CN108015797B - 一种rv减速机传动误差在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RV减速机传动误差在线监测方法，将RV减速机安装在使用环境后，RV减速机传动误差定义为TE(t)＝θ₂(t)‑iθ₁(t)，其中θ₁(t)为RV减速机输入角度；θ₂(t)为RV减速机输出角度，i为RV减速机的传动比；首先通过速度传感器获取输出转速信号，再将拾取的转速信号通过A/D转换并去直流，得到去直流后的转速信号；然后对去直流后的转速信号进行积分即可得转角，将输入转角乘以传动比后与输出转角取差值即可计算出安装后的RV减速机实时的传动误差TE(t)。本发明可对RV减速机传动误差进行实时监测，由于速度传感器技术成熟，体积小巧的优势，解决了角度编码器安装困难的问题。

Description

一种RV减速机传动误差在线监测方法

技术领域

本发明属于重载关节型工业机器人的状态监测领域，涉及重载关节型工业机器人用RV减速机的实时状态监测技术，具体涉及一种RV减速机传动误差在线监测方法。

背景技术

在大力发展智慧工厂的迫切需求下，随着智能制造技术的发展，对生产线上工业机器人的核心部件进行实时状态监测，对于保证自动化生产线的安全可靠运行，具有重要的意义。RV减速机作为重载关节型工业机器人的重要精密传动部件，被安装在机器人关节臂中，是机器人实际应用过程中保证其精度、承载能力、运动安全性以及稳定性等一系列问题的关键。传动误差是衡量RV减速机传动精度的一项重要性能指标，定义为：当输入轴转动一定角度，此时输出轴在理论上的转角与实际转角的角度差值，用公式表示为：TE(t)＝θ₂(t)-iθ₁(t)，其中θ₁(t)为输入转角；θ₂(t)为输出转角；i为传动比。由定义可知，传动误差的大小，直接影响工业机器人在运行过程中的定位精度和重复精度。

对于RV减速机产品出厂试验而言，对其传动误差的测定其实很容易实现，根据传动误差的定义，只需要测出输出端和输入端的转角即可计算传动误差。通常，是在减速器的输出端布置一个角度编码器，电机的输入端由伺服电机作为驱动，减速机的输入转角即为电机输出的转角，可以通过编程控制得到。因此，只需读取输出端角度编码器的值即可通过计算得到传动误差。

但是，对于RV减速机被封装到机器人关节臂中以后，如果想对RV减速机在实际工作过程中的传动误差进行实时监测的话，则很难采用上述原理去实现。面临最大的问题就是，减速机已经被封装到了机器人关节臂中，不像在试验台上，首先，减速机是完全裸露了，其次，试验台是根据试验内容设计的，传感器的安装可以根据实验要求而设计，因此在减速机的输出端安装角度编码器很容易实现。但是，当减速机封装到机器人关节臂以后，在关节臂上没有安装角度编码器的空间和接口。因此，不能通过上述直接采集减速机输出端角位移信号的方式，得到减速机传动误差的实时状态信息。

由于产生传动误差的影响因素，同样会引起减速机转速的波动，因此，需要一种通过监测机器人关节处的实时转速信号，来间接反映传动误差性能的方法。这种监测方法，由于速度传感器技术成熟，体积小巧的优势，解决了角度编码器安装困难的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过监测机器人关节处的实时转速信号，来间接反映传动误差性能的方法。这种监测方法，由于速度传感器技术成熟，体积小巧的优势，解决了角度编码器安装困难的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种RV减速机传动误差在线监测方法，其特征在于：将RV减速机安装在使用环境后，

RV减速机传动误差定义为TE(t)＝θ₂(t)-iθ₁(t)，其中θ₁(t)为RV减速机输入角度，也为电机输出角度，通过编程控制电机转动得到；θ₂(t)为RV减速机输出角度，i为RV减速机的传动比；

通过速度传感器测出RV减速机实际输出转速ω(t)，对实际输出转速ω(t)积分可得RV减速机实际输出转角即可计算出安装后的RV减速机实时的传动误差TE(t)。

作为优选，测得RV减速机实际输出转速信号积分求得实际输出转角的具体步骤为：

步骤一、首先通过速度传感器获取输出转速信号，再将拾取的转速信号通过A/D转换并去直流，得到去直流后的转速信号；

步骤二、对去直流后的转速信号进行积分即可得转角信号。

作为优选，速度传感器获取输出转速信号去直流的方法是求出N个转速信号采样点的平均值为：

再用转速信号采样点的值减去平均值即可得到去直流后的转速信号为：

上式中：为N个转速信号采样点的平均值，N为自然数；ω_i为第i个转速信号采样点的值，ω′_i为去除直流分量后第i个转速信号采样点的值，即去直流后的转速信号。

作为优选，对去直流后的转速信号采用Simpson积分法，得到转角的计算公式如下：

式中：i＝0,1,2,…,N-1；k＝0,1,2,…,i；△t为采样间隔；当i-1为负数时取ω′值为零；

将公式一和公式二代入公式三中得到：

根据公式四，由采样得到的转速信号就可以得到对应的转角。

本发明的有益效果是：

发明的提供一种通过监测机器人关节处的实时转速信号，来间接反映传动误差性能的方法。这种监测方法，由于速度传感器技术成熟，体积小巧的优势，解决了角度编码器安装困难的问题。并且能对传动误差进行实时监测，可及时的提前预警有故障的传动设备，减少安全事故发生，对设备被动检修变成主动检修，大大提高了生成效率。

附图说明

图1DSP系统软件流程图。

具体实施方式

对于传动误差这个指标而言，其实只需要知道两个物理量，就可以把RV减速机在运行状态下的实时传动误差指标计算出来。一个是RV减速机输入的角度，另外一个是RV减速机的实际输出角度。其中，RV减速机在机器人的关节臂中工作的时候，也是与电机相连的，RV减速机的输入转角即为电机输出的转角，可以通过编程控制得到；但是RV减速机的实际输出转角的信号却不能用角位移传感器直接测到，因为RV减速机是封装在机器人的关节臂中的，例如光栅传感器或者编码器都需要直接安装在RV减速机的输出轴上，但是这对于封装在关节臂中的RV减速机而言，要想在关节臂中增加传感器的空间，一是会增加整机的体积，另外也会使机器人的结构设计更加复杂。所以，本发明考虑通过采集一些比较容易测量的物理量信号来间接的计算出RV减速机的实际输出转角。其实，转速和转角是一对关系最紧密的一对物理量，众所周知，转速乘以时间就等于转角。本发明正是基于这个最基本的运动学原理，实现了对输出转角的间接测量，进而得到RV减速机在任意时刻的实时传动误差。

为了体现本专利技术的通用性和适用性，这里对减速机工作过程中的实时的实际输入转速不加以限制，也就是说实际的输入转速可以在一定时间内是匀速的，也可以是实时变化的。但是对于一台在生产线上工作的机器人而言，因为机器人要完成的动作是既定的，所以一台减速机在一个工作循环过程中，减速机输入端的速度或者说转角随时间的变化规律一定是事先确定好的，预先写入控制程序。即使对于全过程都是恒定速度运动的最简单的一种情况，由于减速机内部误差因素的影响，实际输出转速也是在理论值附近作细微的波动，所以任意时刻的输出转角θ₂≠ωt，ω是实际的输出转速，也是通过传感器可以实时采集的转速信号，它与通过传动比计算出的理论输出转速ω_t是不相等的,即ω≠ω_t，ω_t＝ω_ini，ω_in是输入转速，i是速比(即传动比)。因此，采用一种积分变换的方法，根据实时测得的输出转速计算得到实时的输出转角。假设输出转速是随时间变化的函数ω(t)，那么在微元的时间dt内，ω(t)·dt就是t时刻的输出转角，那么就是与任意时刻输出转速所对应的任意时刻的输出转角，即实际的输出转角那么这样一来，只要知道了任意时刻的输出转速，就可以得到任意时刻的输出转角，再通过TE(t)＝θ₂(t)-iθ₁(t)换算，就可以得到实时的传动误差TE(t)。

一种RV减速机传动误差在线监测方法，将RV减速机安装在使用环境后，RV减速机传动误差定义为TE(t)＝θ₂(t)-iθ₁(t)，其中θ₁(t)为RV减速机输入角度，也为电机输出角度，通过编程控制电机转动得到；θ₂(t)为RV减速机输出角度，i为RV减速机的传动比；

通过速度传感器测出RV减速机实际输出转速ω(t)，对实际输出转速ω(t)积分可得RV减速机实际输出转角即可计算出安装后的RV减速机实时的传动误差TE(t)。

测得RV减速机实际输出转速信号积分求得实际输出转角的具体步骤为：

步骤一、首先通过速度传感器获取输出转速信号，再将拾取的转速信号通过A/D转换并去直流，得到去直流后的转速信号；转速信号经过传感器的拾取、路线的传输和A/D转换成数字信号，一般都会存有一定的直流分量。对这样的信号进行参量转换,通常的做法是以信号的数学期望即均值,作为对直流分量的估计,从原始信号中去除,得到去直流后的速度信号。速度传感器获取输出转速信号去直流的方法是求出N个转速信号采样点的平均值为：

再用转速信号采样点的值减去平均值即可得到去直流后的转速信号为：

上式中：为N个转速信号采样点的平均值，N为自然数；ω_i为第i个转速信号采样点的值，ω′_i为去除直流分量后第i个转速信号采样点的值，即去直流后的转速信号。

步骤二、数值积分，由于受到现场安装条件的限制，因此不能直接对减速机的输出转角进行监测，因此本发明采用将转速信号经数值积分得到转角的积分方法。采集到的速度信号经过去直流后就可以积分了。对于RV减速器，目前有严格的规定，通常要求传动误差在1＇以内，所以为了提高对转角信号的间接测量精度，本实施例对去直流后的转速信号采用Simpson积分法，得到转角的计算公式如下：

式中：i＝0,1,2,…,N-1；k＝0,1,2,…,i；△t为采样间隔；当i-1为负数时取ω′值为零；

将公式一和公式二代入公式三中得到：

根据公式四，由采样得到的转速信号就可以得到对应的转角信号。

上述积分方法具体采用DSP系统软件进行。

DSP系统软件流程为：

控制系统主控芯片为数字信号处理器TMS320F2812。该型DSP为32位定点DSP，系统工作频率最高可达150MHz.A/D转换器为AD7656，该款A/D转换器芯片集成了6个16位精度的A/D转换器。D/A转换器为AD5754，该款D/A转换器芯片集成了4个16位精度的D/A转换器。

图1为DSP系统运行的程序的流程图，该程序的核心是速度信号的一次积分。使用DSP的定时器0产生中断信号，系统接受中断申请之后驱动AD7656对电荷放大器输出的速度信号进行采样。通过设置定时器0的计数值可以控制中断系统产生中断的时间间隔，进而实现所需要的采样频率。系统采样频率设置为10kHz。

由于本发明没有使用滤波器，因此，系统在采集到速度信号之后要通过软件修正方法去除速度信号中的直流分量。去除直流分量的方法即为减去速度信号的均值。

经过以上处理之后能够得到正确的角度值，通过D/A转换器AD5754输出。

Claims (1)

1.一种RV减速机传动误差在线监测方法，其特征在于：将RV减速机安装在使用环境后，RV减速机传动误差定义为TE(t)＝θ₂(t)-iθ₁(t)，其中θ₁(t)为RV减速机输入角度，也为电机输出角度，通过编程控制电机转动得到；θ₂(t)为RV减速机输出角度，i为RV减速机的传动比；

通过速度传感器测出RV减速机实际输出转速ω(t)，对实际输出转速ω(t)积分可得RV减速机实际输出转角即可计算出安装后的RV减速机实时的传动误差TE(t)；

测得RV减速机实际输出转速信号积分求得实际输出转角的具体步骤为：

步骤一、首先通过速度传感器获取输出转速信号，再将拾取的转速信号通过A/D转换并去直流，得到去直流后的转速信号；

步骤二、对去直流后的转速信号进行积分即可得转角信号；

速度传感器获取输出转速信号去直流的方法是求出N个转速信号采样点的平均值为：

再用转速信号采样点的值减去平均值即可得到去直流后的转速信号为：

上式中：为N个转速信号采样点的平均值，N为自然数；ω_i为第i个转速信号采样点的值，ω′_i为去除直流分量后第i个转速信号采样点的值，即去直流后的转速信号；

对去直流后的转速信号采用Simpson积分法，得到转角的计算公式如下：

式中：i＝0,1,2,…,N-1；k＝0,1,2,…,i；Δt为采样间隔；当i-1为负数时取ω′值为零；

将公式一和公式二代入公式三中得到：

根据公式四，由采样得到的转速信号就可以得到对应的转角。