机器人精密减速器传动性能测试技术及系统研究

摘要

精密减速器是工业机器人的核心部件，其性能指标的测试与评价是精密减速器批量化生产与工业应用亟需解决的关键问题。随着国家中长期发展规划的明确指导和机器人精密减速器国产化批量化的逐步深入，精密减速器传动性能测试水平有了明显的提高，但是与国际先进水平相比，在测试基础理论、测试与评价关键技术和高精度高可靠测试系统等方面仍然存在较大差距，严重制约了我国机器人精密减速器行业的发展。　　本文以提升机器人精密减速器传动性能测试水平为出发点，系统地开展机器人精密减速器传动性能测试基础理论、测试系统误差分析与补偿方法等关键技术的研究，并以此为基础开展高精度传动性能测试系统的研究。相关内容对提高传动性能测试的准确性和可靠性，实现精密减速器传动性能测试技术突破性的发展，具有十分重要的理论意义及广泛的工程应用前景。论文主要工作可概括如下：　　①从转角、扭矩和转速三种物理量表征的角度对性能指标进行了分类，分析了台架式测试系统中系统结构误差和测试原理误差对角度、扭矩等基本物理量测量的影响；提出了精密减速器传动性能指标测试的参数化表征模型，并给出了测试系统的分类方法，建立了包含测量误差项的传动误差、扭转特性和传动效率测试系统原理模型和指标评价表达式；针对系统结构误差和原理误差对测试精度的影响，提出了整体式测试系统结构设计思想，给出了整体式结构设计原则。　　②分析了测试系统中零件制造误差、装配误差和变形误差间的作用关系，建立了存在几何误差下实际测量点的角度测量数学模型，提出了考虑结构因素的测试系统误差建模流程；以典型的精密减速器性能测试系统为例进行了系统误差建模，根据多体系统建模基础和系统几何误差间的作用关系，建立了各相邻体间的特征矩阵、误差矩阵和系统几何误差作用下的实际测量点数学模型，并结合所建立的角度测量数学模型和包含误差项的性能指标表达式，提出了测试系统误差预估与补偿方法。　　③阐述了整体式扭转特性测试系统的结构设计方法，研制了整体式扭转特性测试系统，包括机械系统、控制与测试软件；设计了一种自锁式大扭矩加载系统以提高扭矩加载的稳定性和连续性，提出了一种基于混合插值的测试数据实时处理方法；基于所提出的系统误差预测模型，结合测试系统零件检验数据，对扭转特性测试系统进行误差分析和补偿，并运用自准直仪对角度测量误差模型的合理性进行了实验验证；采用标准轴和三种样本减速器对测试系统开展了标定及验证试验。　　④开展了基于整体式结构设计方法的空载和负载两种工况下传动误差测试系统的结构和系统设计，研制了基于Modbus通讯协议的测试系统控制与测试软件；针对所研制的整体式传动误差测试系统样机，开展了测试重复性、抗振动冲击干扰的测试系统性能验证试验，并对RV减速器和谐波减速器的进口产品进行传动误差特性的测定。　　⑤研制了RV减速器和谐波减速器传动性能成套测试系统。基于所研制的成套测试系统，开展了基于零件检验信息的RV减速器传动性能测试对比、疲劳寿命试验下的传动性能对比和装配过程变化对扭转特性的影响对比三类实验研究；完成了在RV减速器生产企业和谐波减速器生产企业的工业化应用，为国产化RV减速器的发展提供了良好的案例。

目录

1 绪 论

1.1 课题来源及研究背景与意义

1.2 国内外研究现状及发展

1.2.1 机器人精密减速器简介及指标分析

1.2.2 精密减速器传动性能测试及评价方法研究现状

1.2.3 精密减速器传动性能测试设备与仪器研究现状

1.2.4 测试系统误差研究现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究思路

2 机器人精密减速器传动性能测试基础理论

2.1 引言

2.2.1 测试对象

2.2.2 主要传动性能指标定义及测试要素组成

2.3 测试精度主要影响因素

2.3.1 测试原理误差

2.3.2 系统结构误差

2.4 测试参数化模型及测试系统分类

2.4.1 参数化模型

2.4.2 测试系统的矩阵表达及分类

2.5 测试原理模型

2.5.1 传动误差测试原理模型

2.5.2 扭转特性测试原理模型

2.5.3 传动效率测试原理模型

2.6 整体式结构设计思想

2.7 本章小结

3 考虑结构因素的测试系统误差建模方法

3.1 引言

3.2 测试系统多体化建模基础

3.2.1 测试系统多体化

3.2.2 多体系统低序体阵列

3.2.3 刚体的齐次坐标变换原理

3.2.4 有误差运动的坐标变换

3.3 测试系统的几何误差源分析

3.3.1 主要测试系统几何误差对测试的影响分析

3.3.2 系统几何误差源及作用关系

3.3.3 实际测量点下的角度测量模型

3.3.4 考虑结构因素的测试系统误差建模思路

3.4 典型台架式测试系统的多体系统误差建模

3.4.1 测试系统的拓扑结构和低序体阵列

3.4.2 坐标系建立及特征矩阵

3.4.3 误差矩阵

3.4.4 测量点位置误差模型

3.4.5 实际测量点角度测量误差数学模型

3.5.1 测试误差补偿方法

3.5.2 仿真分析

3.6 本章小结

4 整体式精密减速器扭转特性测试系统

4.1 引言

4.2 整体式扭转特性测试系统设计思路

4.2.1 扭转特性测试系统设计指标

4.2.2 关键技术问题

4.2.3 测试系统设计思路

4.2.4 整体式扭转特性测试系统组成

4.3.1 整体式骨架平台

4.3.2 加载机构及扭矩测量

4.3.3 开放式测试工作位设计

4.3.4 角度测量部分的结构设计

4.3.5 硬件型号及参数表

4.4 测控及测试软件

4.4.1 驱动运动控制与数据信号采集

4.4.2 测试软件开发

4.4.3 数据实时处理方法

4.4.4 扭转特性测试报告设计

4.5 测试误差分析与补偿

4.5.1 实际测量点误差建模

4.5.2 扭转角测量数学模型

4.5.3 扭转角测量误差补偿

4.6 测试系统研制与实验验证

4.6.1 角度测量误差模型实验验证

4.6.2 扭矩加载稳定性验证

4.6.3 标定轴验证试验

4.6.4 RV减速器扭转特性测试实验验证

4.7 本章小结

5 整体式精密减速器传动误差测试系统

5.1 引言

5.2 整体式传动误差测试系统结构设计

5.2.1 传动误差测试系统设计指标

5.2.2 空载传动误差测试系统结构

5.2.3 负载传动误差测试系统结构

5.3 测控及测试软件

5.3.1 基于Modbus协议的测试系统运动控制与数据采集

5.3.2 测试软件

5.3.3 两类整体式传动误差测试系统样机

5.3.4 负载下传动误差曲线波动现象解释

5.4 验证实验

5.4.1 测试重复性验证试验

5.4.2 抗干扰验证试验

5.4.3 样本减速器测定实验

5.5 本章小结

6 实验研究与工业应用

6.1 引言

6.2 成套化的精密减速器传动性能测试系统样机

6.3.1 基于关键零件检验信息的 RV减速器传动性能测试

6.3.2 疲劳寿命试验下的传动性能对比

6.3.3 装配过程对RV减速器扭转特性的影响

6.4 成套化测试系统的工业应用

6.4.1 RV减速器成套化测试系统应用

6.4.2 谐波减速器成套化测试系统应用

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1.1 主要研究结论

7.1.2 创新点

7.2 后续工作展望

参考文献

附录

A 作者在攻读博士学位期间发表论文目录

B 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目情况

C 作者在攻读博士学位期间申请或授权的发明专利

D 学位论文数据集

致谢