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                    精密減速器測試系統開發設計

                    添加時間:2018/12/18 來源:北方工業大學 作者:王開
                    對目前工業機器人廣泛的應用于機械、化工、航空航天等領域,對于國家“中國制造2025”戰略的實施具有不可替代的作用。作為工業機器人核心部件的精密減速器一直是我國機器人發展的瓶頸。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      精密減速器因其具有傳動比變化范圍大、結構緊湊、精度高等特點,廣泛的應用于工業機器人、數控裝備、航空工業等精度要求高的場合。本文針對工業機器人用減速器的使用要求,對工業機器人常用減速器如RV、諧波等的綜合性能參數檢測的方法進行了研究,并開發出一套測試系統。該系統主要完成精密減速器傳遞精度、背隙、扭轉剛度、回差、機械效率、啟停轉矩、空載摩擦轉矩等性能的測量。通過大量的實驗數據對被測減速器的性能參數進行評估,對減速器設計制造有一定參考意義。本文依據減速器的測試要求,基于虛擬儀器技術并圍繞對減速器性能參數的檢測設計了一套綜合測試系統,主要內容有:

                      1.首先分析了工業機器人用精密減速如RV、諧波等的主要性能參數,然后參考國家標準和目前國內外常見測試的方法,確定出本系統減速器各參數的試驗方法和計算方法。

                      2.根據精密減速器的測試要求,基于MATLAB/Simulink建立減速器輸入/輸出端的動態模型,重點分析機械結構對減速器加載端扭矩波動的影響。

                      3.結合虛擬儀器技術,基于LabVIEW圖形化編程語言,設計出一個可對整個測試過程進行控制和監控的人機界面,主要包含軟件架構的設計以及各子模塊的設計如電機控制模塊、數據釆集模塊等。

                      經近一年調試,該系統已在己有測試平臺上進行了測試,試驗效果良好,實現了預期功能。

                      關鍵詞:精密減速器,性能參數,LabVIEW,Simulink

                    Abstract

                      Due to its wide range of transmission ratios, compact structure and high precision, precision retarders are commonly used in applications such as industrial robots, numerical control equipment and aerospace industries that require high accuracy. Aiming at the requirements of the use of speed reducers for industrial robots, a set of test systems is developing that can achieve measure about comprehensive performance parameters of Precision Reducer, Such as RV and harmonics for industrial robots. The system mainly completes the measurement of the transmission precision, backlash, torsional stiffness, hysteresis, mechanical efficiency, start-stop torque and no-load friction torque performance of the precision reducer. Based on a large number of experimental data to evaluate the performance parameters of the tested speed reducer, it can be used as a reference for the design .This paper build a test platform based on the test requirements of the reducer and designs a comprehensive test system based on the virtual instrument technology and testing the performance parameters of the reducer. The main contents include the following aspects.

                      1.Firstly, the main performance parameters of industrial robots such as RV, harmonics, etc. are analyzed. Then, reference is made to the national standards and common test methods at home and abroad to determine the test methods and calculation methods for each parameter of the system reducer.

                      2.According to the test requirements of the precision reducer, the dynamic model of the input/output of the reducer is established based on MATLAB/Simulink and the influence of the mechanical structure on the torque fluctuation of the reducer load end is analyzed.

                      3.Combining virtual instrument technology and LabVIEW graphical programming language, a human-machine interface that can control and monitor the entire test process is designed, it mainly including the design of software architecture and the design of each sub-module such as motor control module, data acquisition module, etc.

                      After nearly a year of debugging, the system has been tested on the existing test platform. The test has achieved good results and achieved the expected function.

                      Key words: Precision Reducer,Performance Parameter , Lab VIEW, Matlab/Simulink.

                      生活中,常見的機械傳動主要有帶傳動、齒輪傳動等形式,減速器是以齒輪嚙合的形式來實現速度精確轉化和扭矩傳遞,因其傳動比可變范圍大、精度高、結構緊湊等特點使其在現代機械工業中廣泛應用。進入21世紀以來,隨著德國“工業4.0”概念和國內“中國制造2025”戰略的提出,制造業的改革已取得巨大成就,中國己經成為世界工業機器人最大的制造和使用國,并持續保持20%-30%的年增長量,截止2017年底,全國工業機器人的銷售量己突破8萬臺。根據規劃到2020年工業機器人的密度達到150臺左右'更加有利于制造業向智能化的快速轉變。

                      雖然目前我國在工業機器人的研發、制造等領域相比過去己取得巨大進步,但在核心部件如伺服電機、減速機、控制系統等方面相比日本、德國依然存在巨大的差距,尤其在占機器人本體成本30%以上的精密減速器領域,長期以來一直被日本和德國壟斷,嚴重制約了我國機器人的發展。精密減速器作為我國發展機器人的重要環節之一,性能的好壞直接決定了機器人的質量[24]。RV、諧波和行星減速器作為常見的機器人用減速器,主要起到降低轉速和增大扭矩的作用。通常情況下,在受力較大關節處一般使用RV減速器,諧波減速器用于受力較小的關節處。精密減速器的性能主要包括傳遞精度、背隙、扭轉剛度、機械效率、回程誤差、啟停轉矩、空載摩擦轉矩等參數指標。

                      目前,國內很多廠家都己經開始對精密減速器的研發和制造,如秦川機床廠、南京尼康、蘇州綠地等,己取得不錯的成就,相當一部分產品已經應用到工業機器人本體中[5]。但對精密減速器制造、測試的研發一直處于落后狀態,已經阻礙了我國精密減速器領域的發展[6]。針對目前存在的對工業機器人用減速器性能參數測試系統的缺點和不足如測試參數單一、精度低、效率低且測試系統不易維護、升級困難等特點,設計一套自動化程度高、易于維護升級、集多種試驗功能精密減速器綜合性能檢測的測試系統是十分必要的。

                      本課題主要是研制一套機器人用精密減速器性能參數測試系統,采用虛擬儀器技術,實現對精密減速器傳遞精度、背隙、回差、剛度、機械效率等參數的檢測。硬件部分,合理選擇測試器件并設計系統結構;軟件部分采用虛擬儀器技術,基于LabVIEW圖形化編程語言設計出具有良好人機交互的試驗界面,對整個試驗過程進行控制并實時監控。用戶只需根據自身實際需求,利用軟件傻瓜化的操作方式,即可完成各參數的測量任務。該系統可實現數據的自動存儲和查詢,提高了測試效率。測試結果對減速器的生產廠家的設計和制造具有一定的參考意義。

                      本測試系統主要是針對工業機器人常用減速器如RV、諧波等的綜合性能參數檢測的系統,該系統可完成減速器基本參數如傳遞誤差、背隙、回程誤差等的性能檢測并計算出相應結果和繪制結果圖形,試驗過程中對實驗數據實現實時存儲以及可對試驗歷史進行查詢。通過對測試結果的分析來評定該型減速器的綜合性能以及驗證該參數試驗方法的可行性,可以為減速器制造商提供實際的參考數據和設計依據。

                      實現對國產減速器性能參數的有效、正確檢測是影響我國減速器行業發展的重要因數之一。早期國外的研究機構主要是對常見傳動裝置如齒輪傳動箱進行測試,測試的內容主要為表面疲勞特性、熱力學、動力學等性能的檢測。與國外相比,國內對于減速器的研宄起步較晚,直至上世紀60年代后期,國內開始引進國外技術如擺線針減速器的運動學、動力學方程,正式系統的深入研究減速器性能,減速器測試系統也隨之逐漸發起來。

                      精密減速器測試系統設計:

                    人機界面部分程序
                    人機界面部分程序

                    標準狀態機架構
                    標準狀態機架構

                    驅動電機部分程序
                    驅動電機部分程序

                    數字量控制程序
                    數字量控制程序

                    FPGA采集卡
                    FPGA采集卡

                    部分扭矩采集程序
                    部分扭矩采集程序

                    目錄

                      摘要
                      ABSTRACT
                      第一章 緒論
                        1.1 課題研究的背景及意義
                        1.2 精密減速器測試系統概述
                          1.2.1 精密減速器測試系統的發展
                          1.2.2 精密減速器測試系統的研宄現狀
                        1.3 論文研究的主要內容
                        1.4 本章小結
                      第二章 精密減速器性能參數試驗方法
                        2.1 常見的精密減速器結構及工作原理
                          2.1.1 諧波齒輪減速器
                          2.1.2 RV減速器
                        2.2 精密減速器綜合性能參數試驗方法
                          2.2.1 傳遞精度
                          2.2.2 背隙及剛度
                          2.2.3 回程誤差
                          2.2.4 空載摩擦轉矩
                          2.2.5 啟停轉矩
                          2.2.6 機械效率
                        2.3 本章小結
                      第三章 測試系統的建模與仿真
                        3.1 測試系統齡體概述
                          3.1.1 測試系統的儀器組成
                          3.1.2 測試系統的工作過程
                        3.2 試驗臺控制系統的建模
                          3.2.1 試驗臺機械結構的建模
                          3.2.2 電機控制系統的建模
                          3.2.3 減速器理論模型
                          3.2.4 控制系統的仿真模型
                        3.3 本章小結
                      第四章 測試系統的軟件設計
                        4.1 軟件功能與架構設計
                          4.1.1 軟件功能
                          4.1.2 軟件架構設計
                        4.2 控縣統設計
                          4.2.1 電機控制系統設計
                          4.2.2 電源控制系統設計
                        4.3 數據采集系統設計
                          4.3.1 傳遞誤差設計
                          4.3.2 背隙剛度設計
                          4.3.3 回程誤差設計
                          4.3.4 其他
                        4.4 數據管理系統的設計
                          4.4.1 數據庫系統設計
                          4.3.2 測試報表設計
                        4.5 測試流程設計
                          4.5.1 傳遞誤差試驗流程設計
                          4.5.2 背隙剛度試驗流程設計
                          4.5.3 回程誤差試驗流程設計
                          4.5.4 空載摩擦轉矩試驗流程設計
                          4.5.5 啟停轉矩試驗流程設計
                          4.5.6 機械效率試驗流程設計
                        4.6 本章小結
                      第五章 測試系統試驗結果和分析
                        5.1 試驗類型測試結果
                          5.1.1 傳遞誤差試驗
                          5.1.2 背隙剛度試驗
                          5.1.3 回程誤差試驗
                          5.1.4 空載摩擦轉矩試驗
                          5.1.5 啟轉矩停試驗
                          5.1.6 機械效率試驗
                        5.2 試系統性能分析
                        5.3 本章小結
                      第六章 總結與展望
                        6.1 全文總結
                        6.2 課題展望
                      參考文獻
                      致謝

                    (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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