CN105241589A - 一种机器人手臂应变测试数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人手臂应变测试数据处理方法，它由应变片（1），应变采集器（2），含有峰谷预处理器（4）和改进的雨流计数器（5）的数据处理系统（3），损伤与寿命计算器（6），报警器（8）和显示器（7）并依次连接组成的测试装置，其数据处理方法为：（1）贴应变片；（2）峰谷预处理；（3）改进的雨流计数统计；（4）损伤计算；（5）损伤累积计算。该方法中监测装置结构简单，体积小，数据处理方法先进，精度高，能自动显示数据处理结果，操作简单，直接安装在机器人手臂上，实时自动监控和自动报警。

Description

一种机器人手臂应变测试数据处理方法

技术领域

本发明涉及机器人手臂的测试和数据处理，具体涉及一种机器人手臂的应变测试数据处理方法。

背景技术

伺服电机驱动机器人手臂进行水平方向和竖直方向的运动，实现对目标物的抓放作业。机器人手臂在操作的过程中，受变幅交变应力作用而产生疲劳损伤，随着工作时间的增加，机器人手臂（机器人手臂零部件）的疲劳损伤也在增加，其使用寿命逐渐减少。机器人手臂的疲劳损伤程度和剩余寿命，是由实验计算和使用经验积累获得并在此基础上编制维护资料，它规定了维护的时间间隔并提供了机器人手臂的寿命值。虽然这些数据对保证机器人的连续运转起到了重要的作用，但是该资料无通用性。对于不同用途、不同型号、不同工作载荷的机器人，随着运作时间的增加，机器人手臂的疲劳损伤程度也不同，仅靠维护资料来预估每次运作后的疲劳损伤程度及剩余寿命，不能及时准确地提供机器人手臂的疲劳损伤程度及剩余寿命。由于难以预测机器人手臂寿命值，也就难以预防某一台机器人在运作过程中突然失效，进而影响机器人运作的可靠稳定性。为了提高机器人运作的可靠稳定性，对各机器人手臂的损伤程度及剩余寿命进行实时监控尤为重要。

发明内容

针对已有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种结构简单，体积小，安装方便，操作简单，能实时自动监测机器人手臂损伤和寿命的机器人手臂应变测试数据处理方法。

本发明是通过如下技术方案实现以上目的的。

本发明的一种机器人手臂应变测试数据处理方法，它由应变片1，应变采集器2，数据处理系统3、装在数据处理系统3内的峰谷预处理器4和改进的雨流计数器5，损伤与寿命计算器6，显示器7和报警器8并依次连接组成的测试装置，其数据处理方法的步骤如下：

（1）、贴应变片

在被测试的机器人手臂的应力（或疲劳损伤）集中部位上贴上应变片1，应变采集器2通过应变片1以一定的时间间隔连续获得贴片部位的应变大小，并将其转换成应力数值信号，生成机器人手臂各应力数值信号的数据文件，输入到含有峰谷预处理器4和改进的雨流计数器5的数据处理系统3；

（2）、峰谷预处理

以一定的时间间隔采集机器人手臂各应力数值信号的数据，将采集到的随时间变化的应力数据点连成应力-时间历程曲线，去掉相邻峰谷点间的中间点，保留峰谷点，得到包含峰谷点的随时间变化的应力-时间历程曲线；

（3）、采用改进的雨流计数器5对封闭历程曲线进行应力循环统计

在应力-时间坐标系中，将保留峰谷点的应力-时间历程曲线以过曲线终止点的竖直线为对称轴，镜像原应力-时间历程曲线，得到对称应力-时间历程曲线，并以对称应力-时间历程曲线最小应力值点为分割点，将对称应力-时间历程曲线分为左、右两段应力-时间历程曲线，将左、右两段应力-时间历程曲线的位置互换，得到起始点应力值与终止点应力值，其应力值相等且均为最小应力值的封闭历程曲线，

采用改进的雨流计数器5对封闭历程曲线进行应力循环统计，得到每一应力循环的应力均值σ_m、应力幅值σ_a和循环次数n，根据得到的应力均值σ_m、应力幅值σ_a和循环次数n计算出等效对称循环应力σ和有效应力循环次数n＇，其计算式如下：

式中：σ_i为第i次等效对称循环应力值，σ_a＇为计算应力幅值，σ_m＇为计算应力均值，σ_b＇为计算强度极限值，[n]为设计安全系数；

（4）、损伤计算

根据材料S-N曲线表达式，采用损伤与寿命计算器6，计算第i次的损伤值：

式中：a和b为待定系数，N_i为第i次的疲劳寿命值，D_i为第i次的损伤值；

（5）、损伤累积计算

采用损伤与寿命计算器6计算损伤累积值，其计算式为：

D=∑D_i

式中：D为损伤累积值，

当D=1时，剩余寿命减少到零，更换或修复机器人手臂。

本发明的一种机器人手臂应变测试数据处理方法的优点是：该方法中监测装置结构简单，体积小，数据处理方法先进，精度高，能自动显示数据处理结果，操作简单，直接安装在机器人手臂上，实时自动监控和自动报警。

附图说明

图1是本发明的一种机器人手臂应变测试数据处理方法的流程图。

图2是一段应力随时间变化的应力-时间历程曲线图。

图3是峰谷预处理后的应力-时间历程曲线图。

图4是镜像处理后的应力-时间历程曲线图。

图5是分割处理后的封闭时间-历程历程曲线图。

图6是分解封闭时间-历程历程曲线图成单峰循环区间示意图。

图中，1、应变片，2、应变采集器，3、数据处理系统，4、峰谷预处理器，5、改进的雨流计数器，6、损伤与寿命计算器，7、显示器，8、报警器。

具体实施方式

由图1可见，本发明的一种机器人手臂应变测试数据处理方法，由应变片1，应变采集器2，数据处理系统3，装在数据处理系统3内的峰谷预处理器4和改进的雨流计数器5，损伤与寿命计算器6，显示器7，报警器8并依次连接组成测试装置，其所述方法的步骤如下：

（1）、贴应变片

应变片1贴在被检机器人手臂的应力（或疲劳损伤）集中部位上，应变采集器2通过应变片1以一定的时间间隔（如每过0.01秒将测到的值保存起来，10秒钟内将有1000个按时间顺序排列的测试的数据）连续获得贴片部位的应变大小，并将其转换成应力数值信号，生成机器人手臂各应力数值信号的数据文件，输入到含有峰谷预处理器4和改进的雨流计数器5的数据处理系统3；

（2）、峰谷预处理

将以一定的时间间隔采集的应力数据点（如10秒内测得并转换而得的1000个随时间变化的应力数据点）连成应力-时间历程曲线，采用峰谷预处理器4将随时间变化的应力-时间历程曲线图（如图2所示）中去掉相邻峰谷点间的中间点，保留峰谷点，得到包含峰谷点的随时间变化的应力-时间历程曲线图（如图3所示）；

（3）、采用改进的雨流计数器5对封闭历程曲线进行应力循环统计

在应力-时间坐标系中，将保留峰谷点的应力-时间历程曲线以过曲线终止点的竖直线为对称轴，镜像原应力-时间历程曲线，得到对称的应力-时间历程曲线图（如图4所示），并以对称的应力-时间历程曲线最小应力值点为分割点，将对称应力-时间历程曲线分割为左、右两段应力-时间历程曲线，将左、右两段应力-时间历程曲线互换位置，得到起始点应力值与终止点应力值，其应力值相等且均为最小应力值的封闭历程曲线（如图5所示）。

采用改进的雨流计数器5对封闭历程曲线进行应力循环统计，得到每一应力循环的应力均值σ_m、应力幅值σ_a和循环次数n，根据得到的应力均值σ_m、应力幅值σ_a和循环次数n计算出等效对称循环应力σ和有效应力循环次数n＇，其计算式如下：

式中：σ_i为第i次等效对称循环应力值，σ_a＇为计算应力幅值，σ_m＇为计算应力均值，σ_b＇为计算强度极限值，[n]为设计安全系数；

设经统计得第i次应力循环的应力均值σ_m为80Mpa、应力幅值σ_a为40Mpa和循环次数n为1，令材料计算强度极限值σ_b＇为720Mpa，安全系数[n]为2.4，则经过上式计算可得第i次等效对称循环应力值σ_i为130.91Mpa和有效应力循环次数n＇为0.5；

（4）、损伤计算

根据材料S-N曲线双坐标表达式，采用损伤与寿命计算器6，计算第i次的损伤值：

式中，a和b为待定系数，N_i为第i次的疲劳寿命值，D_i为第i次的损伤值；

（5）、损伤累积计算

采用损伤与寿命计算器6计算损伤累积值，其计算式为：

D=∑D_i

式中：D为损伤累积值

当D大于等于0.99时，报警器8自动报警，并在显示器7中实时监控，提示机器人手臂损伤累积值，当机器人手臂的损伤累积值达到寿命极限时，及时对机器人手臂进行维护检查或更换，预防机器人的突然失效，提高生产效率。

所述改进的雨流计数器5内置有计算机程序语言，将上述封闭应力-时间历程曲线分区，分成为一个个单峰循环区间局部应力-时间历程曲线（如图6所示），设置全局静态数组S[n]（N_start≤n≤N_end）是经过处理的从起始点N_start到终止点N_end的应力-时间历程记录，且S[N_start]=S[N_end]=S_min，该改进的雨流计数器5用计算机程序语言描述如下：

VoidRain_flow(intN_start，intN_end，doubleS_min)

{

（1）如果(N_end-N_start＜2），则（return；）

（2）如果(N_end-N_start=2），则

（①σ_max=S[N_start+1]，σ_min=S_min；

②σ_m=（σ_max+σ_min）/2，σ_a=（σ_max-σ_min）/2；

③输出σ_m和σ_a；

④return；）

（3）如果(N_end-N_start＞2），则

（①在数组S[n]，N_start﹤n﹤N_end中寻找最大值S_max，记下N_peak及

S_max=S[N_peak]；

②如果N_start+1=N_peak，则令N_LV=N_start，否则，在数组S[n]，N_start

﹤n﹤N_peak中寻找最小值S_Lmin，记下N_LV及S_Lmin=S[N_LV]；

③如果N_peak+1=N_end，则令N_RV=N_end，否则，在数组S[n]，N_peak

﹤n﹤N_end中寻找最小值S_Rmin，记下N_RV及S_Rmin=S[N_RV]；

④Rain_flow(N_start，N_LV，S_Lmin)；

⑤Rain_flow(N_LV，N_RV，S_min)；

⑥Rain_flow(N_RV，N_end，S_Rmin)；)

}。

Claims (1)

1.一种机器人手臂应变测试数据处理方法，其特征在于，它由应变片(1)，应变采集器(2)，数据处理系统(3)、装在数据处理系统(3)内的峰谷预处理器(4)和改进的雨流计数器(5)，损伤与寿命计算器(6)，显示器(7)和报警器(8)并依次连接组成的测试装置，其数据处理方法的步骤如下：

(1)、贴应变片

在被测试的机器人手臂的应力（或疲劳损伤）集中部位上贴上应变片(1)，应变采集器(2)通过应变片(1)以一定的时间间隔连续获得贴片部位的应变大小，并将其转换成应力数值信号，生成机器人手臂各应力数值信号的数据文件，输入到含有峰谷预处理器(4)和改进的雨流计数器(5)的数据处理系统(3)；

(2)、峰谷预处理

以一定的时间间隔采集机器人手臂各应力数值信号的数据，将采集到的随时间变化的应力数据点连成应力-时间历程曲线，去掉相邻峰谷点间的中间点，保留峰谷点，得到包含峰谷点的随时间变化的应力-时间历程曲线；

（3）、采用改进的雨流计数器(5)对封闭历程曲线进行应力循环统计

在应力-时间坐标系中，将保留峰谷点的应力-时间历程曲线以过曲线终止点的竖直线为对称轴，镜像原应力-时间历程曲线，得到对称应力-时间历程曲线，并以对称应力-时间历程曲线最小应力值点为分割点，将对称应力-时间历程曲线分为左、右两段应力-时间历程曲线，将左、右两段应力-时间历程曲线的位置互换，得到起始点应力值与终止点应力值，其应力值相等且均为最小应力值的封闭历程曲线，

采用改进的雨流计数器(5)对封闭历程曲线进行应力循环统计，得到每一应力循环的应力均值σ_m、应力幅值σ_a和循环次数n，根据得到的应力均值σ_m、应力幅值σ_a和循环次数n计算出等效对称循环应力σ和有效应力循环次数n＇，其计算式如下：

式中：σ_i为第i次等效对称循环应力值，σ_a＇为计算应力幅值，σ_m＇为计算应力均值，σ_b＇为计算强度极限值，[n]为设计安全系数；

（4）、损伤计算

根据材料S-N曲线表达式，采用损伤与寿命计算器(6)，计算第i次的损伤值：

式中：a和b为待定系数，N_i为第i次的疲劳寿命值，D_i为第i次的损伤值；

（5）、损伤累积计算

采用损伤与寿命计算器(6)计算损伤累积值，其计算式为：

D=∑D_i

式中：D为损伤累积值，

当D=1时，剩余寿命减少到零，更换或修复机器人手臂。