CN110712220A - 一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试方法与装置 - Google Patents

一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试方法与装置。现有工业机器人驱动关节试验方法都是采用负载力矩电机或电力测功机提供的负载力对电机轴直接作用，与机械臂在实际工作中多个方向上承受负载力的情况不符。本发明在转臂动力输出端位置固定与减速机输出轴间距相等的三块振动器固定板，每块振动器固定板上固定一个振动器，分别进行X轴、Y轴和Z轴振动器作用时减速机的可靠性试验，进而构建出在X轴、Y轴和Z轴不同组合振动方式下以及各振动器的不同振动力幅值和振动频率下减速机的无故障运行寿命公式。本发明能模拟工业机器人转臂的实际工况并进行可靠性试验，具有更高的试验效率，且测量精度高，结构简单，操作简易。

Description

一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试方法与装置
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种附加振动载荷的工业机器人驱动关节可靠性加速测试方法与装置。
背景技术
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。驱动关节对工业机器人的控制起着至关重要的作用，因而对驱动关节的可靠性提出了更高的要求，而利用试验台可以对工业机器人驱动关节进行智能化可靠性加速测试。因此，设计一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试试验台很有必要。
目前，国内外针对不同的工业机器人驱动关节的可靠性测试设计了大量的试验台，普遍采用“输入电机，负载力矩电机或转矩传感器、减速机、扭矩”等结构，如申请专利号201610022622.3的发明专利公开了一种工业机器人减速机可靠性试验台，包括控制台以及减速机安装平台，减速机安装平台包括驱动电机和负载力矩电机，通过驱动电机来带动减速机转动，负载力矩电机来提供减速机所外加的负载。再如申请专利号201710586322.2的发明专利公开了一种工业机器人扭转刚度试验台，包括驱动电机、减速机、扭转传感器和电力测功机，由上至下依次安装在立板上，驱动电机的中心转轴与减速机连接，减速机通过联轴器连接扭转传感器，扭转传感器通过联轴器连接电力测功机，扭转传感器通过程控线连接圆光栅，扭转传感器、驱动电机和电力测功机均通过程控线连接控制器。以上两种试验台均未采用关节臂做试验，而是直接采用负载力矩电机或电力测功机提供的负载力对电机轴直接作用，与机械臂在实际工作中需要在多个方向上承受负载力的情况不相符合，因此用于模仿正常的工作环境所带来的对机器人驱动关节的破坏以及疲劳强度测试时不够准确。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种附加振动载荷的工业机器人驱动关节可靠性加速测试与装置，是一种将向驱动关节附加变频率和变幅值载荷等效为加速疲劳载荷的可靠性加速测试方法与装置。该方法是一种在工业机器人驱动关节的径向、轴向和周向都可以施加变频变幅振动载荷的可靠性加速测试方法；是一种在驱动关节的不同位置都可以施加变频变幅振动载荷的可靠性加速测试方法；是一种模拟工业机器人驱动关节带动摇臂的可靠性加速测试方法；是一种基于关节伺服驱动机构设计、三向(轴向，径向和周向)振动载荷可控和绝对值编码器的驱动关节可靠性加速测试装置。
本发明一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试方法，具体步骤如下：
步骤一、将减速机的输入轴与伺服电机的输出轴固定，转臂的动力输入端一侧与减速机的输出轴固定；且减速机的输出轴与转臂之间设有扭矩传感器；连接轴一端与转臂的动力输入端另一侧固定，连接轴另一端与绝对值编码器的旋转部通过刚性联轴器连接；绝对值编码器的固定部与绝对值编码器安装座固定；绝对值编码器安装座固定在控制箱的箱体上；调节三块振动器固定板在转臂动力输出端处的位置，使得三块振动器固定板与减速机输出轴的间距相等，接着将三块振动器固定板与转臂固定，并在每块振动器固定板上固定一个振动器，三个振动器分别为X轴振动器、Y轴振动器和Z轴振动器；然后，执行步骤二。
步骤二、通过工控机控制PLC，PLC经伺服驱动器驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂正转或反转k度，数据采集仪将采集到的扭矩传感器的扭矩信号和绝对值编码器的角度信号进行模数转换，并将得到的扭矩信号数字量和角度信号数字量传给PLC，PLC将角度信号数字量与k度进行比较，从而测试减速机的回转精度，若差值超过设定的阈值，则将装配好的各零件拆卸掉，回到步骤一重新装配，否则将控制箱的箱体与固定有PLC和伺服驱动器的底板固定，然后整体置于试验箱内，调节试验箱内温度为设置温度，湿度为设置湿度。
步骤三、工控机经PLC设置X轴、Y轴和Z轴振动器的振动力幅值均为A1，振动频率均为f1，A1≥400N，f1≥3000次/分钟。
步骤四、工控机经PLC控制X轴振动器按照设定的振动力幅值和振动频率进行振动，PLC经伺服驱动器驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂转动，且PLC记录下当前时刻；接着，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，通过扭矩波形图分析伺服电机的扭矩变化，通过角度波形图分析减速机的回转精度，并通过角度波形图进一步得到角速度波形图来分析减速机的回转响应速度；当PLC判别伺服电机的扭矩变化范围小于预设范围，且PLC判别出现以下两种情况之一时：①伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角度值与减速机传动比的比值和角度波形图中对应时刻角度值的差值绝对值高于设置的阈值，②伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角速度值与减速机传动比的比值和角速度波形图中对应时刻角速度值的差值绝对值高于设置的阈值，则认为减速机失效，记录下测得的减速机寿命，X轴振动器停止振动。
步骤五、将失效的减速机更换成同批次的一个新减速机，执行步骤二，然后工控机经PLC控制Y轴振动器按照设定的振动力幅值和振动频率进行振动，PLC经伺服驱动器驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂转动，且PLC记录下当前时刻；接着，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，通过扭矩波形图分析伺服电机的扭矩变化，通过角度波形图分析减速机的回转精度，并通过角度波形图进一步得到角速度波形图来分析减速机的回转响应速度；当PLC判别伺服电机的扭矩变化范围小于预设范围，且PLC判别出现以下两种情况之一时：①伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角度值与减速机传动比的比值和角度波形图中对应时刻角度值的差值绝对值高于设置的阈值，②伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角速度值与减速机传动比的比值和角速度波形图中对应时刻角速度值的差值绝对值高于设置的阈值，则认为减速机失效，记录下测得的减速机寿命，Y轴振动器停止振动。
步骤六、将失效的减速机更换成同批次的一个新减速机，执行步骤二，然后工控机经PLC控制Z轴振动器按照设定的振动力幅值和振动频率进行振动，PLC经伺服驱动器驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂转动，且PLC记录下当前时刻；接着，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，通过扭矩波形图分析伺服电机的扭矩变化，通过角度波形图分析减速机的回转精度，并通过角度波形图进一步得到角速度波形图来分析减速机的回转响应速度；当PLC判别伺服电机的扭矩变化范围小于预设范围，且PLC判别出现以下两种情况之一时：①伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角度值与减速机传动比的比值和角度波形图中对应时刻角度值的差值绝对值高于设置的阈值，②伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角速度值与减速机传动比的比值和角速度波形图中对应时刻角速度值的差值绝对值高于设置的阈值，则认为减速机失效，记录下测得的减速机寿命，Z轴振动器停止振动。
步骤七、工控机经PLC控制设置X轴、Y轴和Z轴振动器的振动力幅值均为A2，振动频率均为f2，A2≥400N，且不等于A1，f2≥3000次/分钟，且不等于f1，重复执行步骤四、步骤五和步骤六。
步骤八、工控机经PLC控制设置X轴、Y轴和Z轴振动器的振动力幅值均为A3，振动频率均为f3，A3≥400N，且不等于A1或A2，f3≥3000次/分钟，且不等于f1或f2，重复执行步骤四、步骤五和步骤六。
步骤九、X轴振动器在三次不同振动力幅值和振动频率下振动时，测得的减速机寿命分别记为Nx1、Nx2、Nx3，Y轴振动器在三次不同振动力幅值和振动频率下振动时，测得的减速机寿命分别记为Ny1、Ny2、Ny3，Z轴振动器在三次不同振动力幅值和振动频率下振动时，测得的减速机寿命分别记为Nz1、Nz2、Nz3。
步骤十、优化求解出α、β、δ、η、ζ和γ，从而根据公式(1)评价在X轴、Y轴和Z轴振动器的不同组合振动方式下以及各振动器的不同振动力幅值和振动频率下减速机的无故障运行寿命N，无故障运行寿命N见公式(1)：
Figure BDA0002220942570000041
其中，N0为减速机设计寿命，fx为X轴振动器的振动频率，Ax为X轴振动器的振动力幅值，fy为Y轴振动器的振动频率，Ay为Y轴振动器的振动力幅值，fz为Z轴振动器的振动频率，Az为Z轴振动器的振动力幅值，α、β、δ、η、ζ和γ均为指数系数。
α、β、δ、η、ζ和γ的优化求解过程如下：
①令
Figure BDA0002220942570000042
将Nx1、Nx2和Nx3与各自对应的X轴振动器的振动频率fx分为三组数据分别代入公式(1)求出α的三个值，取α的三个值的均值作为最终的α值。
②令
Figure BDA0002220942570000051
将Nx1、Nx2和Nx3与各自对应的X轴振动器的振动力幅值Ax分为三组数据分别代入公式(1)求出β的三个值，取β的三个值的均值作为最终的β值。
③令
Figure BDA0002220942570000052
将Ny1、Ny2、Ny3与各自对应的Y轴振动器的振动频率fy分为三组数据分别代入公式(1)求出δ的三个值，取δ的三个值的均值作为最终的δ值。
④令
Figure BDA0002220942570000053
将Ny1、Ny2、Ny3与各自对应的Y轴振动器的振动力幅值Ay分为三组数据分别代入公式(1)求出η的三个值，取η的三个值的均值作为最终的η值。
⑤令
Figure BDA0002220942570000054
将Nz1、Nz2、Nz3与各自对应的Z轴振动器的振动频率fz分为三组数据分别代入公式(1)求出ζ的三个值，取ζ的三个值的均值作为最终的ζ值。
⑥令
Figure BDA0002220942570000055
将Nz1、Nz2、Nz3与各自对应的Z轴振动器的振动力幅值Az分为三组数据分别代入公式(1)求出γ的三个值，取γ的三个值的均值作为最终的γ值。
本发明一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试装置，由旋转震动模块和数据采集模块组成。所述的旋转震动模块包括转臂、振动器固定板、振动器、减速机安装座、伺服电机、减速机、扭矩传感器、绝对值编码器安装座、绝对值编码器、刚性联轴器和连接轴；伺服电机的输出轴与减速机的输入轴固定；减速机的壳体与减速机安装座固定；减速机的壳体固定在控制箱的箱体上；减速机的输出轴与转臂的动力输入端一侧固定，且减速机的输出轴与转臂之间设有扭矩传感器；扭矩传感器测量减速机的输出轴扭矩；所述连接轴的一端与转臂的动力输入端另一侧固定，连接轴的另一端与绝对值编码器的旋转部通过刚性联轴器连接；连接轴与减速机的输出轴以及伺服电机的输出轴均同轴设置；绝对值编码器的固定部与绝对值编码器安装座固定；所述的绝对值编码器安装座固定在控制箱的箱体上；转臂的动力输出端在三个侧面上均开设螺纹孔组；所述的螺纹孔组包括两排螺纹孔，每排设置等距布置的六个以上螺纹孔；所述的振动器固定板开设有两个滑槽；转臂的动力输出端每个侧面与一块振动器固定板连接，连接方式为：振动器固定板的两个滑槽与两排螺纹孔中阵列排布的四个通过螺钉连接固定，方便调节振动器在转臂上的位置。每块振动器固定板上固定一个振动器；三个振动器分别为X轴振动器、Y轴振动器和Z轴振动器。
所述的数据采集模块包括伺服驱动器和PLC；伺服驱动器和PLC均固定在控制箱的底板上；伺服驱动器由PLC控制，并驱动伺服电机；三个振动器均由PLC控制。数据采集仪将采集到的扭矩传感器的扭矩信号和绝对值编码器的角度信号进行模数转换，并将得到的扭矩信号数字量和角度信号数字量传给PLC，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，并由角度波形图得到角速度波形图。
本发明具有的有益效果：
本发明模拟机械臂真实工况下的运转情况，并在X轴、Y轴、Z轴分别对机械臂施加负载以及震动，或者两轴、三轴一起施加对机械臂负载以及震动，能够模拟工业机器人的动力单元的实际工况并进行可靠性试验，具有更高的试验效率，自动化程度高，可以实时采集、计算减速机的传动效率、功率损耗等参数，试验台具有测量精度高，结构简单，操作简易的特点。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构立体图。
图2为本发明装置的侧视图。
图3为本发明中数据采集模块的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1、2和3所示，一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试装置，由旋转震动模块和数据采集模块组成。旋转震动模块包括转臂1、振动器固定板2、振动器3、减速机安装座4、伺服电机5、减速机6、扭矩传感器7、绝对值编码器安装座8、绝对值编码器9、刚性联轴器10和连接轴11；伺服电机5的输出轴与减速机6的输入轴固定；减速机的壳体与减速机安装座4固定；减速机的壳体固定在控制箱的箱体上；减速机6的输出轴与转臂1的动力输入端一侧固定，且减速机6的输出轴与转臂1之间设有扭矩传感器7；扭矩传感器7测量减速机6的输出轴扭矩；连接轴11一端与转臂1的动力输入端另一侧固定，连接轴另一端与绝对值编码器9的旋转部通过刚性联轴器10连接；连接轴与减速机6的输出轴以及伺服电机5的输出轴均同轴设置；绝对值编码器9的固定部与绝对值编码器安装座8固定；绝对值编码器安装座8固定在控制箱的箱体上；转臂1的动力输出端在三个侧面上均开设螺纹孔组；螺纹孔组包括两排螺纹孔，每排设置等距布置的六个螺纹孔；振动器固定板2开设有两个滑槽；转臂1的动力输出端每个侧面与一块振动器固定板2连接，连接方式为：振动器固定板2的两个滑槽与两排螺纹孔中阵列排布的四个通过螺钉连接固定，方便调节振动器在转臂上的位置。每块振动器固定板2上固定一个振动器3；三个振动器3分别为X轴振动器、Y轴振动器和Z轴振动器；伺服电机转动时带动减速机，减速机带动转臂转动，转臂通过连接轴和联轴器带动绝对值编码器转动。
数据采集模块包括伺服驱动器12和PLC13；伺服驱动器12和PLC13均固定在控制箱的底板上；扭矩传感器和绝对值编码器的信号输出端均连接数据采集仪的输入端，数据采集仪的输出端连接PLC13；伺服驱动器12由PLC13控制，并驱动伺服电机5；三个振动器3均由PLC13控制。具体工作流程是：数据采集仪将采集到的扭矩传感器的扭矩信号和绝对值编码器的角度信号进行模数转换，并将得到的扭矩信号数字量和角度信号数字量传给PLC，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，通过扭矩波形图的分析可以看出伺服电机的扭矩变化，通过角度波形图的分析可以看出减速机的回转精度，并通过角度波形图进一步得到角速度波形图来分析减速机的回转响应速度，从而判断当前工作环境下伺服电机5和减速机6是否失效。
本实施例选用型号为EMCA-C10807RS、转速为3000r/min的工业机器人用伺服电机；测试前，伺服电机带动减速机空转，观察伺服电机与减速机是否有剧烈震动或异响。
本发明一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试方法，具体步骤如下：
步骤一、将减速机6的输入轴与伺服电机的输出轴固定，转臂的动力输入端一侧与减速机的输出轴固定；且减速机6的输出轴与转臂1之间设有扭矩传感器7；连接轴一端与转臂1的动力输入端另一侧固定，连接轴另一端与绝对值编码器9的旋转部通过刚性联轴器10连接；绝对值编码器9的固定部与绝对值编码器安装座8固定；绝对值编码器安装座8固定在控制箱的箱体上；调节三块振动器固定板2在转臂1动力输出端处的位置，使得三块振动器固定板2与减速机输出轴的间距相等，接着将三块振动器固定板2与转臂1固定，并在每块振动器固定板2上固定一个振动器，三个振动器3分别为X轴振动器、Y轴振动器和Z轴振动器(即三个振动器3的振动方向分别沿X向、Y向和Z向)；然后，执行步骤二。
步骤二、通过工控机控制PLC13，PLC13经伺服驱动器12驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂正转或反转180°，数据采集仪将采集到的扭矩传感器的扭矩信号和绝对值编码器的角度信号进行模数转换，并将得到的扭矩信号数字量和角度信号数字量传给PLC，PLC13将角度信号数字量与180°进行比较，从而测试减速机的回转精度，若差值超过设定的阈值，则将装配好的各零件拆卸掉，回到步骤一重新装配，否则将控制箱的箱体与固定有PLC13和伺服驱动器12的底板固定，然后整体置于试验箱内，调节试验箱内温度为设置温度，湿度为设置湿度。经过步骤二的转臂正转或反转180°，排除了实验前由于人为原因所带来的误差。
步骤三、工控机经PLC13设置X轴、Y轴和Z轴振动器的振动力幅值均为480N，振动频率均为3250次/分钟。
步骤四、工控机经PLC13控制X轴振动器按照设定的振动力幅值和振动频率进行振动，PLC13经伺服驱动器12驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂转动，且PLC13记录下当前时刻；接着，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，通过扭矩波形图分析伺服电机的扭矩变化，通过角度波形图分析减速机的回转精度，并通过角度波形图进一步得到角速度波形图来分析减速机的回转响应速度；当PLC判别伺服电机的扭矩变化范围小于预设范围(说明伺服电机正常运行)，且PLC判别出现以下两种情况之一时：①伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角度值与减速机传动比的比值和角度波形图中对应时刻角度值的差值绝对值高于设置的阈值，②伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角速度值与减速机传动比的比值和角速度波形图中对应时刻角速度值的差值绝对值高于设置的阈值，则认为减速机6失效，记录下测得的减速机寿命，X轴振动器停止振动。由于整个驱动关节最容易超出阈值的是减速机的回转精度和回转响应速度，因此本发明将减速机6的失效视为整个驱动关节的失效。
步骤五、将失效的减速机更换成同批次的一个新减速机，执行步骤二，然后工控机经PLC13控制Y轴振动器按照设定的振动力幅值和振动频率进行振动，PLC13经伺服驱动器12驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂转动，且PLC13记录下当前时刻；接着，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，通过扭矩波形图分析伺服电机的扭矩变化，通过角度波形图分析减速机的回转精度，并通过角度波形图进一步得到角速度波形图来分析减速机的回转响应速度；当PLC判别伺服电机的扭矩变化范围小于预设范围，且PLC判别出现以下两种情况之一时：①伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角度值与减速机传动比的比值和角度波形图中对应时刻角度值的差值绝对值高于设置的阈值，②伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角速度值与减速机传动比的比值和角速度波形图中对应时刻角速度值的差值绝对值高于设置的阈值，则认为减速机6失效，记录下测得的减速机寿命，Y轴振动器停止振动。
步骤六、将失效的减速机更换成同批次的一个新减速机，执行步骤二，然后工控机经PLC13控制Z轴振动器按照设定的振动力幅值和振动频率进行振动，PLC13经伺服驱动器12驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂转动，且PLC13记录下当前时刻；接着，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，通过扭矩波形图分析伺服电机的扭矩变化，通过角度波形图分析减速机的回转精度，并通过角度波形图进一步得到角速度波形图来分析减速机的回转响应速度；当PLC判别伺服电机的扭矩变化范围小于预设范围，且PLC判别出现以下两种情况之一时：①伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角度值与减速机传动比的比值和角度波形图中对应时刻角度值的差值绝对值高于设置的阈值，②伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角速度值与减速机传动比的比值和角速度波形图中对应时刻角速度值的差值绝对值高于设置的阈值，则认为减速机6失效，记录下测得的减速机寿命，Z轴振动器停止振动。
步骤七、工控机经PLC13控制设置X轴、Y轴和Z轴振动器的振动力幅值均为710N，振动频率均为4050次/分钟，重复执行步骤四、步骤五和步骤六。
步骤八、工控机经PLC13控制设置X轴、Y轴和Z轴振动器的振动力幅值均为900N，振动频率均为4850次/分钟，重复执行步骤四、步骤五和步骤六。
步骤九、X轴振动器在三次不同振动力幅值和振动频率下振动时，测得的减速机寿命分别记为Nx1、Nx2、Nx3，Y轴振动器在三次不同振动力幅值和振动频率下振动时，测得的减速机寿命分别记为Ny1、Ny2、Ny3，Z轴振动器在三次不同振动力幅值和振动频率下振动时，测得的减速机寿命分别记为Nz1、Nz2、Nz3。
步骤十、优化求解出α、β、δ、η、ζ和γ，从而根据公式(1)评价在X轴、Y轴和Z轴振动器的不同组合振动方式下以及各振动器的不同振动力幅值和振动频率下减速机的无故障运行寿命(时间)N，从而评价出真实工况下的减速机寿命可靠性，无故障运行寿命(时间)N见公式(1)：
其中，N0为减速机设计寿命(时间)，fx为X轴振动器的振动频率，Ax为X轴振动器的振动力幅值，fy为Y轴振动器的振动频率，Ay为Y轴振动器的振动力幅值，fz为Z轴振动器的振动频率，Az为Z轴振动器的振动力幅值，α、β、δ、η、ζ和γ均为指数系数。
α、β、δ、η、ζ和γ的优化求解过程如下：
①令将Nx1、Nx2和Nx3与各自对应的X轴振动器的振动频率fx分为三组数据分别代入公式(1)求出α的三个值，取α的三个值的均值作为最终的α值。
②令将Nx1、Nx2和Nx3与各自对应的X轴振动器的振动力幅值Ax分为三组数据分别代入公式(1)求出β的三个值，取β的三个值的均值作为最终的β值。
③令将Ny1、Ny2、Ny3与各自对应的Y轴振动器的振动频率fy分为三组数据分别代入公式(1)求出δ的三个值，取δ的三个值的均值作为最终的δ值。
④令
Figure BDA0002220942570000111
将Ny1、Ny2、Ny3与各自对应的Y轴振动器的振动力幅值Ay分为三组数据分别代入公式(1)求出η的三个值，取η的三个值的均值作为最终的η值。
⑤令
Figure BDA0002220942570000112
将Nz1、Nz2、Nz3与各自对应的Z轴振动器的振动频率fz分为三组数据分别代入公式(1)求出ζ的三个值，取ζ的三个值的均值作为最终的ζ值。
⑥令
Figure BDA0002220942570000113
将Nz1、Nz2、Nz3与各自对应的Z轴振动器的振动力幅值Az分为三组数据分别代入公式(1)求出γ的三个值，取γ的三个值的均值作为最终的γ值。
本发明可根据实际工况中转臂的长度调节三块振动器固定板2在转臂1动力输出端处的位置，但要保证三块振动器固定板2与减速机输出轴的间距相等；也可根据实际工况调节试验箱内的温度和湿度，从而保证测试最大程度的符合转臂的实际工况。

Claims (2)

1.一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一、将减速机的输入轴与伺服电机的输出轴固定，转臂的动力输入端一侧与减速机的输出轴固定；且减速机的输出轴与转臂之间设有扭矩传感器；连接轴一端与转臂的动力输入端另一侧固定，连接轴另一端与绝对值编码器的旋转部通过刚性联轴器连接；绝对值编码器的固定部与绝对值编码器安装座固定；绝对值编码器安装座固定在控制箱的箱体上；调节三块振动器固定板在转臂动力输出端处的位置，使得三块振动器固定板与减速机输出轴的间距相等，接着将三块振动器固定板与转臂固定，并在每块振动器固定板上固定一个振动器，三个振动器分别为X轴振动器、Y轴振动器和Z轴振动器；然后，执行步骤二；
步骤二、通过工控机控制PLC，PLC经伺服驱动器驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂正转或反转k度，数据采集仪将采集到的扭矩传感器的扭矩信号和绝对值编码器的角度信号进行模数转换，并将得到的扭矩信号数字量和角度信号数字量传给PLC，PLC将角度信号数字量与k度进行比较，从而测试减速机的回转精度，若差值超过设定的阈值，则将装配好的各零件拆卸掉，回到步骤一重新装配，否则将控制箱的箱体与固定有PLC和伺服驱动器的底板固定，然后整体置于试验箱内，调节试验箱内温度为设置温度，湿度为设置湿度；
步骤三、工控机经PLC设置X轴、Y轴和Z轴振动器的振动力幅值均为A1，振动频率均为f1，A1≥400N，f1≥3000次/分钟；
步骤四、工控机经PLC控制X轴振动器按照设定的振动力幅值和振动频率进行振动，PLC经伺服驱动器驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂转动，且PLC记录下当前时刻；接着，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，通过扭矩波形图分析伺服电机的扭矩变化，通过角度波形图分析减速机的回转精度，并通过角度波形图进一步得到角速度波形图来分析减速机的回转响应速度；当PLC判别伺服电机的扭矩变化范围小于预设范围，且PLC判别出现以下两种情况之一时：①伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角度值与减速机传动比的比值和角度波形图中对应时刻角度值的差值绝对值高于设置的阈值，②伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角速度值与减速机传动比的比值和角速度波形图中对应时刻角速度值的差值绝对值高于设置的阈值，则认为减速机失效，记录下测得的减速机寿命，X轴振动器停止振动；
步骤五、将失效的减速机更换成同批次的一个新减速机，执行步骤二，然后工控机经PLC控制Y轴振动器按照设定的振动力幅值和振动频率进行振动，PLC经伺服驱动器驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂转动，且PLC记录下当前时刻；接着，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，通过扭矩波形图分析伺服电机的扭矩变化，通过角度波形图分析减速机的回转精度，并通过角度波形图进一步得到角速度波形图来分析减速机的回转响应速度；当PLC判别伺服电机的扭矩变化范围小于预设范围，且PLC判别出现以下两种情况之一时：①伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角度值与减速机传动比的比值和角度波形图中对应时刻角度值的差值绝对值高于设置的阈值，②伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角速度值与减速机传动比的比值和角速度波形图中对应时刻角速度值的差值绝对值高于设置的阈值，则认为减速机失效，记录下测得的减速机寿命，Y轴振动器停止振动；
步骤六、将失效的减速机更换成同批次的一个新减速机，执行步骤二，然后工控机经PLC控制Z轴振动器按照设定的振动力幅值和振动频率进行振动，PLC经伺服驱动器驱动伺服电机，伺服电机经减速机带动转臂转动，且PLC记录下当前时刻；接着，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，通过扭矩波形图分析伺服电机的扭矩变化，通过角度波形图分析减速机的回转精度，并通过角度波形图进一步得到角速度波形图来分析减速机的回转响应速度；当PLC判别伺服电机的扭矩变化范围小于预设范围，且PLC判别出现以下两种情况之一时：①伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角度值与减速机传动比的比值和角度波形图中对应时刻角度值的差值绝对值高于设置的阈值，②伺服驱动器设定的伺服电机各时刻角速度值与减速机传动比的比值和角速度波形图中对应时刻角速度值的差值绝对值高于设置的阈值，则认为减速机失效，记录下测得的减速机寿命，Z轴振动器停止振动；
步骤七、工控机经PLC控制设置X轴、Y轴和Z轴振动器的振动力幅值均为A2，振动频率均为f2，A2≥400N，且不等于A1，f2≥3000次/分钟，且不等于f1，重复执行步骤四、步骤五和步骤六；
步骤八、工控机经PLC控制设置X轴、Y轴和Z轴振动器的振动力幅值均为A3，振动频率均为f3，A3≥400N，且不等于A1或A2，f3≥3000次/分钟，且不等于f1或f2，重复执行步骤四、步骤五和步骤六；
步骤九、X轴振动器在三次不同振动力幅值和振动频率下振动时，测得的减速机寿命分别记为Nx1、Nx2、Nx3，Y轴振动器在三次不同振动力幅值和振动频率下振动时，测得的减速机寿命分别记为Ny1、Ny2、Ny3，Z轴振动器在三次不同振动力幅值和振动频率下振动时，测得的减速机寿命分别记为Nz1、Nz2、Nz3；
步骤十、优化求解出α、β、δ、η、ζ和γ，从而根据公式(1)评价在X轴、Y轴和Z轴振动器的不同组合振动方式下以及各振动器的不同振动力幅值和振动频率下减速机的无故障运行寿命N，无故障运行寿命N见公式(1)：
其中，N0为减速机设计寿命，fx为X轴振动器的振动频率，Ax为X轴振动器的振动力幅值，fy为Y轴振动器的振动频率，Ay为Y轴振动器的振动力幅值，fz为Z轴振动器的振动频率，Az为Z轴振动器的振动力幅值，α、β、δ、η、ζ和γ均为指数系数；
α、β、δ、η、ζ和γ的优化求解过程如下：
①令将Nx1、Nx2和Nx3与各自对应的X轴振动器的振动频率fx分为三组数据分别代入公式(1)求出α的三个值，取α的三个值的均值作为最终的α值；
②令
Figure FDA0002220942560000041
将Nx1、Nx2和Nx3与各自对应的X轴振动器的振动力幅值Ax分为三组数据分别代入公式(1)求出β的三个值，取β的三个值的均值作为最终的β值；
③令
Figure FDA0002220942560000042
将Ny1、Ny2、Ny3与各自对应的Y轴振动器的振动频率fy分为三组数据分别代入公式(1)求出δ的三个值，取δ的三个值的均值作为最终的δ值；
④令
Figure FDA0002220942560000043
将Ny1、Ny2、Ny3与各自对应的Y轴振动器的振动力幅值Ay分为三组数据分别代入公式(1)求出η的三个值，取η的三个值的均值作为最终的η值；
⑤令
Figure FDA0002220942560000044
将Nz1、Nz2、Nz3与各自对应的Z轴振动器的振动频率fz分为三组数据分别代入公式(1)求出ζ的三个值，取ζ的三个值的均值作为最终的ζ值；
⑥令
Figure FDA0002220942560000045
将Nz1、Nz2、Nz3与各自对应的Z轴振动器的振动力幅值Az分为三组数据分别代入公式(1)求出γ的三个值，取γ的三个值的均值作为最终的γ值。
2.一种工业机器人驱动关节可靠性加速测试装置，由旋转震动模块和数据采集模块组成，其特征在于：所述的旋转震动模块包括转臂、振动器固定板、振动器、减速机安装座、伺服电机、减速机、扭矩传感器、绝对值编码器安装座、绝对值编码器、刚性联轴器和连接轴；伺服电机的输出轴与减速机的输入轴固定；减速机的壳体与减速机安装座固定；减速机的壳体固定在控制箱的箱体上；减速机的输出轴与转臂的动力输入端一侧固定，且减速机的输出轴与转臂之间设有扭矩传感器；扭矩传感器测量减速机的输出轴扭矩；所述连接轴的一端与转臂的动力输入端另一侧固定，连接轴的另一端与绝对值编码器的旋转部通过刚性联轴器连接；连接轴与减速机的输出轴以及伺服电机的输出轴均同轴设置；绝对值编码器的固定部与绝对值编码器安装座固定；所述的绝对值编码器安装座固定在控制箱的箱体上；转臂的动力输出端在三个侧面上均开设螺纹孔组；所述的螺纹孔组包括两排螺纹孔，每排设置等距布置的六个以上螺纹孔；所述的振动器固定板开设有两个滑槽；转臂的动力输出端每个侧面与一块振动器固定板连接，连接方式为：振动器固定板的两个滑槽与两排螺纹孔中阵列排布的四个通过螺钉连接固定，方便调节振动器在转臂上的位置；每块振动器固定板上固定一个振动器；三个振动器分别为X轴振动器、Y轴振动器和Z轴振动器；
所述的数据采集模块包括伺服驱动器和PLC；伺服驱动器和PLC均固定在控制箱的底板上；伺服驱动器由PLC控制，并驱动伺服电机；三个振动器均由PLC控制；数据采集仪将采集到的扭矩传感器的扭矩信号和绝对值编码器的角度信号进行模数转换，并将得到的扭矩信号数字量和角度信号数字量传给PLC，PLC对扭矩信号数字量和角度信号数字量进行滤波和整流处理分别得到扭矩波形图和角度波形图，并由角度波形图得到角速度波形图。
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