機器人諧波減速器用柔性軸承試驗機研制

秦永晉，王春月，郭 亮，付力揚

（1.洛陽LYC軸承有限公司技術中心，河南洛陽 471039； 2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南洛陽 471039）

0 引言

隨著“中國制造2025”的全面推進和國內低端制造業的持續招工困難，工業機器人已經成為國內制造業眼中的“靈丹妙藥”，以此作為保持中國制造業競爭優勢的重要手段。諧波減速器是機器人的核心零部件，類似于人的關節，成本占到整臺機器人生產成本的1/3左右。而柔性軸承則是諧波減速器的關鍵部件，減速器的大減比性能就是通過柔性軸承的彈性變形實現的。目前精密諧波減速器主要來自日本企業。與此同時，國家“863”計劃也將其列入重點攻克的技術瓶頸，國產化替代迫在眉睫。

如圖1 所示的剛輪、柔輪、波發生器是機械人諧波減速器的3個基本構件。波發生器由圖2所示的柔性軸承和1個橢圓盤組成，柔性軸承的壽命決定了諧波減速器的壽命，所以軸承是其核心部件，因此主機廠家對機器人諧波減速器用柔性軸承的壽命和性能都提出了非常高的要求。

為了給機器人諧波減速器用柔性軸承的設計，以及給運動姿態、耐久性研究提供原始數據支持，針對軸承在不同的擺動頻率、擺動角度及負載工況，團隊研制了一臺軸承試驗機，其可以模擬機器人的現場工況運行姿態，驗證軸承可以達到用戶的各項要求，為國產化替代打實了基礎。

圖1 機械人諧波減速器

圖2 柔性軸承

1 試驗機功能需求

根據軸承應用場景要求，軸承實際運轉工況應滿足以下主要技術要求，試驗軸承為機器人用諧波柔性軸承；最高轉速40 r/min，可以實現無極調速；軸承在常溫工作；可以實現機器人機械臂負重載荷的多種變化；系統可以實時在線監控軸承的溫度、振動等工作狀態，可以手動和自動控制機器人機械臂擺動頻率和角度，軸承的性能參數可顯示、讀取、處理和儲存；設置系統發生故障時，自動啟動設備自我保護措施。

2 試驗機機械結構

試驗機機械結構如圖3 所示，主體由負重盤、機械臂、減速器、柔性軸承、轉接軸、脹緊套、電機、機架等部分組成[1-2]。

圖3 試驗機機械結構示意圖

圖4 試驗機實物圖

實驗軸承由變頻電機帶動，電機固定于機架上，電機通過脹緊套帶動轉接軸旋轉。此時的電機轉速比較高，還不能模擬現實中機器人的機械臂旋轉的速度。真實工況下，為了減速，工業機器人常常采用減速器來給機械臂減速。而試驗的研究對象柔性軸承就內置于機器人諧波減速器中，將轉接軸通過鍵連接到機器人減速器上即可實現對機械臂的減速。

圖4 所示為試驗機實物圖，擺臂懸掛的負重盤設計了5 kg、10 kg、15 kg 3 種不同質量。試驗是通過控制系統改變自變量：一是電動機的擺動頻率；二是擺動角度；三是負重盤的質量即可實現第3 個自變量的調節，這3 個自變量的調控可以實現對因變量機器人用柔性軸承運動姿態進行監測和反饋，從而達到模擬軸承的現場工況運行姿態試驗目的[3-5]。

3 電氣測控系統設計

測控系統采用了觸控屏和PLC 一體機進行控制，拋棄了鼠標、鍵盤等外置輸入設備，更適合工業現場使用。傳動系統則采用變頻器控制變頻電機。擺臂動力拖動電動機的擺動頻率和角度通過變頻器與PLC 的串口通信來實現控制。系統的啟動和報警、停止通過開關量板控制[6-7]。

軸承的振動、溫度是反饋出軸承運行狀態良好與否的重要指標，通過溫度傳感器、震動傳感器采集數據測出相應溫度和振動的值。以溫度變送器為例，其測量溫度范圍為-50～200 ℃，對應輸出為4～20 mA 電流信號，但是三菱4AD 模擬量模塊的模擬量輸入為0～20 mA。三菱4AD模塊將其電流信號0～20 mA 轉換為0～4000 的數字量。即：4 mA對應數字量為（4000÷20） ×4=800，故 當 輸 入4～20 mA 電流信號給4AD的模擬量輸入端時，4AD模塊轉換的數字量為800～4000。被測溫度Tx與對應轉換的數字量AIWX的關系如圖5所示。

圖5 溫度和數字量關系圖

根據圖5所示的關系可以得到被測溫度Tx公式如下:

測控系統觸摸屏主控制界面如圖6 所示，在此界面可以手動控制機械臂運動，同時還可以觀察試驗機實時數據和溫度振動的波形圖。

圖6 主控制界面

通過觸摸屏幕下方的載荷譜按鈕，頁面會跳轉到如圖7所示的載荷譜界面。在此界面可以設置5步不同的運行參數，在頁面的左邊可以更改擺臂起始角度和載荷譜循環次數。

圖7 載荷譜界面

圖8所示為試驗機報警記錄界面，當電機、溫度、震動3個參數有一項超出預設值，軟件就會發出報警并聯動警示燈和蜂鳴器。軟件可以存儲共200條報警信息，方便對照不同運動狀態下的軸承性能。

圖8 報警記錄界面

圖9 所示為試驗機的歷史數據界面，可以保存日期、軸承型號、擺動頻率、擺動次數、軸承溫度、電機振動、電機電流等7 項數據，5 s 1 次數據采集并實時存儲在USB 閃存驅動器中。在電腦上打開會得到Excel圖表[8-9]。

圖9 歷史數據界面

4 實驗結果驗證

在2020年6月的耐久試驗中，試驗機平穩運行了12000 min，通過對機器人軸承在同一擺臂不同擺角度、頻率和次數下進行試驗，載荷譜與測量值如表1所示。機器人軸承在不同的運行姿態下，軸承的溫度和振動值相對平穩。在第10000 min時節選了單次循環的振動曲線，制作了振動曲線圖如圖10所示，證實試驗數據已經達到軸承設計目的，滿足主機廠家要求。同時試驗機滿足試驗要求，可執行相應試驗動作，整個系統運行可靠。

表1 單次循環載荷譜實驗數據

圖10 振動曲線

5 結束語

工業機器人諧波減速器用柔性軸承試驗機采用臥式結構，可以模擬諧波減速器用柔性軸承的實際運行姿態，可替換10 kg、15 kg、20 kg 3種不同質量的負重盤。測控系統采用觸摸屏PLC 一體機，操作界面友好且易學易用。可以測量軸承的溫度、振動數值，系統具備自動控制、采集數據信息的能力，達到預設試驗性能，為機器人軸承的研制和工藝改進提供有力的評判依據和數據支持[10]。