一种工业机器人关节减速器扭振提取与分析方法

摘要

一种工业机器人关节减速器扭振提取与分析方法，先通过光栅角度编码器获得瞬时转角，然后通过瞬时转角计算瞬时转速，再观测转速是否稳定，不稳定则继续观测，稳定则开始数据采集，读取的计数器的数值和计时器的时间值，通过分析获得瞬时扭转角，然后绘制时间-瞬时扭转角曲线，再进行整转截断，最后进行时频转换，获得扭振的频域特性，进而得到扭振幅值，本发明能够对低转速、小振幅的扭振进行测试，同时能够基本保证等采样频率采样，降低变采样频率产生的影响。

说明书

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种工业机器人关节减速器扭振提取与分析方法。

背景技术

在各类回转机械中，轴的扭转振动是重要的振动形式之一。轴系的扭转振动的产生原因有很多种，如轴系的负载扭矩的变化或者动力系统工况的突然变化以及系统零部件的一些损伤和故障等都会激起轴系的扭振。扭振产生的动应力会导致轴的疲劳甚至损坏。扭振对轴及轴上零件的危害在振动的初期表现得并不明显,但是随着扭振的交变应力的长时间作用，不断累积，就可能造成轴的疲劳损坏，从而产生突发的破坏事故。对于汽轮发电机组这类大型回转机械，扭振的危害是非常严重的，其表现之一是机组的次同步振荡；对于机床，其传动链轴系发生严重扭振时，会破坏加工精度；对于发动机，曲轴受到周期性的扭振作用，可能产生疲劳断裂，造成不可估量的破坏。

对于工业机器人关节减速器，扭转振动不仅可以反映出其内部零部件的运行状态，同时也是工业机器人机械臂进行正确且平稳地轮廓控制的重要特性。

传统的扭转振动测试方法有贴应变片法、安装加速度计法、齿测法。贴应变片和安装加速度计属于接触式测量，需要对轴系结构进行一定的改造，如为保证加速度计切向布置而进行的结构调整、安装集流环等，使轴系的结构发生了变化，不仅结构复杂，还对测试结果产生了一定的影响。对于齿测法，被测轴上的等分齿形结构一般齿数较少，轴转动一周获得的脉冲数也较少，不能测得小幅值的扭振，而且在低转速时，这种缺陷尤为明显。

工业机器人关节减速器传动比大(可达200左右)，输出转速非常低(15rpm以下)，同时其扭转刚度大，扭振幅值低。目前的测试方法不适应工业机器人关节减速器低转频、小扭振幅值的测试需要。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种工业机器人关节减速器扭振提取与分析方法，能够对低转速、小振幅的扭振进行测试，同时能够基本保证等采样频率采样，降低变采样频率产生的影响。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种工业机器人关节减速器扭振提取与分析方法，包括以下步骤：

1)、通过光栅角度编码器获得瞬时转角：用计数器对光栅角度编码器的方波信号进行计数，以采样频率f读取计数器中的数值，

则读数周期ΔT为：

$>\Delta T=\frac{1}{f},$>

第i次读取计数器的数值时获得的瞬时转角为：

式中：K_i——第i次读取计数器中的数值，

p——光栅角度编码器的分辨率，

2)、通过瞬时转角计算瞬时转速：第i次读取计数器的数值时获得的瞬时转速ω_i为：

式中：K_i-1——第i-1次读取计数器中的时间值，

ΔT——计数器的读数周期，

f——采样频率，

3)、观测转速是否稳定，不稳定则继续观测，直至稳定则开始数据采集；

4)、数据采集：

4.1)以光栅角度编码器z相脉冲触发计数器和计时器，使计数器置零并对光栅角度编码器的信号开始计数，使计时器置零并开始计时；

4.2)以固定的读数周期ΔT读取计数器中的数值；

4.3)等光栅角度编码器下一个z相脉冲触发计数器和计时器时，读取计数器中的数值并置零，重新开始计数；读取计时器中的时间值并置零重新开始计时，

则有一转内的平均转速为：

$>\bar{\omega }=\frac{Kp}{t},$>

式中：K——一转时，计数器中的数值，

t——一转时，计时器中的时间值，

p——光栅角度编码器的分辨率，

5)、根据步骤4)中读取的计数器的数值和计时器的时间值，通过分析获得瞬时扭转角，

在第i-1次读数与第i次读数之间的扭转角：

$>{\theta }_i={\int }_0^T({\omega }_i-\bar{\omega })dt=({\omega }_i-\bar{\omega })\Delta T-p[(K_i-K_{i-1})f-\frac{K}{t}]$>

式中：θ_i——在第i-1次读数与第i次读数之间的扭转角，

ω_i——第i次读取计数器的数值时获得的瞬时转速，

——一转内的平均转速，

ΔT——计数器的读数周期，

f——采样频率，

K_i——第i次读取计数器中的数值，

K_i-1——第i-1次读取计数器中的数值，

则有第i次读数时的瞬时扭转角θ(i)为：

$>\left(\begin{array}{cc}\theta \left(i\right)=\underset{n=1}{\overset{i}{\Sigma }}{\theta }_n=p\underset{n=1}{\overset{i}{\Sigma }}[(K_n-K_{n-1})f-\frac{K}{t}]=p(K_i-\frac{iK}{t})& (K_i\le K)\\ \theta \left(K\right)=0& \end{array}\right)$>

式中：θ(i)——第i-1次读数与第i次读数之间的扭转角，

K_i——第i次读取计数器中的数值，

K——一转时，计数器中的数值，

p——光栅角度编码器的分辨率，

t——转过一转的时间，

i——读数次数，

6)、根据步骤5)中获得的瞬时扭转角，绘制时间-瞬时扭转角曲线；

7)、对步骤6)中获得时间-瞬时扭转角曲线进行整转截断；

8)、对步骤7)获得的整转截断的时间-瞬时扭转角曲线进行时频转换，获得扭振的频域特性，进而得到扭振幅值。

所述的光栅角度编码器每转360000个脉冲，通过四倍频计数，角度分辨率可达0.9角秒。

本发明的有益效果为：

本发明通过光栅角度编码器直接读取计数器和计时器的值，通过分析获得瞬时扭转角曲线，进而得到扭振的扭角幅值，不需要改造轴系结构，能够对低转速、小振幅的扭振进行测试，同时能够基本保证等采样频率采样，降低变采样频率产生的影响。

附图说明

附图为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参照附图，一种工业机器人关节减速器扭振提取与分析方法，包括以下步骤：

1)、通过光栅角度编码器获得瞬时转角：用计数器对光栅角度编码器的方波信号进行计数，以采样频率f读取计数器中的数值，

则读数周期ΔT为：

$>\Delta T=\frac{1}{f},$>

第i次读取计数器的数值时获得的瞬时转角为：

式中：K_i——第i次读取计数器中的数值，

p——光栅角度编码器的分辨率，

2)、通过瞬时转角计算瞬时转速：第i次读取计数器的数值时获得的瞬时转速ω_i为：

式中：K_i-1——第i-1次读取计数器中的时间值，

ΔT——计数器的读数周期，

f——采样频率，

3)、观测转速是否稳定，不稳定则继续观测，直至稳定则开始数据采集；

4)、数据采集：

4.1)以光栅角度编码器z相脉冲触发计数器和计时器，使计数器置零并对光栅角度编码器的信号开始计数，使计时器置零并开始计时；

4.2)以固定的读数周期ΔT读取计数器中的数值；

4.3)等光栅角度编码器下一个z相脉冲触发计数器和计时器时，读取计数器中的数值并置零，重新开始计数；读取计时器中的时间值并置零重新开始计时，

则有一转内的平均转速为：

$>\bar{\omega }=\frac{Kp}{t},$>

式中：K——一转时，计数器中的数值，

t——一转时，计时器中的时间值，

p——光栅角度编码器的分辨率，

5)、根据步骤4)中读取的计数器的数值和计时器的时间值，通过分析获得瞬时扭转角，

在第i-1次读数与第i次读数之间的扭转角：

$>{\theta }_i={\int }_0^T({\omega }_i-\bar{\omega })dt=({\omega }_i-\bar{\omega })\Delta T-p[(K_i-K_{i-1})f-\frac{K}{t}]$>

式中：θ_i——在第i-1次读数与第i次读数之间的扭转角，

ω_i——第i次读取计数器的数值时获得的瞬时转速，

——一转内的平均转速，

ΔT——计数器的读数周期，

f——采样频率，

K_i——第i次读取计数器中的数值，

K_i-1——第i-1次读取计数器中的数值，

则有第i次读数时的瞬时扭转角θ(i)为：

$>\left(\begin{array}{cc}\theta \left(i\right)=\underset{n=1}{\overset{i}{\Sigma }}{\theta }_n=p\underset{n=1}{\overset{i}{\Sigma }}[(K_n-K_{n-1})f-\frac{K}{t}]=p(K_i-\frac{iK}{t})& (K_i\le K)\\ \theta \left(K\right)=0& \end{array}\right)$>

式中：θ(i)——第i-1次读数与第i次读数之间的扭转角，

K_i——第i次读取计数器中的数值，

K——一转时，计数器中的数值，

p——光栅角度编码器的分辨率，

t——转过一转的时间，

i——读数次数，

6)、根据步骤5)中获得的瞬时扭转角，绘制时间-瞬时扭转角曲线；

7)、对步骤6)中获得时间-瞬时扭转角曲线进行整转截断；

8)、对步骤7)获得的整转截断的时间-瞬时扭转角曲线进行时频转换，获得扭振的频域特性，进而得到扭振幅值。

所述的光栅角度编码器每转360000个脉冲，通过四倍频计数，角度分辨率可达0.9角秒。