[发明专利]六轴工业机器人用伺服电机服役性能综合测试方法

权利要求书

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；若这48小时中最后20秒内测得的各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均未超过0.5％，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J_Li和负载扭矩T_Li如下：

式(13)中，J_Li为第i个工业机器人用伺服电机的负载惯量，T_Li为第i个工业机器人用伺服电机的负载力矩，L_i为第i个工业机器人用伺服电机对应位置法兰盘上的每个矩形调节槽处各质量块组成的组件质心到第i个工业机器人用伺服电机轴心的距离，a₁，a₂，……，a₆分别为法兰盘上各矩形调节槽处的质量块个数，m为单个质量块的质量，d为质量块的边长，α为法兰盘的其中一个矩形调节槽处质量块质心和对应位置工业机器人用伺服电机轴心连接与竖直方向的夹角，α初始值为0；

3.3一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，从而控制各工业机器人用伺服电机完成持续正反转，其中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，匀速阶段速度为伺服电机额定速度的三分之二，连续测试4小时，进行工况数据采集，通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机在这4小时内的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况，对4小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理，记录这4小时中最后20秒内6组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；进行一次服役性能评测，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；

步骤四、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；

4.1一键启停电控开关控制断电，在所有法兰盘上的各矩形调节槽处均固定相同数量的质量块，且每个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均相等；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驱动器给六个工业机器人用伺服电机设置加速阶段的加速度分别为各工业机器人用伺服电机加速阶段的额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍，减速阶段的加速度仍为各工业机器人用伺服电机减速阶段的额定加速度，而将运行速度设置为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二，各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转48小时；

4.2进行工况数据采集，并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据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，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，进行一次服役性能评测，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；

4.3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驱动器给六个工业机器人用伺服电机设置加速度分别为各工业机器人用伺服电机额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍，设置减速阶段的加速度分别为各工业机器人用伺服电机减速阶段额定加速度的1倍、1.1倍、1.3倍、1.5倍、1.7倍、1.9倍中的任意一种，而将匀速段运行速度设置为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二，一号、二号、三号伺服电机运行规律为持续正转，四号、五号、六号伺服电机运行规律为持续正反转，连续记录48小时；

4.4进行工况数据采集，并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据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，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，进行一次服役性能评测，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；

步骤五、复杂工况作用时的工业机器人六轴联动测试；

5.1一键启停电控开关控制断电，在一号、二号、三号、四号、五号、六号法兰盘上的每个矩形调节槽处均固定质量块；同一个法兰盘上的各矩形调节槽处质量块数量相等，同一个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均相等；不同法兰盘上的每个矩形调节槽处质量块数量分别为1个、2个、3个、4个、5个、6个，每个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分别为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm，将各工业机器人用伺服电机的加速阶段的加速度和减速阶段的加速度设为各工业机器人用伺服电机额定加速度的1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍，将匀速段运行速度设为各工业机器人用伺服电机额定速度的三分之二，各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转；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；

5.2进行工况数据采集，并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据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，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；

步骤六、工业机器人六轴联动系统无故障工作时间预测；

一键启停电控开关控制断电，拆下六个法兰盘，更换新的六个工业机器人用伺服电机，重复一次步骤1.2；然后将各工业机器人用伺服电机运行时的匀速段速度设为各工业机器人用伺服电机的额定速度，加速阶段的加速度和减速阶段的加速度也均设为各工业机器人用伺服电机的额定值，各工业机器人用伺服电机运行规律为持续正反转；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电机发出转动信号控制各工业机器人用伺服电机连续转动测试40天，并通过数据采集仪传输到电脑上的工况数据观察这六台工业机器人用伺服电机的输出转速、输出扭矩运行曲线及数据波动情况，每隔24小时采集20秒六台工业机器人用伺服电机的输出转矩和输出转速数据，对24小时内最后20秒工况数据进行工况数据处理，并将这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、输出效率均与空载测试基准值比较，当误差均超过5％时，说明六台工业机器人用伺服电机均出现明显的波动，即证明六台工业机器人用伺服电机均开始出现故障；如果在这40天内六台工业机器人用伺服电机都没有出现故障，则继续测试直至六台工业机器人用伺服电机均出现故障，然后计算出每台工业机器人用伺服电机的故障率，从而计算这六台工业机器人用伺服电机平均无故障工作时间。