閆泳琪 楊小軍 雷有巧 王鑫 / 1.寶雞文理學院機械工程學院；.陜西北方動力有限責任公司；3. 陜西省機器人關(guān)鍵零部件先進制造與評估省市共建重點實驗室

0 引言

高精度RV減速器是工業(yè)機器人的核心部件，其性能直接決定了機器人末端執(zhí)行器的準確度。目前高端減速器市場已被日本壟斷，我國急需在該項技術(shù)上取得突破。

有關(guān)RV減速器的性能研究與試驗分析近幾年才發(fā)展起來，現(xiàn)有研究主要集中在動力學仿真[1-4]、固有特性[5]、動態(tài)特性[6-8]、傳動特性[9-11]、實驗測試[12-13]、壽命及故障診斷[14-15]等方面。對于RV減速器的運行監(jiān)測，振動特性更能反映其運行狀況，但目前該項研究還不夠充分，因此，深入研究RV減速器隨轉(zhuǎn)速變化的振動特性對于其結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、系統(tǒng)運行監(jiān)測都具有理論指導意義。

以國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的RV-40E減速器為研究對象，測試與分析機器人減速器綜合測試系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速變化的頻率特性，對比實驗結(jié)果，總結(jié)RV減速器的振動特性。該研究為RV減速器動力學分析及優(yōu)化設(shè)計提供了實驗參考。

1 系統(tǒng)實施方案

本文以RV-40E減速器為研究對象，利用測試實驗裝置進行測試。裝置主要由輸入軸電機、輸入扭矩傳感器、RV減速器、輸出扭矩傳感器、輸出軸同步電機等部件構(gòu)成的，如圖1所示。

圖1 機器人減速器綜合測試系統(tǒng)

利用機器人精密減速器綜合測試系統(tǒng)針對RV-40E減速器進行加速度信號測試與分析。采樣頻率為2 000 Hz，測試點布置如圖2所示。其中，RV-40E減速器的太陽輪齒數(shù)z1= 12，行星輪齒數(shù)z2= 36，擺線輪齒數(shù)z3= 39，針輪齒數(shù)z4= 40。n0為輸出轉(zhuǎn)速，n1為輸入轉(zhuǎn)速。由文獻[4,16]公式并依據(jù)各級傳動比的推導可得特征頻率，如表1所示。由于不同轉(zhuǎn)速下對應頻率成倍增加，因此，僅列舉出輸入轉(zhuǎn)速為300 r/min時的特征頻率值。

圖2 測試點布置

表1 RV減速器特征頻率

2 測試數(shù)據(jù)對比與分析

針對實驗對象進行升速實驗，測試輸入轉(zhuǎn)速分別為300 r/min、700 r/min、1 200 r/min、1 800 r/min時的振動信號。利用QuickDAQ軟件處理分析采集的加速度信號，得出時域信號數(shù)據(jù)，運用MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行頻域分析。

2.1 輸入轉(zhuǎn)速為300 r/min的頻率特性

測試轉(zhuǎn)速為300 r/min的振動信號，通過傅里葉變換得到該轉(zhuǎn)速下的頻譜圖，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速為300 r/min的頻譜圖

由圖3可以看出，其主要頻率為行星齒輪自轉(zhuǎn)頻率f2、針齒嚙合頻率fpin、行星齒輪嚙合頻率fgear、二級傳動嚙合頻率f2c。理論計算與實驗結(jié)果相符合，驗證了實驗數(shù)據(jù)的正確性。從圖3可以發(fā)現(xiàn)幾個幅值極高等間距的未知峰值頻率，其位置分別處于75 Hz、125 Hz、175 Hz、225 Hz、275 Hz。并且從主要峰值的幅值來看，行星齒輪自轉(zhuǎn)頻率f2的幅值最高，其次是中針齒嚙合頻率fpin的幅值，二級傳動嚙合頻率f2c的幅值以及針齒嚙合頻率fgear的幅值。

2.2 輸入轉(zhuǎn)速為700 r/min的頻率特性

測試轉(zhuǎn)速為700 r/min的振動信號，通過傅里葉變換得到該轉(zhuǎn)速下的頻譜圖，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速為700 r/min的頻譜圖

對比圖3、圖4可見，75 Hz、125 Hz、175 Hz、225 Hz、275 Hz以及325 Hz處同樣出現(xiàn)了等間距峰值，而該頻率不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，說明造成該峰值的原因可能為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)問題或電信號干擾。并且，從圖4可以看出，行星齒輪嚙合頻率fgear與125 Hz重合，所以行星齒輪嚙合頻率fgear的真實幅值應低于圖4中顯示的幅值。此外，還可以看出，特征頻率中不僅存在行星齒輪嚙合頻率fgear和行星齒輪自轉(zhuǎn)頻率f2，還伴隨著中心齒輪回轉(zhuǎn)頻率f1和一級傳動嚙合頻率f1c的出現(xiàn)以及針齒嚙合頻率fpin和二級傳動嚙合頻率f2c的消失。由圖4可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，在這些特征頻率中，幅值由低到高依次為中心齒輪回轉(zhuǎn)頻率f1，行星齒輪自轉(zhuǎn)頻率f2，一級傳動嚙合頻率f1c。

2.3 輸入轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的頻率特性

測試轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的振動信號，通過傅里葉變換得到該轉(zhuǎn)速下的頻譜圖，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的頻譜圖

2.4 輸入轉(zhuǎn)速為1 800 r/min的頻率特性

測試轉(zhuǎn)速為1 800 r/min的振動信號，通過傅里葉變換得到該轉(zhuǎn)速下的頻譜圖，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速為1 800 r/min的頻譜圖

通過對比圖5、圖6，隨轉(zhuǎn)速升高的頻譜圖變化可見，RV減速器的特征頻率幅值不高，以一、二級嚙合頻率f1c、f2c為主，行星齒輪嚙合頻率fgear為輔，伴有由于二級嚙合碰摩產(chǎn)生的二倍頻及二分之一倍頻。低頻部分主要為行星齒輪自轉(zhuǎn)頻率f2，及中心齒輪回轉(zhuǎn)頻率f1，無邊頻帶。幅值方面，以結(jié)構(gòu)固有頻率及電信號干擾為主，當個別特征頻率與固有頻率重合時發(fā)生共振，出現(xiàn)個別突出峰值。就特征頻率而言，隨轉(zhuǎn)速增大幅值小幅升高，但與固有頻率相比幅值較低。后續(xù)研究中將重點解析作為主要振動的固有頻率的來源。

3 結(jié)語

本文主要研究了RV-40E減速器隨轉(zhuǎn)速變化的振動特性，對部分轉(zhuǎn)速進行頻域?qū)Ρ确治觯偨Y(jié)RV減速器隨轉(zhuǎn)速變化的振動信號特征。研究發(fā)現(xiàn)，以一、二級嚙合頻率f1c、f2c為主，行星齒輪嚙合頻率fgear為輔，伴有由于二級嚙合碰摩產(chǎn)生的二倍頻及二分之一倍頻。幅值方面，以結(jié)構(gòu)固有頻率及電信號干擾為主，特征頻率幅值較低，當個別特征頻率與固有頻率重合時發(fā)生共振，出現(xiàn)個別突出峰值。推斷在RV減速器進入疲勞失效以前，影響機器人精度的抖動因素主要來源于結(jié)構(gòu)固有頻率以及特征頻率與固有頻率發(fā)生的共振。