CN105701348B - 一种谐波减速器可靠寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐波减速器可靠寿命预测方法，主要包括步骤(1)采集谐波减速器传动精度退化数据、步骤(2)生成传动误差动态曲线、步骤(3)拟合传动精度退化轨迹方程、步骤(4)计算对应失效阈值的失效寿命、步骤(5)检验失效寿命所服从的分布以及步骤(6)谐波减速器可靠寿命评估。本发明提供了一种简单易行，便于实现的寿命评估方法，其采集谐波减速器传动精度退化数据，可以反映出谐波减速器在转动中，由负载与惯性载荷变化引起的连续的传动误差变化，解决静态传动误差检测法仅仅只能反映谐波减速器静止情况下间断的几个点处的传动误差的缺陷，提高谐波减速器传动误差检测精度，进而提高谐波减速器可靠寿命评估精度。

Description

一种谐波减速器可靠寿命预测方法
技术领域
本发明涉及一种谐波减速器的可靠寿命预测方法。
背景技术
谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，由波发生器、柔轮和刚轮组成，依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，并靠柔轮与刚轮啮合来传递运动和动力。谐波减速器作为一类重要的传动机构，其拥有运动精度高、传动比及传动比范围大、结构紧凑、体积小、重量轻、传动惯量小、能在密闭空间传递运动等一系列优点，广泛使用于航空航天、机器人、精密加工设备、雷达设备、医疗设备等领域。其缺点为在谐波齿轮传动中柔轮每转发生两次椭圆变形，极易引起材料的疲劳损坏，损耗功率大。同时，其引起的扭转变形角达到20′～30′甚至更大。受轴承间隙等影响可能引起3′～6′的回程误差，不具有自锁功能。
谐波减速器常工作于低速、轻载、空间密闭的工况下，使得摩擦副难以形成有效的润滑油膜，在综合应力作用下谐波减速器主要接触区域的润滑状态恶化，最后造成接触区域的润滑失效。润滑失效后的主要危害是接触面之间的磨损以及接触副的摩擦阻力增大。各接触部位的磨损的加剧会使接触副间的摩擦阻力增加，接触副间的摩擦阻力的增加直接影响到谐波减速器的传动效率，使得传动效率下降。同时各接触部位的磨损的加剧会扩大齿侧与零部件之间的间隙，从而进一步影响谐波减速器的空程回差以及啮合轮齿的对数等传动特性，使得传动精度下降。且受摩擦阻力与轮齿啮合对数变化的影响，随着使用时间的增长谐波减速器轮齿的扭转刚度会出现明显下降。最终随着使用时间增长谐波减速器运动精度就会显著降低。因此谐波减速器的主要失效形式表现为传动精度及传动效率的下降。
目前，针对谐波减速器的可靠性寿命的研究主要集中在基于传动效率退化模型的可靠寿命评估方法研究，尚未建立一套科学合理的基于传动精度动态退化模型的可靠寿命评估方法和评价体系。因传动效率是间接测量量，基于传动效率退化模型的可靠寿命评估方法存在评估误差较大的问题，同时，对于传动精度要求较高的设备，基于传动效率退化模型的可靠寿命评估方法无法满足谐波减速器对可靠寿命的评估要求。这极大的制约了谐波减速器在高精度设备中的应用。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种基于传动精度动态退化模型的谐波减速器可靠寿命预测方法，其评估结果准确，能够满足高精度谐波减速器可靠寿命评估的要求。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种谐波减速器可靠寿命预测方法，包括以下步骤：
(1)采集谐波减速器传动精度退化数据：利用检测装置连续检测谐波减速器的传动误差数据；
(2)生成传动误差动态曲线：基于传动误差数据得到谐波减速器的传动误差动态曲线；
(3)拟合传动精度退化轨迹方程：提取传动误差动态曲线的极大极小值点，利用最小二乘法拟合传动精度退化轨迹方程；
(4)计算对应失效阈值的失效寿命：将预定的失效阈值代入传动精度退化轨迹方程，计算谐波减速器的失效寿命；
(5)检验失效寿命所服从的分布：假设谐波减速器失效寿命分布，利用分布检验方法检验寿命分布的符合性；
(6)谐波减速器可靠寿命评估：利用最大似然估计法估计谐波减速器寿命分布参数，最终得到谐波减速器可靠寿命评估模型。
作为优选的实施方式，步骤(1)中传动误差数据的检测方法为：连续检测谐波减速器输入轴与输出轴转角，然后计算得到连续的传动误差数据。
作为优选的实施方式，计算传动误差数据所采用的公式为其中表示输出轴转角，表示输入轴转角，i表示传动比。
作为优选的实施方式，检测谐波减速器的传动误差数据所利用的检测装置包括计算机、数据采集卡、用于与谐波减速器输入轴连接的动力电机以及用于与谐波减速器输出轴连接的负载电机，动力电机和负载电机上分别设有编码器，数据采集卡分别通过伺服放大器采集两个编码器的转角位置信号，并将转角位置信号处理后输送至计算机。
本发明的有益效果是：本发明为高精度谐波减速器可靠寿命评估提供了一种简单易行，便于实现的寿命评估方法，其采集谐波减速器传动精度退化数据，可以反映出谐波减速器在转动中，由负载与惯性载荷变化引起的连续的传动误差变化，解决静态传动误差检测法仅仅只能反映谐波减速器静止情况下间断的几个点处的传动误差的缺陷，提高谐波减速器传动误差检测精度，进而提高谐波减速器可靠寿命评估精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式进行进一步的说明：
图1为本发明的流程图；
图2为所采用的检测装置系统框图。
具体实施方式
参照图1，本发明的谐波减速器可靠寿命预测方法主要包括步骤(1)采集谐波减速器传动精度退化数据、步骤(2)生成传动误差动态曲线、步骤(3)拟合传动精度退化轨迹方程、步骤(4)计算对应失效阈值的失效寿命、步骤(5)检验失效寿命所服从的分布以及步骤(6)谐波减速器可靠寿命评估。下面对各步骤的详细过程进行说明。
在进行上述步骤前一般还需要进行试验前准备：试验前必须熟知谐波减速器可能的失效模式、对应的失效原因、相应的故障类型等，并根据可靠寿命评估的试验目的、统计需要以及试验时间和试验经费等条件限制选择相应的试验方法，确定诸如样本数、环境应力、试验时间、检测内容、检测时间、停机阈值大小等相关量，并确定试验停止条确定润滑方式等内容。
试验前要保证试验对象、润滑方式和环境应力类型的一致，试验前一致性检验主要包括检验谐波减速器是否存在先天缺陷，试验台加载的准确性，采用的润滑油水分含量等。
具体地，试验前需要确定能真实反映谐波减速器工作工况时的转速、载荷和温度等试验应力、谐波减速器样本量n、每个谐波减速器的采样点数m。
步骤(1)具体是利用检测装置连续检测谐波减速器的传动误差数据。参照图2，此步骤所采用的检测装置一般包括计算机、数据采集卡、用于与谐波减速器输入轴连接的动力电机以及用于与谐波减速器输出轴连接的负载电机，动力电机和负载电机上分别设有编码器，数据采集卡分别通过伺服放大器采集两个编码器的转角位置信号，并将转角位置信号处理后输送至计算机。试验前，先将上述装置搭建好，然后将所检测的谐波减速器安装在动力电机和负载电机之间，谐波减速器的输入、输出轴分别通过精密联轴器与动力电机、负载电机相连。实验过程中，输入轴一侧的动力电机工作在速度模式，带动谐波减速器运转；输出轴一侧的负载电机工作在转矩模式。在谐波减速器开始运转后，利用数据采集卡分别从动力电机和负载电机的伺服放大器同时采集编码器的转角位置信号。经过伺服放大器的波形调理的编码器转角位置信号为波形稳定、干净的脉冲信号，通过数据采集卡的硬件计数器的数据和软件计数的结果进行综合处理后送至计算机。步骤(2)具体是基于传动误差数据得到谐波减速器的传动误差动态曲线，此步骤一般利用计算机自动完成，检测所得的数据及相应的处理结果通过计算机进行储存。
具体测试过程中，需要根据试验大纲及试验状况确定是否需要进行停机检查，停机检查时记录相应的停机时间，有条件的情况下可以进行无损探伤检查，记录相应的检查数据和检查结果，继续进行试验，记录继续试验时间，记录在该时间间隔内对谐波减速器进行了何种检测和相应的检测结果。
有必要时，还需要进行一致性检验，试验中一致性检验主要包括应力水平记录，对无法进行实时测量但会影响到谐波减速器寿命的其他因素如润滑油微粒的含量和温湿度等进行监测。试验后一致性检验主要包括对谐波减速器失效形式是否一致进行检查。检查方式包括很多种,可以采用扫描电镜检测故障表面,可以对提取的润滑油进行铁谱或光谱分析等。
步骤(3)具体是提取传动误差动态曲线的极大极小值点，利用最小二乘法拟合传动精度退化轨迹方程。
步骤(4)具体是将预定的失效阈值代入传动精度退化轨迹方程，计算谐波减速器的失效寿命。
步骤(5)具体是假设谐波减速器失效寿命分布，利用分布检验方法检验寿命分布的符合性。
步骤(6)具体是利用最大似然估计法估计谐波减速器寿命分布参数，最终得到谐波减速器可靠寿命评估模型。
步骤(3)至步骤(6)中所采用的算法、检验方法以及估计法等都是公知技术，本说明书不再赘述。
本发明最大的改进在于采集谐波减速器传动精度退化数据，可以反映出谐波减速器在转动中，由负载与惯性载荷变化引起的连续的传动误差变化，解决静态传动误差检测法仅仅只能反映谐波减速器静止情况下间断的几个点处的传动误差的缺陷，提高谐波减速器传动误差检测精度，进而提高谐波减速器可靠寿命评估精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种谐波减速器可靠寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采集谐波减速器传动精度退化数据：利用检测装置连续检测谐波减速器的传动误差数据；
(2)生成传动误差动态曲线：基于传动误差数据得到谐波减速器的传动误差动态曲线；
(3)拟合传动精度退化轨迹方程：提取传动误差动态曲线的极大极小值点，利用最小二乘法拟合传动精度退化轨迹方程；
(4)计算对应失效阈值的失效寿命：将预定的失效阈值代入传动精度退化轨迹方程，计算谐波减速器的失效寿命；
(5)检验失效寿命所服从的分布：假设谐波减速器失效寿命分布，利用分布检验方法检验寿命分布的符合性；
(6)谐波减速器可靠寿命评估：利用最大似然估计法估计谐波减速器寿命分布参数，最终得到谐波减速器可靠寿命评估模型。
2.根据权利要求1所述的一种谐波减速器可靠寿命预测方法，其特征在于：步骤(1)中传动误差数据的检测方法为：连续检测谐波减速器输入轴与输出轴转角，然后计算得到连续的传动误差数据。
3.根据权利要求2所述的一种谐波减速器可靠寿命预测方法，其特征在于：计算传动误差数据所采用的公式为其中表示输出轴转角，表示输入轴转角，i表示谐波减速器传动比。
4.根据权利要求2或3所述的一种谐波减速器可靠寿命预测方法，其特征在于：检测谐波减速器的传动误差数据所利用的检测装置包括计算机、数据采集卡、用于与谐波减速器输入轴连接的动力电机以及用于与谐波减速器输出轴连接的负载电机，动力电机和负载电机上分别设有编码器，数据采集卡分别通过伺服放大器采集两个编码器的转角位置信号，并将转角位置信号处理后输送至计算机。
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