CN113865861B - 高精度机器人关节减速器综合性能试验装置及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高精度机器人关节减速器综合性能试验装置及其装配方法，主要包括伺服电机、输入端扭矩传感器、输入主轴、输出主轴、输出端扭矩传感器、磁粉制动器；伺服电机的输出端、输入端扭矩传感器、输入主轴、被测减速器输入齿轮轴顺次连接；被测减速器的输出端、输出主轴、输出端扭矩传感器、磁粉制动器顺次连接；输入主轴包括输入主轴主体及一体成型的输入端光栅固定盘，输入端光栅固定盘上安装有输入端圆光栅；输出主轴包括输出主轴主体及一体成型的输出端光栅固定盘，输出端光栅固定盘上安装有输出端圆光栅。本发明可在一台装置上实现多项性能参数的测试，可大幅提高测试效率；且还具有不大于0.02mm的高同轴度，有利于进一步提高测试精度。

Description

高精度机器人关节减速器综合性能试验装置及其装配方法

技术领域

本发明涉及变速器测试技术领域，具体涉及高精度机器人关节减速器综合性能试验装置及其装配方法。

背景技术

机器人关节减速器在工业机器人中占据核心地位，其传动性能优劣直接影响整机的传动效率和工作寿命。相比单纯的摆线针轮行星传动，机器人关节减速器具有结构紧凑、使用寿命长、传动性能稳定等特点，已经广泛应用于机械重工、汽车制造、电子电气、物流搬运等行业。目前，工业机器人关节减速器主要采用谐波减速器和RV减速器，这两种减速器长期依赖进口，价格约为国产减速器的两倍，严重制约着我国工业机器人的转型升级及产业化。因此建立减速器高精度与高可靠性技术体系，对解决我国机器人关节减速器产业空心化具有重要意义。而机器人关节减速器的性能试验装置为减速器技术体系的重要一环。

国内现阶段广泛研制的减速器性能试验装置大多只可进行单一性能参数的测量，若测试多项性能参数，则需在多不同装置上反复装夹，费时费力，效率不高。而且反复装夹的过程还会对同轴度产生消极影响，影响测试精度。

发明内容

本发明的目的是提供高精度机器人关节减速器综合性能试验装置及其装配方法，该综合性能试验装置可实现减速器多项性能参数的自动化测试，易保证输入轴与输出轴的高同轴度，高同轴度更易于改善测试精度。

本发明提供的高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，包括基座，在基座上沿输入端到输出端的方向依次安装有电机支架、长U型架、磁粉制动器支架，在长U型架的底座上安装有短U型架；电机支架和磁粉制动器支架上分别安装有伺服电机和磁粉制动器，长U型架的近输入端和近输出端分别安装有输入端扭矩传感器和输出端扭矩传感器；

短U型架的近输入端上安装有圆筒，圆筒内安装有双列滚动轴承，圆筒两端分别安装有用来对双列滚动轴承进行固定和密封的两轴承端盖；一输入主轴贯穿双列滚动轴承和两轴承端盖；短U型架的近输出端内侧用来安装被测减速器，被测减速器的输出轴与一输出主轴连接；

所述输入主轴包括输入主轴主体及输入主轴主体上一体成型的输入端光栅固定盘，输入端光栅固定盘位于圆筒近输入端外侧，输入端光栅固定盘上安装有输入端圆光栅；所述输出主轴包括输出主轴主体及输出主轴主体上一体成型的输出端光栅固定盘，输出端光栅固定盘位于短U型架近输出端的外侧，输出端光栅固定盘上安装有输出端圆光栅；短U型架的近输入端和近输出端上分别安装有与输入端圆光栅连接的输入端读数头和与输出端圆光栅连接的输出端读数头；

其中，伺服电机的输出轴、输入端扭矩传感器、输入主轴、被测减速器输入齿轮轴顺次连接，被测减速器的输出端、输出主轴、输出端扭矩传感器、磁粉制动器顺次连接；伺服电机将动机传递至被测减速器输入齿轮轴，又经被测减速器的输出端传递到输出主轴。

在一些实施例中，基座设计为T型槽平板，电机支架、长U型架、磁粉制动器支架通过T形槽螺栓安装于基座上，在T形槽螺栓松动的情况下，电机支架、长U型架、磁粉制动器支架可沿T型槽方向在基座上移动。

在一些实施例中，双列滚动轴承的外圈与所述圆筒的内壁采用基轴制配合，且，所述双列滚动轴承的内圈与所述输入主轴主体采用基孔制配合。

在一些实施例中，伺服电机的输出轴、输入端扭矩传感器、输入主轴、被测减速器输入齿轮轴顺次连接，具体为：

伺服电机的输出轴通过第一弹性联轴器连接输入端扭矩传感器一端，输入端扭矩传感器另一端通过第二弹性联轴器连接输入主轴一端，输入主轴另一端再通过刚性联轴器连接被测减速器输入齿轮轴。

在一些实施例中，被测减速器的输出端、输出主轴、输出端扭矩传感器、磁粉制动器顺次连接，具体为：

输出主轴一端通过固定连接件与被测减速器的输出端连接，输出主轴另一端通过膜片联轴器连接输出端扭矩传感器一端，输出端扭矩传感器另一端通过第三弹性联轴器连接磁粉制动器。

在一些实施例中，输入端读数头和所述输出端读数头分别通过调整垫块安装于短U型架的近输入端和近输出端的外侧，所述调整垫块带直槽口，通过固定件将调整垫块固定于短U型架上；当固定件未拧紧时，可上下移动调整垫块。

在一些实施例中，输出主轴与被测减速器的输出端连接的一端与短U型架保持间隙。

在一些实施例中，输入主轴主体为阶梯状。

上述高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，还包括外部的测控系统，测控系统进一步包括工控机﹑数据采集卡、程控电源和伺服驱动器；所述数据采集卡用来采集输入端扭矩传感器和输出端扭矩传感器的采集数据，并传输给工控机；所述程控电源用来接收工控机指令，用来控制磁粉制动器的启停；所述伺服驱动器用来接收工控机指令，用来驱动伺服电机启停；所述输入端读数头和输出端读数头通过DSI接口连接工控机，向工控机传输输入端圆光栅和输出端圆光栅采集的转角数据。

本发明提供的上述高精度机器人关节减速器综合性能试验装置的装配方法为：

使用前，需装配双列滚动轴承和输入主轴，装配过程为：

(1)将双列滚动轴承装配到圆筒内；

(2)将一轴承端盖固定于圆筒的近输入端；

(3)将输入主轴从已固定的轴承端盖的通孔插入并穿过双列滚动轴承，利用输入主轴的轴肩定位双列滚动轴承；

(4)将另一轴承端盖固定于圆筒的近输出端，两端的轴承端盖即对双列滚动轴承在轴向固定。

本发明具有如下特点和有益效果：

(1)减少结构复杂度，便于生产和安装。

(2)在一台试验装置上实现了机器人关节减速器多项性能参数的自动化测试，可大幅提高测试效率。

(3)具有不大于0.02mm的高同轴度，有利于进一步提高测试精度。

附图说明

图1为具体实施方式中综合性能试验装置的立体图；

图2为图1中综合性能试验装置的主视图；

图3为具体实施方式中短U型架装夹部分剖面示意图；

图4为具体实施方式中短U型架装夹部分的三维爆炸图；

图5为具体实施方式中可上下移动调节的读数头示意图；

图6为具体实施方式中综合性能试验装置的测控系统结构图。

图中，1-伺服电机；2-第一弹性联轴器；3-输入端扭矩传感器；4-第二弹性联轴器；5a-输入端圆光栅；5b-输出端圆光栅；6a-输入端读数头；6b-输出端读数头；7-输入主轴；7a-输入主轴主体；7b-输入端光栅固定盘；8-刚性联轴器；9-被测减速器；10-输出主轴；10a-输出主轴主体；10b-输出端光栅固定盘；11-膜片联轴器；12-输出端扭矩传感器；13-第三弹性联轴器；14-磁粉制动器；15-基座；15a-T形槽；16-电机支架；17-短U型架；17a-圆筒；18-长U型架；19-磁粉制动器支架；20a、20b-轴承端盖；21-双列滚动轴承；22-被测减速器输入齿轮轴；23-调整垫块；23a-直槽口；24a、24b-内六角圆柱头螺钉。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。

参见图1-2，所示为具体实施方式中综合性能试验装置的整体结构。该综合性能试验装置有一基座15，基座15起到承载作用。基座15上沿输入端到输出端的方向依次安装有电机支架16、长U型架18、磁粉制动器支架19，长U型架18底座上安装有短U型架17。为便于装配调试，电机支架16、长U型架18、磁粉制动器支架19均可在一维方向移动。本具体实施方式中，基座15设计为T型槽平板，电机支架16、长U型架18、磁粉制动器支架19通过T形槽螺栓安装于基座15上，短U型架17通过六角头螺钉安装于长U型架18的底座上；在T形槽螺栓松动的情况下，电机支架16、长U型架18、磁粉制动器支架19可沿T型槽15a方向在基座15上移动。

伺服电机1安装于电机支架16上，磁粉制动器14安装于磁粉制动器支架19上。在长U型架18的近输入端安装输入端扭矩传感器3，长U型架18的近输出端安装输出端扭矩传感器12。本具体实施方式中，输入端扭矩传感器3和输出端扭矩传感器12均通过全螺纹六角头螺钉固定于长U型架18的两端。

参见图3-4，短U型架17的近输入端安装一圆筒17a，圆筒17a内安装双列滚动轴承21，双列滚动轴承21外圈固定于圆筒17a的内筒壁。圆筒17a两侧分别设一组螺纹孔，两轴承端盖20a、20b通过螺纹孔分别固定于圆筒17a两端，以对双列滚动轴承21进行固定和密封。短U型架17的近输出端内侧设一组螺纹孔，被测减速器9通过一组与螺纹孔匹配的六角头螺钉固定于短U型架17的近输出端内侧。输入端圆光栅5a及与其匹配的输入端读数头6a均设于短U型架17的近输入端，输出端圆光栅5b及与其匹配的输出端读数头6b均设于短U型架17的近输出端。输入端读数头6a与输入端圆光栅5a信号连接，用来读取输入端圆光栅5a采集的角度数值；同样的，输出端读数头6b与输出端圆光栅5b信号连接，用来读取输出端圆光栅5b采集的转角数值。

输入主轴7穿过双列滚动轴承21的内圈套以及内外两轴承端盖20a、20b上通孔，轴承端盖20a、20b上通孔与输入主轴7匹配。双列滚动轴承21内圈与输入主轴7采用基孔制配合，双列滚动轴承21外圈与圆筒17a内壁采用基轴制配合，输入主轴7通过双列滚动轴承21支承运转，可提高试验装置刚度。输入主轴7包括输入主轴主体7a及输入主轴主体7a上一体成型的输入端光栅固定盘7b，输入端光栅固定盘7b位于圆筒17a近输入端外侧，输入端圆光栅5a通过内六角圆柱头螺钉安装于输入端光栅固定盘7b上，输入端读数头6a安装于圆筒17a外壁。输出主轴10包括输出主轴主体10a及输出主轴主体10a上一体成型的输出端光栅固定盘10b，输出端光栅固定盘10b位于短U型架17近输出端的外侧，输出端圆光栅5b通过内六角圆柱头螺钉安装于输出端光栅固定盘10b上，输出端读数头6b安装于短U型架17近输出端上。

输出主轴10的一端通过固定连接件与被测减速器9的行星架连接，行星架为被测减速器9的输出部件，其可向输出主轴10传递运动与力。本具体实施方式中，固定连接件采用螺钉，输出主轴10的一端通过全螺纹六角头螺钉与被测减速器9的行星架上对应的螺纹孔连接。作为优选，输出主轴10应与短U型架17保持一定间隙避免直接接触，以避免因产生摩擦力影响到测试精度。

考虑到双列滚动轴承21、所采用刚性联轴器8的尺寸以及输入主轴主体7a对双列滚动轴承21的轴肩定位，本具体实施方式中将输入主轴主体7a设计为阶梯状。

作为优选，输入端读数头6a和输出端读数头6b分别通过一调整垫块安装于短U型架17的近输入端和近输出端的外侧，调整垫块可上下移动，通过对调整垫块上下调整，可避免重复调整读数头位置，对读书头精度产生影响。图5所示为输入端读数头6a以及匹配的调整垫块23，下面将以输入端读数头6a为例进行说明，输出端读数头6b的同理。调整垫块23上设直槽口23a，输入端读数头6a通过内六角圆柱头螺钉24a固定于调整垫块23上，调整垫块23通过内六角圆柱头螺钉24b固定于短U型架17上，该内六角圆柱头螺钉24b穿过调整垫块23的直槽口23a，来固定调整垫块23，拧紧内六角圆柱头螺钉24b，则实现调整垫块23的固定；未拧紧时，通过直槽口23a则可实现调整垫块23的上下移动。

伺服电机1的输出轴通过第一弹性联轴器2连接输入端扭矩传感器3的一端，输入端扭矩传感器3另一端通过第二弹性联轴器4连接输入主轴7的一端。输入主轴7另一端通过刚性联轴器8与被测减速器输入齿轮轴22相连，被测减速器输入齿轮轴22与被测减速器9啮合传递运动与力。被测减速器9的输出端连接输出主轴10，输出主轴10通过膜片联轴器11与输出端扭矩传感器12连接，输出端扭矩传感器12通过第三弹性联轴器13连接磁粉制动器14。

本发明使用前，需装配双列滚动轴承21，本具体实施方式中的装配方法为：

(1)采用基轴制配合方式将双列滚动轴承21装配到圆筒17a内；

(2)采用六角头螺钉将轴承端盖20a固定于圆筒17a的近输入端；

(3)将输入主轴7从轴承端盖20a的通孔穿入，采用基孔制配合方式将输入主轴7装配到双列滚动轴承21内，调整输入主轴7位置，利用输入主轴7的轴肩定位双列滚动轴承21；

(4)将轴承端盖20b穿过输入主轴7，并采用六角头螺钉固定于圆筒17a的近输出端，两端的轴承端盖20a、20b与双列滚动轴承21外圈接触，完成对双列滚动轴承21的轴向定位。

上述所述为本发明综合性能试验装置的机械结构，除此外，本发明还包括测控系统，测控系统主要包括工控机﹑数据采集卡、程控电源和伺服驱动器，数据采集卡、程控电源、伺服驱动器均连接工控机，输入端读数头6a和输出端读数头6b通过DSI接口连接工控机；数据采集卡用来采集输入端扭矩传感器3和输出端扭矩传感器12的采集数据，并传输给工控机；程控电源接收工控机指令，用来控制磁粉制动器14的启停；伺服驱动器接收工控机指令，用来驱动伺服电机1的启停。

本发明综合性能试验装置能实现机器人关节减速器传动性能关键参数的一体化测试，至少可测试传动误差、传动效率、实时空程回差和扭转刚度等性能参数，还可在安装有双列滚动轴承的短U型架的三个互相垂直方向上分别安装振动信号传感器，通过采集双列滚动轴承的振动信号，实时分析时域频域信号变化，来实现机器人关节减速器的故障实时监测。

下面将对各性能参数的测试原理分别说明。

(1)传动误差

传动误差测量包括静态传动误差测量法和动态传动误差测量法，静态传动误差测量法获得的静态测量结果不连续，耗时长，相比较而言，动态传动误差是减速器在低速连续旋转下相对稳定后连续采集的角位移数据，其具有精度高、稳定性良好和实时反馈的优点，为了得到减速器实际运转中传动精度一般选择动态传动误差测量法。

动态传动误差测量法应在保证试验装置同轴度不高于0.02mm的前提下使用，通过工控机控制伺服驱动器，来驱动伺服电机1，由伺服电机1通过输入主轴7，将动力传递到带动被测减速器9，又传递到输出主轴10。同时，输入端圆光栅5a、输出端圆光栅5b的转角分别经输入端读数头6a、输出端读数头6b读取后，传递到工控机，工控机基于接收的转角数据计算被测减速器9的传动误差。

采用本发明综合性能试验装置的具体测试方法为：

测试前，安装被测减速器9并空载跑合30min；通过工控机控制伺服驱动器，控制输入主轴7每次转过角度θ×i，i为被测减速器的传动比，那么输出主轴10的理论转过角度应为θ，即理论输出转角应为θ。通过读数头测得输出主轴10每次的实际输出转角，实际输出转角与理论输出转角之差即传动误差。

(2)实时空程回差

实时空程回差的定义为：被测减速器9的输入轴旋向改变时，输出轴转角与理论值的滞后量。通过滞回曲线可反映空程回差，滞回曲线是：在被测减速器9的输出端固定的前提下，对被测减速器9进行正向加载到额定扭矩，之后缓慢卸载至零，随后又反向加载到额定扭矩，再缓慢卸载至零，得到输入轴与输出轴之间角度差关于扭矩的曲线。

采用本发明综合性能试验装置的具体测试方法为：

测试前，安装被测减速器9并空载30min磨合；通过程控电源控制励磁电流，使得磁粉制动器14对被测减速器9加载扭矩，加载至被测减速器9额定转矩的3％；通过工控机发出指令，控制伺服电机驱动被测减速器9正向运行两圈后再反向运行；通过读数头测得输入主轴和输出主轴的转角变化，通过DSI卡反馈到工控机计算减速器回差的大小。

(3)扭转刚度

采用本发明综合性能试验装置的具体测试方法为：

工控机控制伺服驱动器，控制伺服电机1保持静止状态；通过调节程控电源改变励磁电流大小，控制磁粉制动器14从零逐渐向被测减速器9输出端施加负载转矩到一定值，再逐渐减为零；通过输出端圆光栅5b测转角数值，通过输出端扭矩传感器12测转矩数值，输出端扭矩传感器12测得的转矩数值与输出端圆光栅5b测得的转角数值的比值，即被测减速器9的扭转刚度。

(4)实时故障检测

在短U型架17近输入端的圆筒17a内壁的三个彼此垂直的方向上安装三个接触式振动信号传感器，接触式振动信号传感器可实时监测双列滚动轴承22的振动信号。工控机对振动数据进行时域处理，可直观显现出被测减速器9的机械状态，从而判断是否存在故障。

本发明设计了短U型架和长U型架，有利于保证一体化的高同轴度加工，可提高输入主轴和输出主轴的同轴度；同时，还可减少支架数量，从而减少装置的结构复杂度，便于生产和安装，节约成本；将输出端光栅固定盘与输出主轴一体化，将输入端光栅固定盘与输入主轴一体化，可避免再次安装输出端光栅固定盘、输入端光栅固定盘产生的安装定位误差，可消除对同轴度产生的不利影响；利用双列滚动轴承支承大大增加了试验装置的刚度；

在具体实施方式中，基座设计为T形槽平板，便于支架的固定和一维水平移动；在输入主轴与被测减速器输入齿轮轴间采用刚性联轴器，可保证输入主轴与被测减速器输入齿轮轴转角完全相同，且严格对中平稳运行；其余连接采用弹性联轴器，用来补偿所连接两轴间的轴向、径向和角向偏移；读数头通过带直槽口的调整垫块固定，便于上下移动调节。

以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，包括基座，其特征是：

在基座上沿输入端到输出端的方向依次安装有电机支架、长U型架、磁粉制动器支架，在长U型架的底座上安装有短U型架；电机支架和磁粉制动器支架上分别安装有伺服电机和磁粉制动器，长U型架的近输入端和近输出端分别安装有输入端扭矩传感器和输出端扭矩传感器；

短U型架的近输入端上安装有圆筒，圆筒内安装有双列滚动轴承，圆筒两端分别安装有用来对双列滚动轴承进行固定和密封的两轴承端盖；一输入主轴贯穿双列滚动轴承和两轴承端盖；短U型架的近输出端内侧用来安装被测减速器，被测减速器的输出轴与一输出主轴连接；

所述输入主轴包括输入主轴主体及输入主轴主体上一体成型的输入端光栅固定盘，输入端光栅固定盘位于圆筒近输入端外侧，输入端光栅固定盘上安装有输入端圆光栅；所述输出主轴包括输出主轴主体及输出主轴主体上一体成型的输出端光栅固定盘，输出端光栅固定盘位于短U型架近输出端的外侧，输出端光栅固定盘上安装有输出端圆光栅；短U型架的近输入端和近输出端上分别安装有与输入端圆光栅连接的输入端读数头和与输出端圆光栅连接的输出端读数头；

其中，伺服电机的输出轴、输入端扭矩传感器、输入主轴、被测减速器输入齿轮轴顺次连接，被测减速器的输出端、输出主轴、输出端扭矩传感器、磁粉制动器顺次连接；伺服电机将动机传递至被测减速器输入齿轮轴，又经被测减速器的输出端传递到输出主轴。

2.如权利要求1所述的高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，其特征是：

所述基座设计为T型槽平板，电机支架、长U型架、磁粉制动器支架通过T形槽螺栓安装于基座上，在T形槽螺栓松动的情况下，电机支架、长U型架、磁粉制动器支架可沿T型槽方向在基座上移动。

3.如权利要求1所述的高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，其特征是：

所述双列滚动轴承的外圈与所述圆筒的内壁采用基轴制配合，且，所述双列滚动轴承的内圈与所述输入主轴主体采用基孔制配合。

4.如权利要求1所述的高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，其特征是：

所述伺服电机的输出轴、输入端扭矩传感器、输入主轴、被测减速器输入齿轮轴顺次连接，具体为：

伺服电机的输出轴通过第一弹性联轴器连接输入端扭矩传感器一端，输入端扭矩传感器另一端通过第二弹性联轴器连接输入主轴一端，输入主轴另一端再通过刚性联轴器连接被测减速器输入齿轮轴。

5.如权利要求1所述的高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，其特征是：

所述被测减速器的输出端、输出主轴、输出端扭矩传感器、磁粉制动器顺次连接，具体为：

输出主轴一端通过固定连接件与被测减速器的输出端连接，输出主轴另一端通过膜片联轴器连接输出端扭矩传感器一端，输出端扭矩传感器另一端通过第三弹性联轴器连接磁粉制动器。

6.如权利要求1所述的高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，其特征是：

所述输入端读数头和所述输出端读数头分别通过调整垫块安装于短U型架的近输入端和近输出端的外侧，所述调整垫块带直槽口，通过固定件将调整垫块固定于短U型架上；当固定件未拧紧时，可上下移动调整垫块。

7.如权利要求1所述的高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，其特征是：

所述输出主轴与被测减速器的输出端连接的一端与短U型架保持间隙。

8.如权利要求1所述的高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，其特征是：

所述输入主轴主体为阶梯状。

9.如权利要求1所述的高精度机器人关节减速器综合性能试验装置，其特征是：

还包括外部的测控系统，测控系统进一步包括工控机﹑数据采集卡、程控电源和伺服驱动器；所述数据采集卡用来采集输入端扭矩传感器和输出端扭矩传感器的采集数据，并传输给工控机；所述程控电源用来接收工控机指令，用来控制磁粉制动器的启停；所述伺服驱动器用来接收工控机指令，用来驱动伺服电机启停；所述输入端读数头和输出端读数头通过DSI接口连接工控机，向工控机传输输入端圆光栅和输出端圆光栅采集的转角数据。

10.权利要求1所述的高精度机器人关节减速器综合性能试验装置的装配方法，其特征是：

使用前，需装配双列滚动轴承和输入主轴，装配过程为：

(1)将双列滚动轴承装配到圆筒内；

(2)将一轴承端盖固定于圆筒的近输入端；

(3)将输入主轴从已固定的轴承端盖的通孔插入，利用输入主轴的轴肩定位双列滚动轴承；

(4)将另一轴承端盖固定于圆筒的近输出端，两端的轴承端盖将双列滚动轴承在轴向固定。