RV减速机综合性能测试加载控制策略研究_马立超.pdf

第 14 卷 第 4 期2023 年 2 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Feb.2023RV 减速机综合性能测试加载控制策略研究马立超(上海羿弓精密科技有限公司，上海 200232)摘要:为了研究 RV 减速机的综合性能，需要设计专用的测试台架，用计算机程序进行自动测试。针对扭转刚度和效率试验的加载流程，提出了一种描述曲线的伪指令，将加载曲线翻译为特定的伪指令，将抽象的曲线信息转换为计算机可执行的控制指令。通过配置文件加载方式，使加载曲线的形态和参数可配置，提高试验的灵活性，达到了智能化检测的目的。关键词:RV 减速机;性能测试;加载控制中图分类号:TH132.46文献标志码:A文章编号:1674 8646(2023)04 0146 03Research on Load Control Strategy of ComprehensivePerformance Test of RV ReducerMa Lichao(Shanghai Yigong Precision Technology Co.，LTD，Shanghai 200232，China)Abstract:In order to research the comprehensive performance of RV reducer，it is necessary to design specializedtestboard bay，and automatically test through computer program.According to loading process of torsional rigidity andefficiency test，the study proposes a pseudo-instruction for curve description，translates the load curve into a specificpseudo-instruction，and converts abstract curve information to control instruction which can be performed by computer.The configuration of the file loading mode can upload the form and parameter configuration of the curve，improve theflexibility of the test，and achieve the goal of intelligent test.Key words:RV reducer;Performance test;Loading control收稿日期:2022 12 10作者简介:马立超(1990 )，男，硕士研究生，工程师。RV(Rotate Vector)减速机是一种将摆线针轮减速机和行星减速机相融合的高精度、大速比减速机，目前已广泛用于机器人行业和高精度自动控制行业。随着国产 RV 减速机研发的不断深入，对其综合性能测试的研究也逐步细化。测试项目包括角传递误差、扭转刚度、启动扭矩、传递效率和疲劳寿命等。为了实现上述指标的性能测试，需搭建专用的实验台架并设计专用的加载测试程序，以实现智能化检测目的。1综合性能测试装置设计文献 1 2 对 RV 减速机综合性能测试的试验平台进行了研究，采用磁粉加载装置，为效率试验提供负载。这种方案的缺点是磁粉制动器无法主动提供负载，进行刚度测试时需要对测试系统进行调整，换上加载配重进行实验，增加了测试流程的复杂性。进行效率测试时，输入电机的能量完全由磁粉制动器进行消耗，极大增加了整个实验系统的能耗。图 1 所示的是设计的 RV 减速机综合测试系统电气框图，加载系统由输入电机和负载电机构成。两个电机伺服驱动器的高压直流母线由电能回馈系统提供，当负载电机提供负载时，能够作为“发电机”将能量返回给电网，从而达到节能目的。输入电机和负载电机的伺服驱动器通过以太网与控制器 PLC 相连接，PLC 一方面作为主站控制输入电机和负载电机的工作状态，另一方面作为从站接收工控机的控制命令。PLC 的 IO 点与整个系统的安全回路相连接，如安全光栅、接近开关、行程开关等，当 PLC 检测到安全条件触发时，可以主动停止电机的扭矩输出，从而减少对系统或操作人员的伤害。输入端和输出端扭矩传感器的数值由工控机的高速模拟量板卡进行采集，采用同一板卡的连续通道进行高速同步采样，保证输入端和输出端的采样数据在同一时刻。对采样数据进行滑动窗平均滤波，减小采样噪声对结果的干扰。温度变送器用于采集试验过程中 RV 减速机的壳体温度，采用三线制或两线制接线的 PT100 铂电阻进行温度采集，工控机和温度变送器之间通过 ModbusRTU 协议进行数据通信。当监测到温度超过 RV 减速机允许的工作温度，工控机会主动停止电机。641图 1RV 减速机综合测试系统电气框图Fig.1Electric block diagram of comprehensive test system of RV reducer输出端和输入端角度编码器的输出信号为 ABZ差分信号，Z 脉冲信号表示角度编码器的绝对零点，A、B 信号是相位相差90的方波信号，由相位差的方向确定角度是在增加或是减少。采用高速计数板卡 PCIE1884 进行数据采集，该板卡具有 4 路差分正交编码器输入，可对输入和输出角度进行同步采样，保证角传递误差测量过程中的计算精度。当进行启动扭矩、传递误差试验时，通过机械系统将负载电机和 RV 减速机的输出端脱开，整个系统工作在空载状态。进行扭转刚度实验时，PLC 控制钳制器锁死所输入轴，控制负载电机工作在扭矩模式对RV 减速机进行加载，结合输出端的圆光栅绘制出滞回曲线。进行效率试验时，负载电机工作在恒扭矩模式，加载电机工作在恒转速模式，通过两端的扭矩传感器数值进行计算得到减速机效率。2加载控制策略2.1效率试验的加载策略为了准确测得 RV 减速机的负载效率特性，必须对其加载过程进行控制。加载过程中，既要保证扭矩和速度加载到位，又要保证在不同运行工况下运行一段时间，因此 RV 减速机的效率试验实质是转速、扭矩和时间的综合控制策略。如果应用条件跳转方式来进行程序设计将会非常烦琐，故而，设计了一种伪指令对曲线进行描述。定义控制点 KeyPoint(Ptype，Param)来描述曲线的转折点，其中，Ptype 表示控制点的类型，可以是 VEL(速度控制)、TORQUE(负载控制)、DELAY(延时控制)或 END(曲线结束点);Param 表示具体的控制参数，如果是速度控制则代表目标速度，如果是延时控制则代表延时时间，如果是负载控制则代表需要加载的扭矩，如果是结束点，该值没有意义。以 RV40E 121效率试验为例，额定输出转速为25 rpm，额定输入转速为3 025 rpm，额定扭矩为 412 Nm，要求在每个负载点运行至少 30 s。因此，曲线可描述为:(VEL，3 025)，(DELAY，30)，(TORQUE，103)，(DELAY，30)，(TORQUE，206)，(DELAY，30)，(TORQUE，309)，(DELAY，30)，(TORQUE，412)，(DELAY，30)，(TORQUE，0)，(DELAY，30)，(VEL，0)，(END，0)。2.2扭转刚度试验的加载策略扭转刚度试验的加载流程为先正向加载 100%扭矩到第一象限，正向卸载值扭矩为 0，反向加载 100%扭矩到第三象限，反向卸载到扭矩为 0，再正向加载 100%扭矩回到第一象限，最后卸载。试验过程中同步采集扭矩数据和输出端角度编码器角度信息，以扭矩为 X 轴，角度为 Y 轴绘制曲线。为了保证测量的准确性，电机加载扭矩变化时的数据不参与曲线绘制，取扭矩稳定后一定延时时间内的平均值。以RV20E 为例，额定扭矩为 167 Nm，递增扭矩为 5 Nm，延时时间为 2 s，用设计的伪指令对上述加载过程进行描述:(TORQUE，5)，(DELAY，2)，(TORQUE，10)，(DELAY，2)，(TORQUE，15)，(DELAY，2)，(TORQUE，167)，(DELAY，2)，(TORQUE，165)，(DE-LAY，2)，(TORQUE，160)，(TORQUE，0)，(DELAY，2)，(TORQUE，5)，(TORQUE，167)，(TORQUE，167)，(TORQUE，0)，(END，0)。相比于效率试验，扭转刚度试验为了保证采样点的数量，递增扭矩一般会设置得较小，如果采用手动编辑的方式显然是不科学的，且不同产品型号或不同的试验要求下，递增扭矩和延时时间都可能会相应地调整。针对扭转刚度的加载曲线，设计了扭转刚度伪指令的自动化生成脚本，输入加载的额定扭矩、递增参数，即可自动生成整条加载曲线。2.3程序实现由于扭转刚度试验点的数量较多，需要设计自动化批处理脚本。以 RV20E 额定扭矩 167 Nm 为例，假设递增扭矩设计的是 5 Nm，先求出 0 167 Nm 按照5 Nm递增的序列 5，10，15，165，由于 167 并不是5 的整数倍，需要在序列的末尾额外增加一个 167 的控制点。正向卸载过程并不重新计算，而是将正向加741载的所有点进行逆序排列得到。反向加载的序列则将正向卸载的所有数值求取相反数得到，反向卸载的序列将反向加载的所有点进行逆序排列得到。这样得到了正向加载(K1)、正向卸载(K2)、反向加载(K3)、反向卸载(K4)4 组加载序列。从第一象限开始的滞回曲线绘制是 K1 K2 K3 K4 K1 的过程，从第三象限开始的滞回曲线绘制是 K3 K4 K1 K2 K3 的过程。通过两种不同组合可以得到滞回曲线的不同绘制方式，用于试验对比分析。图 2加载曲线编辑软件Fig.2Load curve editing software为了对曲线进行编辑、保存和读取，如图 2 所示，为开发的 RV 减速机加载曲线编辑软件。输入电机加载速度表示在速度控制时，电机达到目标转速前每秒增加的转速。负载加载速率表示在扭矩控制时，电机达到目标扭矩前每秒增加的扭矩。软件上半部分为曲线显示区，图示为 25%100%负载下效率试验的加载曲线，通过下半部分输入的控制点同步刷新曲线形态。曲线点表中记录了曲线中所有关键点对应的伪指令。增加速度点、增加负载点、增加延时点按钮左侧输入框的数值即对应 KeyPoint 对象的 Param 参数。所有设置的点存入 List KeyPoint 列表对象中，选择开源Json 库 Newtonsoft.Json 对数据对象进行序列化，存入本地文本文件。程序运行时，应用 JsonConvert.DeserializeObject KeyPoint 方法从配置文件中读取控制点表，转换为 KeyPoint 类型的数组。试验进行时，依次执行每个控制点的加载要求。如果是速度点则向伺服驱动器发送速度指令，等待速度到达;如果是扭矩点则向伺服驱动器发送扭矩指令，等待扭矩到达;如果是延时点则启动定时器，等待时间到达。所有数据采集均由独立线程完成，根据试验开始和结束的信号启动和停止数据采集。数据采集线程并不负责区分当前的试验类型，仅在收到试验开始信号后对试验内容进行标记，存入数据采集对象的 ExperimentalType 属性，无论当前进行的是何种试验，一旦试验开始，就会对所有的传感器数据进行记录，存入内存中。试验结束时，由数据后处理函数判断试验类型，读取试验类型需要的传感器数据进行计算。这样的设计模式将记录输入电机的加载、负载电机的加载和实验数据，实现完全的解耦。3结束语设计了一种 RV 减速器效率试验和扭转刚度试验的加载策略，将加载曲线翻译为特定的伪指令，将抽象的曲线信息转换为计算机可执行的控制指令，通过配置文件加载方式，使加载曲线的