工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)服役性能綜合性實驗設計

蒙 臻，倪 敬，周 晶，呂俊杰

（1.杭州電子科技大學 機械工程學院，浙江 杭州 310018；2.杭州電子科技大學，浙江省船港機械裝備技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310018）

隨著國家“2025 計劃”深度推進和大量中小企業(yè)戰(zhàn)略轉型升級，工業(yè)機器人的應用范圍和需求量在逐年遞增[1-3]。因此，社會對于能夠運用多學科知識，對工業(yè)機器人相關性能進行應用、檢測及診斷的技術人才的需求量也在逐年增大。我國本科生工程教育的課程設置及培養(yǎng)體系，也逐漸將解決工業(yè)機器人工程問題能力視為核心培養(yǎng)目標[4-6]。

而伺服系統(tǒng)是工業(yè)機器人的驅動核心，其服役性能及影響因素關系著機器人在相關作業(yè)環(huán)境中的可靠性，是該領域的核心復雜問題。而解決上述問題需要有機結合機械機構學、電氣控制理論、電工電子電路等多學科理論和創(chuàng)新實踐能力[7-8]。但是目前我國高校與之相關的實驗實踐課程相對比較匱乏，實驗設計相對不夠系統(tǒng)，這對新形勢下的本科生工程教育提出了新的挑戰(zhàn)[9-13]。

本文為了迎合與機器人相關的本科教學與工程教育的迫切需求，基于國家級科研項目相關研究成果，通過設計多應力條件下工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)服役性能實驗，將跨專業(yè)學科理論知識與工程實踐能力相結合，以便理工類大學生深入理解機器人專業(yè)課程，并進一步提高其創(chuàng)新思維能力。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗原理

工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)的服役性能主要是指快速的響應性、穩(wěn)定的運動性和精確的定位性，以驅使工業(yè)機器人執(zhí)行末端精確地實現(xiàn)運動路徑，完成指定的任務，如圖1 所示。而在科學研究和實際應用中發(fā)現(xiàn)，影響上述服役性能的因素，主要有工作應力和環(huán)境應力兩大方面。

1）工作應力的影響。

受規(guī)劃路徑及工作節(jié)拍所限，工業(yè)機器人關節(jié)處的伺服電機往往要急起急停；若運動路徑不夠平滑，會導致伺服電機內(nèi)部元件嚴重磨損，從而導致伺服驅動性能失效。

此外，對于搬運類的工業(yè)機器人，其外部負載通常會在短時間內(nèi)發(fā)生變化，折算到伺服驅動系統(tǒng)上時，則是負載扭矩和負載慣量會瞬時變化。而當外部負載發(fā)生變化時，伺服驅動系統(tǒng)受自身“電流—速度—位移”三環(huán)調(diào)節(jié)特性的影響，會快速響應至新的平衡點，從而導致繞組電流瞬時劇烈變化，一定程度上影響了伺服電機的跟隨性能，也降低了伺服電機的控制精度。

2）環(huán)境應力的影響。

當環(huán)境溫度上升時，伺服電機繞組銅耗會增大，輸出效率相對會降低；而當環(huán)境溫度下降時，雖然繞組電阻率減小，使繞組功耗相對降低，但電機內(nèi)軸承的潤滑脂等會變得黏稠，反而一定程度上增大了負載力矩。

此外，在工業(yè)機器人運輸或使用過程中，環(huán)境振動對于伺服驅動系統(tǒng)內(nèi)部元件來說，實際上是在施加循環(huán)負載。這改變了軸承等滾動和滑動副的接觸狀態(tài)，加劇了接觸界面的摩擦磨損，使?jié)櫥А?/p>

然而在工業(yè)機器人的實際使用過程中，往往是上述多種因素的耦合作用，改變了伺服驅動系統(tǒng)的運行狀態(tài)。為了使相關專業(yè)大學生有效認知單一因素對伺服驅動系統(tǒng)服役性能的影響特征，本文將工作應力和環(huán)境應力分隔成相對獨立的2 個實驗部分，設計了工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)服役性能的綜合性實驗。

1.2 實驗設備與儀器

伺服驅動服役性能測試平臺如圖2 所示，主要由被測對象部分、模擬負載部分和數(shù)據(jù)采集部分組成。

圖2 伺服驅動服役性能測試機構圖

1）被測對象部分。

為工業(yè)機器人上專用的關節(jié)伺服系統(tǒng)，在本文中以Delta ASD-A2-0721-E 伺服驅動器和EMCA-C10807RS伺服電機為被測對象。伺服驅動器其性能指標為額定功率0.75 kW、單相/三相220 V AC、解析數(shù)128 000 PPR，采用脈沖+符號，A/B 相等位置控制方式；EMCAC10807RS 伺服電機額定功率為0.75 kW，額定轉速為3 000 r/min，最高轉速為 5 000 r/min，額定扭矩為2.39 N·m，最大扭矩為7.16 N·m，額定電流為5.1 A，轉子慣量為1.13×10-4kg·m2，使用溫度0～40 ℃，使用濕度20%～90% RH。

2）模擬負載部分。

采用了法蘭盤加質(zhì)量塊的方案，根據(jù)質(zhì)量塊配置數(shù)量和配置模式的區(qū)別，可以有效模擬伺服驅動系統(tǒng)的工作負載力矩和負載慣量特性。如圖2 所示，負載扭矩TL可表示為

式（1）中，TL為折算到電機軸上的負載力矩（N·m），a1，a2，…，a6分別為各安裝位置的質(zhì)量塊個數(shù)，m為單個質(zhì)量塊的質(zhì)量（kg），L 為質(zhì)量塊質(zhì)心到法蘭盤中心的距離（m）。

負載慣量JL可表示為

式（2）中，JL為質(zhì)量塊繞伺服電機軸的轉動慣量（k g·m2），d 為質(zhì)量塊的邊長（m）。

另外，為了有效施加環(huán)境應力，實驗時將整個測試平臺都固定在三綜合試驗箱內(nèi)的固定平臺上，分別施加溫度變量和振動變量。其中，試驗箱主要通過PID控制反饋，保證試驗箱溫度為設定的環(huán)境溫度；通過固定平臺下方的脈沖電磁鐵，使測試對象在垂直方向上振動，保證振動的頻率和振幅為設定的環(huán)境振動參數(shù)。

3）數(shù)據(jù)采集部分。

采用HCNJ-101 扭矩/轉速傳感器和數(shù)據(jù)采集儀，讀取負載端實時轉速和扭矩；采用串行通信電纜和ASDA_SOFT_V5.4.0.0 軟件實時讀取伺服驅動器的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

測試平臺各元器件的主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 主要元器件參數(shù)表

1.3 實驗安排

在科研項目研究過程中，研究人員需要層層遞進、有邏輯性地攻關難題。本實驗也需要循序漸進地增強和提高學生對工業(yè)機器人用伺服驅動系統(tǒng)服役性能的理解和實踐能力。這既有利于學生掌握相對獨立的專業(yè)知識點，也有利于學生對各專業(yè)知識的綜合應用。因此，本實驗分為3 個層次，分別對應不同學習階段的機械專業(yè)本科生。

1）認知導引型實驗。

本階段實驗主要面向大一新生，目的在于讓學生充分理解工業(yè)機器人關節(jié)機構和運動原理，以及伺服驅動系統(tǒng)服役性能對工業(yè)機器人整體運行的影響。本階段實驗安排如下：

首先向學生講解工業(yè)機器人的運動機構，再以單關節(jié)運動機構為例，講解伺服驅動系統(tǒng)在機器人關節(jié)運動中的作用。

然后在教師的指導下設定伺服電機的旋轉角度和速度，觀察并記錄其所驅動的關節(jié)定位角度和重復定位角度，分析不同驅動速度下所記錄數(shù)據(jù)的誤差規(guī)律。

2）問題導向型實驗。

本階段實驗主要面向大二和大三學生，目的在于讓學生了解工業(yè)機器人的工作應力對伺服驅動系統(tǒng)服役性能的影響，同時掌握伺服驅動系統(tǒng)傳動原理、電氣PLC 編程方法和信號分析及處理方法。本階段實驗主要采用導向型項目制，其具體安排如下：

本階段實驗基于工作應力的施加類型，分別設置了“負載轉矩對伺服系統(tǒng)服役性能的影響”和“負載慣量對伺服系統(tǒng)服役性能的影響”兩大類導向型項目；完成隨工作應力變化“伺服系統(tǒng)輸出轉速的變化趨勢”“伺服系統(tǒng)輸出電流的變化趨勢”“伺服系統(tǒng)加速時間的變化趨勢”等3 大核心問題的實驗探索。

針對上述問題，實驗同學需要分成多個項目組，選擇其中一個核心問題開展探索性實驗；在項目組內(nèi)，學生們需要分別完成伺服系統(tǒng)控制程序的編寫，實驗數(shù)據(jù)的采集及處理，實驗報告文本及數(shù)據(jù)圖片的編寫和繪制等節(jié)點任務，并最終配合完成探索性實驗。

3）開放設計型實驗。

本階段實驗主要面向大四和研究生，目的在于讓學生通過實踐性教學環(huán)節(jié)，綜合多學科知識，進一步鉆研工作應力與環(huán)境應力對伺服系統(tǒng)服役性能演化的影響。本階段實驗采用開放式競賽制，具體安排如下：

本階段實驗只有一個競賽主題，即“工作應力和環(huán)境應力對伺服系統(tǒng)服役性能的綜合影響”，這也是本階段實驗的最終目標。

針對上述題目，實驗同學需要分成多個競賽組，每個競賽組需要確定本組的競賽題目和核心目標，并圍繞這個目標，選擇合理的實驗方案，開展競賽型實驗，最后通過實驗數(shù)據(jù)對比分析和討論文本寫作，給出具有獨創(chuàng)性和邏輯性的實驗報告。

1.4 實驗數(shù)據(jù)處理方法

在交流伺服系統(tǒng)的一些測試標準中，主要通過正反轉速差率、轉速調(diào)整率、轉矩波動系數(shù)、轉速波動系數(shù)等指標來判斷交流伺服系統(tǒng)的狀態(tài)。因此，本文也主要把這些性能指標作為判斷伺服系統(tǒng)可靠性能的依據(jù)。在分析相關試驗數(shù)據(jù)時，借助于統(tǒng)計學方法分析不同溫度下的扭矩、轉速、電壓和電流的均值、最大值、最小值、標準差等，其中標準差的大小可以衡量測得數(shù)據(jù)的分散程度。

（1）正反轉速差率。指伺服系統(tǒng)在額定電壓下空載運行時，伺服電機正、反轉均值之間的差異，其計算公式如下：

式中，Kn是正反轉速差率，ncw是電動機順時針旋轉時的轉速平均值，nccw是電動機逆時針旋轉時的轉速平均值。

（2）轉速調(diào)整率。指伺服系統(tǒng)工作在額定轉速條件下，電動機的平均轉速變化值與額定轉速的百分比，其計算公式如下：

式中，Δn 是轉速調(diào)整率，ni是電動機的實際轉速，nN是電動機的額定轉速。

（3）轉矩波動系數(shù)。指伺服系統(tǒng)工作在額定條件下，電動機輸出最大扭矩和最小扭矩的差值與扭矩均值的百分比，其計算公式如下：

式中，KfT是轉矩波動系數(shù)，Tmax是瞬時轉矩的最大值，Tmin是瞬時轉矩的最小值。

（4）轉速波動系數(shù)。指伺服系統(tǒng)工作在額定條件下，電動機最大轉速和最小轉速的差值與轉速均值的百分比，其計算公式如下：

式中，Kfn是轉速波動系數(shù)，nmax是瞬時轉速的最大值，nmin是瞬時轉速的最小值。

2 實驗實施與結果

本文以開放設計型實驗為例，說明學生如何通過實驗數(shù)據(jù)分析工作應力和環(huán)境應力對工業(yè)機器人用伺服系統(tǒng)服役性能的影響。

首先，測試對象的控制模式選定為位置控制模式，其指令曲線為包含加速、勻速和減速階段的梯形速度曲線指令。在空載條件下，通過上述運動指令設定伺服電機周期性正反轉。與此同時，實時采集伺服驅動系統(tǒng)的相關反饋參數(shù)。

其次，改變法蘭盤上質(zhì)量塊的數(shù)量，再以同樣的運動模式運行，并實時采集相關反饋參數(shù)。

然后，將測試平臺放置于三綜合測試箱，在空載條件下，再以同樣的運動模式運行，并實時采集相關反饋參數(shù)。

最后，通過處理上述數(shù)據(jù)，綜合性分析負載特性與環(huán)境因素對伺服驅動系統(tǒng)服役性能的影響特征。

2.1 伺服驅動系統(tǒng)性能曲線

伺服電機周期性正反轉時采集的數(shù)據(jù)，可以繪制成如圖3 所示的伺服電機轉速-時間圖和負載電流-時間圖。如圖所示，在單個測試周期內(nèi)，伺服電機運轉狀態(tài)可分為正轉加速、正轉勻速、正轉減速、反轉加速、反轉勻速和反轉減速6 個階段。同學們可以從這些階段中，利用式（3）—（6）分別獲取伺服電機加速時間、勻速段速度波動和電流波動等數(shù)據(jù)，并通過這些數(shù)據(jù)進一步分析伺服驅動系統(tǒng)的服役性能。

圖3 伺服電機運轉曲線

從圖中可以看出，在加速啟動階段，電流的響應相對速度較快，且速度曲線相對較為平滑地達到最大速度值3 000 r/min，而電流曲線則是快速上升至峰值0.58 A 左右后，又快速下降至0.25 A 達到穩(wěn)定狀態(tài)。從曲線的上述變化趨勢可以分析空載條件下，伺服電機電流環(huán)和速度環(huán)的不同特征。

2.2 工作應力對伺服驅動系統(tǒng)的影響

如圖4 所示，伺服驅動系統(tǒng)隨著外部負載變化，伺服電機的轉速均值和電流均值均發(fā)生了變化。但速度變化相對較小，其隨負載變化的波動率為0.008%；而電流變化相對較大，隨負載增大呈快速上升趨勢，其波動率達到了63.7%。

圖4 轉速及電流隨負載的變化曲線

此外，同學們還可以利用式（3）—（6）分別計算相關參數(shù)，對比分析在不同外部負載條件下，伺服系統(tǒng)的特征指標的變化趨勢。

2.3 環(huán)境應力對伺服驅動系統(tǒng)的影響

如圖5 所示，伺服驅動系統(tǒng)隨著環(huán)境溫度的變化，伺服電機的轉速均值和電流均值也發(fā)生了變化。同樣速度均值變化不大，其隨環(huán)境溫度變化的波動率為0.027%；電流均值隨環(huán)境溫度變化的波動率為62.2%。與工作應力的對比可以明顯看出，電流均值的波動率幾乎相同時，速度均值的波動率提高了近4 倍，說明環(huán)境溫度對轉速均值的影響更為明顯。此外，隨著環(huán)境溫度的上升，電流均值呈現(xiàn)明顯下降的趨勢；而當溫度高于20 ℃時，轉速均值的波動也特別明顯。

圖5 轉速及電流隨溫度的變化曲線

綜上可以得出，較大的外部負載和較低的環(huán)境溫度都可以顯著影響伺服電機的電流均值。而外部負載對伺服電機轉速均值幾乎沒有影響，當環(huán)境溫度超過20 ℃時，轉速均值波動較為明顯。

同學們可以通過上述綜合性測試方法，分析并討論其他服役性能參數(shù)在工作應力和環(huán)境溫度下的變化趨勢。

3 結語

與普通電機測試試驗相比，本文設計的工業(yè)機器人用伺服驅動系統(tǒng)服役性能綜合性實驗具有進一步模擬工業(yè)機器人實際工況、結構緊湊、操作方便和機電集成度高的特點，同時還具有以下的特色與創(chuàng)新之處：

（1）該實驗系統(tǒng)配置了伺服驅動技術、PLC 多軸控制技術、扭轉傳感技術、數(shù)字信號處理技術、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法等，能夠有效地完成經(jīng)典機電傳動控制、PLC 運動控制、數(shù)字信號處理等較為基礎的認知導引型實驗。

（2）該實驗系統(tǒng)可通過拆裝質(zhì)量塊改變轉動慣量及負載轉矩，可有效模擬工業(yè)機器人伺服驅動系統(tǒng)的工作負載條件，能夠有效開展針對伺服驅動系統(tǒng)服役性能的問題導向型實驗。

（3）該實驗系統(tǒng)融合了三綜合環(huán)境實驗箱，可進一步模擬伺服驅動系統(tǒng)的工作環(huán)境，可有效開展針對伺服驅動系統(tǒng)服役性能的開放設計型實驗，具有較高的高階型實驗教學應用價值。