CN111238981B - 一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试方法与装置。现有技术中缺乏对工业机器人线缆的磨损测试方法，更缺乏能够复合滑动摩擦和转动摩擦两种形式的磨损测试方法。本发明如下：一、设定测试过程中的负载力量、往复次数和频幅模式类型。二、将上线缆、下线缆固定到测试装置上；三、施加负载，并进行摩擦试验；四、分离两根线缆；五、拍摄下线缆并提取磨损参数。本发明通过变频变幅运动模拟，构建工业机器人线缆摩擦仿真，模拟了工业机器人线缆在随机器人本体结构运动时，在相邻线缆之间形成的微动摩擦磨损。本发明通过进行复合摩擦磨损测试，能够直接获得机器人线缆耐磨可靠性与测试工况之间的相互关系。

Description

一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试方法与装置

技术领域

本发明属于工业机器人磨损测试技术领域，特别涉及一种工业机器人线缆磨损及加速磨损可靠性测试方法与装置。

背景技术

工业机器人是实现工业自动化智能化的重要方式之一，其高效的工作方式替代了原本低效率的人力工作方式。而随之而来的问题就是工业机器人的可靠性问题，只有安全可靠的机器人才能够促进工业的发展，才能够推动机器人的普及和机器人行业的发展。而作为机器人信号动力传输的载体机器人线缆的可靠性测试的研究就十分必要，而机器人线缆往往会由于绝缘层的磨损而引发一系列线缆失效，因此对于机器人线缆的磨损可靠性研究就十分必要。

目前，在相关领域只有极少数的工业机器人线缆磨损及加速磨损测试方法与装置，如申请专利号为201610109629.9的专利公开了一种线缆磨损测试装置及测试方法。该装置通过导轨和固定框架等机构进行上下左右的运动，对线缆进行拖拽弯曲摩擦等测试。在测试过程中测试装置体积庞大，同时只能测试固定规格的线缆，普适性不大。所进行的磨损测试只是针对线缆在弯曲扭转等过程中随机产生的磨损进行测试，其磨损是间接导致的。并没有对具体的摩擦进行测试；其次该测试方法采用通电测试和X光扫面测试方法，需要将线缆从测试装置中取出，而无法做到较好的集成化、智能化、一体化。

通过对实际的工业机器人线缆的使用环境的实际观察，对实际的线缆磨损进行分析，发现机器人线缆的摩擦磨损主要可以分为线缆与固定件之间的摩擦磨损和线缆之间的摩擦磨损，其线缆之间的摩擦磨损通过细分可以分为线缆相互交叉的滑动摩擦磨损和线缆间旋转摩擦磨损，以及两者之间的耦合摩擦磨损。针对这三种线缆间磨损方式，通过特定的仿真机械结构进行模拟，之后利用图像识别技术对模拟造成的线缆磨损区域进行识别，从而智能的监测线缆的磨损程度。

发明内容

本发明针对目前工业机器人线缆尚无旋转磨擦磨损和加速磨损可靠性测试方法及装置等不足，提供一种基于线缆之间滑动和旋转摩擦磨损及加速磨损测试方法及装置。本发明是一种基于低频低幅旋转加载的线缆与线缆摩擦磨损检测方法与装置；是一种高(n倍)频低幅和低频高幅(n倍)旋转加载的线缆与线缆摩擦磨损加速磨损检测方法与装置；是一种基于低频低幅直线滑动加载的线缆与线缆摩擦磨损检测方法与装置；是一种高(n倍)频低幅和低频高幅(n倍)直线滑动加载的线缆与线缆摩擦磨损加速磨损检测方法与装置；是一种基于低频低幅直线滑动加载和低频低幅旋转加载复合的线缆与线缆摩擦磨损检测方法与装置；是一种高(n倍)频低幅和低频高幅(n倍)直线滑动加载高(n倍)频低幅和低频高幅(n倍)旋转加载复合的线缆与线缆摩擦磨损加速磨损检测方法与装置；是一种线缆加载幅度和加载频率可调的磨损及加速磨损测试方法与装置；是一种基于机器视觉线缆表面摩擦磨损检测原理的磨损及加速磨损测试方法与装置；是一种集变频变幅控制和摩擦磨损视觉检测与一体的智能测试装置。

本发明一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试方法，具体步骤如下：

步骤一、针对线缆所工作的实际工况；设定测试过程中的负载力量、往复次数和频幅模式类型。频幅模式类型分为高频低幅模式和高幅低频模式。若使用被测线缆的工业机器人的末端执行器运动范围小于50mm，则选用高频低幅模式；否则，选用高幅低频模式。高频低幅模式的线缆摩擦频率高于高幅低频模式，运动幅度小于高幅低频模式。

步骤二、将上线缆、下线缆固定到测试装置上；测试装置能够在上线缆自然下压在下线缆上的前提下，驱动上线缆与下线缆进行相互滑动摩擦和相互转动摩擦。

步骤三、将下线缆移动到上线缆的正下方；将上线缆压在下线缆上，并向上线缆施加竖直向下的负载力量。

步骤四、驱动上线缆与下线缆在步骤一中设定的幅度和频率下进行滑动摩擦和转动摩擦。

步骤五、当上线缆与下线缆的旋转摩擦、滑动摩擦周期数达到预设的往复次数后，结束相互摩擦并分离上线缆与下线缆。

步骤六、用显微摄像头拍摄下线缆，提取下线缆上的磨损参数。磨损参数包括磨损宽度、磨损长度、磨损面积和磨损深度。

作为优选，步骤六中磨损参数的提取方法如下：

①.显微摄像头拍摄下线缆的图像信息；对图像信息进行预处理；之后，对预处理后的图像进行数据提取，得到下线缆的磨损宽度、磨损长度和磨损面积。

②.驱动显微摄像头向下移动预设位移量。预设位移量为允许公差的1/10～1/2。之后，进入步骤③。

③.重复步骤①，获取下线缆的磨损宽度、磨损长度和磨损面积；若所得的磨损宽度、磨损长度和磨损面积与上一次测得的结果的误差均小于预设阈值，则记录下显微摄像头的当前高度h₁，并进入步骤④；否则，重新进入步骤②。

④.显微摄像头向下移动预设位移量。之后，进入步骤⑤。

⑤.显微摄像头拍摄图像信息；检测图像信息是否完全为虚像；若完全为虚像，则记录下显微摄像头当前的高度h₂，计算磨损深度h₃＝h₁-h₂；否则，重新进入步骤④。

作为优选，预处理包括依次执行的灰度处理，二值化处理，滤波处理。

作为优选，数据提取包括依次执行的边缘检测和分割计算。

作为优选，高频低幅模式表示试验中两线缆单次相互摩擦滑动行程为4mm，转动行程为30°，周期为0.5s；高幅低频模式表示试验中两线缆单次相互摩擦滑动行程为10mm，转动行程为90°，周期为0.5s。

用于前述测试方法的一种工业机器人线缆磨损测试装置，包括底板、图像采集直线模组、上线缆安装组件、下线缆安装组件和图像提取组件。所述的上线缆安装组件包括垂直支架、上线缆固定器、横移导轨、负载架、负载重物和横移直线模组。垂直支架固定在底板上。负载架与垂直支架构成滑动副。所述负载架的底部固定有水平设置的横移导轨。上线缆固定器与横移导轨通过滑块构成滑动副。上线缆固定器由横移直线模组驱动。

所述的图像采集直线模组安装在底板上。所述的下线缆安装组件包括下线缆固定架、旋转电机和旋转支架。旋转支架安装在图像采集直线模组上。下线缆固定架与旋转支架构成公共轴线竖直设置的转动副。下线缆固定架由旋转电机驱动。

所述的图像提取组件包括显微摄像头、微动直线模组和微动安装架。微动安装架固定在底板上。显微摄像头通过微动直线模组安装在微动安装架的顶部，并能够竖直移动。所述的下线缆固定架在图像采集直线模组的驱动下分别能够移动到上线缆固定器和显微摄像头的正下方。

作为优选，所述的上线缆安装组件还包括直线负载传感器。直线负载传感器采用拉力传感器。直线负载传感器安装在上线缆固定器与横移直线模组之间。

作为优选，所述的下线缆安装组件还包括旋转负载传感器；旋转负载传感器采用扭矩传感器。旋转负载传感器安装在下线缆固定架与旋转电机的输出轴之间。

作为优选，所述负载架的上部设置有负载重物；

作为优选，所述的横移直线模组包括第一伺服电机和第一丝杆滑台；第一丝杆滑台内的丝杆驱动滑移块滑动，并由第一伺服电机驱动。所述的图像采集直线模组位于上线缆固定器的下方。图像采集直线模组包括第二伺服电机和第二丝杆滑台；第二丝杆滑台内的丝杆驱动滑移块滑动，并由第二伺服电机驱动。所述的微动直线模组安装在微动安装架的顶部，包括第三伺服电机和微调滑台；微调滑台的输入转轴与第三伺服电机的输出轴固定。竖直设置的显微摄像头固定在微动直线模组的滑移块上。

本发明的有益效果：

1、本发明是一种基于线缆与线缆之间多向微动摩擦磨损的线缆磨损及加速磨损测试方法及装置。通过对线缆在实际工业机器人中的运动状况的分析，将其随机器人本体结构运动而产生的多向微动摩擦分解为直线滑动摩擦和旋转摩擦两个基础运动，分别对这两个基础运动进行摩擦磨损测试。通过该方法能够深刻的认识工业机器人线缆摩擦磨损机理，解决当下对机器人柔性线缆耐磨可靠性确实的问题。

2、本发明通过进行复合摩擦磨损测试，能够直接获得机器人线缆耐磨可靠性与测试工况之间的相互关系，这些数据关系能够极大地促进线缆耐磨可靠性的确立，成为设计机器人的重要参考依据。

3、本发明是一种集旋转角度、旋转频率、直线滑动幅度、直线滑动频率自动化控制和摩擦磨损视觉检测于一体的智能化检测设备。通过所设计的机械结构模拟线缆摩擦运动，通过变频变幅运动模拟，构建工业机器人线缆摩擦仿真，模拟了工业机器人线缆在随机器人本体结构运动时，在相邻线缆之间形成的微动摩擦磨损。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图；

图2为本发明隐藏图像提取组件后的整体结构立体图；

图3为本发明自动摩擦磨损图像检测示意图；

图4为本发明中测试方法的流程图；

图5为本发明中没破损信息识别的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1和2所示，一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试装置，包括底板1、图像采集直线模组3、上线缆安装组件、下线缆安装组件、图像提取组件和控制模块。上线缆安装组件和下线缆安装组件模拟工业机器人线缆多工况下随机器人本体结构运动产生摩擦磨损运动。

上线缆安装组件包括垂直支架2、上线缆固定器6、横移导轨7、负载架8、负载重物9、竖直导轨10、横移直线模组20和直线负载传感器21。直线负载传感器21采用拉力传感器。间隔设置的两个垂直支架2均固定在底板1上。两个垂直支架2的相对侧面上均固定有竖直导轨10。负载架8的两端通过滑块与两个垂直支架2上的竖直导轨10分别构成滑动副。负载架8与竖直导轨10通过滑块上的卡扣或紧定螺钉固定。负载架8的上部设置有负载重物9；更换负载重物9能够改变上线缆与下线缆之间的挤压力；负载架8的底部固定有水平设置的横移导轨7。上线缆固定器6与横移导轨7通过滑块构成滑动副。上线缆4通过线缆抱箍5固定在上线缆固定器6的底部。横移直线模组20通过螺钉安装在负载架8的底部。横移直线模组20上的滑移块与驱动线缆固定器6通过直线负载传感器21连接。横移直线模组20能够驱动线缆固定器6作横移运动，实现上线缆4的直线加载；直线负载传感器21用于检测上线缆固定器6滑动过程中受到的阻力(阻力由上线缆和下线缆摩擦产生)。横移直线模组20包括第一伺服电机和第一丝杆滑台；第一丝杆滑台内的丝杆驱动滑移块滑动，并由第一伺服电机驱动。

图像采集直线模组3安装在底板1上，且位于两个垂直支架2之间。图像采集直线模组3位于上线缆固定器6的下方。图像采集直线模组3包括第二伺服电机和第二丝杆滑台；第二丝杆滑台内的丝杆驱动滑移块滑动，并由第二伺服电机驱动。

下线缆安装组件安装在图像采集直线模组3上，包括下线缆固定架15、旋转负载传感器16、联轴器17、旋转电机18、旋转支架19和连接轴承24。旋转支架19固定在图像采集直线模组3的滑移块上。下线缆固定架15与旋转支架19通过连接轴承24构成公共轴线竖直设置的转动副。旋转电机18固定在图像采集直线模组3的滑移块上，且输出轴与下线缆固定架15通过联轴器17及旋转负载传感器16连接。下线缆14通过线缆抱箍5固定在下线缆固定架15上。旋转电机18能够驱动下线缆固定架15作横移运动；旋转负载传感器16采用扭矩传感器，用于检测线缆固定器6滑动过程中受到的阻力(阻力由上线缆和下线缆摩擦产生)。旋转电机18将旋转运动传递到下线缆14上，从而形成下线缆的旋转加载；旋转负载传感器16用于检测下线缆固定架15旋转过程中受到的转矩(转矩由上线缆和下线缆摩擦产生)。下线缆固定架15在图像采集直线模组3的驱动下能够移动到上线缆固定器6的正下方。

图像提取组件包括显微摄像头11、微动直线模组12和微动安装架13。微动安装架13固定在底板1上。竖直设置的微动直线模组12通过螺钉安装在微动安装架13的顶部。微动直线模组12包括第三伺服电机和微调滑台；微调滑台的输入转轴与第三伺服电机的输出轴固定。竖直设置的显微摄像头11固定在微动直线模组12的滑移块上。显微摄像头11与下线缆固定器15的线缆安装部沿着图像采集直线模组3上滑移块的滑动方向对齐。显微摄像头11通过微调滑台进行上下的精准运动，从而进行磨损区域的磨损深度的测定。下线缆固定架15通过水平移动的图像采集直线模组3进行水平方向的移动。从而在磨损操作完成后将下线缆移动到显微摄像头11的视场中，进行图像采集。

控制模块包括伺服电机驱动器22和工控机23。横移直线模组20、图像采集直线模组3、微动直线模组12内的伺服电机及旋转电机18均通过伺服电机驱动器22与工控机23连接。工控机23采用PLC。

如图3、4和5所示，一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试方法，具体步骤如下：

步骤一、针对线缆所工作的实际工况；设定测试过程中的负载力量、往复次数和频幅模式类型。负载力量即为测试中使用的负载重物9的重量。频幅模式类型分为高频低幅模式和高幅低频模式。若使用被测线缆的工业机器人的末端执行器运动范围最大尺寸小于50mm，则选用高频低幅模式；否则，选用高幅低频模式。高频低幅模式表示试验中两线缆单次相互摩擦滑动行程为4mm，转动行程为30°，周期为0.5s；高幅低频模式表示试验中两线缆单次相互摩擦滑动行程为10mm，转动行程为90°，周期为0.5s。

高频低幅模式对应的是曲率变化较大结构复杂的工件，该类工件在加工中需要工业机器人进行小幅度、多变化的运动。高幅低频模式对应的是曲率变化较小结构简单的工件，该类工件在加工中需要工业机器人进行大幅度、少变化的运动。

步骤二、将带插头的上线缆4、下线缆14通过线缆抱箍分别固定在上线缆固定器6、下线缆固定架15上，并在负载架8上设置指定重量的负载重物9。

步骤三、将上、下线缆安装好后，图像采集直线模组3带动下线缆安装组件移动，使得下线缆14移动到上线缆4的正下方；松开用于固定负载架8的卡扣或紧定螺钉，释放上线缆固定器6，使得上线缆4在重力的作用下压在下线缆15上。

步骤四、工控机23控制旋转电机18驱动下线缆按照步骤一中设定的幅度和周期进行持续正反转，使得下线缆14在“-15°～+15°”或“-45°～+45°”范围内往复转动，实现上线缆与下线缆的旋转摩擦。

同时，工控机23控制横移直线模组20驱动上线缆按照步骤一中设定的幅度和周期进行持续正反往复滑动，使得上线缆在“-2～+2mm”或“-5～+5mm”范围内往复转动，实现上线缆与下线缆的滑动摩擦。旋转摩擦和滑动摩擦共同模拟线缆在工业机器人中的真实磨损形式。

步骤五、当上线缆与下线缆的旋转摩擦、滑动摩擦周期数达到预设的往复次数后，旋转电机18停转，横移直线模组20停止运动。工作人员向上抬升负载架8并用卡扣或紧定螺钉将其锁止。

步骤六、图像采集直线模组3带动下线缆安装组件移动，使得下线缆14移动到显微摄像头11的正下方。微动直线模组12驱动显微摄像头11移动到上极限位置。

步骤七、显微摄像头11拍摄下线缆的图像信息(照片)，将该图像信息传输到工控机23中，工控机对图像信息进行预处理；之后，工控机对预处理后的图像进行数据提取，得到下线缆的磨损宽度、磨损长度和磨损面积。预处理包括依次执行的灰度处理，二值化处理，滤波处理。数据提取包括依次执行的边缘检测和分割计算。

步骤八、微动直线模组12驱动显微摄像头11向下移动预设位移量。预设位移量为允许公差的1/10～1/2。之后，进入步骤九。

步骤九、重复步骤七，获取下线缆的磨损宽度、磨损长度和磨损面积；若所得的磨损宽度、磨损长度和磨损面积与上一次测得的结果的误差均小于预设阈值，则记录下显微摄像头的当前高度h₁，并进入步骤十；否则，重新进入步骤八。

步骤十、微动直线模组12驱动显微摄像头11向下移动预设位移量。之后，进入步骤十一。

步骤十一、显微摄像头拍摄图像信息并传输给工控机；工控机检测图像信息是否完全为虚像(迷糊不清，摄像头焦点不在视场内)；若完全为虚像，则记录下显微摄像头当前的高度h₂，计算磨损深度h₃＝h₁-h₂；否则，重新进入步骤十。

测试完成后，工控机存储记录下往复运动的次数、频率、幅度、时间和检测结果。通过重复该磨损测试方法，能够获取不同磨损次数下线缆的磨损程度，从而能够达到检测线缆磨损性能、预测线缆在工业机器人中的使用不同时长的磨损程度，为工业机器人的线缆检修提供依据。

Claims (10)

1.一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试方法，其特征在于：步骤一、针对线缆所工作的实际工况；设定测试过程中的负载力量、往复次数和频幅模式类型；频幅模式类型分为高频低幅模式和高幅低频模式；若使用被测线缆的工业机器人的末端执行器运动范围小于50mm，则选用高频低幅模式；否则，选用高幅低频模式；高频低幅模式的线缆摩擦频率高于高幅低频模式，运动幅度小于高幅低频模式；

步骤二、将上线缆、下线缆固定到测试装置上；测试装置能够在上线缆自然下压在下线缆上的前提下，驱动上线缆与下线缆进行相互滑动摩擦和相互转动摩擦；

步骤三、将下线缆移动到上线缆的正下方；将上线缆压在下线缆上，并向上线缆施加竖直向下的负载力量；

步骤四、驱动上线缆与下线缆在步骤一中设定的幅度和频率下进行滑动摩擦和转动摩擦；

步骤五、当上线缆与下线缆的转动 摩擦、滑动摩擦周期数达到预设的往复次数后，结束相互摩擦并分离上线缆与下线缆；

步骤六、用显微摄像头拍摄下线缆，提取下线缆上的磨损参数；磨损参数包括磨损宽度、磨损长度、磨损面积和磨损深度。

2.根据权利要求1所述的一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试方法，其特征在于：步骤六中磨损参数的提取方法如下：

①.显微摄像头拍摄下线缆的图像信息；对图像信息进行预处理；之后，对预处理后的图像进行数据提取，得到下线缆的磨损宽度、磨损长度和磨损面积；

②.驱动显微摄像头向下移动预设位移量；预设位移量为允许公差的1/10～1/2；之后，进入步骤③；

③.重复步骤①，获取下线缆的磨损宽度、磨损长度和磨损面积；若所得的磨损宽度、磨损长度和磨损面积与上一次测得的结果的误差均小于预设阈值，则记录下显微摄像头的当前高度h₁，并进入步骤④；否则，重新进入步骤②；

④.显微摄像头向下移动预设位移量；之后，进入步骤⑤；

⑤.显微摄像头拍摄图像信息；检测图像信息是否完全为虚像；若完全为虚像，则记录下显微摄像头当前的高度h₂，计算磨损深度h₃＝h₁-h₂；否则，重新进入步骤④。

3.根据权利要求2 所述的一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试方法，其特征在于：预处理包括依次执行的灰度处理，二值化处理，滤波处理。

4.根据权利要求2 所述的一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试方法，其特征在于：数据提取包括依次执行的边缘检测和分割计算。

5.根据权利要求1所述的一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试方法，其特征在于：高频低幅模式表示试验中两线缆单次相互摩擦滑动行程为4mm，转动行程为30°，周期为0.5s；高幅低频模式表示试验中两线缆单次相互摩擦滑动行程为10mm，转动行程为90°，周期为0.5s。

6.一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试装置，包括底板；其特征在于：还包括图像采集直线模组、上线缆安装组件、下线缆安装组件和图像提取组件；所述的上线缆安装组件包括垂直支架、上线缆固定器、横移导轨、负载架、负载重物和横移直线模组；垂直支架固定在底板上；负载架与垂直支架构成滑动副；所述负载架的底部固定有水平设置的横移导轨；上线缆固定器与横移导轨通过滑块构成滑动副；上线缆固定器由横移直线模组驱动；

所述的图像采集直线模组安装在底板上；所述的下线缆安装组件包括下线缆固定架、旋转电机和旋转支架；旋转支架安装在图像采集直线模组上；下线缆固定架与旋转支架构成公共轴线竖直设置的转动副；下线缆固定架由旋转电机驱动；

所述的图像提取组件包括显微摄像头、微动直线模组和微动安装架；微动安装架固定在底板上；显微摄像头通过微动直线模组安装在微动安装架的顶部，并能够竖直移动；所述的下线缆固定架在图像采集直线模组的驱动下分别能够移动到上线缆固定器和显微摄像头的正下方。

7.根据权利要求6所述的一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试装置，其特征在于：所述的上线缆安装组件还包括直线负载传感器；直线负载传感器采用拉力传感器；直线负载传感器安装在上线缆固定器与横移直线模组之间。

8.根据权利要求6所述的一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试装置，其特征在于：所述的下线缆安装组件还包括旋转负载传感器；旋转负载传感器采用扭矩传感器；旋转负载传感器安装在下线缆固定架与旋转电机的输出轴之间。

9.根据权利要求6所述的一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试装置，其特征在于：所述负载架的上部设置有负载重物。

10.根据权利要求6所述的一种复合运动下的工业机器人线缆磨损测试装置，其特征在于：所述的横移直线模组包括第一伺服电机和第一丝杆滑台；第一丝杆滑台内的丝杆驱动滑移块滑动，并由第一伺服电机驱动；所述的图像采集直线模组位于上线缆固定器的下方；图像采集直线模组包括第二伺服电机和第二丝杆滑台；第二丝杆滑台内的丝杆驱动滑移块滑动，并由第二伺服电机驱动；所述的微动直线模组安装在微动安装架的顶部，包括第三伺服电机和微调滑台；微调滑台的输入转轴与第三伺服电机的输出轴固定；竖直设置的显微摄像头固定在微动直线模组的滑移块上。

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