CN113733158B - 一种机械臂减速器性能测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种机械臂减速器性能测试方法及系统，涉及机器人检测领域；针对目前机械臂减速器测试多为拆卸后单独进行导致参数无法满足需求的问题，以减速器安装于机械臂上的运行状态为基础，控制每个目标关节处对应的负载并进行负载调节，获取减速器在此工况下的工作参数，贴合减速器实际使用时工作状态，满足减速器性能测试和评价的需求，基于目标关节不同负载时的独立动作，分别获取目标关节在不同负载下对应电机和减速器的运行参数，进而得到目标关节减速器疲劳时间；基于多个目标关节同时动作，分别获取在不同负载下，每个目标关节对应电机和减速器的运行参数，进而得到每个目标关节处减速器与对应手臂的共振参数。

Description

一种机械臂减速器性能测试方法及系统

技术领域

本公开涉及机器人检测领域，具体涉及一种机械臂减速器性能测试方法及系统。

背景技术

机器人机械臂具有为高精度、多输入多输出、高度非线性、强耦合的特点，因其独特的操作灵活性，已在工业装配、安全防爆等领域得到广泛应用。控制器、驱动系统、减速器是机器人最核心的三大部件，尤其是在机器人的关节臂上，减速器的性能直接影响到机器人机械臂的动作精度。

目前的减速器测试过程多采用外部设备进行，将机械臂上的减速器拆卸后，安装于减速器测试平台，由伺服电机驱动减速器来进行减速器性能测试，在此过程中，对减速器配置各类传感器采集相应的运行参数，进而利用参数进行减速器性能的评价；但是，在减速器实际工作过程中，不仅受到单一关节处的影响，还受到同一机械臂其他关节位置的负载和运行状态的影响，将其拆卸后单独进行性能检测，难以模拟减速器在机械臂中实际工作的状态，性能参数获取不够全面，无法精确检测机械臂减速器的实际工作性能。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种机械臂减速器性能测试方法及系统，以减速器安装于机械臂上的运行状态为基础，控制每个目标关节处对应的负载并进行负载调节，获取减速器在此工况下的工作参数，贴合减速器实际使用时工作状态，提高所获取机械臂运行参数的精度，从而保证精确测试、评价减速器性能。

本公开的第一目的是提供一种机械臂减速器性能测试方法，包括以下步骤：

基于单个目标关节不同负载时的独立动作，分别获取目标关节在不同负载下对应电机和减速器的运行参数，进而得到目标关节减速器疲劳时间；

基于多个目标关节同时动作，分别获取在不同负载下，每个目标关节对应电机和减速器的运行参数，进而得到每个目标关节处减速器与对应手臂的共振参数；

依据目标关节减速器疲劳时间和共振参数，进行减速器性能评价。

进一步地，调整目标关节负载，使目标关节处于空载、标准负载或超载工况，并进行动作。

进一步地，所述目标关节的负载设置于每个目标关节的手臂上。

进一步地，所述电机的运行参数包括转矩和转角，所述减速器的运行参数包括转矩、转角、振动、噪声及温度。

进一步地，多个目标关节同时动作时，运行参数获取采用以下步骤：

调整一个目标关节负载依次递增，依次获取所有目标关节对应电机和减速器的运行参数；

更换目标关节，对每个目标关节重复上述过程获取电机和减速器的运行参数。

进一步地，多个目标关节同时动作时，运行参数获取采用以下步骤：

依次对每个目标关节增加负载，依次获取负载变化后所有目标关节对应电机和减速器的运行参数；

改变负载大小，重复上述过程获取电机和减速器的运行参数。

进一步地，调整目标关节处的减速器，使所有目标关节位置均采用相同型号，在运行参数获取完成后，调整目标关节位置处的减速器型号。

进一步地，基于目标关节处于同一负载时的多次独立动作，多次获取运行参数；基于多个目标关节在同一负载时的多次同时动作，多次获取运行参数。

进一步地，依据目标关节负载时测试获取的减速器疲劳时间和减速器理论疲劳时间，评价减速器疲劳性能。

本公开的第二目的是提供一种机械臂减速器性能测试系统，包括：

疲劳参数获取模块，被配置为：基于目标关节不同负载时的独立动作，分别获取目标关节在不同负载下对应电机和减速器的运行参数，进而得到目标关节减速器疲劳时间；

共振参数获取模块，被配置为：基于多个目标关节同时动作，分别获取在不同负载下，每个目标关节对应电机和减速器的运行参数，进而得到每个目标关节处减速器与对应手臂的共振参数；

评价模块，被配置为：依据目标关节减速器疲劳时间和共振参数，进行减速器性能评价。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前机械臂减速器测试多为拆卸后单独进行导致参数无法满足需求的问题，以减速器安装于机械臂上的运行状态为基础，控制每个目标关节处对应的负载并进行负载调节，获取减速器在此工况下的工作参数，贴合减速器实际使用时工作状态，满足减速器性能测试和评价的需求。

(2)通过对每个目标关节配置相应的可变负载，既能够模拟机械臂实际工作时各个关节的受力情况，又能够实现对单一目标关节的单独测试和获取性能参数，从而对单一目标关节内减速器所承受力矩进行更为精确计算。

(3)采用多个目标关节同时动作的方式，获取在不同负载下减速器与对应手臂的共振情况，模拟实际工作过程中，机械臂多个关节同时动作时内部减速器的运行状态，依据所获取的共振参数，评价减速器抵抗共振的性能。

(4)对目标关节配置可变负载，结合单关节、多关节动作，测试单个减速器的性能，并能够获取某个减速器非正常运行时对其他关节位置减速器的干扰情况，模拟实际工作时单一减速器受损时的工况。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开一个或多个实施例中机械臂目标关节结构的示意图；

图2为本公开一个或多个实施例中目标关节的外观示意图；

图3为本公开一个或多个实施例中目标关节施加负载的示意图；

图4为本公开一个或多个实施例中目标关节受力的示意图。

图中：101可拆卸外壳，102伺服电机，103减速器输入端扭矩传感器，104减速器输入端角度编码器，105减速器，106减速器输出端扭矩传感器，107减速器输出端角度编码器，108振动传感器，109噪声传感器，110温度传感器，111减速器输出端预留孔，112接线预留孔，113电机端凸起圆柱，201关节前挂钩。

具体实施方式

实施例1

本公开的一个典型实施例中，如图1-图4所示，给出一种机械臂减速器性能测试方法。

针对目前机械臂减速器测试多为拆卸后单独进行导致参数无法满足需求的问题，提供一种机械臂减速器性能测试方法，将减速器直接在机械臂上进行测试，以减速器安装于机械臂上的运行状态为基础，控制每个目标关节处对应的负载并进行负载调节，获取减速器在此工况下的工作参数，贴合减速器实际使用时工作状态，满足减速器性能测试和评价的需求。

所述机械臂减速器性能测试方法包括以下步骤：

基于单个目标关节不同负载时的独立动作，分别获取目标关节在不同负载下对应电机和减速器的运行参数，进而得到目标关节减速器疲劳时间；

基于多个目标关节同时动作，分别获取在不同负载下，每个目标关节对应电机和减速器的运行参数，进而得到每个目标关节处减速器与对应手臂的共振参数；

依据目标关节减速器疲劳时间和共振参数，进行减速器性能评价。

具体的，在负载计算过程中忽略机械臂重量对目标关节的力矩影响，所述的目标关节为待测试的机械臂关节，每个目标关节位置的减速器、电机均配置相应的参数获取元件，采集减速器输入转速、减速器输入扭矩、减速器输出转速和减速器输出扭矩，并采集减速器运行过程中的噪声、振动、温度等参数；电机输出的转矩和转角与减速器的输入端保持一致。

其测试方法具体包括以下步骤：

S1让机械臂中的一个目标关节完成某个动作，即操作一个机械臂目标关节运行，检测该目标关节中电机的转矩和转角以及减速器的转矩和转角，并获取减速器振动、噪声以及温升变化；

S2调整目标关节负载，使目标关节处于空载、标准负载或超载工况，并进行动作，在本实施例中，对单一目标关节进行标准负载、超载50％、超载100％的负载施加，测试该目标关节中电机的转矩和转角以及减速器的转矩和转角，并获取减速器振动，噪声以及温升变化；

S3利用等效方法来测试单关节中减速器的疲劳测试时间：

其中，惯量负载构件的平均转速n_m，T_m是施加给减速器的平均负载转矩，t₀是减速器的额定寿命，n₀是减速器的额定转速，T₀是额定扭矩，e为寿命指数，不同部件其寿命指数不同。检测在载重的情况下，其疲劳时间和理论计算数值是否一致，评价减速器的疲劳性能。

进一步地，对机械臂的多个目标关节对同时运行，再次执行上述S1-S3的测试过程，检测在多个目标关节同时运行的状态下，是否会产生共振，依次评价减速器的抗共振性能。

对于多个目标同时动作时的负载调整，在本实施例中，采用如下两种方式：

多个目标关节同时动作时，运行参数获取采用以下步骤：

调整一个目标关节负载依次递增，依次获取所有目标关节对应电机和减速器的运行参数；

更换目标关节，对每个目标关节重复上述过程获取电机和减速器的运行参数。

或，多个目标关节同时动作时，运行参数获取采用以下步骤：

依次对每个目标关节增加负载，依次获取负载变化后所有目标关节对应电机和减速器的运行参数；

改变负载大小，重复上述过程获取电机和减速器的运行参数。

为了提高数据的准确性，进行多次性能测试，基于目标关节处于同一负载时的多次独立动作，多次获取运行参数；基于多个目标关节在同一负载时的多次同时动作，多次获取运行参数。

可以对于上述步骤中的每一动作进行多次操作，对于测得的数据取平均值以减小误差。优选的，对于采集的数据中丢弃其中的最大值和最小值。

也可以对减速器型号进行调节，调整目标关节处的减速器，使所有目标关节位置均采用相同型号；由于实际运行时，不同关节位置的负载不同，在运行参数获取完成后，调整目标关节位置处的减速器型号。

在本实施例中，采用集成化目标关节进行性能测试，如图1所示，目标关节包括101可拆卸外壳、102伺服电机、103减速器输入端扭矩传感器、104减速器输入端角度编码器、105减速器、106减速器输出端扭矩传感器、107减速器输出端角度编码器、108振动传感器、109噪声传感器和110温度传感器；其中，101可拆卸外壳上设有111减速器输出端预留孔、112接线预留孔、113电机端凸起圆柱。

如图3、图4所示，在目标关节手臂上进行挂载，手臂上设有关节前挂钩201，N₁为前端关节，N₂为后端关节，M₁为前端载物质量，M₂为后端载物质量，L₁为前端机械臂臂长，L₂为后端机械臂臂长，M₁为关节N₁载物质量，M₂为关节N₂载物质量，θ₁为前端为长为L₁的机械臂与地平面的夹角，θ₂为后端长为L₂的机械臂与地平面的夹角。

所述目标关节的负载设置于每个目标关节的手臂上，在本实施例中，如图1、图2所示，以两个目标关节的机械臂为例，对每个目标关节的前端设置一个挂钩，用来挂装负载。

其中负载对于关节的力矩计算为：

其中F为受力力矩，M为负载质量，g为重力加速度，L为机械臂臂长，θ为机械臂与水平面的夹角。

对于最前端的关节N₁负载，只需要计算其负载重量M₁g与臂长L₁以及角度θ₁即可计算出受力力矩F₁,即：

对于后面的关节N₂，需要考虑前一关节的受力力矩F₁和本关节负载重量M₂g，臂长L₂以及旋转角度θ₂等因素来计算受力力矩F₂，即：

通过采用该测试方法和每个机械臂前端进行单个挂钩载重相结合的方法，当关节N₁和N₂采用同种减速器时，对于N₂处的受力明显比N₁处关节的受力大，此时N₂处减速器承受的负载也大，此时可对N₁处载物逐渐加重，显然N₂处的减速器首先会运行出问题，可以测试该减速器的载重极限及其在逐渐加载过程中的性能表现，避免了N₂处减速器性能不佳对N₁处性能状况的干扰。

另外，当关节N₁和N₂采用不同减速器时，N₂处应选用性能更优的减速器，对N₁关节负载逐渐加重，则能够检测N₁处减速器在加载过程中的性能状况。当达到极限后对N₂处继续加载或者去除N₁处的载重重新在N₂处加载，检测N₂处的性能，避免了只能在N₁处加载时，N₁处减速器性能不佳从而干扰N₂处减速器的性能表现情况。

实施例2

本公开的另一个实施例中，如图1-图4所示，给出一种机械臂减速器性能测试系统。

包括：

疲劳参数获取模块，被配置为：基于目标关节不同负载时的独立动作，分别获取目标关节在不同负载下对应电机和减速器的运行参数，进而得到目标关节减速器疲劳时间；

共振参数获取模块，被配置为：基于多个目标关节同时动作，分别获取在不同负载下，每个目标关节对应电机和减速器的运行参数，进而得到每个目标关节处减速器与对应手臂的共振参数；

评价模块，被配置为：依据目标关节减速器疲劳时间和共振参数，进行减速器性能评价。

可以理解的是，所述机械臂减速器性能测试系统的工作方法与实施例1提供的机械臂减速器性能测试方法相同，可以参见上述实施例1中的详细描述，这里不再赘述。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械臂减速器性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于单个目标关节不同负载时的独立动作，分别获取目标关节在不同负载下对应电机和减速器的运行参数，进而得到目标关节减速器疲劳时间；

基于多个目标关节同时动作，分别获取在不同负载下，每个目标关节对应电机和减速器的运行参数，进而得到每个目标关节处减速器与对应手臂的共振参数；

依据目标关节减速器疲劳时间和共振参数，进行减速器性能评价。

2.如权利要求1所述的机械臂减速器性能测试方法，其特征在于，调整目标关节负载，使目标关节处于空载、标准负载或超载工况，并进行动作。

3.如权利要求1所述的机械臂减速器性能测试方法，其特征在于，所述目标关节的负载设置于每个目标关节的手臂上。

4.如权利要求1所述的机械臂减速器性能测试方法，其特征在于，所述电机的运行参数包括转矩和转角，所述减速器的运行参数包括转矩、转角、振动、噪声及温度。

5.如权利要求1所述的机械臂减速器性能测试方法，其特征在于，多个目标关节同时动作时，运行参数获取采用以下步骤：

调整一个目标关节负载依次递增，依次获取所有目标关节对应电机和减速器的运行参数；

更换目标关节，对每个目标关节重复上述过程获取电机和减速器的运行参数。

6.如权利要求1所述的机械臂减速器性能测试方法，其特征在于，多个目标关节同时动作时，运行参数获取采用以下步骤：

依次对每个目标关节增加负载，依次获取负载变化后所有目标关节对应电机和减速器的运行参数；

改变负载大小，重复上述过程获取电机和减速器的运行参数。

7.如权利要求1所述的机械臂减速器性能测试方法，其特征在于，调整目标关节处的减速器，使所有目标关节位置均采用相同型号，在运行参数获取完成后，调整目标关节位置处的减速器型号。

8.如权利要求1所述的机械臂减速器性能测试方法，其特征在于，基于目标关节处于同一负载时的多次独立动作，多次获取运行参数；

基于多个目标关节在同一负载时的多次同时动作，多次获取运行参数。

9.如权利要求1所述的机械臂减速器性能测试方法，其特征在于，依据目标关节负载时测试获取的减速器疲劳时间和减速器理论疲劳时间，评价减速器疲劳性能。

10.一种机械臂减速器性能测试系统，其特征在于，包括：

疲劳参数获取模块，被配置为：基于目标关节不同负载时的独立动作，分别获取目标关节在不同负载下对应电机和减速器的运行参数，进而得到目标关节减速器疲劳时间；

共振参数获取模块，被配置为：基于多个目标关节同时动作，分别获取在不同负载下，每个目标关节对应电机和减速器的运行参数，进而得到每个目标关节处减速器与对应手臂的共振参数；

评价模块，被配置为：依据目标关节减速器疲劳时间和共振参数，进行减速器性能评价。

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