CN111055306A - 六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法。现有针对伺服电机的测试不能模拟工业机器人多轴伺服驱动系统实际受力时的工作情况。本发明步骤如下:各工业机器人用伺服电机的安装及空载测试;不同负载惯量下的测试;模拟工业机器人六轴联动的测试;模拟工业机器人六轴联动中伺服电机的急转急停性能测试;复杂工况作用时的工业机器人六轴联动测试;工业机器人六轴联动系统无故障工作时间预测。本发明能模拟出六轴联动工业机器人用伺服电机在实际工作过程中的受力多变情况,能进行无故障时间的测试,满足机器人实际工作需要。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人多轴系统可靠性测试领域,特别涉及一种六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法。
背景技术
工业机器人因其具有多关节的机械手或多自由度,自动化程度高、对环境适应性强,广泛应用于焊接、搬运、压力铸造等领域,随着其工作环境的多变性和恶劣性的变化,对工业机器人的可靠性要求越来越高。而其多轴伺服驱动系统作为工业机器人的核心零部件,其可靠性直接关系到工业机器人的运行情况,在多工况下的可靠性测试就越来越重要。
目前,针对伺服电机的服役性能有一些较为成熟的测试方案,如申请专利号为CN201910461139.9的发明专利公开了一种针对伺服电机在粉尘环境下工作时的可靠性测试装置及方法,并且采用了加速寿命实验方法,对待测伺服电机进行了在粉尘环境下的可靠性测试,降低了试验周期;如申请专利号为CN201810516556.4的发明专利公开了一种伺服电机可靠性测试加载装置及方法,该装置在测试过程中可以模拟出伺服电机在真实情况下的受力情况,可以降低伺服电机的测试成本,并且分析了电机的损坏机理,对伺服电机的性能有所提高;申请专利号为CN201620655521.5的实用新型专利公开了一种十轴电机空载测试系统,是一种以SERCOS总线为主、以CAN总线备用的,其伺服控制器采用双处理器的多轴联动伺服控制系统,可以减小串行通讯和控制器处理出现延时误差的问题,可以提高系统的同步性能;申请专利号为CN201822170838.1的实用新型专利公开了一种基于PLC控制的伺服电机两轴联动系统,可以通过PLC对该系统接受的参数数据进行伺服电机两轴联动控制,响应快速,可以实现精确定位;以上测试方式中,针对伺服电机的测试或基于单轴测试的加载测试,或基于多轴测试的空载测试或者通信方式测试,并没有针对多轴测试给出具体的测试方法和测试装置,不能模拟工业机器人多轴伺服驱动系统实际受力时的工作情况,测试出的伺服电机可靠性不一定符合工业机器人多轴联动的要求,造成工业机器人多轴系统使用过程中出现各种故障。因此,有必要设计出一种对工业机器人多轴伺服系统进行服役性能测试的可靠性专用测试平台,对现有多轴系统进行多工况的测试。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种可模拟工业机器人六轴联动复杂工况的伺服电机服役性能综合测试方法。该方法是一种通过逆解工业机器人各关节受载特性,设定各驱动轴不同负载水平的伺服电机服役性能测试方法,是一种根据工业机器人六轴联动运动特性,设定各驱动轴不同运动参数的伺服电机服役性能测试方法,是一种通过多轴伺服电机基于联动工况下同时测试,加速预估平均无故障工作时间的伺服电机服役性能测试方法。
本发明六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法,具体如下:
步骤一、各工业机器人用伺服电机的安装及空载测试;
1.1将一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机和一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均固定在一号安装底板上;一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘上均开有沿周向均布的六个矩形调节槽;一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的信号输出端与数据采集仪分别通过一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块连接;数据采集仪连接电脑;一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块、电脑和数据采集仪均固定在二号安装底板上;一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均与PLC连接;触摸屏与PLC连接,用来输入指令;PLC和触摸屏均固定在电控箱顶部,电控箱固定在一号安装底板上;电控箱顶部还设有一键启停电控开关;其中,一键启停电控开关对PLC、触摸屏、数据采集仪、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机、一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器以及一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块同时通断电。
1.2一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输出轴均水平设置,且与一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输入轴分别通过一个联轴器连接;一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器与一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机分别连接。
1.3一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器发出转动信号,从而控制一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机均连续正转48小时,其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值,匀速阶段的速度也为额定值。进行工况数据采集,工况数据包括工业机器人用伺服电机的输出扭矩和输出转速;然后在电脑上观察各工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,并记录下48小时中最后20秒的工况数据,对该20秒的工况数据进行工况数据处理。
1.4若这48小时中最后20秒内测得的某些工业机器人用伺服电机的输出扭矩或输出转速的波动率与各自出厂标定值差值相比超过0.5%,表明这些工业机器人用伺服电机不满足测试要求,一键启停电控开关控制断电,将不满足测试要求的工业机器人用伺服电机更换成新的工业机器人用伺服电机,与对应的动态转速/扭矩传感器通过联轴器连接,然后回到步骤1.2,直至筛选出六台性能相近的工业机器人用伺服电机,否则直接执行下一步。
1.5记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,作为空载测试基准值,然后执行下一步。
步骤二、不同负载惯量下的测试;
2.1一键启停电控开关控制断电,将一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输出轴与一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘分别固定;在一号法兰盘上周向呈180°的两个矩形调节槽处均固定质量块,在二号法兰盘上周向均布的四个矩形调节槽处均固定质量块,在三号法兰盘上周向均布的六个矩形调节槽处均固定质量块,在四号法兰盘上的矩形调节槽处固定质量块,在五号法兰盘上周向非均布的三个矩形调节槽处均固定质量块,在六号法兰盘上周向非均布的五个矩形调节槽处均固定质量块;所有质量块的材质、质量和大小均相同,且各质量块与对应位置处工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等。
2.2一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续测试48小时,其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值,匀速阶段的速度为额定值的三分之二,进行工况数据采集,将工况数据通过数据采集仪传输到电脑观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,并对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内各工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,执行一次服役性能评测过程,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1。
步骤三、模拟工业机器人六轴联动的测试;
3.1负载参数设定
一键启停电控开关控制断电,选取六自由度工业机械臂成品,将六台工业机器人伺服电机的编号与六自由度工业机械臂驱动关节编号对应,一号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节,二号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节,三号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节,四号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节,五号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节,六号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节。然后,在各法兰盘上的每个矩形调节槽处均固定质量块;最后,分别在测试空载工况和测试负载工况,从六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节向六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节反推,求解六自由度工业机械臂驱动关节的各关节负载惯量和负载力矩。
①六自由度工业机械臂成品在测试空载工况时:
六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(1)中,m6为六自由度工业机械臂的第六机械臂的质量,r6为六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的回转半径;
六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(2)中,m5为六自由度工业机械臂的第五机械臂的质量,r5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的回转半径,l5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节回转中心到第六关节回转中心的距离,g为重力加速度,θ5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(3)中,m4为六自由度工业机械臂的第四机械臂的质量,r4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的回转半径,l4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节回转中心到第五关节回转中心的距离,θ4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(4)中,m3为六自由度工业机械臂的第三机械臂的质量,l3为六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节回转中心到第四关节回转中心的距离,θ3为六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(5)中,m2为六自由度工业机械臂的第二机械臂的质量,l2为六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节回转中心到第三关节回转中心的距离,θ2为六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(6)中,m1为六自由度工业机械臂的第一机械臂的质量,r1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的回转半径,l1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节回转中心到第二关节回转中心的距离,θ1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节与水平方向的夹角;
②六自由度工业机械臂成品在测试负载工况时:
六自由度工业机械臂驱动关节的各关节负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(7)中,M为六自由度工业机械臂的第六机械臂所搭载的负载质量;
六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的负载惯量和负载力矩分别为:
3.2计算出六自由度工业机械臂驱动关节的各关节的负载惯量和负载力矩后,调节每个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离,调节后保证同一法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离相等,或所有法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离相等,改变每个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块个数,使得各工业机器人伺服电机的负载惯量和负载扭矩与六自由度工业机械臂驱动关节的对应编号关节的负载惯量和负载力矩分别相等。
其中,在每个法兰盘上调节各矩形调节槽处质量块位置后,计算对应工业机器人用伺服电机所受负载惯量JLi和负载扭矩TLi如下:
式(13)中,JLi为第i个工业机器人用伺服电机的负载惯量,TLi为第i个工业机器人用伺服电机的负载力矩,Li为第i个工业机器人用伺服电机对应位置法兰盘上的每个矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到第i个工业机器人用伺服电机轴心的距离,a1,a2,……,a6分别为法兰盘上各矩形调节槽处的质量块个数,m为单个质量块的质量,d为质量块的边长,α为法兰盘的其中一个矩形调节槽处质量块质心和对应位置工业机器人用伺服电机轴心连接与竖直方向的夹角,α初始值为0。
3.3一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号,从而控制各工业机器人用伺服电机完成持续正反转,其中工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值,匀速阶段速度为伺服电机额定速度的三分之二,连续测试4小时,进行工况数据采集,通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对4小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这4小时中最后20秒内6组工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率。进行一次服役性能评测,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1。
步骤四、模拟工业机器人六轴联动中伺服电机的急转急停性能测试;
4.1一键启停电控开关控制断电,在所有法兰盘上的各矩形调节槽处均固定相同数量的质量块,且每个矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等;一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服驱动器给六个工业机器人用伺服电机设置加速阶段的加速度分别为各工业机器人用伺服电机加速阶段的额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍,减速阶段的加速度仍为各工业机器人用伺服电机减速阶段的额定加速度,而将运行速度设置为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二,各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转48小时。
4.2进行工况数据采集,并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,进行一次服役性能评测,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1。
4.3通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服驱动器给六个工业机器人用伺服电机设置加速度分别为各工业机器人用伺服电机额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍,设置减速阶段的加速度分别为各工业机器人用伺服电机减速阶段额定加速度的1倍、1.1倍、1.3倍、1.5倍、1.7倍、1.9倍中的任意一种,而将匀速段运行速度设置为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二,一号、二号、三号伺服电机运行规律为持续正转,四号、五号、六号伺服电机运行规律为持续正反转,连续记录48小时。
4.4进行工况数据采集,并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,进行一次服役性能评测,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1。
步骤五、复杂工况作用时的工业机器人六轴联动测试;
5.1一键启停电控开关控制断电,在一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘上的每个矩形调节槽处均固定质量块;同一个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块数量相等,同一个法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等;不同法兰盘上的每个矩形调节槽处质量块数量分别为1个、2个、3个、4个、5个、6个,每个矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离分别为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm,将各工业机器人用伺服电机的加速阶段的加速度和减速阶段的加速度设为各工业机器人用伺服电机额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍,将匀速段运行速度设为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二,各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转。一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续测试48小时。
5.2进行工况数据采集,并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率。
步骤六、工业机器人六轴联动系统无故障工作时间预测;
一键启停电控开关控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六个工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2;然后将各工业机器人用伺服电机运行时的匀速段速度设为各工业机器人用伺服电机的额定速度,加速阶段的加速度和减速阶段的加速度也均设为各工业机器人用伺服电机的额定值,各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转。一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服电机发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续转动测试40天,并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,每隔24小时采集20秒六台工业机器人用伺服电机的输出转矩和输出转速数据,对24小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,并将这六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率均与空载测试基准值比较,当误差均超过5%时,说明六台工业机器人用伺服电机均出现明显的波动,即证明六台工业机器人用伺服电机均开始出现故障。如果在这40天内六台工业机器人用伺服电机都没有出现故障,则继续测试直至六台工业机器人用伺服电机均出现故障,然后计算出每台工业机器人用伺服电机的故障率,从而计算这六台工业机器人用伺服电机平均无故障工作时间。
进一步,当六个法兰盘上均安装了个数不同的质量块时,将一号安装底板通过地脚螺栓与地面固定。
进一步,由式(15)计算出每台工业机器人用伺服电机的故障率,由公式(14)计算这六台工业机器人用伺服电机平均无故障工作时间。
式(14)中,MTBF为系统(六台工业机器人用伺服电机)的平均无故障工作时间,λj是系统的第j个产品(单台工业机器人用伺服电机)的故障率,k为系统中产品的个数,λ是系统的故障率。
式(15)中,M为采集数据的时间段H内产生故障的次数,H=20秒。
进一步,工况数据采集过程如下:一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器将检测到的一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的转速和输出扭矩信号传给一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块分别转换成电压信号后再传给数据采集仪,数据采集仪将电压信号传给电脑转换为工业机器人用伺服电机的转速和输出扭矩值。
进一步,工况数据处理过程如下:电脑计算出20s时间段内一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差和输出转速标准差,并将输出扭矩均值T和输出转速均值n代入式(16)计算出一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输出功率P1;然后根据式(17)和式(18)分别计算出一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输入功率P2和效率η。
P2=UI (17)
式(17)中,U是工业机器人用伺服电机的输入电压,I是工业机器人用伺服电机的输入电流。
进一步,服役性能评测的过程具体如下:电脑将经工况数据采集和工况数据处理得到的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差和工业机器人用伺服电机的效率与空载测试基准值相比,判别20s时间段内输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差和工业机器人用伺服电机的效率η是否超出了误差限,若这五组数据有一组数据超出空载测试基准值中的值,则认定工业机器人用伺服电机在当前测试工况下的服役性能不满足要求。
本发明具有的有益效果:
本发明可以模拟工业机器人六轴联动下各轴伺服电机的负载特性,可以模拟工业机器人六轴联动下各轴伺服电机的运送曲线,可以综合测试工业机器人六轴联动复杂工况下各轴伺服电机的服役性能,可以加速工业机器人六轴联动下伺服电机平均无故障工作时间测试进程。本发明能模拟出六轴联动工业机器人用伺服电机在实际工作过程中的受载多变情况,能进行无故障工作时间的测试,满足工业机器人关键驱动部件服役性能实际测试需求。
附图说明
图1为本发明装置的立体图。
图2为本发明中单路信号转换模块和数据采集仪的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示,六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法,采用的工业机器人用伺服电机可靠性测试装置,包括一号法兰盘1、二号法兰盘2、一号动态转速/扭矩传感器3(型号HCNJ-101、量程0-10N·M、0-6000r/min)、二号动态转速/扭矩传感器4(型号HCNJ-101、量程0-10N·M、0-6000r/min)、三号动态转速/扭矩传感器5(型号HCNJ-101、量程0-10N·M、0-6000r/min)、一号工业机器人用伺服电机6(型号EMCA-C10807 RS)、二号工业机器人用伺服电机7(型号EMCA-C10807 RS)、三号工业机器人用伺服电机8(型号EMCA-C10807 RS)、三号工业机器人用伺服驱动器9(型号ASD-A2-0721-E)、四号工业机器人用伺服电机10(型号EMCA-C10807 RS)、五号工业机器人用伺服电机11(型号EMCA-C10807 RS)、四号动态转速/扭矩传感器12(型号HCNJ-101、量程0-10N·M、0-6000r/min)、五号动态转速/扭矩传感器13(型号HCNJ-101、量程0-10N·M、0-6000r/min)、四号法兰盘14、五号法兰盘15、六号工业机器人用伺服电机16(型号EMCA-C10807 RS)、六号动态转速/扭矩传感器17(型号HCNJ-101、量程0-10N·M、0-6000r/min)、六号法兰盘18、四号工业机器人用伺服驱动器19(型号ASD-A2-0721-E)、五号工业机器人用伺服驱动器20(型号ASD-A2-0721-E)、六号工业机器人用伺服驱动器21(型号ASD-A2-0721-E)、PLC22(型号DVP50MC11T-06、可控制高达6个实轴)、一键启停电控开关23、电控箱24、二号工业机器人用伺服驱动器25(型号ASD-A2-0721-E)、一号安装底板26、一号工业机器人用伺服驱动器27(型号ASD-A2-0721-E)、触摸屏28(DOP-B07SS411,支持RS-232/422/485通讯)、三号法兰盘29、一号单路信号转换模块30(F/V、输出电压0-10V)、二号单路信号转换模块31(F/V、输出电压0-10V)、三号单路信号转换模块32(F/V、输出电压0-10V)、四号单路信号转换模块33(F/V、输出电压0-10V)、五号单路信号转换模块34(F/V、输出电压0-10V)、六号单路信号转换模块35(F/V、输出电压0-10V)、二号安装底板36、数据采集仪37(型号uT3408FRS-ICP)和电脑38;其中,各动态转速/扭矩传感器均能同时测量转速和扭矩。
该六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法,具体如下:
步骤一、各工业机器人用伺服电机的安装及空载测试;
1.1将一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机和一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均固定在一号安装底板26上;一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘上均开有沿周向均布的六个矩形调节槽;一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的信号输出端与数据采集仪37分别通过一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块连接;数据采集仪37连接电脑38;一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块、电脑38和数据采集仪37均固定在二号安装底板上;一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均与PLC连接;触摸屏28与PLC连接,用来输入指令;PLC和触摸屏28均固定在电控箱24顶部,电控箱24固定在一号安装底板26上;电控箱24顶部还设有一键启停电控开关23;其中,一键启停电控开关23对PLC、触摸屏28、数据采集仪37、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机、一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器以及一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块同时通断电。
1.2一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输出轴均水平设置,且与一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输入轴分别通过一个联轴器连接;一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器与一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机分别连接。
1.3一键启停电控开关23控制通电,通过触摸屏28控制PLC,PLC对一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器发出转动信号,从而控制一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机均连续正转48小时,其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值,匀速阶段的速度也为额定值。进行工况数据采集,工况数据包括工业机器人用伺服电机的输出扭矩和输出转速;然后在电脑38上观察各工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,并记录下48小时中最后20秒的工况数据,对该20秒的工况数据进行工况数据处理。
1.4若这48小时中最后20秒内测得的某些工业机器人用伺服电机的输出扭矩或输出转速的波动率与各自出厂标定值差值相比超过0.5%,表明这些工业机器人用伺服电机不满足测试要求,一键启停电控开关23控制断电,将不满足测试要求的工业机器人用伺服电机更换成新的工业机器人用伺服电机,与对应的动态转速/扭矩传感器通过联轴器连接,然后回到步骤1.2,直至筛选出六台性能相近的工业机器人用伺服电机,否则直接执行下一步。
1.5记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,作为空载测试基准值,然后执行下一步。
步骤二、不同负载惯量下的测试
2.1一键启停电控开关23控制断电,将一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输出轴与一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘分别固定;在一号法兰盘1上周向呈180°的两个矩形调节槽处均固定质量块,在二号法兰盘2上周向均布的四个矩形调节槽处均固定质量块,在三号法兰盘29上周向均布的六个矩形调节槽处均固定质量块,在四号法兰盘14上的矩形调节槽处固定质量块,在五号法兰盘15上周向非均布的三个矩形调节槽处均固定质量块,在六号法兰盘18上周向非均布的五个矩形调节槽处均固定质量块;所有质量块的材质、质量和大小均相同,且各质量块与对应位置处工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等;此时,六个法兰盘上均安装了个数不同的质量块;因为四号、五号、六号法兰盘搭载的质量块是偏心的,存在偏心负载,故将一号安装底板26通过地脚螺栓与地面固定,防止因偏心负载的存在引起工业机器人用伺服电机的颤振。
2.2一键启停电控开关23控制通电,通过触摸屏28控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续测试48小时,其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值,匀速阶段的速度为额定值的三分之二,进行工况数据采集,将工况数据通过数据采集仪37传输到电脑38观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,并对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内各工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,执行一次服役性能评测过程,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关23控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1。
步骤三、模拟工业机器人六轴联动的测试;
3.1负载参数设定
一键启停电控开关23控制断电,选取六自由度工业机械臂成品,将六台工业机器人伺服电机的编号与六自由度工业机械臂驱动关节编号对应,一号工业机器人用伺服电机6对应六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节,二号工业机器人用伺服电机7对应六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节,三号工业机器人用伺服电机8对应六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节,四号工业机器人用伺服电机10对应六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节,五号工业机器人用伺服电机11对应六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节,六号工业机器人用伺服电机16对应六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节。然后,在各法兰盘上的每个矩形调节槽处均固定质量块;最后,分别在测试空载工况和测试负载工况,从六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节向六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节反推,求解六自由度工业机械臂驱动关节的各关节负载惯量和负载力矩。
①六自由度工业机械臂成品在测试空载工况时:
六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(1)中,m6为六自由度工业机械臂的第六机械臂的质量,r6为六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的回转半径;
六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(2)中,m5为六自由度工业机械臂的第五机械臂的质量,r5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的回转半径,l5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节回转中心到第六关节回转中心的距离,g为重力加速度,θ5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(3)中,m4为六自由度工业机械臂的第四机械臂的质量,r4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的回转半径,l4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节回转中心到第五关节回转中心的距离,θ4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(4)中,m3为六自由度工业机械臂的第三机械臂的质量,l3为六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节回转中心到第四关节回转中心的距离,θ3为六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(5)中,m2为六自由度工业机械臂的第二机械臂的质量,l2为六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节回转中心到第三关节回转中心的距离,θ2为六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(6)中,m1为六自由度工业机械臂的第一机械臂的质量,r1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的回转半径,l1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节回转中心到第二关节回转中心的距离,θ1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节与水平方向的夹角;
②六自由度工业机械臂成品在测试负载工况时:
六自由度工业机械臂驱动关节的各关节负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(7)中,M为六自由度工业机械臂的第六机械臂所搭载的负载质量;
六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的负载惯量和负载力矩分别为:
3.2计算出六自由度工业机械臂驱动关节的各关节的负载惯量和负载力矩后,调节每个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离,调节后保证同一法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离相等,或所有法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离相等,改变每个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块个数,使得各工业机器人伺服电机的负载惯量和负载扭矩与六自由度工业机械臂驱动关节的对应编号关节的负载惯量和负载力矩分别相等。此时,六台工业机器人用伺服电机所受负载扭矩各不相同,则工业机器人用伺服电机轴心的运转情况也不同,可以模拟工业机器人六轴联动时的运动路径。
其中,在每个法兰盘上调节各矩形调节槽处质量块位置后,计算对应工业机器人用伺服电机所受负载惯量JLi和负载扭矩TLi如下:
式(13)中,JLi为第i个工业机器人用伺服电机的负载惯量(单位N.m),TLi为第i个工业机器人用伺服电机的负载力矩(单位N.m),Li为第i个工业机器人用伺服电机对应位置法兰盘上的每个矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到第i个工业机器人用伺服电机轴心的距离,a1,a2,……,a6分别为法兰盘上各矩形调节槽处的质量块个数,m为单个质量块的质量,d为质量块的边长,α为法兰盘的其中一个矩形调节槽处质量块质心和对应位置工业机器人用伺服电机轴心连接与竖直方向的夹角,α初始值为0。
3.3一键启停电控开关23控制通电,通过触摸屏28控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号,从而控制各工业机器人用伺服电机完成持续正反转,其中工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值,匀速阶段速度为伺服电机额定速度的三分之二,连续测试4小时,进行工况数据采集,通过数据采集仪37传输到电脑38上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对4小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这4小时中最后20秒内6组工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率。进行一次服役性能评测,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关23控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1。
步骤四、模拟工业机器人六轴联动中伺服电机的急转急停性能测试;
4.1一键启停电控开关23控制断电,在所有法兰盘上的各矩形调节槽处均固定相同数量的质量块,且每个矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等;一键启停电控开关23控制通电,通过触摸屏28控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服驱动器给六个工业机器人用伺服电机设置加速阶段的加速度分别为各工业机器人用伺服电机加速阶段的额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍,减速阶段的加速度仍为各工业机器人用伺服电机减速阶段的额定加速度,而将运行速度设置为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二,各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转48小时。
4.2进行工况数据采集,并通过数据采集仪37传输到电脑38上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,进行一次服役性能评测,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关23控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1。
4.3通过触摸屏28控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服驱动器给六个工业机器人用伺服电机设置加速度分别为各工业机器人用伺服电机额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍,设置减速阶段的加速度分别为各工业机器人用伺服电机减速阶段额定加速度的1倍、1.1倍、1.3倍、1.5倍、1.7倍、1.9倍中的任意一种,而将匀速段运行速度设置为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二,一号、二号、三号伺服电机运行规律为持续正转,四号、五号、六号伺服电机运行规律为持续正反转,连续记录48小时。
4.4进行工况数据采集,并通过数据采集仪37传输到电脑38上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,进行一次服役性能评测,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关23控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1。
步骤五、复杂工况作用时的工业机器人六轴联动测试;
5.1一键启停电控开关23控制断电,在一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘上的每个矩形调节槽处均固定质量块;同一个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块数量相等,同一个法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等;不同法兰盘上的每个矩形调节槽处质量块数量分别为1个、2个、3个、4个、5个、6个,每个矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离分别为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm,将各工业机器人用伺服电机的加速阶段的加速度和减速阶段的加速度设为各工业机器人用伺服电机额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍,将匀速段运行速度设为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二,各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转。一键启停电控开关23控制通电,通过触摸屏28控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续测试48小时。
5.2进行工况数据采集,并通过数据采集仪37传输到电脑38上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率。
步骤六、工业机器人六轴联动系统无故障工作时间预测;
一键启停电控开关23控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六个工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2;然后将各工业机器人用伺服电机运行时的匀速段速度设为各工业机器人用伺服电机的额定速度,加速阶段的加速度和减速阶段的加速度也均设为各工业机器人用伺服电机的额定值,各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转。一键启停电控开关23控制通电,通过触摸屏28控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服电机发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续转动测试40天,并通过数据采集仪37传输到电脑38上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,每隔24小时采集20秒六台工业机器人用伺服电机的输出转矩和输出转速数据,对24小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,并将这六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率均与空载测试基准值比较,当误差均超过5%时,说明六台工业机器人用伺服电机均出现明显的波动,即证明六台工业机器人用伺服电机均开始出现故障。如果在这40天内六台工业机器人用伺服电机都没有出现故障,则继续测试直至六台工业机器人用伺服电机均出现故障,然后由式(15)计算出每台工业机器人用伺服电机的故障率,根据公式(14)计算这六台工业机器人用伺服电机平均无故障工作时间(MTBF)。
平均无故障工作时间(MTBF)是指在规定的条件和规定的时间内,产品的寿命单位总数和故障总数的比值,只表示一批产品可以正常工作的平均时间,是指一批产品无故障工作时间的平均值,它是系统可靠性的定量指标。
式(14)中,MTBF为系统(六台工业机器人用伺服电机)的平均无故障工作时间,λj是系统的第j个产品(单台工业机器人用伺服电机)的故障率,k为系统中产品的个数,λ是系统的故障率。
式(15)中,M为采集数据的时间段H内产生故障的次数,本实施例H=20秒。
由式(14)可知,当知道系统内各产品的故障率时,可以计算系统的平均无故障工作时间。而基于平均无故障时间可以估算这个系统的平均工作寿命。
伺服电机的工作寿命一般为10000小时,要对伺服电机确定工作寿命,则需要进行长时间的运行测试,时间周期长,基于平均无故障工作时间,可以用多台伺服电机计算平均无故障工作时间来确定这个系统的平均工作寿命。
工况数据采集过程如下:一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器将检测到的一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的转速和输出扭矩信号传给一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块分别转换成电压信号后再传给数据采集仪,数据采集仪将电压信号传给电脑转换为工业机器人用伺服电机的转速和输出扭矩值。
工况数据处理过程如下:电脑38计算出20s时间段内一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差和输出转速标准差,并将输出扭矩均值T和输出转速均值n代入式(16)计算出一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输出功率P1;然后根据式(17)和式(18)分别计算出一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输入功率P2和效率η。
P2=U*I (17)
式(17)中,U是工业机器人用伺服电机的输入电压,I是工业机器人用伺服电机的输入电流。
服役性能评测的过程具体如下:电脑38将经工况数据采集和工况数据处理得到的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差和工业机器人用伺服电机的效率与空载测试基准值相比,判别20s时间段内输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差和工业机器人用伺服电机的效率η是否超出了误差限,若这五组数据有一组数据超出空载测试基准值中的值,则认定工业机器人用伺服电机在当前测试工况下的服役性能不满足要求。
Claims (6)
1.六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法,其特征在于:该方法具体如下:
步骤一、各工业机器人用伺服电机的安装及空载测试;
1.1将一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机和一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均固定在一号安装底板上;一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘上均开有沿周向均布的六个矩形调节槽;一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的信号输出端与数据采集仪分别通过一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块连接;数据采集仪连接电脑;一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块、电脑和数据采集仪均固定在二号安装底板上;一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均与PLC连接;触摸屏与PLC连接,用来输入指令;PLC和触摸屏均固定在电控箱顶部,电控箱固定在一号安装底板上;电控箱顶部还设有一键启停电控开关;其中,一键启停电控开关对PLC、触摸屏、数据采集仪、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机、一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器以及一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块同时通断电;
1.2一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输出轴均水平设置,且与一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输入轴分别通过一个联轴器连接;一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器与一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机分别连接;
1.3一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器发出转动信号,从而控制一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机均连续正转48小时,其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值,匀速阶段的速度也为额定值;进行工况数据采集,工况数据包括工业机器人用伺服电机的输出扭矩和输出转速;然后在电脑上观察各工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,并记录下48小时中最后20秒的工况数据,对该20秒的工况数据进行工况数据处理;
1.4若这48小时中最后20秒内测得的某些工业机器人用伺服电机的输出扭矩或输出转速的波动率与各自出厂标定值差值相比超过0.5%,表明这些工业机器人用伺服电机不满足测试要求,一键启停电控开关控制断电,将不满足测试要求的工业机器人用伺服电机更换成新的工业机器人用伺服电机,与对应的动态转速/扭矩传感器通过联轴器连接,然后回到步骤1.2,直至筛选出六台性能相近的工业机器人用伺服电机,否则直接执行下一步;
1.5记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,作为空载测试基准值,然后执行下一步;
步骤二、不同负载惯量下的测试;
2.1一键启停电控开关控制断电,将一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输出轴与一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘分别固定;在一号法兰盘上周向呈180°的两个矩形调节槽处均固定质量块,在二号法兰盘上周向均布的四个矩形调节槽处均固定质量块,在三号法兰盘上周向均布的六个矩形调节槽处均固定质量块,在四号法兰盘上的矩形调节槽处固定质量块,在五号法兰盘上周向非均布的三个矩形调节槽处均固定质量块,在六号法兰盘上周向非均布的五个矩形调节槽处均固定质量块;所有质量块的材质、质量和大小均相同,且各质量块与对应位置处工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等;
2.2一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续测试48小时,其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值,匀速阶段的速度为额定值的三分之二,进行工况数据采集,将工况数据通过数据采集仪传输到电脑观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,并对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内各工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,执行一次服役性能评测过程,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1;
步骤三、模拟工业机器人六轴联动的测试;
3.1负载参数设定
一键启停电控开关控制断电,选取六自由度工业机械臂成品,将六台工业机器人伺服电机的编号与六自由度工业机械臂驱动关节编号对应,一号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节,二号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节,三号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节,四号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节,五号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节,六号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节;然后,在各法兰盘上的每个矩形调节槽处均固定质量块;最后,分别在测试空载工况和测试负载工况,从六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节向六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节反推,求解六自由度工业机械臂驱动关节的各关节负载惯量和负载力矩;
①六自由度工业机械臂成品在测试空载工况时:
六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(1)中,m6为六自由度工业机械臂驱动关节的第六机械臂的质量,r6为六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的回转半径;
六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(2)中,m5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五机械臂的质量,r5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的回转半径,l5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节回转中心到第六关节回转中心的距离,g为重力加速度,θ5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(3)中,m4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四机械臂的质量,r4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的回转半径,l4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节回转中心到第五关节回转中心的距离,θ4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(4)中,m3为六自由度工业机械臂驱动关节的第三机械臂的质量,l3为六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节回转中心到第四关节回转中心的距离,θ3为六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(5)中,m2为六自由度工业机械臂驱动关节的第二机械臂的质量,l2为六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节回转中心到第三关节回转中心的距离,θ2为六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节与水平方向的夹角;
六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(6)中,m1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一机械臂的质量,r1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的回转半径,l1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节回转中心到第二关节回转中心的距离,θ1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节与水平方向的夹角;
②六自由度工业机械臂成品在测试负载工况时:
六自由度工业机械臂驱动关节的各关节负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的负载惯量和负载力矩分别为:
式(7)中,M为六自由度工业机械臂的第六机械臂所搭载的负载质量;
六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节的负载惯量和负载力矩分别为:
六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的负载惯量和负载力矩分别为:
3.2计算出六自由度工业机械臂驱动关节的各关节的负载惯量和负载力矩后,调节每个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离,调节后保证同一法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离相等,或所有法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离相等,改变每个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块个数,使得各工业机器人伺服电机的负载惯量和负载扭矩与六自由度工业机械臂驱动关节的对应编号关节的负载惯量和负载力矩分别相等;
其中,在每个法兰盘上调节各矩形调节槽处质量块位置后,计算对应工业机器人用伺服电机所受负载惯量JLi和负载扭矩TLi如下:
式(13)中,JLi为第i个工业机器人用伺服电机的负载惯量,TLi为第i个工业机器人用伺服电机的负载力矩,Li为第i个工业机器人用伺服电机对应位置法兰盘上的每个矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到第i个工业机器人用伺服电机轴心的距离,a1,a2,……,a6分别为法兰盘上各矩形调节槽处的质量块个数,m为单个质量块的质量,d为质量块的边长,α为法兰盘的其中一个矩形调节槽处质量块质心和对应位置工业机器人用伺服电机轴心连接与竖直方向的夹角,α初始值为0;
3.3一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号,从而控制各工业机器人用伺服电机完成持续正反转,其中工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值,匀速阶段速度为伺服电机额定速度的三分之二,连续测试4小时,进行工况数据采集,通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对4小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这4小时中最后20秒内6组工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率;进行一次服役性能评测,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1;
步骤四、模拟工业机器人六轴联动中伺服电机的急转急停性能测试;
4.1一键启停电控开关控制断电,在所有法兰盘上的各矩形调节槽处均固定相同数量的质量块,且每个矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等;一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服驱动器给六个工业机器人用伺服电机设置加速阶段的加速度分别为各工业机器人用伺服电机加速阶段的额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍,减速阶段的加速度仍为各工业机器人用伺服电机减速阶段的额定加速度,而将运行速度设置为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二,各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转48小时;
4.2进行工况数据采集,并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,进行一次服役性能评测,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1;
4.3通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服驱动器给六个工业机器人用伺服电机设置加速度分别为各工业机器人用伺服电机额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍,设置减速阶段的加速度分别为各工业机器人用伺服电机减速阶段额定加速度的1倍、1.1倍、1.3倍、1.5倍、1.7倍、1.9倍中的任意一种,而将匀速段运行速度设置为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二,一号、二号、三号伺服电机运行规律为持续正转,四号、五号、六号伺服电机运行规律为持续正反转,连续记录48小时;
4.4进行工况数据采集,并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率,进行一次服役性能评测,若服役性能评测满足要求,则执行下一步,否则一键启停电控开关控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六台工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2,然后回到步骤2.1;
步骤五、复杂工况作用时的工业机器人六轴联动测试;
5.1一键启停电控开关控制断电,在一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘上的每个矩形调节槽处均固定质量块;同一个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块数量相等,同一个法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等;不同法兰盘上的每个矩形调节槽处质量块数量分别为1个、2个、3个、4个、5个、6个,每个矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离分别为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm,将各工业机器人用伺服电机的加速阶段的加速度和减速阶段的加速度设为各工业机器人用伺服电机额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍,将匀速段运行速度设为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二,各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转;一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续测试48小时;
5.2进行工况数据采集,并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率;
步骤六、工业机器人六轴联动系统无故障工作时间预测;
一键启停电控开关控制断电,拆下六个法兰盘,更换新的六个工业机器人用伺服电机,重复一次步骤1.2;然后将各工业机器人用伺服电机运行时的匀速段速度设为各工业机器人用伺服电机的额定速度,加速阶段的加速度和减速阶段的加速度也均设为各工业机器人用伺服电机的额定值,各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转;一键启停电控开关控制通电,通过触摸屏控制PLC,PLC对各工业机器人用伺服电机发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续转动测试40天,并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况,每隔24小时采集20秒六台工业机器人用伺服电机的输出转矩和输出转速数据,对24小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理,并将这六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率均与空载测试基准值比较,当误差均超过5%时,说明六台工业机器人用伺服电机均出现明显的波动,即证明六台工业机器人用伺服电机均开始出现故障;如果在这40天内六台工业机器人用伺服电机都没有出现故障,则继续测试直至六台工业机器人用伺服电机均出现故障,然后计算出每台工业机器人用伺服电机的故障率,从而计算这六台工业机器人用伺服电机平均无故障工作时间。
2.根据权利要求1所述的六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法,其特征在于:当六个法兰盘上均安装了个数不同的质量块时,将一号安装底板通过地脚螺栓与地面固定。
4.根据权利要求1所述的六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法,其特征在于:工况数据采集过程如下:一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器将检测到的一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的转速和输出扭矩信号传给一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块分别转换成电压信号后再传给数据采集仪,数据采集仪将电压信号传给电脑转换为工业机器人用伺服电机的转速和输出扭矩值。
6.根据权利要求5所述的六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法,其特征在于:服役性能评测的过程具体如下:电脑将经工况数据采集和工况数据处理得到的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差和工业机器人用伺服电机的效率与空载测试基准值相比,判别20s时间段内输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差和工业机器人用伺服电机的效率η是否超出了误差限,若这五组数据有一组数据超出空载测试基准值中的值,则认定工业机器人用伺服电机在当前测试工况下的服役性能不满足要求。
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