秦永晉，王春月，郭 亮，付力揚(yáng)

（1.洛陽LYC軸承有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471039； 2.航空精密軸承國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽 471039）

0 引言

隨著“中國制造2025”的全面推進(jìn)和國內(nèi)低端制造業(yè)的持續(xù)招工困難，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為國內(nèi)制造業(yè)眼中的“靈丹妙藥”，以此作為保持中國制造業(yè)競爭優(yōu)勢的重要手段。諧波減速器是機(jī)器人的核心零部件，類似于人的關(guān)節(jié)，成本占到整臺機(jī)器人生產(chǎn)成本的1/3左右。而柔性軸承則是諧波減速器的關(guān)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(shí)現(xiàn)的。目前精密諧波減速器主要來自日本企業(yè)。與此同時，國家“863”計(jì)劃也將其列入重點(diǎn)攻克的技術(shù)瓶頸，國產(chǎn)化替代迫在眉睫。

如圖1 所示的剛輪、柔輪、波發(fā)生器是機(jī)械人諧波減速器的3個基本構(gòu)件。波發(fā)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(jī)廠家對機(jī)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(jī)器人諧波減速器用柔性軸承的設(shè)計(jì)，以及給運(yùn)動姿態(tài)、耐久性研究提供原始數(shù)據(jù)支持，針對軸承在不同的擺動頻率、擺動角度及負(fù)載工況，團(tuán)隊(duì)研制了一臺軸承試驗(yàn)機(jī)，其可以模擬機(jī)器人的現(xiàn)場工況運(yùn)行姿態(tài)，驗(yàn)證軸承可以達(dá)到用戶的各項(xiàng)要求，為國產(chǎn)化替代打?qū)嵙嘶A(chǔ)。

圖1 機(jī)械人諧波減速器

圖2 柔性軸承

1 試驗(yàn)機(jī)功能需求

根據(jù)軸承應(yīng)用場景要求，軸承實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況應(yīng)滿足以下主要技術(shù)要求，試驗(yàn)軸承為機(jī)器人用諧波柔性軸承；最高轉(zhuǎn)速40 r/min，可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速；軸承在常溫工作；可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械臂負(fù)重載荷的多種變化；系統(tǒng)可以實(shí)時在線監(jiān)控軸承的溫度、振動等工作狀態(tài)，可以手動和自動控制機(jī)器人機(jī)械臂擺動頻率和角度，軸承的性能參數(shù)可顯示、讀取、處理和儲存；設(shè)置系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動啟動設(shè)備自我保護(hù)措施。

2 試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主體由負(fù)重盤、機(jī)械臂、減速器、柔性軸承、轉(zhuǎn)接軸、脹緊套、電機(jī)、機(jī)架等部分組成[1-2]。

圖3 試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)軸承由變頻電機(jī)帶動，電機(jī)固定于機(jī)架上，電機(jī)通過脹緊套帶動轉(zhuǎn)接軸旋轉(zhuǎn)。此時的電機(jī)轉(zhuǎn)速比較高，還不能模擬現(xiàn)實(shí)中機(jī)器人的機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的速度。真實(shí)工況下，為了減速，工業(yè)機(jī)器人常常采用減速器來給機(jī)械臂減速。而試驗(yàn)的研究對象柔性軸承就內(nèi)置于機(jī)器人諧波減速器中，將轉(zhuǎn)接軸通過鍵連接到機(jī)器人減速器上即可實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的減速。

圖4 所示為試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖，擺臂懸掛的負(fù)重盤設(shè)計(jì)了5 kg、10 kg、15 kg 3 種不同質(zhì)量。試驗(yàn)是通過控制系統(tǒng)改變自變量：一是電動機(jī)的擺動頻率；二是擺動角度；三是負(fù)重盤的質(zhì)量即可實(shí)現(xiàn)第3 個自變量的調(diào)節(jié)，這3 個自變量的調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)對因變量機(jī)器人用柔性軸承運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和反饋，從而達(dá)到模擬軸承的現(xiàn)場工況運(yùn)行姿態(tài)試驗(yàn)?zāi)康腫3-5]。

3 電氣測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)采用了觸控屏和PLC 一體機(jī)進(jìn)行控制，拋棄了鼠標(biāo)、鍵盤等外置輸入設(shè)備，更適合工業(yè)現(xiàn)場使用。傳動系統(tǒng)則采用變頻器控制變頻電機(jī)。擺臂動力拖動電動機(jī)的擺動頻率和角度通過變頻器與PLC 的串口通信來實(shí)現(xiàn)控制。系統(tǒng)的啟動和報(bào)警、停止通過開關(guān)量板控制[6-7]。

軸承的振動、溫度是反饋出軸承運(yùn)行狀態(tài)良好與否的重要指標(biāo)，通過溫度傳感器、震動傳感器采集數(shù)據(jù)測出相應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換為0～4000 的數(shù)字量。即：4 mA對應(yīng)數(shù)字量為（4000÷20） ×4=800，故 當(dāng) 輸 入4～20 mA 電流信號給4AD的模擬量輸入端時，4AD模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為800～4000。被測溫度Tx與對應(yīng)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量AIWX的關(guān)系如圖5所示。

圖5 溫度和數(shù)字量關(guān)系圖

根據(jù)圖5所示的關(guān)系可以得到被測溫度Tx公式如下:

測控系統(tǒng)觸摸屏主控制界面如圖6 所示，在此界面可以手動控制機(jī)械臂運(yùn)動，同時還可以觀察試驗(yàn)機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)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(zhuǎn)到如圖7所示的載荷譜界面。在此界面可以設(shè)置5步不同的運(yùn)行參數(shù)，在頁面的左邊可以更改擺臂起始角度和載荷譜循環(huán)次數(shù)。

圖7 載荷譜界面

圖8所示為試驗(yàn)機(jī)報(bào)警記錄界面，當(dāng)電機(jī)、溫度、震動3個參數(shù)有一項(xiàng)超出預(yù)設(shè)值，軟件就會發(fā)出報(bào)警并聯(lián)動警示燈和蜂鳴器。軟件可以存儲共200條報(bào)警信息，方便對照不同運(yùn)動狀態(tài)下的軸承性能。

圖8 報(bào)警記錄界面

圖9 所示為試驗(yàn)機(jī)的歷史數(shù)據(jù)界面，可以保存日期、軸承型號、擺動頻率、擺動次數(shù)、軸承溫度、電機(jī)振動、電機(jī)電流等7 項(xiàng)數(shù)據(jù)，5 s 1 次數(shù)據(jù)采集并實(shí)時存儲在USB 閃存驅(qū)動器中。在電腦上打開會得到Excel圖表[8-9]。

圖9 歷史數(shù)據(jù)界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

在2020年6月的耐久試驗(yàn)中，試驗(yàn)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行了12000 min，通過對機(jī)器人軸承在同一擺臂不同擺角度、頻率和次數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)，載荷譜與測量值如表1所示。機(jī)器人軸承在不同的運(yùn)行姿態(tài)下，軸承的溫度和振動值相對平穩(wěn)。在第10000 min時節(jié)選了單次循環(huán)的振動曲線，制作了振動曲線圖如圖10所示，證實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到軸承設(shè)計(jì)目的，滿足主機(jī)廠家要求。同時試驗(yàn)機(jī)滿足試驗(yàn)要求，可執(zhí)行相應(yīng)試驗(yàn)動作，整個系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

表1 單次循環(huán)載荷譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10 振動曲線

5 結(jié)束語

工業(yè)機(jī)器人諧波減速器用柔性軸承試驗(yàn)機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)，可以模擬諧波減速器用柔性軸承的實(shí)際運(yùn)行姿態(tài)，可替換10 kg、15 kg、20 kg 3種不同質(zhì)量的負(fù)重盤。測控系統(tǒng)采用觸摸屏PLC 一體機(jī)，操作界面友好且易學(xué)易用?？梢詼y量軸承的溫度、振動數(shù)值，系統(tǒng)具備自動控制、采集數(shù)據(jù)信息的能力，達(dá)到預(yù)設(shè)試驗(yàn)性能，為機(jī)器人軸承的研制和工藝改進(jìn)提供有力的評判依據(jù)和數(shù)據(jù)支持[10]。