[發明專利]六軸工業機器人用伺服電機服役性能綜合測試方法

有效

• 申請號: 201911421742.0
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111055306B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 蒙臻;周晶;倪敬;陳星
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 黃前澤

1.六軸工業機器人用伺服電機服役性能綜合測試方法，其特征在于：該方法具體如下：

步驟一、各工業機器人用伺服電機的安裝及空載測試；

1.1將一號、二號、三號、四號、五號、六號工業機器人用伺服電機和一號、二號、三號、四號、五號、六號工業機器人用伺服驅動器均固定在一號安裝底板上；一號、二號、三號、四號、五號、六號法蘭盤上均開有沿周向均布的六個矩形調節槽；一號、二號、三號、四號、五號、六號動態轉速/扭矩傳感器的信號輸出端與數據采集儀分別通過一號、二號、三號、四號、五號、六號單路信號轉換模塊連接；數據采集儀連接電腦；一號、二號、三號、四號、五號、六號單路信號轉換模塊、電腦和數據采集儀均固定在二號安裝底板上；一號、二號、三號、四號、五號、六號工業機器人用伺服驅動器均與PLC連接；觸摸屏與PLC連接，用來輸入指令；PLC和觸摸屏均固定在電控箱頂部，電控箱固定在一號安裝底板上；電控箱頂部還設有一鍵啟停電控開關；其中，一鍵啟停電控開關對PLC、觸摸屏、數據采集儀、一號、二號、三號、四號、五號、六號工業機器人用伺服驅動器、一號、二號、三號、四號、五號、六號工業機器人用伺服電機、一號、二號、三號、四號、五號、六號動態轉速/扭矩傳感器以及一號、二號、三號、四號、五號、六號單路信號轉換模塊同時通斷電；

1.2一號、二號、三號、四號、五號、六號工業機器人用伺服電機的輸出軸均水平設置，且與一號、二號、三號、四號、五號、六號動態轉速/扭矩傳感器的輸入軸分別通過一個聯軸器連接；一號、二號、三號、四號、五號、六號工業機器人用伺服驅動器與一號、二號、三號、四號、五號、六號工業機器人用伺服電機分別連接；

1.3一鍵啟停電控開關控制通電，通過觸摸屏控制PLC，PLC對一號、二號、三號、四號、五號、六號工業機器人用伺服驅動器發出轉動信號，從而控制一號、二號、三號、四號、五號、六號工業機器人用伺服電機均連續正轉48小時，其中各工業機器人用伺服電機加速階段的加速度和減速階段的加速度均為額定值，勻速階段的速度也為額定值；進行工況數據采集，工況數據包括工業機器人用伺服電機的輸出扭矩和輸出轉速；然后在電腦上觀察各工業機器人用伺服電機在這48小時內的輸出轉速、輸出扭矩運行曲線及數據波動情況，并記錄下48小時中最后20秒的工況數據，對該20秒的工況數據進行工況數據處理；

1.4若這48小時中最后20秒內測得的某些工業機器人用伺服電機的輸出扭矩或輸出轉速的波動率與各自出廠標定值差值相比超過0.5％，表明這些工業機器人用伺服電機不滿足測試要求，一鍵啟停電控開關控制斷電，將不滿足測試要求的工業機器人用伺服電機更換成新的工業機器人用伺服電機，與對應的動態轉速/扭矩傳感器通過聯軸器連接，然后回到步驟1.2，直至篩選出六臺性能相近的工業機器人用伺服電機；若這48小時中最后20秒內測得的各工業機器人用伺服電機的輸出扭矩或輸出轉速的波動率與各自出廠標定值差值相比均未超過0.5％，則直接執行下一步；

1.5記錄這48小時中最后20秒內六臺工業機器人用伺服電機的輸出扭矩均值、輸出轉速均值、輸出扭矩標準差、輸出轉速標準差、輸出扭矩最大值、輸出轉速最大值、輸出效率，作為空載測試基準值，然后執行下一步；

步驟二、不同負載慣量下的測試；

2.1一鍵啟停電控開關控制斷電，將一號、二號、三號、四號、五號、六號動態轉速/扭矩傳感器的輸出軸與一號、二號、三號、四號、五號、六號法蘭盤分別固定；在一號法蘭盤上周向呈180°的兩個矩形調節槽處均固定質量塊，在二號法蘭盤上周向均布的四個矩形調節槽處均固定質量塊，在三號法蘭盤上周向均布的六個矩形調節槽處均固定質量塊，在四號法蘭盤上的矩形調節槽處固定質量塊，在五號法蘭盤上周向非均布的三個矩形調節槽處均固定質量塊，在六號法蘭盤上周向非均布的五個矩形調節槽處均固定質量塊；所有質量塊的材質、質量和大小均相同，且各質量塊與對應位置處工業機器人用伺服電機軸心的距離均相等；

2.2一鍵啟停電控開關控制通電，通過觸摸屏控制PLC，PLC對各工業機器人用伺服驅動器發出轉動信號控制各工業機器人用伺服電機連續測試48小時，其中各工業機器人用伺服電機加速階段的加速度和減速階段的加速度均為額定值，勻速階段的速度為額定值的三分之二，進行工況數據采集，將工況數據通過數據采集儀傳輸到電腦觀察這六臺工業機器人用伺服電機在這48小時內的輸出轉速、輸出扭矩運行曲線及數據波動情況，并對48小時內最后20秒工況數據進行工況數據處理，記錄這48小時中最后20秒內各工業機器人用伺服電機的輸出扭矩均值、輸出轉速均值、輸出扭矩標準差、輸出轉速標準差、輸出扭矩最大值、輸出轉速最大值、輸出效率，執行一次服役性能評測過程，若服役性能評測滿足要求，則執行下一步，否則一鍵啟停電控開關控制斷電，拆下六個法蘭盤，更換新的六臺工業機器人用伺服電機，重復一次步驟1.2，然后回到步驟2.1；

步驟三、模擬工業機器人六軸聯動的測試；

3.1負載參數設定

一鍵啟停電控開關控制斷電，選取六自由度工業機械臂成品，將六臺工業機器人伺服電機的編號與六自由度工業機械臂驅動關節編號對應，一號工業機器人用伺服電機對應六自由度工業機械臂驅動關節的第一關節，二號工業機器人用伺服電機對應六自由度工業機械臂驅動關節的第二關節，三號工業機器人用伺服電機對應六自由度工業機械臂驅動關節的第三關節，四號工業機器人用伺服電機對應六自由度工業機械臂驅動關節的第四關節，五號工業機器人用伺服電機對應六自由度工業機械臂驅動關節的第五關節，六號工業機器人用伺服電機對應六自由度工業機械臂驅動關節的第六關節；然后，在各法蘭盤上的每個矩形調節槽處均固定質量塊；最后，分別在測試空載工況和測試負載工況，從六自由度工業機械臂驅動關節的第六關節向六自由度工業機械臂驅動關節的第一關節反推，求解六自由度工業機械臂驅動關節的各關節負載慣量和負載力矩；

①六自由度工業機械臂成品在測試空載工況時：

六自由度工業機械臂驅動關節的第六關節的負載慣量和負載力矩分別為：

式(1)中，m₆為六自由度工業機械臂驅動關節的第六機械臂的質量，r₆為六自由度工業機械臂驅動關節的第六關節的回轉半徑；

六自由度工業機械臂驅動關節的第五關節的負載慣量和負載力矩分別為：

式(2)中，m₅為六自由度工業機械臂驅動關節的第五機械臂的質量，r₅為六自由度工業機械臂驅動關節的第五關節的回轉半徑，l₅為六自由度工業機械臂驅動關節的第五關節回轉中心到第六關節回轉中心的距離，g為重力加速度，θ₅為六自由度工業機械臂驅動關節的第五關節與水平方向的夾角；

六自由度工業機械臂驅動關節的第四關節的負載慣量和負載力矩分別為：

式(3)中，m₄為六自由度工業機械臂驅動關節的第四機械臂的質量，r₄為六自由度工業機械臂驅動關節的第四關節的回轉半徑，l₄為六自由度工業機械臂驅動關節的第四關節回轉中心到第五關節回轉中心的距離，θ₄為六自由度工業機械臂驅動關節的第四關節與水平方向的夾角；

六自由度工業機械臂驅動關節的第三關節的負載慣量和負載力矩分別為：

式(4)中，m₃為六自由度工業機械臂驅動關節的第三機械臂的質量，l₃為六自由度工業機械臂驅動關節的第三關節回轉中心到第四關節回轉中心的距離，θ₃為六自由度工業機械臂驅動關節的第三關節與水平方向的夾角；

六自由度工業機械臂驅動關節的第二關節的負載慣量和負載力矩分別為：

式(5)中，m₂為六自由度工業機械臂驅動關節的第二機械臂的質量，l₂為六自由度工業機械臂驅動關節的第二關節回轉中心到第三關節回轉中心的距離，θ₂為六自由度工業機械臂驅動關節的第二關節與水平方向的夾角；

六自由度工業機械臂驅動關節的第一關節的負載慣量和負載力矩分別為：

式(6)中，m₁為六自由度工業機械臂驅動關節的第一機械臂的質量，r₁為六自由度工業機械臂驅動關節的第一關節的回轉半徑，l₁為六自由度工業機械臂驅動關節的第一關節回轉中心到第二關節回轉中心的距離，θ₁為六自由度工業機械臂驅動關節的第一關節與水平方向的夾角；

②六自由度工業機械臂成品在測試負載工況時：

六自由度工業機械臂驅動關節的各關節負載慣量和負載力矩分別為：

六自由度工業機械臂驅動關節的第六關節的負載慣量和負載力矩分別為：

式(7)中，M為六自由度工業機械臂的第六機械臂所搭載的負載質量；

六自由度工業機械臂驅動關節的第五關節的負載慣量和負載力矩分別為：

六自由度工業機械臂驅動關節的第四關節的負載慣量和負載力矩分別為：

六自由度工業機械臂驅動關節的第三關節的負載慣量和負載力矩分別為：

六自由度工業機械臂驅動關節的第二關節的負載慣量和負載力矩分別為：

六自由度工業機械臂驅動關節的第一關節的負載慣量和負載力矩分別為：

3.2計算出六自由度工業機械臂驅動關節的各關節的負載慣量和負載力矩后，調節每個法蘭盤上的各矩形調節槽處質量塊到對應位置工業機器人用伺服電機軸心的距離，調節后保證同一法蘭盤上的各矩形調節槽處各質量塊組成的組件質心到對應位置工業機器人用伺服電機軸心的距離相等，或所有法蘭盤上的各矩形調節槽處各質量塊組成的組件質心到對應位置工業機器人用伺服電機軸心的距離相等，改變每個法蘭盤上的各矩形調節槽處質量塊個數，使得各工業機器人伺服電機的負載慣量和負載扭矩與六自由度工業機械臂驅動關節的對應編號關節的負載慣量和負載力矩分別相等；

其中，在每個法蘭盤上調節各矩形調節槽處質量塊位置后，計算對應工業機器人用伺服電機所受負載慣量J_Li和負載扭矩T_Li如下：

式(13)中，J_Li為第i個工業機器人用伺服電機的負載慣量，T_Li為第i個工業機器人用伺服電機的負載力矩，L_i為第i個工業機器人用伺服電機對應位置法蘭盤上的每個矩形調節槽處各質量塊組成的組件質心到第i個工業機器人用伺服電機軸心的距離，a₁，a₂，……，a₆分別為法蘭盤上各矩形調節槽處的質量塊個數，m為單個質量塊的質量，d為質量塊的邊長，α為法蘭盤的其中一個矩形調節槽處質量塊質心和對應位置工業機器人用伺服電機軸心連接與豎直方向的夾角，α初始值為0；

3.3一鍵啟停電控開關控制通電，通過觸摸屏控制PLC，PLC對各工業機器人用伺服驅動器發出轉動信號，從而控制各工業機器人用伺服電機完成持續正反轉，其中工業機器人用伺服電機加速階段的加速度和減速階段的加速度均為額定值，勻速階段速度為伺服電機額定速度的三分之二，連續測試4小時，進行工況數據采集，通過數據采集儀傳輸到電腦上的工況數據觀察這六臺工業機器人用伺服電機在這4小時內的輸出轉速、輸出扭矩運行曲線及數據波動情況，對4小時內最后20秒工況數據進行工況數據處理，記錄這4小時中最后20秒內6組工業機器人用伺服電機的輸出扭矩均值、輸出轉速均值、輸出扭矩標準差、輸出轉速標準差、輸出扭矩最大值、輸出轉速最大值、輸出效率；進行一次服役性能評測，若服役性能評測滿足要求，則執行下一步，否則一鍵啟停電控開關控制斷電，拆下六個法蘭盤，更換新的六臺工業機器人用伺服電機，重復一次步驟1.2，然后回到步驟2.1；

步驟四、模擬工業機器人六軸聯動中伺服電機的急轉急停性能測試；

4.1一鍵啟停電控開關控制斷電，在所有法蘭盤上的各矩形調節槽處均固定相同數量的質量塊，且每個矩形調節槽處各質量塊組成的組件質心到對應位置工業機器人用伺服電機軸心的距離均相等；一鍵啟停電控開關控制通電，通過觸摸屏控制PLC，PLC對各工業機器人用伺服驅動器發出轉動信號控制各工業機器人用伺服驅動器給六個工業機器人用伺服電機設置加速階段的加速度分別為各工業機器人用伺服電機加速階段的額定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍，減速階段的加速度仍為各工業機器人用伺服電機減速階段的額定加速度，而將運行速度設置為各工業機器人用伺服電機額定速度的三分之二，各工業機器人用伺服電機運行規律為持續正反轉48小時；

4.2進行工況數據采集，并通過數據采集儀傳輸到電腦上的工況數據觀察這六臺工業機器人用伺服電機在這48小時內的輸出轉速、輸出扭矩運行曲線及數據波動情況，對48小時內最后20秒工況數據進行工況數據處理，記錄這48小時中最后20秒內六臺工業機器人用伺服電機的輸出扭矩均值、輸出轉速均值、輸出扭矩標準差、輸出轉速標準差、輸出扭矩最大值、輸出轉速最大值、輸出效率，進行一次服役性能評測，若服役性能評測滿足要求，則執行下一步，否則一鍵啟停電控開關控制斷電，拆下六個法蘭盤，更換新的六臺工業機器人用伺服電機，重復一次步驟1.2，然后回到步驟2.1；

4.3通過觸摸屏控制PLC，PLC對各工業機器人用伺服驅動器發出轉動信號控制各工業機器人用伺服驅動器給六個工業機器人用伺服電機設置加速度分別為各工業機器人用伺服電機額定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍，設置減速階段的加速度分別為各工業機器人用伺服電機減速階段額定加速度的1倍、1.1倍、1.3倍、1.5倍、1.7倍、1.9倍中的任意一種，而將勻速段運行速度設置為各工業機器人用伺服電機額定速度的三分之二，一號、二號、三號伺服電機運行規律為持續正轉，四號、五號、六號伺服電機運行規律為持續正反轉，連續記錄48小時；

4.4進行工況數據采集，并通過數據采集儀傳輸到電腦上的工況數據觀察這六臺工業機器人用伺服電機在這48小時內的輸出轉速、輸出扭矩運行曲線及數據波動情況，對48小時內最后20秒工況數據進行工況數據處理，記錄這48小時中最后20秒內六臺工業機器人用伺服電機的輸出扭矩均值、輸出轉速均值、輸出扭矩標準差、輸出轉速標準差、輸出扭矩最大值、輸出轉速最大值、輸出效率，進行一次服役性能評測，若服役性能評測滿足要求，則執行下一步，否則一鍵啟停電控開關控制斷電，拆下六個法蘭盤，更換新的六臺工業機器人用伺服電機，重復一次步驟1.2，然后回到步驟2.1；

步驟五、復雜工況作用時的工業機器人六軸聯動測試；

5.1一鍵啟停電控開關控制斷電，在一號、二號、三號、四號、五號、六號法蘭盤上的每個矩形調節槽處均固定質量塊；同一個法蘭盤上的各矩形調節槽處質量塊數量相等，同一個法蘭盤上的各矩形調節槽處各質量塊組成的組件質心到對應位置工業機器人用伺服電機軸心的距離均相等；不同法蘭盤上的每個矩形調節槽處質量塊數量分別為1個、2個、3個、4個、5個、6個，每個矩形調節槽處各質量塊組成的組件質心到對應位置工業機器人用伺服電機軸心的距離分別為30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm，將各工業機器人用伺服電機的加速階段的加速度和減速階段的加速度設為各工業機器人用伺服電機額定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍，將勻速段運行速度設為各工業機器人用伺服電機額定速度的三分之二，各工業機器人用伺服電機運行規律為持續正反轉；一鍵啟停電控開關控制通電，通過觸摸屏控制PLC，PLC對各工業機器人用伺服驅動器發出轉動信號控制各工業機器人用伺服電機連續測試48小時；

5.2進行工況數據采集，并通過數據采集儀傳輸到電腦上的工況數據觀察這六臺工業機器人用伺服電機在這48小時內的輸出轉速、輸出扭矩運行曲線及數據波動情況，對48小時內最后20秒工況數據進行工況數據處理，記錄這48小時中最后20秒內六臺工業機器人用伺服電機的輸出扭矩均值、輸出轉速均值、輸出扭矩標準差、輸出轉速標準差、輸出扭矩最大值、輸出轉速最大值、輸出效率；

步驟六、工業機器人六軸聯動系統無故障工作時間預測；

一鍵啟停電控開關控制斷電，拆下六個法蘭盤，更換新的六個工業機器人用伺服電機，重復一次步驟1.2；然后將各工業機器人用伺服電機運行時的勻速段速度設為各工業機器人用伺服電機的額定速度，加速階段的加速度和減速階段的加速度也均設為各工業機器人用伺服電機的額定值，各工業機器人用伺服電機運行規律為持續正反轉；一鍵啟停電控開關控制通電，通過觸摸屏控制PLC，PLC對各工業機器人用伺服電機發出轉動信號控制各工業機器人用伺服電機連續轉動測試40天，并通過數據采集儀傳輸到電腦上的工況數據觀察這六臺工業機器人用伺服電機的輸出轉速、輸出扭矩運行曲線及數據波動情況，每隔24小時采集20秒六臺工業機器人用伺服電機的輸出轉矩和輸出轉速數據，對24小時內最后20秒工況數據進行工況數據處理，并將這六臺工業機器人用伺服電機的輸出扭矩均值、輸出轉速均值、輸出扭矩標準差、輸出轉速標準差、輸出扭矩最大值、輸出轉速最大值、輸出效率均與空載測試基準值比較，當誤差均超過5％時，說明六臺工業機器人用伺服電機均出現明顯的波動，即證明六臺工業機器人用伺服電機均開始出現故障；如果在這40天內六臺工業機器人用伺服電機都沒有出現故障，則繼續測試直至六臺工業機器人用伺服電機均出現故障，然后計算出每臺工業機器人用伺服電機的故障率，從而計算這六臺工業機器人用伺服電機平均無故障工作時間。