В контроле качества и оценке производительности интегрированных шарниров роботов тестирование на частоте второй гармоники (2×) стало незаменимым ключевым этапом. Хотя этот тест может показаться узкоспециализированным, он напрямую связан с основными показателями производительности, такими как точность, жесткость и надежность шарниров. В этом документе, охватывающем технические принципы, инженерную практику и контроль качества, объясняется, почему тестирование на частоте второй гармоники необходимо и почему оно приобретает все большее значение в современном робототехническом производстве.

Основная структура и динамические характеристики шарниров роботов.

Типичная структура интегрированного соединительного модуля

Типичная передаточная цепь цельного шарнира выглядит следующим образом:

Двигатель -> Гармонический привод / Редуктор RV -> Выходной вал

Среди них редуктор является ключевым компонентом трансмиссии, и его характеристики во многом определяют общее поведение соединения.

Нелинейные характеристики гармонических воздействий

Гармонические приводы широко используются в шарнирах манипуляторов коллаборативных роботов благодаря таким преимуществам, как высокое передаточное число, практически нулевой люфт и компактные размеры. Принцип их работы основан на упругой деформации гибкого шлицевого вала:

- Волновой генератор вращает и приводит гибкий сплайн в эллиптическую деформацию.

- В процессе деформации гибкий сплайн зацепляется с круговым сплайном для передачи движения.

- Круговой шлицевой вал фиксирован, а гибкий шлицевой вал обеспечивает вращение с пониженной скоростью.

Поскольку эта передача основана на упругой деформации, она по своей природе обладает нелинейной жесткостью. Когда генератор волн вращается с угловой частотой ω, гибкий шлицевой вал испытывает два события зацепления и расцепления за один оборот, что вносит частотную составляющую 2ω в выходной крутящий момент и вибрационный отклик — это физическая причина явления второй гармоники.

Физическая сущность явления второй гармоники

Механизм частотно-доменных характеристик

В процессе работы гармонического привода распределение напряжений в гибком шлице периодически изменяется. Используя скорость генератора волн в качестве основной частоты f1, за один цикл вращения гибкий шлиец претерпевает следующие изменения:

- Первая зона зацепления: направление длинной оси полностью совпадает с круговым сплайном.

- Переходная зона: глубина сетки постепенно уменьшается.

- Вторая зона зацепления: в направлении короткой оси образуется еще одна зона зацепления.

- Переходная зона: глубина сетки снова уменьшается.

Эта структурная особенность — одно вращение, два зацепления — приводит к пульсациям крутящего момента, изменению жесткости и вибрационной реакции выходного вала, демонстрирующим четкую характеристику второй гармоники (2f1). С точки зрения анализа Фурье, это типичная система параметрического возбуждения, где сама жесткость системы периодически изменяется во времени.

Спектральная идентификация в вибрационных сигналах

Измеряя вибрацию шарнира с помощью акселерометров или лазерных виброметров, можно получить спектр частотной характеристики. Типичный спектр вибрации шарнира с гармоническим приводом включает в себя:

- Основной (1×): соответствует скорости вращения двигателя или частоте входного вала.

- Вторая гармоника (2×): характерная частота гармонического возбуждения, обычно с наиболее выраженной амплитудой.

- Третья гармоника (3×) и выше: гармонические составляющие более высокого порядка с меньшей амплитудой.

Величина двукратной амплитуды напрямую отражает:

- Качество зацепления между гибким сплайном и круговым сплайном.

- Точность обработки волнового генератора.

- Соответствие предварительной нагрузки подшипника.

- Ошибки соосности, возникающие в процессе сборки.

Инженерное значение тестирования второй гармоники

Оценка жесткости

Жесткость шарниров является ключевым параметром, влияющим на точность позиционирования робота и его динамический отклик. Торсионная жесткость гармонического привода не является постоянной величиной; она изменяется во времени в зависимости от состояния зацепления. Большая амплитуда второй гармоники указывает на более сильные колебания жесткости, что приводит к:

- Снижена точность позиционирования: дополнительная погрешность позиционирования при изменении нагрузки.

- Нарушение отслеживания траектории: колебания во время высокоскоростного движения.

- Снижена стабильность управления: алгоритмы управления с трудом компенсируют изменяющуюся во времени жесткость.

Мониторинг характеристик второй гармоники позволяет косвенно оценить эквивалентную крутильную жесткость соединения и диапазон ее колебаний, что служит основой для проектирования системы управления.

Контроль качества сборки

Амплитуда второй гармоники очень чувствительна к точности сборки. Следующие дефекты сборки могут вызывать аномальное поведение второй гармоники:

- Эксцентриситет генератора волн: амплитуда значительно увеличивается (неравномерная деформация гибких сплайнов, несбалансированные силы зацепления).

- Неправильная предварительная нагрузка подшипника: разброс частот, больше боковых полос (вводит дополнительный зазор или чрезмерное ограничение).

- Flexspline, установленный с наклоном: 2× разделяется на двойные пики (асимметричная зона зацепления).

- Плохая соосность между круговым сплайном и гибким сплайном: связь между частотой вращения 2× и частотой вращения (несоответствие геометрических осей).

Система раннего предупреждения о неисправностях

В процессе эксплуатации редукторы подвергаются деградации, такой как износ и усталость. Изменение характеристик второй гармоники может служить индикатором мониторинга состояния:

- Постепенное увеличение амплитуды в 2 раза: рост усталостных трещин при изгибе шлицев, снижение жесткости.

- Сдвиг частоты в 2 раза: износ подшипников вызывает нестабильность скорости.

- Появляются новые боковые полосы: локальные повреждения, такие как ямки или сколы на поверхности зубов.

По сравнению с традиционными периодическими разборками и проверками, онлайн-мониторинг, основанный на характеристиках второй гармоники, позволяет проводить превентивное техническое обслуживание, избегая незапланированных простоев из-за внезапных отказов.

Методы и стандарты испытаний

Конфигурация тестовой системы

Полная система измерения второй гармоники обычно включает в себя:

- Устройство возбуждения: сервомотор приводит в движение шарнир с постоянной или переменной скоростью.

- Комплект датчиков: трехосевые акселерометры (установлены на корпусе шарнира), датчик крутящего момента (измеряет пульсации выходного крутящего момента), энкодер (фазовый опорный сигнал).

- Сбор и анализ данных: высокочастотная система сбора данных (>= 10 кГц), спектральный анализ методом быстрого преобразования Фурье, анализ отслеживания порядка (для условий переменной скорости).

Типичная процедура тестирования

Шаг 1: Тест на работу без нагрузки

- Работает на 30%, 60% и 100% от номинальной скорости.

— Запишите спектры колебаний на каждой скорости.

- Извлечь амплитуды 1× и 2× и вычислить их отношение.

Шаг 2: Тестирование под нагрузкой

- Приложите 50% и 100% от номинального крутящего момента.

- Сравните изменения характеристик второй гармоники при различных нагрузках.

- Оценить зависимость жесткости и демпфирования от нагрузки.

Шаг 3: Тест сканирования

- Осуществлять сканирование от низкой скорости к высокой с равномерным темпом.

— Постройте диаграмму Кэмпбелла, чтобы определить точки резонанса.

— Проверьте, связана ли вторая гармоника с собственными частотами конструкции.

Соответствующие стандарты

Хотя в настоящее время не существует отдельного стандарта, специально предназначенного для испытаний на вторую гармонику, следующие стандарты предоставляют основу для испытаний на вибрацию и динамику:

- ISO 10218-1:2011

- GB/T 30819-2014

- ISO 9283:1998

- ISO 14738:2002

Многие производители роботов также внедряют внутренние процедуры тестирования с использованием второй гармоники в свои системы контроля качества и используют их в качестве стандартного элемента для совместной проверки готовой продукции.

Заключение

Тестирование с использованием метода второй гармоники является важным инструментом для понимания и оценки характеристик шарниров манипуляторов коллаборативных роботов. Оно выявляет присущие гармоническим приводам динамические характеристики и предоставляет количественные данные для контроля качества, диагностики неисправностей и оптимизации производительности.

С физической точки зрения, явление второй гармоники возникает из-за структуры гибкого шлицевого соединения, включающей одно вращение и два события зацепления, и представляет собой внутренний отклик параметрической системы возбуждения. С инженерной точки зрения, амплитуда второй гармоники напрямую связана с ключевыми показателями, включая колебания жесткости, точность сборки и состояние износа.

По мере развития робототехники в направлении повышения точности и надежности, тестирование с использованием метода второй гармоники неизбежно перейдет из лабораторного этапа в стандарт производственного процесса, став важной гарантией качества роботов. Для инженеров, занимающихся проектированием, производством и обслуживанием роботов, глубокое понимание принципов и методов тестирования с использованием метода второй гармоники поможет повысить конкурентоспособность продукции и стимулировать технологический прогресс в отрасли.