模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验方法，采用模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验装置，所述模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验装置包括控制系统、电机驱动控制电路、测功机控制器、工作台面、输入伺服电机、行星齿轮减速器、第一联轴器、动态扭矩传感器、第二联轴器、角度传感器、双轴承座、变惯量杆臂、第三联轴器、转轴、质量滑块、定位螺栓、磁滞测功机、第一支撑底座、第二支撑底座和第三支撑底座，本发明专利技术综合了惯性静态变化，既可以变化惯量也可以变化负载，负载控制系统能够满足多种复杂负载的情况，能够简要的模拟关节运动状况。

An experimental method of simulating joint variable load variable inertia of industrial robot

【技术实现步骤摘要】
模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验方法
本专利技术涉及关节伺服控制系统测试领域，涉及变负载变惯量的实验方法领域，更具体的说，尤其涉及一种模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验方法。
技术介绍
目前，在工业机器人关节上直接进行伺服电机控制算法的实验需要克服许多技术上的困难，所以相关研究大多局限于软件仿真阶段。为了有效地进行实验和控制算法的评价来模拟工况，在设计中需要考虑负载和惯性的变化，因此特别需要一套可以模拟工业机器人关节运动的负载模拟方案。现有的负载模拟方法一般采用机械负载、电液伺服负载、电磁负载和电机负载、惯性模拟负载等加载方式。机械负载的优点是操作可靠，结构简单，但存在无法达到连续负载谱，无法在操作中负载或调整负载的缺点。电液伺服加载可以实现宽频带、大输出负载扭矩的连续加载，但受到液压源量大、噪声大、容易产生冗余扭矩等特点的限制。目前，电机加载主要采用直流电机或转矩电机。直流电机作为负载元件，存在较大的电枢电流和功率损耗，和由于换向器的存在，不能有效地提供“正反向扭矩”。电磁加载的设备主要有磁滞测功机、磁粉制动器等，其主要优点是转速范围宽、控制方便、操作简单等，但需要模拟负载的精确数学模型。惯性模拟加载的装置多采用惯性盘。通过调节惯性盘的大小和质量分布来改变惯性。由于惯性盘每次安装时难以确保高度的同轴度，造成了一些实验上的困难。
技术实现思路
为了避免现有负载模拟实验方法的各种缺陷，例如机械负载无法模拟连续负载谱，无法在操作中改变负载或调整负载；电液伺服加载液压源量大、噪声大、容易产生冗余扭矩；电机加载的点击电枢电流和功率损耗大，无法提供“正反向扭矩”；电磁加载需要模拟负载的精确数学模型；惯性盘安装时同轴度难以保证。本专利技术提出了一种模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验方法，能够综合惯性静态变化，满足多种复杂负载，简要的模拟关节运动工况，方便关节伺服系统控制算法的研究。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验方法，采用模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验装置，所述模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验装置包括控制系统、电机驱动控制电路、测功机控制器、工作台面、输入伺服电机、行星齿轮减速器、第一联轴器、动态扭矩传感器、第二联轴器、角度传感器、双轴承座、变惯量杆臂、第三联轴器、转轴、质量滑块、定位螺栓、磁滞测功机、第一支撑底座、第二支撑底座和第三支撑底座，所述输入伺服电机和行星齿轮减速器均固定在第三支撑底座上，输入伺服电机的输出轴依次连接沿一条直线依次分布的行星齿轮减速器、第一联轴器、动态扭矩传感器、第二联轴器、角度传感器、转轴、第三联轴器和磁滞测功机，所述动态扭矩传感器固定在所述第二支撑底座上，所述转轴通过双轴承座支撑，双轴承座固定在第一支撑底座上；所述第一支撑底座、第二支撑底座和第三支撑底座均固定在工作台面上；所述变惯量杆臂的一端通过键固定安装在转轴上，变惯量杆臂的轴心线与转轴的轴心线相互垂直，变惯量杆臂上均布有至少三道沿着轴心线方向均匀分布的环形定位槽，质量滑块套装在变惯量杆臂上，所述质量滑块上设置有定位螺孔，定位螺栓穿过质量滑块通过定位螺栓的前端伸入到变惯量杆臂的环形定位槽底部实现质量滑块与变惯量杆臂的位置固定；所述电机驱动控制电路、测功机控制器、角度传感器、动态扭矩传感器均与控制系统电连接，所述电机驱动控制电路与输入伺服电机电连接并控制输入伺服电机的运动，所述测功控制器连接磁滞测功机并控制磁滞测功机的运动；所述实验方法具体包括如下步骤：步骤一：控制系统通过电机驱动控制电路控制输入伺服电机的输出，输入伺服电机经过行星齿轮减速器、第一联轴器、动态扭矩传感器、第二联轴器、角度传感器后向转轴传递扭矩，带动变惯量杆臂的转动；步骤二：角度传感器检测转轴转动的角度，并将转轴转动的角度的位置信号反馈到控制系统中；利用伺服控制系统矢量控制技术进行坐标变换，即将自然坐标系(ABC)通过clark变换成静止坐标系(α-β)，通过park变换成同步旋转坐标系(d-q)，其中，d轴方向为永磁体励磁磁场方向，q轴方向为垂直于转子磁场方向，在同步旋转坐标系中利用三闭环矢量控制算法，即所述电流控制器的输入为速度控制器输出，所述速度控制器的输入为位置控制器的输出，首先设定id＝0，定子电流中只有交轴分量，电磁力矩与交轴电流成线性关系，此时相当于一台直流电动机，简化计算。将测得的位置、速度、q轴电流反馈到位置、速度、电流控制器形成三闭环矢量控制，计算出位置控制所需要的电流，利用电流和电压之间的关系计算出控制电压，通过SVPWM控制逆变电路开关量控制电压的变化从而控制绕组电压经控制输入伺服电机的输出；其中Ud、Id、Rd、Ld分别为d轴上的电压、电流、电阻、自感，Uq、Iq、Rq、Lq分别为q轴上的电压、电流、电阻、自感；步骤三：在步骤二的过程中动态扭矩传感器始终保持扭矩信号的采集，并将采集到的扭矩信息发送到控制系统中，利用控制系统不断记录扭矩信息；步骤四：启动磁滞测功机，利用测功机控制系统控制磁滞测功机输出同向或反向的负载扭矩加载到变惯量杆臂上，实现变惯量杆臂的负载变化，该过程中不停的使用动态扭矩传感器采集扭矩信号，并将采集到的扭矩信息发送到控制系统中，利用控制系统不断记录扭矩信息；同时不停的利用角度传感器检测变惯量杆臂转动的角度信息，将角度信息的位置信号反馈到控制系统中，利用控制系统不断记录角度信息；步骤五：关闭磁滞测功机，调节变惯量杆臂上质量滑块的位置，实现变惯量杆臂的惯量变化，重复上述步骤；步骤六：重复步骤四和步骤五的过程，完成输入不同位置控制器控制算法的情况下变惯量杆臂的位置变化和扭矩信号的记录，将在不同控制算法测得的位置变化和扭矩信号的数据进行对比分析，进行多次分析比较后得出实验结论，完成对控制算法的实验研究。进一步的，所述输入伺服电机的输出轴、行星齿轮减速器、第一联轴器、动态扭矩传感器、第二联轴器、角度传感器、转轴、第三联轴器和磁滞测功机的轴心线位于同一条直线上。进一步的，所述工作台面上设置有条形槽，条形槽位于变惯量杆臂的正下方，条形槽的长度大于变惯量杆臂长度的二倍，条形槽的宽度大于质量滑块的直径。变惯量杆臂带着质量滑块转动时可以自由从条形槽中穿过。进一步的，所述环形定位槽设置有五道，五道环形定位槽沿着变惯量杆臂的轴向等距离分布。进一步的，所述输入伺服电机为永磁同步电机。进一步的，所述第一联轴器、第二联轴器和第三联轴器均为弹性联轴器。进一步的，所述转轴为多段阶梯轴，包括依次连接的第一直线段、第二直线段、第三直线段、第四台阶段和第五直线段，第一直线段、第二直线段、第三直线段和第四台阶段的直径逐渐增大，所述第一直线段、第三直线段和第五直线段上设置有键槽，所述第二直线段靠近第一直线段的一端设置有传感器定位槽，所述转轴的第一直线段与第二联轴器通过键连接，所述转轴的第五直线段与第三联轴器通过键连接，所述变惯量杆臂的一端设置有与转轴的第三直线段外径间隙配合的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验方法，其特征在于：采用模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验装置，所述模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验装置包括控制系统、电机驱动控制电路、测功机控制器、工作台面(17)、输入伺服电机(1)、行星齿轮减速器(2)、第一联轴器(3)、动态扭矩传感器(4)、第二联轴器(5)、角度传感器(6)、双轴承座(7)、变惯量杆臂(9)、第三联轴器(12)、转轴(11)、质量滑块(8)、定位螺栓(10)、磁滞测功机(13)、第一支撑底座(14)、第二支撑底座(15)和第三支撑底座(16)，所述输入伺服电机(1)和行星齿轮减速器(2)均固定在第三支撑底座(16)上，输入伺服电机(1)的输出轴依次连接沿一条直线依次分布的行星齿轮减速器(2)、第一联轴器(3)、动态扭矩传感器(4)、第二联轴器(5)、角度传感器(6)、转轴(11)、第三联轴器(12)和磁滞测功机(13)，所述动态扭矩传感器(4)固定在所述第二支撑底座(15)上，所述转轴(11)通过双轴承座(7)支撑，双轴承座(7)固定在第一支撑底座(14)上；所述第一支撑底座(14)、第二支撑底座(15)和第三支撑底座(16)均固定在工作台面(17)上；所述变惯量杆臂(9)的一端通过键固定安装在转轴(11)上，变惯量杆臂(9)的轴心线与转轴(11)的轴心线相互垂直，变惯量杆臂(9)上均布有至少三道沿着轴心线方向均匀分布的环形定位槽(18)，质量滑块(8)套装在变惯量杆臂(9)上，所述质量滑块(8)上设置有定位螺孔(20)，定位螺栓(10)穿过质量滑块(8)通过定位螺栓(10)的前端伸入到变惯量杆臂(9)的环形定位槽(18)底部实现质量滑块(8)与变惯量杆臂(9)的位置固定；所述电机驱动控制电路、测功机控制器、角度传感器(6)、动态扭矩传感器均与控制系统电连接，所述电机驱动控制电路与输入伺服电机(1)电连接并控制输入伺服电机的运动，所述测功控制器连接磁滞测功机(13)并控制磁滞测功机的运动；所述实验方法具体包括如下步骤：/n步骤一：控制系统通过电机驱动控制电路控制输入伺服电机(1)的输出，输入伺服电机(1)经过行星齿轮减速器(2)、第一联轴器(3)、动态扭矩传感器(4)、第二联轴器(5)、角度传感器(6)后向转轴(11)传递扭矩，带动变惯量杆臂(9)的转动；/n步骤二：角度传感器6检测转轴(11)转动的角度，并将转轴(11)转动的角度的位置信号反馈到控制系统中；/n利用伺服控制系统矢量控制技术进行坐标变换，即将自然坐标系(ABC)通过clark变换成静止坐标系(α-β)，通过park变换成同步旋转坐标系(d-q)，其中，d轴方向为永磁体励磁磁场方向，q轴方向为垂直于转子磁场方向，在同步旋转坐标系中利用三闭环矢量控制算法，即所述电流控制器的输入为速度控制器输出，所述速度控制器的输入为位置控制器的输出，首先设定i...

【技术特征摘要】
1.一种模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验方法，其特征在于：采用模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验装置，所述模拟工业机器人关节变负载变惯量的实验装置包括控制系统、电机驱动控制电路、测功机控制器、工作台面(17)、输入伺服电机(1)、行星齿轮减速器(2)、第一联轴器(3)、动态扭矩传感器(4)、第二联轴器(5)、角度传感器(6)、双轴承座(7)、变惯量杆臂(9)、第三联轴器(12)、转轴(11)、质量滑块(8)、定位螺栓(10)、磁滞测功机(13)、第一支撑底座(14)、第二支撑底座(15)和第三支撑底座(16)，所述输入伺服电机(1)和行星齿轮减速器(2)均固定在第三支撑底座(16)上，输入伺服电机(1)的输出轴依次连接沿一条直线依次分布的行星齿轮减速器(2)、第一联轴器(3)、动态扭矩传感器(4)、第二联轴器(5)、角度传感器(6)、转轴(11)、第三联轴器(12)和磁滞测功机(13)，所述动态扭矩传感器(4)固定在所述第二支撑底座(15)上，所述转轴(11)通过双轴承座(7)支撑，双轴承座(7)固定在第一支撑底座(14)上；所述第一支撑底座(14)、第二支撑底座(15)和第三支撑底座(16)均固定在工作台面(17)上；所述变惯量杆臂(9)的一端通过键固定安装在转轴(11)上，变惯量杆臂(9)的轴心线与转轴(11)的轴心线相互垂直，变惯量杆臂(9)上均布有至少三道沿着轴心线方向均匀分布的环形定位槽(18)，质量滑块(8)套装在变惯量杆臂(9)上，所述质量滑块(8)上设置有定位螺孔(20)，定位螺栓(10)穿过质量滑块(8)通过定位螺栓(10)的前端伸入到变惯量杆臂(9)的环形定位槽(18)底部实现质量滑块(8)与变惯量杆臂(9)的位置固定；所述电机驱动控制电路、测功机控制器、角度传感器(6)、动态扭矩传感器均与控制系统电连接，所述电机驱动控制电路与输入伺服电机(1)电连接并控制输入伺服电机的运动，所述测功控制器连接磁滞测功机(13)并控制磁滞测功机的运动；所述实验方法具体包括如下步骤：
步骤一：控制系统通过电机驱动控制电路控制输入伺服电机(1)的输出，输入伺服电机(1)经过行星齿轮减速器(2)、第一联轴器(3)、动态扭矩传感器(4)、第二联轴器(5)、角度传感器(6)后向转轴(11)传递扭矩，带动变惯量杆臂(9)的转动；
步骤二：角度传感器6检测转轴(11)转动的角度，并将转轴(11)转动的角度的位置信号反馈到控制系统中；
利用伺服控制系统矢量控制技术进行坐标变换，即将自然坐标系(ABC)通过clark变换成静止坐标系(α-β)，通过park变换成同步旋转坐标系(d-q)，其中，d轴方向为永磁体励磁磁场方向，q轴方向为垂直于转子磁场方向，在同步旋转坐标系中利用三闭环矢量控制算法，即所述电流控制器的输入为速度控制器输出，所述速度控制器的输入为位置控制器的输出，首先设定id＝0，定子电流中只有交轴分量，电磁力矩与交轴电流成线性关系，此时相当于一台直流电动机，简化计算；将测得的位置、速度、q轴电流反馈到位置、速度、电流控制器形成三闭环矢量控制，计算出位置控制所需要的电流，利用电流和电压之间的关系






计算出控制电压，通过SVPWM控制逆变电路开关量控制电压的变化从而控制绕组电压经控制输入伺服电机(1)的输出；
步骤三：在步骤二的过程中动态扭矩传感器(4)始终保持扭矩信号的采集，并将采集到的扭矩信息发送到控制系统中，利用控制系统不断记录扭矩信息；
步骤四：启动磁滞测功机，利用测功机控制系统控制磁滞测功机输出同向或反向的负载扭矩加载到变惯量杆臂(9)上，实现变惯量杆臂(9)的负载变化，该过程中不停的使用动态扭矩传感器(4)采集扭矩信号，并将采集到的扭矩信息发送到控制系统中，利用控制系统不断记录扭矩信息；同时不停的利用角度传感器(6)检测变惯量杆臂(9)转动的角度信息，将角度信息的位置信号反馈到控制系统中，利...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜伟，朱刚，裘信国，季行健，裘锦霄，郑颖，王晨，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33