六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法技术

本发明专利技术公开了六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法。现有针对伺服电机的测试不能模拟工业机器人多轴伺服驱动系统实际受力时的工作情况。本发明专利技术步骤如下：各工业机器人用伺服电机的安装及空载测试；不同负载惯量下的测试；模拟工业机器人六轴联动的测试；模拟工业机器人六轴联动中伺服电机的急转急停性能测试；复杂工况作用时的工业机器人六轴联动测试；工业机器人六轴联动系统无故障工作时间预测。本发明专利技术能模拟出六轴联动工业机器人用伺服电机在实际工作过程中的受力多变情况，能进行无故障时间的测试，满足机器人实际工作需要。

Comprehensive test method of service performance of servo motor for six axis industrial robot

【技术实现步骤摘要】
六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法
本专利技术属于工业机器人多轴系统可靠性测试领域，特别涉及一种六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法。
技术介绍
工业机器人因其具有多关节的机械手或多自由度，自动化程度高、对环境适应性强，广泛应用于焊接、搬运、压力铸造等领域，随着其工作环境的多变性和恶劣性的变化，对工业机器人的可靠性要求越来越高。而其多轴伺服驱动系统作为工业机器人的核心零部件，其可靠性直接关系到工业机器人的运行情况，在多工况下的可靠性测试就越来越重要。目前，针对伺服电机的服役性能有一些较为成熟的测试方案，如申请专利号为CN201910461139.9的专利技术专利公开了一种针对伺服电机在粉尘环境下工作时的可靠性测试装置及方法，并且采用了加速寿命实验方法，对待测伺服电机进行了在粉尘环境下的可靠性测试，降低了试验周期；如申请专利号为CN201810516556.4的专利技术专利公开了一种伺服电机可靠性测试加载装置及方法，该装置在测试过程中可以模拟出伺服电机在真实情况下的受力情况，可以降低伺服电机的测试成本，并且分析了电机的损坏机理，对伺服电机的性能有所提高；申请专利号为CN201620655521.5的技术专利公开了一种十轴电机空载测试系统，是一种以SERCOS总线为主、以CAN总线备用的，其伺服控制器采用双处理器的多轴联动伺服控制系统，可以减小串行通讯和控制器处理出现延时误差的问题，可以提高系统的同步性能；申请专利号为CN201822170838.1的技术专利公开了一种基于PLC控制的伺服电机两轴联动系统，可以通过PLC对该系统接受的参数数据进行伺服电机两轴联动控制，响应快速，可以实现精确定位；以上测试方式中，针对伺服电机的测试或基于单轴测试的加载测试，或基于多轴测试的空载测试或者通信方式测试，并没有针对多轴测试给出具体的测试方法和测试装置，不能模拟工业机器人多轴伺服驱动系统实际受力时的工作情况，测试出的伺服电机可靠性不一定符合工业机器人多轴联动的要求，造成工业机器人多轴系统使用过程中出现各种故障。因此，有必要设计出一种对工业机器人多轴伺服系统进行服役性能测试的可靠性专用测试平台，对现有多轴系统进行多工况的测试。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种可模拟工业机器人六轴联动复杂工况的伺服电机服役性能综合测试方法。该方法是一种通过逆解工业机器人各关节受载特性，设定各驱动轴不同负载水平的伺服电机服役性能测试方法，是一种根据工业机器人六轴联动运动特性，设定各驱动轴不同运动参数的伺服电机服役性能测试方法，是一种通过多轴伺服电机基于联动工况下同时测试，加速预估平均无故障工作时间的伺服电机服役性能测试方法。本专利技术六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法，具体如下：步骤一、各工业机器人用伺服电机的安装及空载测试；1.1将一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机和一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均固定在一号安装底板上；一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘上均开有沿周向均布的六个矩形调节槽；一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的信号输出端与数据采集仪分别通过一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块连接；数据采集仪连接电脑；一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块、电脑和数据采集仪均固定在二号安装底板上；一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均与PLC连接；触摸屏与PLC连接，用来输入指令；PLC和触摸屏均固定在电控箱顶部，电控箱固定在一号安装底板上；电控箱顶部还设有一键启停电控开关；其中，一键启停电控开关对PLC、触摸屏、数据采集仪、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机、一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器以及一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块同时通断电。1.2一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输出轴均水平设置，且与一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输入轴分别通过一个联轴器连接；一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器与一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机分别连接。1.3一键启停电控开关控制通电，通过触摸屏控制PLC，PLC对一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器发出转动信号，从而控制一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机均连续正转48小时，其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值，匀速阶段的速度也为额定值。进行工况数据采集，工况数据包括工业机器人用伺服电机的输出扭矩和输出转速；然后在电脑上观察各工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况，并记录下48小时中最后20秒的工况数据，对该20秒的工况数据进行工况数据处理。1.4若这48小时中最后20秒内测得的某些工业机器人用伺服电机的输出扭矩或输出转速的波动率与各自出厂标定值差值相比超过0.5％，表明这些工业机器人用伺服电机不满足测试要求，一键启停电控开关控制断电，将不满足测试要求的工业机器人用伺服电机更换成新的工业机器人用伺服电机，与对应的动态转速/扭矩传感器通过联轴器连接，然后回到步骤1.2，直至筛选出六台性能相近的工业机器人用伺服电机，否则直接执行下一步。1.5记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率，作为空载测试基准值，然后执行下一步。步骤二、不同负载惯量下的测试；2.1一键启停电控开关控制断电，将一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输出轴与一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘分别固定；在一号法兰盘上周向呈180°的两个矩形调节槽处均固定质量块，在二号法兰盘上周向均布的四个矩形调节槽处均固定质量块，在三号法兰盘上周向均布的六个矩形调节槽处均固定质量块，在四号法兰盘上的矩形调节槽处固定质量块，在五号法兰盘上周向非均布的三个矩形调节槽处均固定质量块，在六号法兰盘上周向非均布的五个矩形调节槽处均固定质量块；所有质量块的材质、质量和大小均相同，且各质量块与对应位置处工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等。2.2一键启停电控开关控制通电，通过触摸屏控制PLC，PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续测试48小时，其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值，匀速阶段的速度为额定值的三分之二，进行工况数据采集，将工况数据通过数据采集仪传输到电脑观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况，并对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理，记录这48小时中最后20秒内各工业机器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法，其特征在于：该方法具体如下：/n步骤一、各工业机器人用伺服电机的安装及空载测试；/n1.1将一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机和一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均固定在一号安装底板上；一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘上均开有沿周向均布的六个矩形调节槽；一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的信号输出端与数据采集仪分别通过一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块连接；数据采集仪连接电脑；一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块、电脑和数据采集仪均固定在二号安装底板上；一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均与PLC连接；触摸屏与PLC连接，用来输入指令；PLC和触摸屏均固定在电控箱顶部，电控箱固定在一号安装底板上；电控箱顶部还设有一键启停电控开关；其中，一键启停电控开关对PLC、触摸屏、数据采集仪、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机、一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器以及一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块同时通断电；/n1.2一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输出轴均水平设置，且与一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输入轴分别通过一个联轴器连接；一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器与一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机分别连接；/n1.3一键启停电控开关控制通电，通过触摸屏控制PLC，PLC对一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器发出转动信号，从而控制一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机均连续正转48小时，其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值，匀速阶段的速度也为额定值；进行工况数据采集，工况数据包括工业机器人用伺服电机的输出扭矩和输出转速；然后在电脑上观察各工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况，并记录下48小时中最后20秒的工况数据，对该20秒的工况数据进行工况数据处理；/n1.4若这48小时中最后20秒内测得的某些工业机器人用伺服电机的输出扭矩或输出转速的波动率与各自出厂标定值差值相比超过0.5％，表明这些工业机器人用伺服电机不满足测试要求，一键启停电控开关控制断电，将不满足测试要求的工业机器人用伺服电机更换成新的工业机器人用伺服电机，与对应的动态转速/扭矩传感器通过联轴器连接，然后回到步骤1.2，直至筛选出六台性能相近的工业机器人用伺服电机，否则直接执行下一步；/n1.5记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率，作为空载测试基准值，然后执行下一步；/n步骤二、不同负载惯量下的测试；/n2.1一键启停电控开关控制断电，将一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输出轴与一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘分别固定；在一号法兰盘上周向呈180°的两个矩形调节槽处均固定质量块，在二号法兰盘上周向均布的四个矩形调节槽处均固定质量块，在三号法兰盘上周向均布的六个矩形调节槽处均固定质量块，在四号法兰盘上的矩形调节槽处固定质量块，在五号法兰盘上周向非均布的三个矩形调节槽处均固定质量块，在六号法兰盘上周向非均布的五个矩形调节槽处均固定质量块；所有质量块的材质、质量和大小均相同，且各质量块与对应位置处工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等；/n2.2一键启停电控开关控制通电，通过触摸屏控制PLC，PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续测试48小时，其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值，匀速阶段的速度为额定值的三分之二，进行工况数据采集，将工况数据通过数据采集仪传输到电脑观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况，并对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理，记录这48小时中最后20秒内各工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率，执行一次服役性能评测过程，若服役性能评测满足要求，则执行下一步，否则一键启停电控开关控制断电，拆下六个法兰盘，更换新的六台工业机器人用伺服电机，重复一次步骤1.2，然后回到步骤2.1；/n步骤三、模拟工业机器人六轴联动的测试；/n3.1负载参数...

【技术特征摘要】
1.六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法，其特征在于：该方法具体如下：
步骤一、各工业机器人用伺服电机的安装及空载测试；
1.1将一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机和一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均固定在一号安装底板上；一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘上均开有沿周向均布的六个矩形调节槽；一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的信号输出端与数据采集仪分别通过一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块连接；数据采集仪连接电脑；一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块、电脑和数据采集仪均固定在二号安装底板上；一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器均与PLC连接；触摸屏与PLC连接，用来输入指令；PLC和触摸屏均固定在电控箱顶部，电控箱固定在一号安装底板上；电控箱顶部还设有一键启停电控开关；其中，一键启停电控开关对PLC、触摸屏、数据采集仪、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器、一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机、一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器以及一号、二号、三号、四号、五号、六号单路信号转换模块同时通断电；
1.2一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机的输出轴均水平设置，且与一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输入轴分别通过一个联轴器连接；一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器与一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机分别连接；
1.3一键启停电控开关控制通电，通过触摸屏控制PLC，PLC对一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服驱动器发出转动信号，从而控制一号、二号、三号、四号、五号、六号工业机器人用伺服电机均连续正转48小时，其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值，匀速阶段的速度也为额定值；进行工况数据采集，工况数据包括工业机器人用伺服电机的输出扭矩和输出转速；然后在电脑上观察各工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况，并记录下48小时中最后20秒的工况数据，对该20秒的工况数据进行工况数据处理；
1.4若这48小时中最后20秒内测得的某些工业机器人用伺服电机的输出扭矩或输出转速的波动率与各自出厂标定值差值相比超过0.5％，表明这些工业机器人用伺服电机不满足测试要求，一键启停电控开关控制断电，将不满足测试要求的工业机器人用伺服电机更换成新的工业机器人用伺服电机，与对应的动态转速/扭矩传感器通过联轴器连接，然后回到步骤1.2，直至筛选出六台性能相近的工业机器人用伺服电机，否则直接执行下一步；
1.5记录这48小时中最后20秒内六台工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率，作为空载测试基准值，然后执行下一步；
步骤二、不同负载惯量下的测试；
2.1一键启停电控开关控制断电，将一号、二号、三号、四号、五号、六号动态转速/扭矩传感器的输出轴与一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘分别固定；在一号法兰盘上周向呈180°的两个矩形调节槽处均固定质量块，在二号法兰盘上周向均布的四个矩形调节槽处均固定质量块，在三号法兰盘上周向均布的六个矩形调节槽处均固定质量块，在四号法兰盘上的矩形调节槽处固定质量块，在五号法兰盘上周向非均布的三个矩形调节槽处均固定质量块，在六号法兰盘上周向非均布的五个矩形调节槽处均固定质量块；所有质量块的材质、质量和大小均相同，且各质量块与对应位置处工业机器人用伺服电机轴心的距离均相等；
2.2一键启停电控开关控制通电，通过触摸屏控制PLC，PLC对各工业机器人用伺服驱动器发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续测试48小时，其中各工业机器人用伺服电机加速阶段的加速度和减速阶段的加速度均为额定值，匀速阶段的速度为额定值的三分之二，进行工况数据采集，将工况数据通过数据采集仪传输到电脑观察这六台工业机器人用伺服电机在这48小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况，并对48小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理，记录这48小时中最后20秒内各工业机器人用伺服电机的输出扭矩均值、输出转速均值、输出扭矩标准差、输出转速标准差、输出扭矩最大值、输出转速最大值、输出效率，执行一次服役性能评测过程，若服役性能评测满足要求，则执行下一步，否则一键启停电控开关控制断电，拆下六个法兰盘，更换新的六台工业机器人用伺服电机，重复一次步骤1.2，然后回到步骤2.1；
步骤三、模拟工业机器人六轴联动的测试；
3.1负载参数设定
一键启停电控开关控制断电，选取六自由度工业机械臂成品，将六台工业机器人伺服电机的编号与六自由度工业机械臂驱动关节编号对应，一号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节，二号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节，三号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节，四号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节，五号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节，六号工业机器人用伺服电机对应六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节；然后，在各法兰盘上的每个矩形调节槽处均固定质量块；最后，分别在测试空载工况和测试负载工况，从六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节向六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节反推，求解六自由度工业机械臂驱动关节的各关节负载惯量和负载力矩；
①六自由度工业机械臂成品在测试空载工况时：
六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的负载惯量和负载力矩分别为：



式(1)中，m6为六自由度工业机械臂驱动关节的第六机械臂的质量，r6为六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的回转半径；
六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的负载惯量和负载力矩分别为：



式(2)中，m5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五机械臂的质量，r5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的回转半径，l5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节回转中心到第六关节回转中心的距离，g为重力加速度，θ5为六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节与水平方向的夹角；
六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的负载惯量和负载力矩分别为：



式(3)中，m4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四机械臂的质量，r4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的回转半径，l4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节回转中心到第五关节回转中心的距离，θ4为六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节与水平方向的夹角；
六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节的负载惯量和负载力矩分别为：



式(4)中，m3为六自由度工业机械臂驱动关节的第三机械臂的质量，l3为六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节回转中心到第四关节回转中心的距离，θ3为六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节与水平方向的夹角；
六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节的负载惯量和负载力矩分别为：



式(5)中，m2为六自由度工业机械臂驱动关节的第二机械臂的质量，l2为六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节回转中心到第三关节回转中心的距离，θ2为六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节与水平方向的夹角；
六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的负载惯量和负载力矩分别为：



式(6)中，m1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一机械臂的质量，r1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的回转半径，l1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节回转中心到第二关节回转中心的距离，θ1为六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节与水平方向的夹角；
②六自由度工业机械臂成品在测试负载工况时：
六自由度工业机械臂驱动关节的各关节负载惯量和负载力矩分别为：
六自由度工业机械臂驱动关节的第六关节的负载惯量和负载力矩分别为：



式(7)中，M为六自由度工业机械臂的第六机械臂所搭载的负载质量；
六自由度工业机械臂驱动关节的第五关节的负载惯量和负载力矩分别为：



六自由度工业机械臂驱动关节的第四关节的负载惯量和负载力矩分别为：



六自由度工业机械臂驱动关节的第三关节的负载惯量和负载力矩分别为：



六自由度工业机械臂驱动关节的第二关节的负载惯量和负载力矩分别为：



六自由度工业机械臂驱动关节的第一关节的负载惯量和负载力矩分别为：



3.2计算出六自由度工业机械臂驱动关节的各关节的负载惯量和负载力矩后，调节每个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离，调节后保证同一法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离相等，或所有法兰盘上的各矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到对应位置工业机器人用伺服电机轴心的距离相等，改变每个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块个数，使得各工业机器人伺服电机的负载惯量和负载扭矩与六自由度工业机械臂驱动关节的对应编号关节的负载惯量和负载力矩分别相等；
其中，在每个法兰盘上调节各矩形调节槽处质量块位置后，计算对应工业机器人用伺服电机所受负载惯量JLi和负载扭矩TLi如下：



式(13)中，JLi为第i个工业机器人用伺服电机的负载惯量，TLi为第i个...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙臻，周晶，倪敬，陈星，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33