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和日本工程师的一次PK--减速机造成机器人震动分析

Ai机器人网2024-05-11 15:47:0623
      笔者前几天去机器人调试车间进行伺服适配调试,碰巧隔壁工位是结构组的同事与减速机供应商在进行整机测试,测试期间遇到机器人4轴有异响且震动明显,他们便邀请我过去一块分析震动原因。

      结构组的同事主要工作内容是进行不同型号机器人本体结构设计,并完成6轴机器人的整机装配。笔者过去后,他们首先给我讲明了基本情况:

  1. 使用日本客户生产的减速机,机器人4轴在2000rpm,3000rpm运行会有异响且震动明显;

  2. 另一台同型号机器人使用其他厂家减速机,机器人4轴运行过程中不会出现异响及震动;

  3. 因为当前车间只有日本客户1台减速机,无法进行拆除更换,也就无法进行对比测试;

  4. 日本工程师认为不是减速机的问题,因为他之前未遇到过此种现象。

      结构组的同事认为可以下结论了,既然使用其他厂家减速机的机器人不会出现异响和震动,那肯定就是日本厂家减速机的问题了,但是日本工程师很固执,坚决认为还可能存在其他原因。

      笔者听完他们的描述也不能很快下结论,因为机器人运行中存在异响,抖动这种问题确实比较复杂,原因可能不唯一,也有可能是多种原因的叠加。

      笔者首先查看了用于对比的2台机器人伺服参数,因为伺服控制中位置环增益,速度环增益和惯量比的设置过大,也会让电机运行中出现异响。在确认参数一致后笔者采集了2台机器人4轴运行时的速度指令-反馈波形,既然运行中有异响且会震动,那应该会反映到速度波形中。果然,不会出现异响的机器人4轴速度指令-反馈波形比较平滑,而出现异响震动的机器人4轴速度指令-反馈波形有明显的波动,如下图所示,红色为速度指令波形,兰色为速度反馈波形。

和日本工程师的一次PK--减速机造成机器人震动分析


      笔者测试了2500rpm,3000rpm和3500rpm运行时的速度波动,并发现速度反馈波动频率与转速有倍数关系。笔者接下来问了一个问题:4轴用的是不是谐波减速机?在得到同事肯定的答案后,就可以锁定原因了。

      接下来就是给大家解释原因:首先来认识一下谐波减速机的结构,如下图所示。


      由上图可知,谐波减速机有三个关键部件:波发生器,柔性轮和刚性轮,其中波发生器为椭圆形,在波发生器作用下柔性轮产生弹性形变并与刚性轮相互作用实现动力传递。

      由于谐波减速机的运行特性是椭圆带动正圆运行,可以认为谐波减速机的输出是正弦波,则其输出会是一个跟速度相关的频率。假设电机转速为600r/min(电机带动波发生器旋转),则谐波减速机产生的谐振频率约为600÷60×2=20Hz,假如这时采集速度波形其震动频率也为20Hz,则其震动大概率是由减速机带来的,这种震动是调整伺服参数无法消除的。

PS:ω/60×2的含义:谐波减速机中波发生器椭圆每旋转一圈带动柔性轮产生2次形变,角速度ω单位先由r/min转换为r/s,然后×2即为谐波减速机的输出频率。

      笔者在上面的测试中,速度反馈波动频率与实际转速正好满足以上的数学关系式,则可以判定4轴的震动是由谐波减速机引起的。


      最难的是要把这个分析过程解释给日本工程师听,好在和他交流的过程中间有他们带的翻译,真是为难翻译小哥儿了O(∩_∩)O不过听完我的分析后他居然还不死心,又打越洋电话回去问他们公司的研发(日本工程师真是固执啊),还是他们研发肯定了我的说法。。。


      最后一个问题,既然上面说的谐波减速机输出频率和转速存在倍数关系,这是其固有属性,怎么能确定是减速机有问题呢?笔者直接说结论:在实际机器人整机系统中,如果机器人本体刚性好,谐波减速机质量好、形变小,则减速机震动频率传递到机器人末端不会有影响,现场调试人员不会听到异响,也不会看到明显震动;反之如果谐波减速机质量差、形变大,机器人本体刚性弱,当机器人末端带夹具负载运行时,谐波减速机固有震动频率会放大到机械臂末端,严重时会出现异响及震动并将这种震动频率传递到电机轴,笔者遇到的就是这种情况。
      
      在实际整机运行中,机器人出现震动是比较复杂的问题,伺服驱动器可以在控制层面添加震动抑制算法,后面笔者会和大家分享相关内容,欢迎大家持续关注,你们的支持是我持续分享的动力~

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