评价指标。通常，RV减速器出厂时，回程误差的技术指标要求必须控制在不大于 1. 5 角分，传动误差的技术指标要求控制在不大于 1 角分。［1］作为RV 减速器的使用单位，工业机器人生产企业在加工组装之前必须对 RV 减速器的各项关键指标参数进行严格的测试。另外，作为RV 减速器的生产单位，对 RV 减速器成品的各项参数测试也是必不可少的生产环节。［2－3］ 因此，从长远来说，RV减速器在测试方面有着巨大的市场需求，研究其测试方法和相关标准有着显著的经济和社会效益。
1 ＲV 减速器的测试方法标准研究
目前，国内尚未出台与 RV 减速器测试方法相关的国家、行业或地方标准。除了RV 减速器，其它两种类型减速器的测试方法具备现行有效的标准，如 JB /T2982 《摆线针轮减速机》、JB /T 12929 《摆线针轮减速机 温升测定方法》、JB /T 12930 《摆线针轮减速机 清洁度测定方法》等标准对摆线针轮减速机的测试提出了具体的要求。如 GB /T 30819－2014《机器人用谐波齿轮减速器》规范了机器人用谐波齿轮减速器的各项技术指标，QJ 1820－ 1989《谐波齿轮减速器测试方法》对谐波齿轮减速器的测试提出了具体的要求。三大类型的减速器尽管在原理结构和性能指标方面不尽相同，但是都可以用于工业机器人、数控机床和精密仪器等领域的精密传动，在各个应用领域具备相似的功能和技术指标要求。
现有 RV 减速器测试方案( 传动误差、旋转效率、回程误差和扭转刚度等测试方案) 主要有三种情况，分别是:
(1) 运用传统仪器进行测试实验，采用人工记录和处理数据。该方案的不足是工作量大、效率低、精度差。
(2) 多种专业仪器组合， 利用计算机数据采集、合成处理。这种方法需要编程计算机与传统仪器之间的接口程序，所以通用性较差。
(3) 采用零部件测试然后用理论模型计算的方式。然而， 计算结果通常与实际值相差甚远，只能用于产品设计时作为参考。［4－5］因此，设计统一的测试方法和流程，形成业内认可、标准统一的测试方法标准，可为RV 减速器产业的发展提供技术支撑。
RV 减速器运行过程中，输入轴的转向突然发生改变时，由于传动机构的间隙，运动部件的摩擦、金属材料变形、油脂弹性阻力等原因，［6］导致输出轴的转向无法即可跟随改变，从而存在输出轴转动滞后现象， 转角滞后量( 回程误差) 表示为:
式中: θimax、θimin———输入轴的转矩为+3% 和－3%的额定转矩时对应的角度传感器读数;
θomax、θomin———输出轴在上述转向期间对应的最大和最小角度传感器读数;
i———RV 减速器传动比。
在实际回程误差测试中，可以锁定输出轴，采用梯度加载法可以测试 RV 减速器的回差(和空程) 。
因此转角滞后量( 回程误差) 可简化表示为:
对 RV 减速器的输入轴进行正方向加载转矩载荷，从零开始梯度加载荷至 RV 减速器的额定转矩，然后逐渐卸载至零。继续反方向加载荷，同样地从零开始梯度加载荷至 RV减速器的额定转矩，然后逐渐卸载至零。同时，用圆光栅( 或其它角度传感器) 测出输入轴的转角 φ，用转矩转速测量仪( 或其它扭矩传感器) 测出对应的瞬时载荷扭矩。试验前，根据所需测量精度确定测量点的密度，所需精度越高，测量点越密。测试完毕后，通过数据拟合获得转角－扭矩效果图如图 1 所示。在测试过程，测量点的分布应合理科学，可在 ± 3% 额定转矩区间内适当提高测量点的密度。通过所测数据啮合出回滞曲线(见图 1)， 其与纵坐标的交点为 y1和 y2，则可得空程值为: y1－y2。
图1 转角－扭矩效果图
对 RV 减速器来说，锁定输出端，对输入端施加扭矩时，输入轴会因 RV 减速器的内部弹性变形而产生与扭矩对应的扭转变形。由图 1 可见，当施加的转矩超过此时 + 3% 和－3% 的额定转矩后，回滞曲线的扭转角和转矩基本成线性关系。此时，RV减速器输入轴的载荷扭矩和对应的扭转角之比就是扭转刚度的测试结果。通过式( 3) 可以计算出RV减速器的扭转刚度。［7］
T = b /a (3)
式中: T———扭转刚度;
b———负载转矩;
a———输入端转角。
RV 减速器试验应在专用的试验台上进行。RV减速器试验时， 室内的环境温度应在 5℃～ 40℃ 范围内。RV 减速器周围空气应自由流通，不允许采取强迫流通的方式。试验环境内必须保证无影响试验的振动。
2 RV 减速器试验方案设计
RV 减速器试验装置组成如图 2 所示。试验台架、设备如下:
(1) 试验平台或试验台架;
(2) 原动机( 原动机的输出功率和转速，应能满足被测RV 减速器在测试时所需的输入功率和转速的要求) ;
(3) 制动加载器( 制动器加载器应能满足被测RV 减速器在进行测试所需的制动转矩需求) ;
(4) 联轴器。
测试仪器如下:
(1) 转矩转速传感器 (准确度应不低于0. 5级) ;
(2) 转矩转速测量仪( 准确度应不低于0. 5 级，定转矩不小于 200Nm，额定转速不小于 6000r /min) ;
(3) 振动测量仪( 精度不低于± 0. 5mm /s) 。试验装置是由试验平台、原动机、转矩转速测量仪、圆光栅、制动加载器、被测 RV 减速器和联轴器组装而成的(见图2)
图2 试验装置组成图
试验前，应先将待检测的 RV 减速器安装到试验平台上。使用联轴器连接原动机的输出轴和RV减速器的输入轴和测量主轴，在 RV 减速器输出部分使用联轴器连接RV 减速器输出轴以及转矩转速测量仪的输入轴，并连接圆光栅和制动加载器，然后调整各个组件的相对位置， 保证各轴同轴且无互相干涉。锁定输出端，通过逐次加载测量RV 减速器的回程误差和扭转刚度。在固定输出端的条件下，从零开始逐渐加至减速器的额定转矩，然后，逐渐卸载至零，继续反方向加载至额定转矩，再逐渐卸载至零，在此加载的过程中，通过圆光栅传感器和转矩转速测量仪，定时读取若干输入端角度值与扭矩值，根据采样得到的数据点进行整理拟合作出试验结果效果图，并可基于效果图中数据计算出RV 减速器的回程误差和扭转刚度。［8］
RV 减速器的传动误差和旋转效率可通过设定原动机旋转速率和制动加载器参数，带动被测RV减速器均匀稳定的旋转。旋转一周内，RV 减速器输入端和输出端的旋转角度通过圆光栅进行实时测量。当输入轴转动一定角度，此时输出轴与输入轴实际转角的角度差值为传动误差，即传动精度。旋转效率的试验可结合转矩转速测量仪的实时输出，计算RV 减速器输入端和输出端各自的实时效率，获得被测 RV 减速器的旋转效率。
3 RV 减速器试验结果
本文基于以上的测试标准和试验方法的研究设计结果，选取一款 RV 减速器进行试验( 委托厦门大学嘉庚学院机器人实验室试验)，分别对 RV 减速器的传动误差、旋转效率、扭转刚度、回程误差和空程进行试验，测量结果如表 1 所示。
表1 测试结果汇总表
被测减速器的传动误差、旋转效率、扭转刚度、回程误差和空程测试结果如图 3～图8 所示。
图3 RV减速器传动误差的测试结果( 正方向)
图4 RV减速器传动误差的测试结果( 反方向)
图5 RV 减速器旋转效率测试结果( 正方向)
图6 RV 减速器旋转效率测试结果( 反方向)
图7 RV 减速器扭转刚度、回差、空程测试结果( 正方向)
图8 RV 减速器扭转刚度、回差、空程测试结果( 反方向)
图7 和图 8 是通过梯度加载法测试获得的数据拟合结果。由于RV 减速器存在设计加工误差和装配误差，齿轮间存在间隙，以及内部材料本身的刚性问题，导致存在回程误差。为了克服内部的摩擦力及油脂阻力，因此在施加 + 3% 和－3% 的额定转矩时，可测试出 RV 减速器的回程误差和空程大小。
4 结论
RV 减速器在工业机器人、数控机床和精密仪器等需要精密传动的领域应用广泛，但是目前国内外缺乏统一的测试方法标准，而市面上针对 RV 减速器性能参数的测试仪器大多数功能也比较单一。
本文研究了 RV 减速器的通用测量方法标准及其对应的试验方案，并通过试验验证了其有效性。本文的研究成果不仅满足了RV 减速器的运动精度和其它性能参数的测试要求， 而且具备了通用性和兼容性的特点，有利于 RV 减速器行业实现统一的测试方法标准。
作者
厦门市计量检定测试院
郑伟峰
参考文献
［1］何卫东，单丽君. RV 减速器研究现状与展望
［2］黄兴，何文杰，符远翔．工业机器人精密减速器综述
［3］姚文席. 摆线针轮行星减速机的传动误差分析
［4］严细海，张策，李充宁，等. RV减速机的扭转振动的固有频率及其主要影因素
［5］李伟，李力行，叶庆泰. 基于概率理论的RV 减速器的传动误差计算
［6］韩林山，沈允文，董海军，等. 基于非线性分析方法的摆线针轮系统传动精度研究
［7］王高峰，王有飞，孙向阳. 2K－V 型减速机回转精度的仿真研究
［8］李充宁，蔡胜. 2K－V 型摆线针轮减速机回差与刚度的试验研究
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