CN113358353A - 一种具有失效预警的减速器寿命测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有失效预警的减速器寿命测试方法，该方法包括对输入扭矩预警模块、噪声预警模块、温度预警模块以及传动误差预警模块参数的监控和阈值的设置，当监测到参数变化值超过阈值时，相应的预警模块发出预警，工作人员对发出预警的模块相对应的减速器结构进行检查，根据检查结果判断减速器是否失效；同时提供上述方法所用的测试装置，该装置包括底座、伺服电机、惯量盘、减速器、温度传感器、噪声传感器和输出端角度传感器，通过上述结构的配合使用，实现具有失效预警的减速器寿命测试。本发明提供的测试方法和装置能有效解决现有试验方法无法确定减速器出现早期失效的时间以及无法及时检测减速器失效时的性能变化的问题。

Description

一种具有失效预警的减速器寿命测试方法及其装置

技术领域

本发明涉及减速器寿命测试技术领域，具体涉及一种具有失效预警的减速器寿命测试方法及其装置。

背景技术

精密减速器在机器人中起核心作用，是机器人的关键部件，具有承载能力强、传动比大、运动精度高、传动平稳等优点。近年来，虽然机器人减速器的研究已经取得诸多进展，但机器人减速器仍然受传动精度和寿命问题的限制，是制约机器人产业发展的关键因素。因此对减速器疲劳寿命的研究至关重要。减速器进行寿命试验时，一般是在寿命试验台上进行试验，然后每隔一定时间将减速器拆下，检测减速器的传动性能，判断其是否失效。但是这样无法确定减速器出现早期失效的时间，无法及时检测减速器失效时的性能变化，同时也难以找出减速器设计时的薄弱之处。因此，亟需设计一种新的技术方案，以综合解决该问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有失效预警的减速器寿命测试方法，能有效解决现有试验方法无法确定减速器出现早期失效的时间，无法及时检测减速器失效时的性能变化以及难以找出减速器设计时的薄弱之处的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种具有失效预警的减速器寿命测试方法，该方法包括对输入扭矩预警模块、噪声预警模块、温度预警模块以及传动误差预警模块参数的监控和阈值的设置，当监测到参数变化值超过阈值时，相应的预警模块发出预警，工作人员对发出预警的模块相对应的减速器结构进行检查，根据检查结果判断减速器是否失效；

输入扭矩预警模块，监测减速器的输入扭矩，若输入扭矩曲线出现突变和/或减速器效率降低超过阈值和/或输入扭矩曲线出现超过阈值的波动，则发出预警；

噪声预警模块，监测减速器的噪声，若噪声变化超出阈值，则检测润滑油中的铁粉浓度和理化性质；若润滑油中的铁粉浓度超标和/或理化性能退化超出阈值，则发出预警；

温度预警模块，监测减速器的温度，在减速器达到温度平衡后，若温度变化超过阈值，则发出预警；

传动误差预警模块，监测减速器的传动误差，若传动误差变化超过阈值，则发出预警。

其中，减速器效率的计算公式为

式中，η为减速器效率，T₁为实测输入扭矩，T₂为减速器输出转矩，i为减速器传动比。

其中，扭矩曲线波动阈值的计算公式为

式中，ε为扭矩波动，T₁为实测输入扭矩，

为根据加载曲线计算得到的理论输入扭矩。

其中，传动误差的计算公式为

式中，

为传动误差，

为输入端转角，i为减速器传动比，

为输出端转角。

同时公开了一种具有失效预警的减速器寿命测试装置，包括底座、伺服电机、惯量盘、减速器、温度传感器、噪声传感器和输出端角度传感器，所述底座上设有安装支架，所述减速器和伺服电机通过减速器安装法兰固定在安装支架上，且伺服电机的输出轴与减速器的输入端通过转接轴套相连；所述温度传感器设在减速器和减速器安装法兰上，分别检测减速器的油温以及减速器的外壳温度；所述噪声传感器设在安装支架上方，用于检测减速器运行噪声；输出端角度传感器安装于减速器的输出端和惯量盘之间。

优选地，测试装置还包括输入端扭矩传感器和输入端角度传感器，所述输入端扭矩传感器通过转接轴套与伺服电机输出轴连接、测量减速器输入扭矩，输入端角度传感器设在减速器输入端和输入端扭矩传感器之间、测量减速器输入端转角。

优选地，温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器安装于减速器安装法兰上，用于检测减速器的油温；第二温度传感器沿减速器外壳周向等距设置，用于检测减速器的外壳温度。

上述技术方案中提供的一种具有失效预警的减速器寿命测试方法，通过设置输入扭矩、噪声、温度以及传动误差的监测预警模块对相应的参数进行监测，当监测到变化值超过阈值时，相应的预警模块对发出预警，提醒工作人员对与预警对应的结构进行检查，即可快速判断减速器是否失效，确定减速器的结构设计是否薄弱；同时在进行寿命试验时，无需拆机即可检测减速器的性能，操作方便，检测精度高、效率快，有效解决了现有技术存在的无法确定减速器出现早期失效的时间，无法及时检测减速器失效时的性能变化以及难以判断减速器设计时的薄弱之处问题。

同时本发明提供的测试装置，结构简单，安装测试方便，能够适配不同型号被测减速器的使用，提高测试装置的应用灵活性。

附图说明

图1为本发明具有失效预警的减速器寿命测试方法的流程图；

图2为未带有输入端扭矩传感器和输入端角度传感器的测试装置结构示意图；

图3为带有输入端扭矩传感器和输入端角度传感器的测试装置结构示意图；

图中：1.底座；2.安装支架；3.伺服电机；4.转接轴套；5.减速器安装法兰；6.惯量盘；7.减速器；8.第一温度传感器；9.第二温度传感器；10.噪声传感器；11.输出端角度传感器；12.输入端扭矩传感器；13.输入端角度传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

实施例1

减速器进行寿命试验时首先设置减速器输出角速度的加载曲线，本实施例中将加载曲线设定为正弦曲线。测试时控制减速器输入角速度稳定运行，减速器输入角速度曲线可以近似视为光滑曲线，ω₁＝ω₂·i，式中，ω₁为减速器输入角速度曲线，ω₂为减速器输出角速度曲线，i为减速器传动比，由于i是确定值，所以ω₂是确定的光滑曲线。

减速器输出角加速度曲线α可由减速器输出角速度曲线ω₂求导得到，所以α也是确定的光滑曲线。转矩公式T₂＝J·α，式中，J为惯量盘转动惯量，α为减速器输出角加速度曲线，T₂为减速器输出转矩，J是一个确定值，α是光滑曲线，所以T₂是光滑曲线。

本实施例具有失效预警的减速器寿命测试方法如图1所示，具体为：

输入扭矩预警模块操作步骤为：

1)监测减速器的输入扭矩；

2)若输入扭矩值逐渐增大，计算减速器效率，若减速器效率降低超过设定的阈值和/或输入扭矩曲线中出现突变和/或输入扭矩曲线出现较大波动，波动值超过阈值，这三种情况出现任意一种，则发出预警；

具体地，若输入扭矩T₁逐渐增大，由减速器效率公式

可以得知此时减速器效率η降低，当效率降低超过效率阈值时，发出预警；若输入扭矩曲线中出现突变，发出预警，减速器内部可能出现划伤或缺口或存在异常阻碍；若输入扭矩曲线出现波动，且波动值超过扭矩波动阈值，发出预警，减速器精度可能出现衰退。

其中，扭矩波动阈值计算公式为

其中ε为扭矩波动，T₁为实测输入扭矩，

为根据加载曲线计算得到的理论输入扭矩。

其中，效率降低超过阈值指效率低于减速器效率指标的允许值，扭矩波动阈值为±5％。

3)若没有出现2)中任意一种情况，则返回1)，继续监测减速器的输入扭矩。

减速器噪声主要来源于内部零件之间的摩擦和碰撞，减速器稳定运行时，噪声升高超过阈值，说明减速器内部存在磨损或润滑油性能下降，检测润滑油理化性能和润滑油中铁粉浓度，若润滑油理化性能退化超过阈值，发出预警，润滑油失效；若润滑油中铁粉浓度超标，发出预警，减速器内部出现严重磨损；

本实施例的噪声阈值为5dB，铁粉浓度超标指铁粉浓度超过0.2％，润滑油理化性能退化超过阈值指润滑油氧化诱导期(180℃)低于20min。

则噪声预警模块的操作步骤为：

1)监测减速器的噪声；

2)若噪声逐渐增大，超过设定的阈值，则检测润滑油中的铁粉浓度和理化性质，否则返回1)，继续监测减速器的噪声；

3)若润滑油中的铁粉浓度超标，则发出预警，减速器可能失效；

4)若润滑油理化性能退化超过阈值，则发出预警，润滑油可能失效；

5)若润滑油中的铁粉浓度未超标和润滑油的理化性能退化未超过阈值，则返回1)，继续监测减速器的噪声。

温度预警模块操作步骤为：

1)监测减速器的温度，包括减速器的油温和减速器外壳的温度；

2)在减速器达到温度平衡后，若温度出现升高，超过设定的阈值，则发出预警；

3)否则返回1)，继续监测减速器的温度。

温度平衡是指减速器的温度波动不超过±2℃。本实施例的温度阈值为5℃。

传动误差预警模块操作步骤为：

1)监测减速器的传动误差；

2)若传动误差增大，超过设定的阈值，则发出预警；

3)否则，返回1)，继续监测减速器的传动误差。

本实施例中传动误差预警模块通过监测减速器输入端转角和输出端转角，从而监测传动误差，判断是否发出预警。根据输入端转角和输出端转角计算减速器的传动误差，计算公式为

其中，

为传动误差，

为输入端转角，i为减速器传动比，

为输出端转角。传动误差增大主要以下几个因素影响：齿轮受力时的变形增大，齿轮受力变形计算公式为

式中θ₁为齿轮受力时的变形量，T₂为输出扭矩，K为减速器扭转刚度，由公式可知，θ₁增大时，减速器扭转刚度K减小；齿轮磨损，齿轮之间间隙增大产生的输出转角误差，

式中，θ₂为齿轮间隙产生的输出转角误差，h_i为第i级传动的齿轮的间隙，r_i为第i级传动的齿轮的半径，i_i为第i级传动的传动比，当θ₂增大时，齿轮间隙h_i增大，齿轮磨损增加；此外，轴承的磨损等因素也会增大减速器的传动误差。因此，传动误差的变化可以反映减速器的性能变化，本实施例中传动误差阈值为减速器的传动误差指标的允许值。

实施例2

本实施例采取的技术方案如图2所示，一种具有失效预警的减速器寿命测试装置，包括底座1、安装支架2、伺服电机3、转接轴套4、减速器安装法兰5、惯量盘6、减速器7、第一温度传感器8、第二温度传感器9、噪声传感器10和输出端角度传感器11；其中安装支架2安装在底座1上方，减速器安装法兰5安装在安装支架2上，减速器安装法兰5上装有减速器7和伺服电机3，减速器安装法兰5与减速器7相匹配，可通过更换不同大小的减速器安装法兰5来适配不同型号的减速器7；伺服电机3输出轴和减速器7输入端通过转接轴套4连接；第一温度传感器8安装在减速器安装法兰5上，用于测量减速器7的油温；第二温度传感器9等距安装于减速器7外壳圆周方向上，用于检测减速器外壳的温度；噪声传感器10设置于安装支架2上方，用于测量减速器7运行时的噪声；减速器7的输出端和惯量盘6之间设有输出端角度传感器11，减速器7的输入端扭矩值可以通过伺服电机3的电压、电流计算得到，输入端转角可以通过伺服电机3的编码器直接测量得到。

如图3所示，也可以通过转接轴套4将输入端扭矩传感器12与伺服电机3的输出轴连接，测量减速器7的输入扭矩；并在减速器输入端和输入端扭矩传感器12之间安装输入端角度传感器13，测量减速器输入端转角。

上述两种测试装置均可以实现实施例1的测试方法，即可确定减速器出现早期失效的时间，及时检测减速器失效时的性能变化，同时还可以根据预警情况对减速器的结构进行检测，确定减速器设计时的薄弱之处，以便于对该结构作出相应的应对措施。

上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有失效预警的减速器寿命测试方法，其特征在于，该方法包括对输入扭矩预警模块、噪声预警模块、温度预警模块以及传动误差预警模块参数的监控和阈值的设置，当监测到参数变化值超过阈值时，相应的预警模块发出预警，工作人员对发出预警的模块相对应的减速器结构进行检查，根据检查结果判断减速器是否失效；

所述输入扭矩预警模块，监测减速器的输入扭矩，若输入扭矩曲线出现突变和/或减速器效率降低超过阈值和/或输入扭矩曲线出现超过阈值的波动，则发出预警；

所述噪声预警模块，监测减速器的噪声，若噪声变化超出阈值，则检测润滑油中的铁粉浓度和理化性质；若润滑油中的铁粉浓度超标和/或理化性能退化超出阈值，则发出预警；

所述温度预警模块，监测减速器的温度，在减速器达到温度平衡后，若温度变化超过阈值，则发出预警；

所述传动误差预警模块，监测减速器的传动误差，若传动误差变化超过阈值，则发出预警。

2.根据权利要求1所述的具有失效预警的减速器寿命测试方法，其特征在于：减速器效率的计算公式为

式中，η为减速器效率，T₁为实测输入扭矩，T₂为减速器输出转矩，i为减速器传动比。

3.根据权利要求1所述的具有失效预警的减速器寿命测试方法，其特征在于：扭矩曲线波动阈值的计算公式为

式中，ε为扭矩波动，T₁为实测输入扭矩，

为根据加载曲线计算得到的理论输入扭矩。

4.根据权利要求1所述的具有失效预警的减速器寿命测试方法，其特征在于，传动误差的计算公式为

式中，

为传动误差，

为输入端转角，i为减速器传动比，

为输出端转角。

5.一种具有失效预警的减速器寿命测试装置，其特征在于：包括底座、伺服电机、惯量盘、减速器、温度传感器、噪声传感器和输出端角度传感器，所述底座上设有安装支架，所述减速器和伺服电机通过减速器安装法兰固定在安装支架上，且伺服电机的输出轴与减速器的输入端通过转接轴套相连；

所述噪声传感器设在安装支架上方，用于检测减速器运行噪声；输出端角度传感器安装于减速器的输出端和惯量盘之间。

6.根据权利要求5所述的具有失效预警的减速器寿命测试装置，其特征在于：测试装置还包括输入端扭矩传感器和输入端角度传感器，所述输入端扭矩传感器通过转接轴套与伺服电机输出轴连接、测量减速器输入扭矩，输入端角度传感器设在减速器输入端和输入端扭矩传感器之间、测量减速器输入端转角。

7.根据权利要求5或6所述的具有失效预警的减速器寿命测试装置，其特征在于：温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器安装于减速器安装法兰上，用于检测减速器的油温；第二温度传感器沿减速器外壳周向等距设置，用于检测减速器的外壳温度。

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