CN117823576A - 谐波减速器及其寿命判断方法、机器人 - Google Patents

谐波减速器及其寿命判断方法、机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐波减速器及其寿命判断方法、机器人,解决了现有技术中无法对减速器的真实有效的寿命进行预警检测而使减速器失效造成安全事故及重大经济损失的问题。谐波减速器包括刚轮、柔轮、波发生器和预警装置,所述柔轮套设在所述波发生器外周,所述柔轮与所述刚轮啮合,且在所述柔轮和所述刚轮中的一个构成固定部件且另一个构成输出部件。本发明的谐波减速器及其寿命判断方法、机器人,预警装置能够获取谐波减速器的角度数据信号,并根据角度数据信号进行传动误差特征频率分析获取二倍频率的幅值,并与预设值进行比较,预警装置能够在二倍频率幅值超过预设值(也即谐波减速器性能失真、整机寿命即将失效)时进行寿命失效预警,避免了减速器失效而造成安全事故及重大经济损失,保证了谐波减速器的工作可靠。

Description

谐波减速器及其寿命判断方法、机器人
技术领域
本发明涉及减速结构技术领域,更具体的说,它涉及一种谐波减速器及其寿命判断方法、机器人。
背景技术
谐波减速器属于精密传动装置广泛应用于工业机器人的关节模组,该装置是由波动变形原理发展而来的。谐波减速器通常由三大构件组,即柔轮、刚轮和波发生器;其中波发生器由柔性轴承和凸轮组成,在工作时柔性轴承内圈受凸轮作用产生强制形变,运转时不会产生周期性形变;外圈受滚珠挤压产生弹性形变,并在外载荷作用下随着波发生器的转动而产生周期性形变;波发生器的作用下弹性构件柔轮产生周期性弹性变形,该变形使柔轮齿和刚轮齿进行啮合,从而实现运动和扭矩的传递。在谐波传动中,利用刚轮齿与柔轮齿啮合,实现降低转速、增大扭矩的功能;谐波减速器内部零件受力复杂多变,易发生失效;比如柔轮在变形同时受到多个边界约束的同时筒壁在凸轮的支撑作用下反复变形和弯曲,既要承受弯矩也要承受扭矩等,失效形式包括柔轮齿部撕裂、柔性轴承断裂、各项性能指标失真等;任何失效形式都存在安全隐患,比如工业机器人、人形机器人、工业机床、新能源电车等的内部减速器突然损坏后造成运动操控失误甚至猛烈撞击、损坏其他相关系统、发生安全事故等
关于谐波传动寿命预警监测,该领域研究者提出不同的寿命预警监测方案,现有技术提出一种减速器退化指标提取及寿命预测方法,通过提取减速器电流信号和振动信号进行分析计算得到一个退化指标曲线进行谐波减速器寿命预测,但由于减速器工作环境恶劣、运行工况复杂多变且该方案为初始状态下监测,不能够实时反映减速器各项指标状态而达不到真实有效的寿命预警监测效果。
发明内容
本发明公开了一种利用预警装置获取谐波减速器的角度数据信号而实时监测使用寿命以提高可靠性的谐波减速器及其寿命判断方法、机器人,解决了现有技术中无法对减速器的真实有效的寿命进行预警检测而使减速器失效造成安全事故及重大经济损失的问题。
本发明公开了一种谐波减速器,包括刚轮、柔轮、波发生器和预警装置,所述柔轮套设在所述波发生器外周,所述柔轮与所述刚轮啮合,且在所述柔轮和所述刚轮中的一个构成固定部件且另一个构成输出部件,所述预警装置设置于所述固定部件上,且所述预警装置能够获取所述谐波减速器的角度数据信号,并根据角度数据信号进行寿命失效预警。
所述预警装置包括第一角度检测机构、第二角度检测机构和数据分析机构,所述第一角度检测机构能够获取所述波发生器与所述固定部件之间的第一相对转角θ1,所述第二角度检测机构能够获取所述固定部件与所述输出部件之间的第二相对转角θ2,所述数据分析机构能够获取所述第一相对转角θ1和第二相对转角θ2并得出所述角度数据信号。
所述第一角度检测机构包括第一转动部和第一光电部,所述第一转动部设置于所述波发生器上,且所述第一转动部能够随所述波发生器进行转动,所述第一光电部设置于所述固定部件上,且所述第一转动部和所述第一光电部能够相对转动以获取所述第一相对转角θ1。
所述第二角度检测机构包括第二转动部和第二光电部,所述第二转动部设置于所述输出部件上,且所述第二转动部能够随所述输出部件进行转动,所述第二光电部设置于所述固定部件上,且所述第二转动部和所述第二光电部能够相对转动以获取所述第二相对转角θ2。
所述谐波减速器还包括供电装置,所述供电装置设置于所述波发生器和/或所述固定部件上,且所述供电装置与所述预警装置电连接。
所述供电装置包括动力发电机构,所述动力发电机构设置于所述波发生器上,且所述动力发电机构能够将所述波发生器上的机械能转化为电能,所述动力发电机构与所述预警装置电连接。
所述供电装置包括储能机构,所述储能机构与所述预警装置和所述动力发电机构均电连接。
所述供电装置包括储能机构,所述储能机构与所述预警装置电连接;和/或,所述供电装置包括供电导线,所述供电导线的一端与所述预警装置电连接,另一端位于所述谐波减速器的外部且与外部电源电连接。
所述谐波减速器与外部动力供给机构传动连接,所述预警装置与所述外部动力供给机构电连接。
本发明的另一方面提供一种上述的谐波减速器的寿命判断方法,包括:
步骤S1、获取谐波减速器的输入端和输出端的角度数据信号;
步骤S2、根据角度数据信号进行寿命失效预警。
所述预警装置包括第一角度检测机构、第二角度检测机构和数据分析机构,所述第一角度检测机构能够获取所述波发生器与所述固定部件之间的第一相对转角θ1,所述第二角度检测机构能够获取所述固定部件与所述输出部件之间的第二相对转角θ2,所述数据分析机构能够获取所述第一相对转角θ1和第二相对转角θ2并得出所述角度数据信号,在步骤S1中,还包括:
控制第一角度检测机构获取第一相对转角θ1,并控制第二角度检测机构获取第二相对转角θ2;
数据分析机构获取第一相对转角θ1和第二相对转角θ2,并得出角度数据信号。
在步骤S2中,还包括:
对角度数据信号依次进行离散傅里叶变换、罚函数处理,并生成传动误差频率-幅值曲线;
在传动误差频率-幅值曲线中提出二倍频率幅值Q,并使Q与预设二倍频率幅值K;
若Q≥4.5K,则判断谐波减速器的寿命即将失效。
本发明的另一方面提供一种机器人,包括上述的谐波减速器或应用上述的谐波减速器的寿命判断方法。
本发明的谐波减速器及其寿命判断方法、机器人,预警装置能够获取谐波减速器的角度数据信号,并根据角度数据信号与预设值进行比较,而且根据角度数据信号进行传动误差特征频率分析获取二倍频率的幅值,并与预设值进行比较,预警装置能够在二倍频率幅值超过预设值(也即谐波减速器性能失真、整机寿命即将失效)时进行寿命失效预警,避免了减速器失效而造成安全事故及重大经济损失,保证了谐波减速器的工作可靠。
附图说明
图1是本发明实施例的谐波减速器的剖视图;
图2是图1的A处局部示意图;
图3是图1的B处局部示意图;
图4是图1的C处局部示意图;
图5是本发明实施例的谐波减速器的寿命判断方法的流程图;
图6是本发明实施例的谐波减速器的寿命监测逻辑框图;
图7是本发明实施例的谐波减速器的频率—幅值曲线;
图8是本发明实施例的谐波减速器的寿命与频率幅值关系图;
图例:1、刚轮;2、柔轮;3、波发生器;41、柔轮法兰;42、刚轮法兰;43、十字滚子交叉轴承;51、第一角度检测机构;52、第二角度检测机构;6、动力发电机构;7、储能机构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,但不局限于说明书上的内容。
谐波减速器因其独特的柔性件和多齿啮合特性而具有一定的误差均衡补偿,相较于其他类型的减速器一般具有更高的传动精度。在谐波传动误差频谱分析中主要的误差贡献表现为与刚柔轮副转频相关的高频特性,其频率表征为二倍频率。传动误差为在工作状态下,当输入轴单向旋转时,理论上旋转输出的旋转角度与实际旋转输出的旋转角度之间的差值,即角度数据信号。为此,本发明公开了一种如图1至图8所示的谐波减速器,包括刚轮1、柔轮2、波发生器3和预警装置,所述柔轮2套设在所述波发生器3外周,所述柔轮2与所述刚轮1啮合,且在所述柔轮2和所述刚轮1中的一个构成固定部件且另一个构成输出部件,所述预警装置设置于所述固定部件上,且所述预警装置能够获取所述谐波减速器的角度数据信号,并根据角度数据信号进行寿命失效预警。预警装置能够获取谐波减速器的角度数据信号,并根据角度数据信号与预设值进行比较,而且根据角度数据信号进行传动误差特征频率分析获取二倍频率的幅值,并与预设值进行比较,预警装置能够在二倍频率幅值超过预设值(也即谐波减速器性能失真、整机寿命即将失效)时进行寿命失效预警,避免了减速器失效而造成安全事故及重大经济损失,保证了谐波减速器的工作可靠。
以刚轮1作为输出部件,柔轮2作为固定部件为例,谐波减速器还包括十字滚子交叉轴承43、柔轮法兰41和刚轮法兰42,十字交叉滚子轴承的下端面与礼帽型柔轮2的柔轮法兰41上端面配合,礼帽型柔轮2的柔轮法兰41下端面与柔轮法兰41连接,形成固定端;十字交叉滚子轴承的上端面与刚轮1的下端面配合作为负载输出端;波发生器3有中空轴、柔性轴承及刚性轴承轴承装配组成,将波发生器3安装到礼帽型柔轮2的内孔中并使波发生器3的圆柱面穿出柔轮法兰41形成驱动输入端,刚轮1的上端面与刚轮法兰42连接作为负载输出端法兰盘;柔轮法兰41、十字滚子交叉轴承43、刚轮1、刚轮法兰42以及柔轮2之间连接使用圆柱头螺钉紧固,以上即完成谐波减速器装配。
其中,角度数据信号等于实际测量的输入端转角除以传动比并减去输出端转角。为了实现对输入端转角和输出端转角的测量,所述预警装置包括第一角度检测机构51、第二角度检测机构52和数据分析机构(监测模组),所述第一角度检测机构51能够获取所述波发生器3与所述固定部件之间的第一相对转角θ1,所述第二角度检测机构52能够获取所述固定部件与所述输出部件之间的第二相对转角θ2,所述数据分析机构能够获取所述第一相对转角θ1和第二相对转角θ2并得出所述角度数据信号。在使用谐波减速器时,驱动机构会与波发生器3的转轴连接,此时第一相对转角θ1构成了谐波减速器的输入端转角,而谐波减速器在工作时,由于波发生器3对柔轮2的挤压,使得柔轮2和刚轮1之间发生相对转动,此时不论是柔轮2作为输出部件还是刚轮1作为输出部件,柔轮2和刚轮1之间均会产生相对转动,此时第二相对转角θ2则构成了谐波减速器的输出端转角,数据分析机构能够根据第一相对转角θ1和第二相对转角θ2以及谐波减速器的传动比,利用离散傅里叶变换原理,将时域上离散的采样点变换成频域上离散的点,进行计算传动误差的特征频率,再通过罚函数处理,将异常的特征频率点删除,计算生成传动误差频率—幅值曲线并提取二倍频率幅值Q,如图7所示;对不同型号的减速器进行寿命跑合,监测二倍频率幅值与寿命动态数据,样机寿命与频率幅值关系如图8所示;分析样机寿命与二倍频率幅值关系:其中初始状态下的二倍频率幅值为K,K在理论传动误差的二倍频率的幅值范围内,J即2≤K≤6,减速器工作运行状态下的二倍频率幅值为Q,随着二倍频率幅值Q的增大,寿命与二倍频率幅值关系曲线斜率越大,减速器的寿命衰减越快,若当Q≥4.5K时,谐波减速器的传动误差异常偏大,性能失真,导致寿命即将失效,数据分析机构根据前述理论即可对谐波减速器进行寿命失效预警,保证谐波减速器的可靠性。
作为一种实施方式,所述第一角度检测机构51包括第一转动部和第一光电部,所述第一转动部设置于所述波发生器3上,且所述第一转动部能够随所述波发生器3进行转动,所述第一光电部设置于所述固定部件上,且所述第一转动部和所述第一光电部能够相对转动以获取所述第一相对转角θ1,每当波发生器3转动一周,第一转动部也会转动一周,第一光电部信号发生变化,其信号变化被信号处理元件处理为旋转角度的数值信号,则完成一次采集角度数据,从而得出第一相对转角θ1。优选的,第一角度检测机构51为圆形光栅角度传感器或角度编码器,也即为输入端集成高精度圆形光栅角度传感器。
所述第二角度检测机构52包括第二转动部和第二光电部,所述第二转动部设置于所述输出部件上,且所述第二转动部能够随所述输出部件进行转动,所述第二光电部设置于所述固定部件上,且所述第二转动部和所述第二光电部能够相对转动以获取所述第二相对转角θ2。每当输出部件转动一周,第二转动部也会转动一周,第二光电部则能够采集一次角度数据,从而得出第二相对转角θ2。优选的,第二角度检测机构52为圆形光栅角度传感器或角度编码器,也即为输出端集成高精度圆形光栅角度传感器。
由于预警装置(例如第一角度检测机构51和第二角度检测机构52)在工作时均需要电能,所述谐波减速器还包括供电装置,所述供电装置设置于所述波发生器3和/或所述固定部件上,且所述供电装置与所述预警装置电连接。通过供电装置能够为预警装置供电以保证预警装置正常工作。
作为一种实施方式,所述供电装置包括动力发电机构6,所述动力发电机构6设置于所述波发生器3上,且所述动力发电机构6能够将所述波发生器3上的机械能转化为电能,所述动力发电机构6与所述预警装置电连接。其中动力发电机构6包括转子及线圈绕组,波发生器3的转动能够带动动力发电机构6内部的永磁体转子进行转动,永磁体转子在环形线圈绕组内不停旋转切割磁场产生电流,实现了机械能转化为电能的过程。其中,所述供电装置包括储能机构,所述储能机构与所述预警装置和所述动力发电机构6均电连接。动力发电机构6产生的电能能够送入储能机构内进行存储,并通过导线传递至预警装置处来为预警装置供电。
或者,所述供电装置仅设置储能机构7,所述储能机构7与所述预警装置电连接,其中储能机构7可以为铅酸蓄电池、镍基电池、锂电池等,通过在谐波减速器的外部连接外部电源进行充电。
或者,所述供电装置包括供电导线,所述供电导线的一端与所述预警装置电连接,另一端位于所述谐波减速器的外部且与外部电源电连接。在使用时,谐波减速器会固定在预设位置处,因此可以利用供电导线穿入谐波减速器内来为预警装置进行供电。
在使用谐波减速器时,所述谐波减速器与外部动力供给机构传动连接,所述预警装置与所述外部动力供给机构电连接。当预警装置判断谐波减速器的角度数据信号超过预设值,表明此时谐波减速器存在损坏的问题,此时预警装置控制外部动力供给机构停机或者将外部动力供给机构与谐波减速器之间的传动切换,从而可以避免由于谐波减速器的损坏而发生安全事故以及重大经济损失。
具体的,预警装置还具有监测模组、数据接收模块、数据传输模块、能源线组,动力发电机构6通过能源线组与储能机构7、监测模组、数据接收模块、数据传输模块及第一角度检测机构51和第二角度检测机构52电连接,数据传输模块设置在第一角度检测机构51和第二角度检测机构52上,并能够将第一角度检测机构51和第二角度检测机构52检测到的第一相对转角θ1和第二相对转角θ2传递至数据接收模块,并通过数据分析机构中的数据分析模块进行分析计算,然后根据分析处理结果通过监测模组中的监测预警模块进行预警。
本发明的另一方面提供一种上述的谐波减速器的寿命判断方法,包括:
步骤S1、获取谐波减速器的输入端和输出端的角度数据信号;
步骤S2、根据角度数据信号进行寿命失效预警。
所述预警装置包括第一角度检测机构51、第二角度检测机构52和数据分析机构,所述第一角度检测机构51能够获取所述波发生器3与所述固定部件之间的第一相对转角θ1,所述第二角度检测机构52能够获取所述固定部件与所述输出部件之间的第二相对转角θ2,所述数据分析机构能够获取所述第一相对转角θ1和第二相对转角θ2并得出所述角度数据信号,在步骤S1中,还包括:
控制第一角度检测机构51获取第一相对转角θ1,并控制第二角度检测机构52获取第二相对转角θ2;
数据分析机构获取第一相对转角θ1和第二相对转角θ2,并得出角度数据信号。
在步骤S2中,还包括:
对角度数据信号依次进行离散傅里叶变换、罚函数处理,并生成传动误差频率-幅值曲线;
在传动误差频率-幅值曲线中提出二倍频率幅值Q,并使Q与预设二倍频率幅值K;
若Q≥4.5K,则判断谐波减速器的寿命即将失效。
数据分析机构内置传动误差分析程序,向传动误差分析程序内输入谐波减速器的第一相对转角θ1和第二相对转角θ2,以及谐波减速器的传动比i;然后利用离散傅里叶变换原理,将时域上离散的采样点变换成频域上离散的点,进行计算传动误差的特征频率,再通过罚函数处理,将异常的特征频率点删除,计算生成传动误差频率—幅值曲线并提取二倍频率幅值Q,如图7所示。
谐波减速器因其独特的柔性件和多齿啮合特性而具有一定的误差均衡补偿,相较于其他类型的减速器一般具有更高的传动精度。在谐波传动误差频谱分析中主要的误差贡献表现为与刚柔轮副转频相关的高频特性,其频率表征为二倍频率。传动误差为在工作状态下,当输入轴单向旋转时,理论上旋转输出的旋转角度与实际旋转输出的旋转角度之间的差值,即角度传递误差。理论转角等于实际测量的输入端转角除以传动比减去输出端转角。传动误差为谐波减速器性能指标之一,其大小是影响整机性能重要因素,若传动误差异常偏大会导致谐波减速器性能失真,即整机寿命即将失效;对不同型号的减速器进行寿命跑合,监测二倍频率幅值与寿命动态数据,样机寿命与频率幅值关系如图8所示;分析样机寿命与二倍频率幅值关系:其中初始状态下的二倍频率幅值为K,K在理论传动误差的二倍频率的幅值范围内,J即2≤K≤6,减速器工作运行状态下的二倍频率幅值为Q,随着二倍频率幅值Q的增大,寿命与二倍频率幅值关系曲线斜率越大,减速器的寿命衰减越快,若当Q≥4.5K时,谐波减速器的传动误差异常偏大,性能失真,导致寿命即将失效,数据分析机构根据前述理论即可对谐波减速器进行寿命失效预警,保证谐波减速器的可靠性。
本发明的另一方面提供一种机器人,包括上述的谐波减速器或应用上述的谐波减速器的寿命判断方法。
显然,本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (13)

1.一种谐波减速器,其特征在于,包括刚轮(1)、柔轮(2)、波发生器(3)和预警装置,所述柔轮(2)套设在所述波发生器(3)外周,所述柔轮(2)与所述刚轮(1)啮合,且在所述柔轮(2)和所述刚轮(1)中的一个构成固定部件且另一个构成输出部件,所述预警装置设置于所述固定部件上,且所述预警装置能够获取所述谐波减速器的角度数据信号,并根据角度数据信号进行寿命失效预警。
2.根据权利要求1所述的谐波减速器,其特征在于,所述预警装置包括第一角度检测机构(51)、第二角度检测机构(52)和数据分析机构,所述第一角度检测机构(51)能够获取所述波发生器(3)与所述固定部件之间的第一相对转角θ1,所述第二角度检测机构(52)能够获取所述固定部件与所述输出部件之间的第二相对转角θ2,所述数据分析机构能够获取所述第一相对转角θ1和第二相对转角θ2并得出所述角度数据信号。
3.根据权利要求2所述的谐波减速器,其特征在于,所述第一角度检测机构(51)包括第一转动部和第一光电部,所述第一转动部设置于所述波发生器(3)上,且所述第一转动部能够随所述波发生器(3)进行转动,所述第一光电部设置于所述固定部件上,且所述第一转动部和所述第一光电部能够相对转动以获取所述第一相对转角θ1。
4.根据权利要求2所述的谐波减速器,其特征在于,所述第二角度检测机构(52)包括第二转动部和第二光电部,所述第二转动部设置于所述输出部件上,且所述第二转动部能够随所述输出部件进行转动,所述第二光电部设置于所述固定部件上,且所述第二转动部和所述第二光电部能够相对转动以获取所述第二相对转角θ2。
5.根据权利要求2所述的谐波减速器,其特征在于,所述谐波减速器还包括供电装置,所述供电装置设置于所述波发生器(3)和/或所述固定部件上,且所述供电装置与所述预警装置电连接。
6.根据权利要求5所述的谐波减速器,其特征在于,所述供电装置包括动力发电机构(6),所述动力发电机构(6)设置于所述波发生器(3)上,且所述动力发电机构(6)能够将所述波发生器(3)上的机械能转化为电能,所述动力发电机构(6)与所述预警装置电连接。
7.根据权利要求6所述的谐波减速器,其特征在于,所述供电装置包括储能机构(7),所述储能机构(7)与所述预警装置和所述动力发电机构(6)均电连接。
8.根据权利要求5所述的谐波减速器,其特征在于,所述供电装置包括储能机构(7),所述储能机构(7)与所述预警装置电连接;和/或,所述供电装置包括供电导线,所述供电导线的一端与所述预警装置电连接,另一端位于所述谐波减速器的外部且与外部电源电连接。
9.根据权利要求1所述的谐波减速器,其特征在于,所述谐波减速器与外部动力供给机构传动连接,所述预警装置与所述外部动力供给机构电连接。
10.一种权利要求1至9中任一项所述的谐波减速器的寿命判断方法,其特征在于,包括:
步骤S1、获取谐波减速器的输入端和输出端的角度数据信号;
步骤S2、根据角度数据信号进行寿命失效预警。
11.根据权利要求10所述的寿命判断方法,其特征在于,所述预警装置包括第一角度检测机构(51)、第二角度检测机构(52)和数据分析机构,所述第一角度检测机构(51)能够获取所述波发生器(3)与所述固定部件之间的第一相对转角θ1,所述第二角度检测机构(52)能够获取所述固定部件与所述输出部件之间的第二相对转角θ2,所述数据分析机构能够获取所述第一相对转角θ1和第二相对转角θ2并得出所述角度数据信号,在步骤S1中,还包括:
控制第一角度检测机构(51)获取第一相对转角θ1,并控制第二角度检测机构(52)获取第二相对转角θ2;
数据分析机构获取第一相对转角θ1和第二相对转角θ2,并得出角度数据信号。
12.根据权利要求根据权利要求10所述的寿命判断方法,其特征在于,在步骤S2中,还包括:
对角度数据信号依次进行离散傅里叶变换、罚函数处理,并生成传动误差频率-幅值曲线;
在传动误差频率-幅值曲线中提出二倍频率幅值Q,并使Q与预设二倍频率幅值K;
若Q≥4.5K,则判断谐波减速器的寿命即将失效。
13.一种机器人,其特征在于:包括权利要求1至9中任一项所述的谐波减速器或应用权利要求10至12中任一项所述的谐波减速器的寿命判断方法。
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