SG与RV减速器综合性能对比分析

赵巧绒，王雪雯，王 鑫，张宏伟

（1.西京学院 机械工程学院，西安710123；2.宝鸡文理学院 机械工程学院，陕西 宝鸡721016；3.陕西省机器人关键零部件先进制造与评估省市共建重点实验室，西安721016）

机器人减速器是工业机器人的核心零部件，占整机成本的30%以上。世界75%的精密减速器市场被日本的Harmonica 和Nabtesco 所占领，其中Nabtesco 的RV 减速器约占60%的市场份额。我国目前正逐步进入工业机器人产业化发展阶段，以精密减速器为代表的核心零部件不能自给自足的现状显得尤为突出[1]。因此分析国产减速器的综合性能参数，为国产减速器的设计与优化提供参考，可以加速我国工业机器人的发展。

目前国内外学者针对谐波减速器、摆线针轮传动进行的研究较多，主要包括齿廓优化[2]、传动误差[3-4]、疲劳寿命[5-6]、性能测试[7-8]、以及结构优化与分析[9]等。有关RV 减速器的性能研究与试验分析是近几年才发展起来的，虽然时间较短没有谐波减速器的研究完善，但也涵盖了齿廓修型[10-11]、传动误差[12-13]、疲劳与模态[14-15]、实验测试[16-17]等方面。本文研究的另一种工业机器人用减速器来源于陕西省某新兴企业自主研发的SG 系列机器人关节减速器。受该企业委托进行其综合性能的全面测试，并与陕西省老牌企业生产的RV减速器进行综合性能对比，为其优化设计提供理论指导。

本文利用机器人综合性能测试系统，分别进行SG减速器与RV减速器的振动、温度、噪声及传动效率的性能测试，对比分析两者的优缺点，为SG 系列减速器的设计与优化提供理论指导。

1 测试方案

1.1 测试系统与测试仪器

本文研究的SG 减速器来源于陕西省某新兴企业，如图1所示，该款减速机没有走仿制进口的路子，打造出了机器人减速机领域新结构。本文作为标杆的RV 减速器为秦川RV-40E 减速器，其各项指标均处于国内外同类产品的先进水平。

图1 SG减速器

本文所用机器人减速器综合性能测试系统如图2所示。其结构主要由电机、扭矩传感器、联轴器、减速器等部件组成。

图2 机器人减速器综合性能测试系统

1.2 测点布置

测试系统主要是由单向振动加速度传感器、温度传感器、噪声传感器、扭矩传感器及便携式振动信号分析仪组成。在采样频率为2 000 Hz 的情况下，利用单向加速度传感器对减速器X、Y、Z三个方向的振动信号进行采集，测点布置如图3所示。温度传感器在减速器的正下方如图3所示。噪声传感器位于实验台中部，见图2。

图3 测点布置

2 测试数据与分析

在电机转速为0～3 000 r/min的升速过程中，分别测量两种减速器的各项性能指标。从时域、频域、温度、噪声及传动效率的角度对比两减速器的综合性能。

2.1 时域分析

利用机器人减速器综合测试系统，分别测试两减速器的时域振动信号。由于篇幅原因在此仅列出RV-40E 在电机转速为500 r/min、负载50 N，采样频率为2 000 Hz 时，X、Y、Z三个方向的振动信号时域图，见图4。

由图4可见，三个方向整体振动均围绕0 m/s2上下波动，漂移较小。相比而言，X（水平）、Z（竖直）方向振动幅值较小，而Y（轴向）振动较大，该特征符合传动系统振动的一般规律。计算整理此时三个方向的振动信号，求解最大值、平均值、标准差等数据，得到RV-40E减速器振动性能指标，见表1。

表1 RV-40E减速器振动性能

图4 RV-40E减速器时域振动信号

由表1中可见，RV-40E 减速器X、Y、Z三个方向的振幅平均值分别为-0.059 m/s2、-0.119 9 m/s2、0.003 5 m/s2，整体漂移较小，说明信号的直流分量、外界随机噪声干扰较小。振动信号的最大值为0.764 m/s2，出现在Y（轴向）方向。标准差分别为0.039 2 m/s2、0.185 m/s2、0.039 6 m/s2，查得日本帝人公司生产的RV 减速器在工作情况下振动加速度小于0.1m/s2，由此可知RV-40E减速器X、Z向振动信号符合标准，Y向超差。

测试SG减速器同样在电机转速为500 r/min、负载50 N，采样频率为2 000 Hz时，X、Y、Z三个方向的振动信号，求解最大值、平均值、标准差等数据，得到SG减速器振动性能指标，见表2。

表2 SG减速器振动性能

由表2可见，SG 减速器平均值大很多，在测试中发现其振动信号大多为正，负值较少，说明信号漂移较大。振动信号的最大值为0.833 m/s2，同样出现在Y（轴向）方向，与表1相比，三个方向最大值均高于表1。标准差方面同样如此，X、Z向高于表1，而Y向略低于表1。X、Z向振动信号符合标准，Y向超标。由此可知SG减速器整体稳定性低于RV减速器。

2.2 随转速变化的振动特性

以上研究为固定转速下的振动特性，当转速升高时，两种减速器的幅值变化呈非线性增长，因此有必要考察转速升高过程中各方向振幅的变化。测试采样频率为2 000 Hz 时，输出端不加载状态下转速由0 r/min升到3 000 r/min的过程中，每个转速下稳定采样5 s求得各方向的振动平均值，绘制两种减速器各向振动对比折线图，见图5至图6所示。

由图5可见，随着转速的增大，RV-40E减速器三个方向振幅都呈上升趋势，相比较而言，Y向振幅最大，X向次之，Z向增长较为平缓。

由图6可见，随着驱动转速的增大，SG 减速器三个方向的振幅亦呈上升趋势。Y向振幅最大，其最大值为RV-40E的3倍，X、Z向振幅几乎相等。

图5 RV-40E各向振动对比图

图6 SG减速器各向振动对比图

两种减速器随转速变化的振幅趋势相同，振幅增长是阶段性变化的，0～500 r/min区间段转速增长剧烈，而500 r/min～1 000 r/min 区间段幅值保持平稳，1 000 r/min～2 500 r/min 区间段振幅继续增加，但增长越来越缓慢，直至停止增长。

2.3 温度变化对比分析

利用机器人减速器综合测试系统中的温度传感器进行温度测试，分别测试两种减速器空载状态下连续运行过程中随转速升高的温度变化，见图7所示。

由图7可知，两种减速器温度增长趋势大致相同，在0～1 700 r/min 转速区间温度变化不大，减速器空载、低速下运行，即处于低功率状态，温度不会造成任何影响。在1 700 r/min～2 000 r/min 区间段温度升高，并在随后的2 000 r/min～3 000 r/min区间段保持稳定，此时减速器处于正常运行状态，温度略有升高，但对设备性能及润滑油等都不会造成影响。相比较而言，RV-40E 的温度偏高，在最开始温度比SG减速器高出7°C，在转速增加后，SG温升幅度更大，此时RV-40E 比SG 高出4°C。两种减速器均为新机，除去新机器处于磨合阶段造成温度升高等客观原因，SG的冷却系统、设备的通风散热等优于RV-40E。

图7 温度对比图

2.4 噪声变化对比分析

噪声是判断减速器运行状态是否良好的诊断方法之一，分别测试两种减速器空载状态下连续运行过程中随转速升高的噪声变化，见图8所示。

图8 噪声对比图

由图8可见，随着驱动转速的不断增大，RV-40E与SG 减速器的噪声在不断增大，两者在转速0～1 500 r/min 的升速过程中噪声均呈上升趋势，在1 500 r/min 以后逐渐趋于平稳。启动阶段SG 噪声较低，但随转速不断增大的过程中，SG噪声超过了RV-40E。SG减速器传动噪声过大的原因可能是内部齿轮精度等级略低。秦川机床厂作为高精度机床供应商，其齿轮的加工精度更高，高精度齿轮比低精度齿轮传动噪声小的多。同时减速器内部的齿轮误差、装配时的同心度，安装过程中机身与基础支撑以及连接件之间的共振，都可能产生噪声。总之，SG 减速器在噪声方面与RV-40E相比有些许不足，可以参考以上几个方面，从齿轮精度、箱体、连接件、轴承等设计、安装、维护方面进行优化。

2.5 传动效率变化对比分析

传动效率是判断减速器性能好坏的重要指标，Nabtesco 出产的RV 减速器其传动效率可以达到85%～95%，国内主流厂商的出厂指标大约在60%～90%。分别测试两种减速器不加载状态下连续运行过程中随转速升高的传动效率变化，如图9所示。

图9 传动效率对比图

由图9可见，随着驱动转速的增大，SG 减速器传动效率平稳，并没有出现比较剧烈的波动，传动效率稳定在20 %到22 %之间。RV-40E 上下轻微波动，基本稳定在80 %左右，转速在2 500 r/min～3 000 r/min时，其传动效率达到最大值98%，此时性能已超过Nabtesco出产的RV减速器，说明国产减速器在部分指标上已达到国际先进水平。总体来看，SG 减速器在传动效率上表现欠佳，与RV-40E 传动效率相差4倍，没有达到国内厂商的最低标准。

3 传动效率差异分析及优化

3.1 传动效率计算

在上文分析中，虽然在振动、温度、噪声方面SG都存在差异，但在传动效率上的差距最为明显，其他参数性能也可能受到传动效率的影响而表现欠佳。因此有必要定量分析两者在传动效率上产生差异的原因。

对于RV减速器的传动效率，国内专家学者已经进行了大量研究，普遍认为RV减速器传动效率一般可达到85%～92%[18-19]。部分学者采用仿真及实验测试，得到RV-40E 最高效率为73.23 %[20]。参考Nabtesco 公司的精密控制用高刚性减速机RV SERIES 技术资料集，RV-40E 减速器效率曲线见图10所示。

图10 RV-40E减速器效率曲线图

SG减速器为双联行星结构(NGWN型)，计算时可等效为一级NGW 行星齿轮和一级正号机构NN串联[21]，如图11所示。因此，NGWN 行星齿轮的传动比为一级NGW 行星齿轮的传动比和一级正号机构NN 传动比的乘积，NGWN 行星齿轮的效率为一级NGW 行星齿轮的效率和一级正号机构NN 效率的乘积。其中i12=-7，i1″2″=1.043，单对齿轮啮合效率为95.06%。

图11 SG等效机构

其传动比和传动效率为

经计算SG 的传动比较大，但传动效率极低，理论传动效率仅为44.53%。同时，双联行星轮工艺性差，制造、安装复杂，对制造精度要求高，其均载性能对制造误差敏感，因此实际传动效率往往达不到理论计算值。

3.2 传动效率差异分析及改善方案

造成SG 减速器传动效率未达到理论值的原因主要有以下两点：

（1）SG 啮合齿对数量未达标。在输入转速恒定的情况下，起初齿轮啮合并不完美，所以效率达不到出厂样本效率。随着时间增长啮合齿对数量增多，输出端负载会逐渐升高，进而传动效率升高。在实验过程中RV-40E 的传动效率即随时间增长而增长，最终达到最高传动效率98 %时已运行了30 分钟。但SG减速器未出现随时间增长而增长的现象，因此推断其内部啮合点数量未达到理论值（9个）。

（2）齿轮传动的功率损耗较大。传动效率主要来源于齿轮传动的功率损耗、轴承摩擦的功率损耗及润滑油搅动的功率损耗等。其中齿轮传动的功率损耗所占比重最大，主要由轮齿间的啮合摩擦引起，受齿面加工精度影响极大。通过拆机观察发现，SG减速器经过测试后其润滑油由黄色变为黑色，润滑油中含有大量铁屑，其齿轮加工等级为9级，齿面存在划痕。因此SG 减速器加工精度过低也是造成其传动效率低的重要因素。

大速比行星齿轮效率会随传动比增大而迅速降低，这是由其结构决定的。但相较于理论值，实际测试结果仅占理论值的50%，若能在制造及安装工艺方面加以完善可以进一步提高SG的传动效率。

4 结语

本文测试分析了SG减速器与RV-40E减速器的振动、噪声、温度及效率指标，剖析了SG减速器相对于RV减速器的优缺点。振动特性方面，两者在轴向振动幅值方面与国外产品相比均超差，水平与垂直方向符合国际标准。SG减速器整体稳定性低于RV减速器，但在温度、噪声方面略有优势，均低于RV。传动效率方面，SG减速器表现欠佳，与RV传动效率相差4倍，没有达到国内厂商的最低标准，一方面由于大速比行星齿轮自身的传动效率理论值偏低，另一方面SG 减速器的制造及安装工艺均未达标。在后续的优化设计中SG可以考虑在齿轮精度、加工误差、整体的安装过程、间隙等方面来减少摩擦，提高传动效率。