周 晶，倪 敬，蒙 臻，陳 星，董云瀧

(杭州電子科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 前 言

在異形薄壁工件柔性化生產(chǎn)中，相較大型數(shù)控機床，多關(guān)節(jié)機器人加工系統(tǒng)更為靈活。因此近年來，航空航天領(lǐng)域中的大型構(gòu)件中已廣泛使用多自由度工業(yè)機器人加工系統(tǒng)進行生產(chǎn)制造。而工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)(IRSS)是決定多自由度工業(yè)機器人空間曲面定位精度及加工性能的核心部件[1]，其在復(fù)雜工況下的服役性能直接影響了大型構(gòu)件的加工精度和表面完整性。因此，IRSS服役性能測試已成為工業(yè)機器人加工系統(tǒng)研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于伺服系統(tǒng)性能測試開展了一系列研究：(1)在工業(yè)機器人測試方面，針對復(fù)雜工況下的工業(yè)機器人，進行了伺服電機的設(shè)計優(yōu)化和運動軌跡規(guī)劃，以提高其運動控制精度[2，3]；(2)在伺服系統(tǒng)參數(shù)測試方面，提出一種測試伺服電機電參數(shù)測試的方法和儀器，簡化了測試過程中的電參數(shù)測試方法[4-6]；(3)在測試系統(tǒng)研制方面，相關(guān)人員基于控制電機動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，提出了通過伺服電機加載動態(tài)轉(zhuǎn)矩的測試系統(tǒng)[7-9]；(4)在Ether CAT總線應(yīng)用方面，針對Ether CAT總線在伺服運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了詳細敘述[10，11]。

但是現(xiàn)有的伺服電機測試技術(shù)，多是針對通用的伺服系統(tǒng)，測試內(nèi)容也多是針對伺服系統(tǒng)的單一特性，鮮有針對復(fù)雜工況條件下伺服系統(tǒng)的綜合性能測試。因此，有必要針對復(fù)雜工況條件，設(shè)計新的IRSS服役性能測試方法。

在現(xiàn)有伺服系統(tǒng)測試方法的基礎(chǔ)上，基于Ether CAT總線技術(shù)[12]，模擬IRSS的運動曲線和負載水平，筆者提出針對復(fù)雜工況條件的IRSS服役性能綜合性測試方法。

1 測試原理

1.1 基本原理

參考國家標(biāo)準GB/T 7344-2015《交流伺服電動機通用技術(shù)條件》，GB/T 7345-2008《控制電機基本技術(shù)要求》和GB/T 16439-2009《交流伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件》，以及企業(yè)標(biāo)準Q/3100 001-2018《交流伺服電機通用技術(shù)標(biāo)準》，交流伺服系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)主要涉及工作特性測試、響應(yīng)特性測試和環(huán)境適應(yīng)性測試。

六軸工業(yè)機器人伺服驅(qū)動關(guān)節(jié)示意圖如圖1所示。

圖1 六軸工業(yè)機器人伺服驅(qū)動關(guān)節(jié)

1.1.1 工作特性測試原理

在工業(yè)機器人工作過程中，根據(jù)負載和轉(zhuǎn)速是否恒定，伺服電機通常有以下運行模式：①穩(wěn)態(tài)運行：負載與轉(zhuǎn)速均恒定；②動載運行：負載動態(tài)變化；③變速運行：轉(zhuǎn)速及方向動態(tài)變化；④變速動載運行：轉(zhuǎn)速和負載均動態(tài)變化。

特別是第④種運行模式對工業(yè)機器人伺服電機的服役性能影響最大。因此，本測試系統(tǒng)選擇變速動載條件下的輸出扭矩波動系數(shù)和轉(zhuǎn)速波動系數(shù)、轉(zhuǎn)速調(diào)整系數(shù)作為IRSS服役性能的判斷標(biāo)準。

其中，輸出扭矩波動系數(shù)和轉(zhuǎn)速波動系數(shù)主要表征了IRSS長時間運轉(zhuǎn)下的穩(wěn)定性，即：

(1)

式中：Kfn—電機轉(zhuǎn)速波動系數(shù)；nmax—電機瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的最大值，r/min；nmin—電機瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的最小值，r/min；

(2)

式中：KfT—電機轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)；Tmax—電機瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的最大值，N·m；Tmin—電機瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的最小值，N·m。

轉(zhuǎn)速調(diào)整系數(shù)主要表征了IRSS在擾動下的穩(wěn)定性，即：

(3)

式中：ni—電機的實際轉(zhuǎn)速，r/min；nN—電機的額定轉(zhuǎn)速，r/min。

1.1.2 響應(yīng)特性測試原理

當(dāng)復(fù)雜的工作路徑需要關(guān)節(jié)伺服電機急轉(zhuǎn)急停時，伺服系統(tǒng)響應(yīng)變快，其超調(diào)量會變大，穩(wěn)定性變差。因此，在響應(yīng)特性測試環(huán)節(jié)，主要通過不同運動曲線下的響應(yīng)超調(diào)量和響應(yīng)時間來評價其性能。

IRSS系統(tǒng)的超調(diào)量為：

(4)

式中：nmax—電機勻速段的最大速度，r/min；n—設(shè)定的電機勻速段的速度，r/min。

響應(yīng)時間為：

tr=t(n)-t(nmax)

(5)

式中：t(nmax)—電機勻速段的最大速度下對應(yīng)的時間，s；t(n)—第一次達到設(shè)定的電機勻速段的速度下對應(yīng)的時間，s。

而在曲面加工時，關(guān)節(jié)伺服電機需要頻繁正反轉(zhuǎn)，因此正反轉(zhuǎn)速差率也是重要的測試指標(biāo)，即：

(6)

式中：ncw—電機正轉(zhuǎn)均值，r/min；nccw—電機反轉(zhuǎn)均值，r/min。

1.1.3 環(huán)境適應(yīng)性測試原理

溫度是影響工業(yè)機器人伺服電機性能的主要因素，需要在極端的環(huán)境條件下，對伺服電機的特性進行測試。不同環(huán)境溫度對伺服電機的影響主要體現(xiàn)在：溫度越高，繞組阻值增大，銅耗越大。而伺服電機的繞組阻值增大時，輸出電流會變小，隨之輸出功率減小。因此，在環(huán)境適應(yīng)性測試階段，要通過伺服電機的輸出電流和輸出功率對伺服電機的性能進行評價。

伺服電機的輸出功率為：

(7)

式中：T—電機的輸出扭矩，N·m；n—電機的輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

1.1.4EtherCAT應(yīng)用原理

基于Ether CAT技術(shù)，結(jié)合工業(yè)機器人實際工作環(huán)境，筆者采用以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線技術(shù)對測試系統(tǒng)進行控制；PLC與伺服驅(qū)動器之間采用COE(CAN open Over Ether CAT)通訊協(xié)議，提高傳輸速率；內(nèi)部通訊芯片ESC直接處理主站PLC所發(fā)出的運動控制數(shù)據(jù)，滿足迅速啟停的要求，且可以抵抗溫度變化的影響，在溫度急速變化中保持穩(wěn)定性。

1.2 測試方案

1.2.1 工作特性測試

依據(jù)工作特性測試原理，筆者設(shè)計了穩(wěn)態(tài)運行、動載運行、變速運行和變速動載運行實驗方案。具體的實驗步驟如下：

(1)針對工業(yè)機器人伺服電機在穩(wěn)態(tài)下運行，試驗時取工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)，設(shè)置伺服電機長期正轉(zhuǎn)運行，搭載的負載為恒定負載，進行實驗，實驗數(shù)據(jù)采集頻率為1 024 HZ；

(2)針對工業(yè)機器人伺服電機動載運行，系統(tǒng)采用磁滯制動器對伺服電機施加負載扭矩，采用“法蘭盤+質(zhì)量塊”對工業(yè)機器人伺服電機的負載慣量進行調(diào)節(jié)。

工業(yè)機器人伺服電機受到的負載慣量JL為：

(8)

式中：JL—質(zhì)量塊繞伺服電機軸的負載慣量(kg·m2)；ai—法蘭盤各安裝位置質(zhì)量塊的個數(shù)；m—單個質(zhì)量塊的質(zhì)量，kg；d—質(zhì)量塊的邊長，m；L—質(zhì)量塊質(zhì)心到伺服電機軸心的距離，m；

(3)取2臺工業(yè)機器人伺服電機，分別搭載質(zhì)量塊和磁滯制動器，進行動載運行實驗。設(shè)置2臺伺服電機長期正轉(zhuǎn)運行，伺服電機受到的負載慣量變化速率為0.4 kg·m2/H，負載扭矩變化率為0.4 N·m/H，進行實驗，實驗數(shù)據(jù)采集頻率為1 024 HZ；

(4)針對工業(yè)機器人伺服電機變速運行，試驗時，取工業(yè)機器人用伺服電機，設(shè)置運行規(guī)律為周期性正反轉(zhuǎn)運行，且其為空載運行，進行實驗，實驗數(shù)據(jù)采集頻率為1 024 HZ；

(5)針對工業(yè)機器人伺服電機變速動載運行，取兩臺工業(yè)機器人用伺服電機，分別搭載質(zhì)量塊和磁滯制動器，設(shè)置兩臺伺服電機周期性正反轉(zhuǎn)運行，伺服電機受到的負載慣量和負載扭矩變化速率為0.6 N·m/H，進行實驗，實驗數(shù)據(jù)采集頻率為1 024 HZ。

1.2.2 響應(yīng)特性測試

依據(jù)響應(yīng)特性測試原理，筆者設(shè)計了變周期性正反轉(zhuǎn)運行、急停急轉(zhuǎn)運行等運行曲線。

實驗步驟如下：

(1)進行變周期正反轉(zhuǎn)運行試驗。設(shè)置伺服電機的運行規(guī)律為反轉(zhuǎn)勻速運行時間是正轉(zhuǎn)勻速運行時間的2倍，正轉(zhuǎn)勻速速度為反轉(zhuǎn)勻速速度的2倍，進行實驗，實驗數(shù)據(jù)采集頻率為1 024 HZ；

(2)進行急停急轉(zhuǎn)運行試驗，設(shè)置伺服電機的運行規(guī)律為正轉(zhuǎn)加速度為額定加速度的3倍，運行曲線是周期性正轉(zhuǎn)，進行實驗，實驗數(shù)據(jù)采集頻率為1 024 HZ。

1.2.3 環(huán)境適應(yīng)性測試

首先將空載狀態(tài)下的伺服電機放置在三綜合實驗箱中，設(shè)定運行曲線為長期正轉(zhuǎn)運行；其次通過PLC設(shè)置三綜合實驗箱溫度范圍為-20 ℃～70 ℃，溫度變化速率為10 ℃/H；進行實驗，實驗數(shù)據(jù)采集頻率為1 024 HZ。

1.2.4 復(fù)雜工況測試

首先將搭載磁滯制動器的伺服電機放置在三綜合實驗箱中，通過PC設(shè)置伺服電機運行曲線為急停急轉(zhuǎn)運行；設(shè)置三綜合實驗箱溫度為20 ℃～70 ℃，溫度變化速率為10 ℃/H；設(shè)置磁滯制動器施加的負載扭矩在0～2 N·m之間，扭矩變化速率為0.4 N·m/H；進行實驗，實驗數(shù)據(jù)采集頻率為1 024 HZ。

試驗時，基于Ether CAT總線技術(shù)調(diào)控PC對扭矩傳感器、伺服驅(qū)動器、三綜合實驗箱等硬件進行控制，可以同時滿足對負載變化、響應(yīng)變化和溫度變化的設(shè)定，從而達到實時控制PC調(diào)節(jié)伺服電機的多組運行曲線、監(jiān)控三綜合實驗箱的溫度、采集伺服電機的扭矩等數(shù)據(jù)的要求。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

IRSS復(fù)雜工況測試的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 IRSS復(fù)雜工況測試的試驗系統(tǒng)框圖

圖2中：(1)負載自動加載模塊對伺服電機的負載扭矩進行改變；(2)運動控制模塊對伺服電機的運行曲線進行調(diào)節(jié)；(3)溫度控制模塊對伺服電機試驗所需溫度進行控制；(4)數(shù)據(jù)采集與處理模塊對伺服電機的輸出數(shù)據(jù)進行采集和處理分析。

該系統(tǒng)在充分考慮測試原理的基礎(chǔ)上，基于Ether CAT技術(shù)，通過扭矩傳感器和伺服驅(qū)動器對伺服電機的輸出數(shù)據(jù)進行采集。

2.1 機械系統(tǒng)設(shè)計

試驗時，上位機通過PLC控制工業(yè)機器人伺服電機轉(zhuǎn)動，并帶動扭矩傳感器和磁滯制動器質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動；通過磁滯制動器勵磁電流的大小改變工業(yè)機器人伺服電機的負載扭矩，通過質(zhì)量塊個數(shù)改變工業(yè)機器人伺服電機的負載慣量；扭矩傳感器對工業(yè)機器人伺服電機的輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速測量；通過調(diào)節(jié)三綜合實驗箱的溫度大小模擬工業(yè)機器人工作時受到不同溫度應(yīng)力情況。

本試驗系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 試驗系統(tǒng)圖

2.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)機器人往往需要滿足負載扭矩突變和運動軌跡多變的要求，基于此，筆者設(shè)計了基于Ether CAT技術(shù)的自動化驅(qū)動裝置控制原理圖，如圖4所示。

圖4 伺服系統(tǒng)復(fù)雜工況測試系統(tǒng)控制原理圖

本系統(tǒng)基于Ether CAT技術(shù)，通過PC和PLC對負載扭矩、響應(yīng)速度和環(huán)境溫度進行控制：

通過電流控制器輸出的勵磁電流對磁滯制動器的扭矩進行控制，實現(xiàn)對工業(yè)機器人伺服電機的負載調(diào)節(jié)；扭矩傳感器和數(shù)據(jù)采集儀實時采集負載扭矩的大小，并將測得的數(shù)據(jù)傳輸至PC；PC與PLC、PLC與伺服驅(qū)動器通過總線通信控制方式連接，對工業(yè)機器人伺服電機的響應(yīng)進行控制，完成對運動曲線的設(shè)定和運動指令的自動切換；PLC通過AD擴展模塊與三綜合實驗箱連接，實現(xiàn)對溫度應(yīng)力的自動調(diào)節(jié)。

本測試系統(tǒng)硬件配置及其性能如表1所示。

表1 PLC控制系統(tǒng)硬件配置

2.3 控制軟件設(shè)計

主控單元采用DVP-50MC11T-06系列的PLC，其主要功能是按照Ether CAT通信協(xié)議，對上位機傳遞的指令接收和解析，控制伺服電機的不同運行曲線及對試驗溫度進行設(shè)定；數(shù)據(jù)采集完畢后通過USB接口傳輸至上位機，完成通信。

(1)響應(yīng)特性環(huán)節(jié)流程。

DVP-50MC11T-06系列PLC采用CAN open Builder軟件進行編程，通過上位機控制不同運行曲線的切換；

將測試系統(tǒng)連接后，進行伺服電機點動測試；其次，對伺服電機的運行規(guī)律設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)有運動加速度、勻速段速度以及運動方向，設(shè)定的運行規(guī)律有變周期性正反轉(zhuǎn)運行、急停急轉(zhuǎn)運行等，每組實驗完成后通過PC調(diào)節(jié)伺服系統(tǒng)自動進入下一運行曲線。

(2)環(huán)境適應(yīng)性流程。

基于PLC，通過AD轉(zhuǎn)換模塊對三綜合實驗箱的溫度進行調(diào)節(jié)，設(shè)定三綜合實驗箱的溫度變化范圍、變化步長、變化速率等參數(shù)。

(3)數(shù)據(jù)處理流程。

采集的數(shù)據(jù)主要有扭矩傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集的輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速和伺服驅(qū)動器采集的輸出轉(zhuǎn)速、輸出電流；將試驗數(shù)據(jù)傳輸至PC后，通過計算軟件分析伺服電機的輸出數(shù)據(jù)；每次試驗采集5組數(shù)據(jù)取平均值，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗

依據(jù)前述基于Ether CAT技術(shù)測出的實驗數(shù)據(jù)，筆者選取了不同工況下的試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理得到數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值。

工業(yè)機器人伺服電機正轉(zhuǎn)運行時隨工況變化電流數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 伺服電機正轉(zhuǎn)運行時隨工況變化電流數(shù)據(jù)

3.1.1 工作特性測試試驗

筆者選取不同負載下的實驗數(shù)據(jù)，得到勻速段的轉(zhuǎn)速電流值，繪制負載質(zhì)量-轉(zhuǎn)速/電流圖，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速和電流隨負載質(zhì)量變化曲線圖

從圖5可以看出：當(dāng)伺服電機負載變化時，工業(yè)機器人伺服電機正轉(zhuǎn)時的輸出電流均值降幅為46.21%，最大值降幅為91.95%；且隨著負載增大，電流呈現(xiàn)明顯上升的趨勢。

3.1.2 響應(yīng)特性測試試驗

筆者選取不同勻速段運行速度下的實驗數(shù)據(jù)，得到勻速段的轉(zhuǎn)速電流值，繪制轉(zhuǎn)速-電流圖如圖6所示。

圖6 電流隨轉(zhuǎn)速變化曲線圖

從圖6可以看出：當(dāng)工業(yè)機器人伺服電機勻速運行轉(zhuǎn)速分別為3 000 r/min和1 000 r/min，其正轉(zhuǎn)時的輸出電流均值降幅為27.16%，最大值降幅為20%；且隨著勻速運行轉(zhuǎn)速增大，電流呈現(xiàn)明顯上升的趨勢。

3.1.3 環(huán)境適應(yīng)性測試試驗

筆者選取不同環(huán)境溫度工況下的實驗數(shù)據(jù)，得到勻速段的轉(zhuǎn)速電流值，繪制溫度-轉(zhuǎn)速/電流圖，如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)速和電流隨溫度變化曲線圖

圖7中，當(dāng)工業(yè)機器人伺服電機工作環(huán)境溫度為-20 ℃和70 ℃，工業(yè)機器人伺服電機正轉(zhuǎn)時的輸出電流降幅為44.14%，最大值降幅為13.95%；且隨著環(huán)境溫度升高，電流呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。

3.2 分析與討論

由以上分析可知：隨著負載增大、勻速運行轉(zhuǎn)速增大、環(huán)境溫度降低，工業(yè)機器人伺服電機的輸出電流呈現(xiàn)明顯上升的趨勢。其原因是工業(yè)機器人伺服電機工作環(huán)境變化時，受自身“電流-速度-位移”三環(huán)調(diào)節(jié)特性的影響，會快速響應(yīng)至新的平衡點，從而導(dǎo)致繞組電流瞬時劇烈變化。

為了避免出現(xiàn)上述情況，在實際運行中，工業(yè)機器人應(yīng)盡量工作在最適工況條件下。

4 結(jié)束語

本研究提出了一種基于Ether CAT的總線技術(shù)，對IRSS進行服役性能綜合性評測的試驗系統(tǒng)；介紹了其工作特性測試、響應(yīng)特性測試和環(huán)境適應(yīng)性測試原理，并進行了相應(yīng)的服役性能測試。

研究結(jié)果表明：隨著工業(yè)機器人伺服電機負載、勻速運行速度的不同，以及環(huán)境溫度的不同，其輸出電流也呈現(xiàn)明顯的變化趨勢。這一變化趨勢可有效、客觀地檢測IRSS的服役性能，指導(dǎo)工業(yè)機器人輔助加工系統(tǒng)的設(shè)計。