机器人精密摆线减速器的寿命试验装置和方法与流程

本发明涉及机器人用精密减速器寿命试验技术领域，具体涉及一种机器人精密摆线减速器的寿命试验装置和方法。

背景技术：

众所周知，减速器是工业机器人最重要的基础部件，每个关节都需要用到不同的减速器产品。作为机器人最重要的三大部件之一，减速器的成本甚至占到了整个机器人的30％以上，而目前国内机器人精密减速器8成以上却依赖进口。目前的高精度机器人减速器以日本的谐波和rv为主，其共同特点是小体积、大传动比、高精度、高扭矩。国内目前有多家制造企业开始对机器人精密减速器的结构、制造、加工工艺进行创新创造，也诞生了诸如谐波、摆线针轮、机器人关节减速器等多款拥有自主知识产权的产品。

近年来，少齿差行星减速器由于其结构形式简单、传动比大、传动效率高、体积小等诸多优点，在近些年吸引了众多企业的目光，同时也得到了飞速发展。以日本rv、斯洛伐克spinea为首的通过摆线针轮结构实现的机器人精密减速器得到了广泛的应用。但是在这种减速器作为空间机构中传动系统的核心部件，工作时常常承受巨大的负载，并且常常会不间断地工作，故对其工作时的可靠性也必须严格要求。普通的精密减速器单价常常可以达到几千元甚至上万元，如果正常工作时突然失效或者在没有时刻关注时退化失效都会给维修或者保障带来巨大的麻烦，甚至带来巨大的经济损失。

国内虽然也有几款不同结构的减速器出现，但由于寿命周期一般较长、减速器寿命退化理论研究不足、基于传动效率的退化模型限制等诸多因素，使得对于该类减速器的寿命测试和预测成为行业难题。该环节的缺失或不完善导致国内的减速器在可靠性、寿命稳定性上与国外产品差距巨大，没有科学的寿命测试过程也就无法对制造和加工工艺形成有效的正反馈。因而建立一套科学合理的机器人精密摆线减速器寿命预测模型和试验方法，具有重要的研究和产业意义，也是加快我国自主机器人减速器产业发展的必要环节。

常规的减速器或其他机械部件寿命试验过程中，载荷是通过加载装置单次加载，这会使得载荷在经过长时间运行后发生变化；现有的针对减速器可靠性寿命的研究主要是基于传动效率退化模型，缺少对传动精度、振动、温度等多指标的综合考虑；机器人精密摆线减速器一般寿命时间较长，进行常规的寿命试验需要花费很长的时间和成本，因此需要可靠的加速退化试验理论与方法来进行加速退化试验。

有鉴于此，需要对现有技术进行改进，以满足目前对机器人用精密减速器试验装置的使用要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种机器人精密摆线减速器的寿命试验装置和方法，针对机器人精密摆线减速器的寿命试验问题，以力图解决或至少缓解上面存在的问题，通过加速退化试验大大缩短了试验周期，进而能够在较短的代价下实现对精密摆线减速器寿命的精确评估。

为实现上述目的，发明提供如下技术方案：

一种机器人精密摆线减速器的寿命试验装置，所述减速器为包括输入法兰、摆线齿轮、偏心轴、传动元件、输出法兰的一级或多级传动的机器人用精密摆线减速器。

进一步的，所述寿命试验装置主要包括控制柜、控制器、数据采集器、计算机、显示器、工作台、驱动电机、联轴器、输入端扭矩传感器、输入端角度传感器、减速器支撑基座、减速器、输出端角度传感器、输出端扭矩传感器、加载装置、加速度传感器和温度传感器。

进一步的，在工作台上设置两条滑轨，驱动电机和加载装置可通过自身的底座在滑轨上移动，在驱动电机和加载装置中间固定减速器支撑基座，在减速器支撑基座上设置减速器。

本发明还提供一种对应于上述机器人精密摆线减速器的寿命试验装置的试验方法，所述方法包括以下步骤：

1)实验前检查各待测样品所处试验条件是否一致，选择符合试验要求的数据采集设备；

2)进行精密摆线减速器的加速退化试验，确定样本数量、失效阈值以及试验截尾数；

3)采集试验过程中性能退化量、失效前转数、采样频率、振动、温度的试验数据；

4)根据试验数据获取性能退化曲线，并对性能衰退曲线进行拟合，建立退化模型；

5)计算失效阈值所对应的伪失效寿命；

6)根据失效寿命分布结果，利用图估计法对精密摆线减速器失效的weibull分布参数进行估计；

7)计算正常工况下精密摆线减速器的基本额定寿命的试验值(l10t)、中值额定寿命的试验值(l50t)和在标称额定寿命(l10h)下的可靠度(re)等可靠性指标；

8)根据减速器的可靠性指标对样品寿命进行评估和预测。

附图说明

图1为本发明的待测机器人精密摆线减速器的结构示意图。

图2为本发明的机器人精密摆线减速器的寿命试验装置台架示意图。

图3为本发明的寿命试验装置控制柜正面示意图。

图4为本发明的寿命试验装置控制柜背面示意图。

图5为本发明的机器人精密摆线减速器的寿命试验装置台架示意图。

图6a-e为本发明的五种常见性能退化曲线示意图。

图7a，b为本发明的不同参数下weibull分布曲线及其相应参数拟合为线性分布的weibull坐标图。

(注意：附图中的所示结构只是为了说明发明特征的示意，并非是要依据附图所示结构。)

具体实施方式

如图1所示，根据本发明所述的机器人精密摆线减速器的寿命试验装置，主要应用于待测机器人精密摆线减速器，图1并未完整展示减速器的所有零部件。

如图1所示的待测机器人精密摆线减速器，主要包括密封圈1、端盖2、输出法兰3、交叉滚子轴承4、传动元件5、滚针轴承6、偏心轴7、滚针8、摆线齿轮9、壳体10和输入法兰11。

上述偏心轴7位于壳体10的内部，两侧设置有摆线齿轮9，摆线齿轮9的两边设置有传动元件5，传动元件分别连接于端盖2和输出法兰3和输入法兰11。

在图1所示的实施例中，传动元件5为一种盘式结构。在其他实施例中，待测减速器可以为包含输入法兰、输出法兰、传动元件、偏心轴、摆线齿轮几个核心部件的其他结构的一级或多级传动的机器人用精密摆线减速器，传动元件也可以是针式、十字型等其他结构。

如图2-4所示，根据本发明所述的机器人精密摆线减速器的寿命试验装置，主要包括控制柜12、控制器13、数据采集器14、计算机15、显示器16、工作台17、驱动电机18、联轴器19、输入端扭矩传感器20、输入端角度传感器21、减速器支撑基座22、减速器23、输出端角度传感器24、输出端扭矩传感器25、加载装置26、加速度传感器27和温度传感器28。

其中，如图2所示的台架结构中，在工作台17上设置两条滑轨，驱动电机18和加载装置26可通过自身的底座在滑轨上移动。在驱动电机18和加载装置26中间固定减速器支撑基座22，在减速器支撑基座22上设置减速器23。

输入端联轴器19连接驱动电机18输出轴和输入端扭矩传感器21，输出端联轴器19连接减速器23输出轴和输出端扭矩传感器25；输入端角度传感器21安装于减速器23输入轴上，输出端角度传感器24安装于减速器23输出轴上，加速度传感器27通过m6螺栓固接在减速器支撑基座表面，温度传感器28的弹性测头由减速器支撑基座22上的安装孔安装于减速器23外表面。

如图3和图4所示，控制器13的控制线与驱动电机18和加载装置26相连，所有传感器的电源、输入、输出信号线连接于数据采集器14上，数据采集器14通过rj45或其他通讯方式(串口、总线等)与计算机15相连。控制器13、数据采集器14、计算机15、显示器16均固定于控制柜12中。

参见图5所示，根据本发明所述的机器人精密摆线减速器的寿命试验装置，其方法主要包括以下步骤：

(1)试验条件一致性检查；

(2)精密摆线减速器加速退化试验；

(3)精密摆线减速器性能退化数据采集；

(4)性能衰退曲线拟合并建立退化模型；

(5)根据失效阈值计算失效寿命；

(6)确定失效寿命分布，估计weibull分布参数；

(7)计算正常工况下精密摆线减速器的可靠性指标；

(8)寿命预测和性能评估。

其中：

步骤(1)具体为试验前的检查准备工作，试验前必须熟知待测精密摆线减速器可能的失效模式、失效原因及故障类型等；检查各待测样品所处试验条件是否一致，选择符合试验要求的数据采集设备，检查上述试验装置的安装方式、安装精度、设备状态；确认各试验减速器相同且无破裂损坏，各试验减速器的条件一致性。

步骤(2)和(3)具体是进行精密摆线减速器的加速退化试验和实验过程数据采集。在进行加速退化试验时，需要确定所需样本数量、失效阈值、截尾方式、加速应力、加速因子、加速退化模型、所需采集数据类型(性能退化量、失效前转数、采样频率、振动、温度)等。

上述加速退化试验中的性能退化量，包括减速器传动精度和传动效率两个参数，其检测及计算方法方法分别为：

传动精度：以一定的采样频率测量减速器输入轴与输出轴转角，然后计算得到连续的传动精度数据。计算传动精度采用公式其中为输出轴转角(弧分)，为输入轴转角(弧分)，i为传动比。该参数的失效阈值为传动误差超过c级(>3弧分)，即γ＜50％。

传动效率：以一定的采样频率测量减速器输入轴与输出轴转矩，然后计算得到连续的传动效率数据。计算传动效率采用公式其中η为传动效率，t0为输出转矩，ti为输入转矩，i为传动比。该参数的失效阈值为传动效率变化幅度超过5％。

本实施例中，抽样测试样本数量根据试验类型(鉴定、验收、测定)和抽样理论来确定；采用性能退化量失效阈值来决定减速器寿命失效阈值；采用恒定扭矩作为加速应力；所需采集数据类型主要有传动精度、传动效率、失效前转数、采样频率、振动、温度。在其他实施例中，可采用结构断裂、外观破损、功能失效等其他指标作为失效阈值，同样可以判断样本失效；也可采用振动有效值、表面温度等其他指标作为性能退化量；亦可采用步进、序进的温度、转速、润滑等其他应力方式作为试验的加速应力；采集的数据也可以包括其他数据类型比如动态刚度、噪声、转速等。

步骤(4)具体是根据试验数据获取性能退化曲线，并对性能退化曲线模型进行拟合，建立退化模型。

上述性能退化曲线，是每隔一段时间对每一个样本进行性能退化原始数据的采集，分析出其性能退化量，并进行整理记录，直到单个样本性能退化到预定失效阈值时停止。这样以采集时间为横坐标，性能退化量(性能指标)为纵坐标绘制坐标图即得到性能退化曲线。

本实施例中，退化模型的性能退化曲线纵坐标参数采用步骤(3)中两个参数中的先失效者，且常用的退化模型根据实测情况取自以下模型之一：

其中，d(t)为待测减速器的性能指标，t为运转时间，α、β为退化模型的未知参数，五种退化曲线参照图6a-e所示，对性能退化曲线进行拟合时采用最小二乘法。在其他实施例中，也可采用基于poisson过程、wiener-einstein过程等其他的退化模型来拟合曲线，拟合过程亦可采用数值拟合等其他方式。

步骤(5)具体为计算正常工作状态下的失效阈值所对应的伪失效寿命li。对于同一类的产品，其性能的退化趋势大体上来说是一致的，也就是可以认为选取同样形式的曲线去描述同一类产品的性能退化理论上成立。根据步骤(4)中的模型和步骤(3)中的加速退化试验，我们可以得到所测样品的实际退化轨迹(图6中的某一个或其他轨迹)，以该曲线作为正常工作状态下待测样品的退化曲线，这样通过较短周期的数据就可以得到正常工作状态下退化曲线的相关参数α、β，再将上述失效阈值带入模型中，即可计算得出若干组样品的正常工作状态下的伪失效寿命。

步骤(6)具体是根据失效寿命分布结果，利用图估计法对精密摆线减速器失效的weibull分布参数进行估计。

上述weibull分布图估计，是以各组试验的测试的伪失效寿命li为横坐标，失效概率f(li)＝(i-0.3)/(n+0.4)为纵坐标，在weibull坐标纸上配置weibull分布直线并进行参数估计。图7a和图7b分别示出了不同参数下weibull分布曲线及其相应参数拟合为线性分布的weibull坐标图，7a为原始weibull分布，7b为weibull坐标纸上的等效直线分布，根据直线分布可以求出weibull分布的参数v、b。

本实施例中，所采用的weibull分布为二参数weibull模型用图估计法为分布的参数进行估计。在其他实施例中，也可采用三参数weibull、指数分布等其他分布模型，亦可采用极大似然估计等其他方法直接求解分布参数。

步骤(7)具体为计算正常工况下精密摆线减速器的基本额定寿命的试验值(l10t)、中值额定寿命的试验值(l50t)和在标称额定寿命(l10h)下的可靠度(re)等可靠性指标。

上述基本额定寿命的试验值(l10t)为失效概率f(l)＝0晦1时的寿命l，中值额定寿命的试验值(l50t)为失效概率f(l)＝0晦5时的寿命l，可靠度(re)为在标称额定寿命(l10h)下的有效概率1-f(l10h)。

步骤(8)具体为根据步骤(7)中所计算机器人精密摆线减速器的可靠性指标，对样品寿命进行预测和评估。在得到上述参数后，评估l10t/l10h、re等参数是否符合相关标准、产品文件、合同协议的规定。

根据本发明所述的机器人精密摆线减速器的寿命试验装置和方法，与传统的机器人精密摆线减速器的寿命试验装置和方法相比，具有以下特点：

(1)控制器对加载装置的反馈控制，实现了对加速器的精确加载，便于进行减速器的加速退化试验，可以获得更为平稳的负载转矩，同时为指定载荷谱下的寿命试验提供了可能；

(2)通过多传感器采集减速器的传动精度、传动效率、振动、温度数据，根据短板理论融合得到减速器的性能退化指标，综合考虑了减速器在运行过程中的精度失效和效率失效，降低了单一参数失效评判的偶然因素影响，提高减速器退化评估的精度；

(3)加速退化试验的引入使得这类长寿命周期的减速器寿命试验变为可行，在尽量少损失寿命评估精度的条件下，大大缩短试验周期、降低试验成本。在机器人精密摆线减速器的寿命研究和试验中具有重要的应用价值。

以上所述，仅为发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，凡在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。