GB/T 35089-2018 机器人用精密齿轮传动装置 试验方法

　　ICS 2 1 . 200 J 17

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 35089—2018

　　机器人用精密齿轮传动装置 试验方法

　　precisiongeartransmissionforrobot—Testmethod

　　2018-05-14 发布 2018-12-01 实施

　　国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 35089—2018

　　GB/T 35089—2018

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由中国机械工业联合会提出。

　　本标准由全国齿轮标准化技术委员会(SAC/TC 52)归口 。

　　本标准起草单位：江苏济川创新传动机械研究院有限公司、江苏省减速机产品质量监督检验中心、苏州绿的谐波传动科技有限公司、机械科学研究总院中机生产力促进中心、重庆大学传动机械国家重点实验室、陕西渭河工模具有限公司/国营第 702 厂、上海 ABB 工程有限公司、南通慧幸智能科技有限公司、秦川机床工具集团股份公司、国家不锈钢制品监督检验中心、成都斯瑞工具科技有限公司、上海交通大学机械与动力工程学院、南京高速齿轮箱制造有限公司、广东产品质量监督检验研究院、南京康尼机电股份有限公司、南京工程学院。

　　本标准主要起草人：丁军、左昱昱、周晓菊、李谦、刘红旗、张 彦君、张敬彩、弓宇、陈安源、王绍忠、陶桂宝、赵言正、张佳帆、吴文、吴清锋、胡万 良、史翔、史旭东、张杰、瞿虎春、李朝阳、唐娟、王海霞、徐磊琛、何君、陈健。

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　　机器人用精密齿轮传动装置 试验方法

　　1 范围

　　本标准规定了机器人用精密齿轮传动装置台架试验的试验件、试验设备、安装调试、转矩效率试验、传动精度试验、寿命试验、弯曲刚度试验及其数据处理的基本要求。

　　本标准适用于一般工业环境下机器人用谐波齿轮减速器、行星摆线减速器、摆线针轮减速器等精密齿轮传动装置的台架试验。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 2828.1 计数抽样检验程序 第 1 部分：按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划

　　GB/T 2828 . 11 计数抽样检验程序 第 11 部分：小总体声称质量水平的评定程序

　　GB/T 6404 . 1 齿轮装置的验收规范 第 1 部分：空气传播噪声的试验规范

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　空载摩擦转矩 no-loadrunningtorque

　　输出端无负载，驱动输入端，不同稳定转速下的输入转矩。

　　注：空载摩擦转矩也可用转速-转矩曲线表达。

　　3.2

　　启动转矩 startingtorque

　　输出端无负载，缓慢扭转输入端至输出端启动瞬间所需的转矩。

　　3.3

　　反向启动转矩 backdrivingtorque

　　增速启动转矩

　　输入端无负载，缓慢扭转输出端至输入端启动瞬间所需的转矩。

　　3.4

　　滞回曲线 hysteresiscurve

　　输入端固定，给输出端逐渐加载至额定转矩后卸载，再反向逐渐加载至额定转矩后卸载，记录输出端对应的转矩、转角值，绘制完成的封闭的转矩-转角曲线。

　　3.5

　　弯曲刚度 bendingmomentrigidity

　　输出端承受的弯矩与输出端轴线的弹性偏转角之比值。

　　3.6

　　扭转刚度 torsionalrigidity

　　输入端固定，输出端承受的转矩与输出端的弹性扭转角的比值。

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　　3.7

　　回差 lostmotion

　　滞回曲线上，±3%额定转矩处两组交点的中点的转角差的绝对值。

　　3.8

　　传动误差 transmissionerror

　　输出端实际转角与理论转角之差。

　　4 试验件

　　4 . 1 试验件及数量

　　试验件为产品或样机，数量由试验目的和要求决定。 若为抽样检验，试验件数量应依据 GB/T 2828. 1或 GB/T 2828. 11 进行确定。

　　4 . 2 试验件的材质和加工精度

　　试验件的主要零件的材料、热处理、机械加工应符合产品设计要求并有检查记录。

　　5 试验设备

　　5 . 1 转矩、转速试验设备

　　5 . 1 . 1 用于空载、负载、超载、空载摩擦转矩、启动转矩、机械效率等试验项 目，基本组成如图 1 所示(可以不装角度传感器)。在试验件的输入和输出端各安装一台转速转矩传感器，直接测量试验件的输入和输出转矩、转速。

　　5 . 1 .2 驱动与加载方式不受限制，应能保持运转稳定。在额定转速下，驱动转速波动不应超过 ±1 r/min,负载转矩波动不应超过 ±1 .5%FS。

　　5 . 1 . 3 应可以正、反转及带载启动，位置调节部件应能锁死。

　　5 . 1 . 4 仪器仪表的规格、量程、精度应与试验要求相适应，并通过校准及理论计算得出系统误差。 试验过程中应能自动记录数据。

　　5 . 2 传动精度试验设备

　　5 . 2 . 1 用于扭转刚度、回差、传动误差等试验项 目，基本组成如图 1 所示。 在试验件的输入和输出端各安装一组角度传感器和转速转矩传感器，直接测量试验件的输入和输出转角、转矩、转速。 试验件与角度传感器之间联接应保证同步。

　　5 .2 .2 驱动与加载方式不受限制，应能保持运转稳定。在额定转速下，驱动转速波动不应超过 ±1 r/min,负载转矩波动不应超过 ±1.5%FS。转角测量误差应不大于试验件传动误差的 1/3。

　　5 . 2 . 3 应可以正、反转及带载启动，位置调节部件应能锁死，旋转制动部件应作用可靠(即制动状态下不能有松动，松开状态下不能有摩擦)。

　　5 . 2 . 4 仪器仪表的规格、量程、精度应与试验要求相适应，并通过校准及理论计算得出系统误差。 试验过程中应能自动记录数据。

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　　说明：

　　1 — 驱动系统;

　　2 — 转矩转速传感器;

　　3 — 角度传感器;

　　4 — 试验件;

　　5 — 加载系统;

　　6 — 工作平台。

　　图 1 转矩、效率及传动精度试验设备示意图

　　5 . 3 寿命试验设备

　　5.3. 1 用于疲劳寿命试验项 目。应采用模拟机器人实际工况的摆动试验方法，包括但不限于摆动 n× 360°、180°、90°、45°。分为卧式和立式两种型式，基本组成如图 2、图 3 所示。在惯性负载上安装加速度传感器，测量输出轴的角加速度。

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　　说明：

　　1 — 驱动系统;

　　2 — 试验件及安装支承系统;

　　3 — 惯性负载;

　　4 — 加速度传感器;

　　5 — 工作平台。

　　图 2 卧式寿命试验设备示意图

　　说明：

　　1 — 驱动系统;

　　2 — 试验件及安装支承系统;

　　3 — 惯性负载;

　　4 — 加速度传感器;

　　5 — 工作平台。

　　图 3 立式寿命试验设备示意图

　　5 . 3 . 2 仪器仪表的规格、量程、精度应与试验要求相适应，并通过校准及理论计算得出系统误差。 试验过程中应能自动记录数据。

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　　5 . 4 弯曲刚度试验设备

　　5 . 4 . 1 用于弯曲刚度试验项 目 。基本组成如图 4 所示。 将试验件固定于工作平台后，可以分别对输出轴施加径向负载力 W 1 和轴向负载力 W 2 ,方式不限。

　　说明：

　　1 — 试验件;

　　2 — 安装支承系统;

　　3 — 工作平台。

　　图 4 弯曲刚度试验设备示意图

　　5 . 4 . 2 仪器仪表的规格、量程、精度应与试验要求相适应，并通过校准及理论计算得出系统误差。 测试参数包括轴向、径向负载力及输出轴偏转角。 采用力传感器分别测量轴向、径向负载;采用角度测试仪器直接测量输出轴偏转角，或采用位移传感器测量偏转位移后计算得到偏转角。

　　5 . 5 温度、噪声测试仪器

　　5 . 5 . 1 试验件壳体温度的测量优先采用贴片式温度传感器。

　　5 . 5 . 2 噪声测试仪器和测试方法应符合 GB/T 6404 . 1 的规定。

　　6 安装调试

　　试验件安装完毕应符合下列要求：

　　— 试验件与试验设备各部件连接可靠，保证刚度，减少调整环节，减小系统误差。

　　— 试验件的输入、输出轴线与相邻设备的同轴度应不大于 0.02 mm,并保证系统运转灵活。

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　　7 转矩、效率试验与数据处理

　　7 . 1 空载试验

　　在额定转速下，正、反两方向各运转不小于 30 min。试验过程中应观察并记录：

　　— 各连接件、紧固件是否有松动;

　　— 各密封处、各接合处是否漏油、渗油;

　　— 运转是否平稳，是否发生冲击、异响;

　　— 试验件壳体温度是否超过上限;

　　— 输出转速是否异常波动。

　　7 . 2 空载摩擦转矩

　　7 . 2 . 1 输出端空载状态下，从输入端启动试验件，在不同转速下稳定运转，实时采集试验件输入转速及转矩，绘制转速-转矩曲线。

　　7.2.2 将 7.2.1 中的转速-转矩曲线按照最小二乘法拟合成斜率为 k 的直线，得到空载摩擦转矩计算方法，见式(1) :

　　T=kn+c …………………………( 1 )

　　式中：

　　T — 空载摩擦转矩，单位为牛顿米(N ·m ) ;

　　n — 输入转速，单位为转每分(r/min) ;

　　c — 常数。

　　7 . 3 启动转矩

　　输出端无负载，从输入端缓慢驱动试验件，至输出端启动，期间实时采集输入端转矩(采样频率应不

　　低于 1 kHz) ,取最大值作为启动转矩。

　　7 . 4 反向启动转矩

　　输入端无负载，从输出端缓慢驱动试验件，至输入端启动，期间实时采集输出端转矩(采样频率应不

　　低于 1 kHz) ,取最大值作为反向启动转矩。

　　7 . 5 加载及传动效率试验

　　7.5. 1 空载试验后进行加载及传动效率试验，试验环境温度(23±5)℃。在额定转矩下运转至温度平衡，且壳体温度 ≤60 ℃时，进行效率试验。

　　7 . 5 . 2 在不同转速下从零加载至额定转矩，记录输入/输出转矩、输入/输出转速，每个转速下至少采集5 组数据(同时记录壳体温度、噪声和运转时间)，根据记录数据计算传动效率，然后绘制出不同转速下的转矩—效率曲线，如图 5 所示。

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　　图 5 转矩-效率曲线

　　7.5.3 机械效率的计算见式(2) :

　　…………………………( 2 )

　　式中：

　　η — 试验件的传动效率;

　　T2 — 输出转矩算术平均值，单位为牛顿米(N · m) ;

　　T1 — 输入转矩算术平均值，单位为牛顿米(N · m) ;

　　i — 试验件的传动比。

　　7 . 5 . 4 温升的计算见式(3) :

　　Δt=t-t0 …………………………( 3 )

　　式中：

　　Δt— 壳体温升，单位为摄氏度(℃) ;

　　t — 壳体温度，单位为摄氏度(℃) ;

　　t0 — 试验环境温度，单位为摄氏度(℃ )。

　　7 . 6 超载试验

　　加载试验完成后不卸载，继续在 2.5 倍额定转矩下运转 10 min,在 4 倍额定转矩下运转 2 s~5 s。

　　8 传动精度试验与数据处理

　　8 . 1 扭转刚度

　　8 . 1 . 1 输入端固定，给输出端逐渐加载至额定转矩后卸载，再反向逐渐加载至额定转矩后卸载，记录输出端对应的转矩、转角值，同时绘制出滞回曲线，如图 6 所示。 试验过程中应保证各连接部分无侧隙，若存在侧隙，则需在试验前准确测量，并在最终结果中将连接部分侧隙作为系统误差修正。

　　8 . 1 . 2 从零加载至额定负载，再从额定负载降至零，输出转矩及转角的采样数量分别不少于 100 点;反向加载亦然。 试验数据应根据角位移的正增加与负增加进行记录。

　　8 . 1 . 3 扭转刚度值由滞回曲线中计算得出。 扭转刚度值应根据滞回曲线分段拟合，一般可将单方向加载及卸载曲线按照斜率不同分为 2 至 3 段，或根据试验件试验需求进行划分。 对每段加载及卸载数据集进行最小二乘法直线拟合，获得该段的斜率 k=a/b，k值的倒数即为该段转矩范围内的扭转刚度。

　　8 . 2 回差

　　8 . 2 . 1 回差试验步骤及方法同扭转刚度，其结果依据滞回曲线按照回差定义计算得出。

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　　8.2.2 在滞回曲线中，横坐标为+3%额定转矩时，对应正向曲线中两个转角值的平均值为 θ1 ,横坐标为-3%额定转矩时，对应反向曲线中两个角度值的平均值为 θ2 , θ1 与 θ2 的差值即为试验件的回差。

　　图 6 滞回曲线图

　　8 . 3 传动误差

　　8 . 3 . 1 传动误差试验应正、反向分别测量。 从输入端驱动试验件，输出端施加空载或指定负载，待转速和载荷平稳后，在输出端运行一周范围内记录输入、输出端的实时转角值。 试验过程中，转角值采样数量不低于 1 000 点，输入、输出采样同步性不大于 1 ms,输出转速不大于 5 r/min。连续测量每次采样位置应相同，以避免不同位置的测量结果相叠加引入的测量误差。

　　8 . 3 . 2 根据实时采样结果，以输出端角度为横坐标，以该角度对应的传动误差值为纵坐标，绘制传动误差曲线，如图 7 所示。曲线纵坐标最大值与最小值之差 θ 即为试验件的传动误差。

　　8 . 3 . 3 对于同一个试验件，应在相同工况下连续测量至少 5 次，测量结果取平均值。

　　图 7 传动误差曲线图

　　9 寿命试验与数据处理

　　9 . 1 模拟试验件在机器人中的工作状况，在输出端上固定刚体负载，从输入端驱动试验件，使输出端作

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　　往复摆动，摆动角 φ 角度范围为 45°~90°,加/减速角度值为 φa ,等速区角度范围为 φ-2φa(应不小于

　　0) 。按照等加/减速曲线或正弦加/减速度曲线进行加载寿命试验，试验时最大加速度应保证试验件最大输出转矩不大于额定输出转矩的 2 . 5 倍，最大转速不大于试验件额定转速(试验件壳体温度应控制在

　　60 ℃以内)。实时测量各个时间段 ti 的负载转矩 Ti、转速 ni，转矩测量精度不低于 1%FS。

　　9 . 2 当采用卧式试验装置时，周期性负载转矩 T 的计算见式(4) :

　　T=Jε+ Σ(migricosφi) …………………………( 4 )

　　式中：

　　J — 输出轴上刚体负载的转动惯量，单位为千克平方米，J= Σmir

　　ε — 输出轴角加速度，单位为弧度每二次方秒(rad/s2 ) ;

　　g — 重力加速度，单位为米每二次方秒(m/s2 ) ;

　　mi— 输出轴上刚体负载中各质点的质量，单位为千克(kg) ;

　　ri — 该质点到转动轴线的半径，单位为米(m) ;

　　φi — 输出轴上刚体负载质心的摆动角度，单位为度(°)。

　　当采用立式试验装置时，周期性负载转矩 T 的计算见式(5) :

　　t=t0n0 TnmTt0n0 Tti/ Σ

　　式中：

　　t0 — 额定转矩下的设计寿命，单位为小时(h) ;

　　n0 — 输出端额定转速，单位为转每分(r/min) ;

　　T0 — 输出端额定转矩，单位为牛顿米(N ·m ) ;

　　nm — 试验时输出端平均转速，单位为转每分(r/min) ,nm=Σ(tini)/Σti;

　　Tm — 试验时输出端平均负载转矩，单位为牛顿米(N · m) , Tm = ;

　　e — 寿命指数。对摆线类减速器偏心轴滚子轴承，e=10/3;对谐波减速器柔性(球)轴承，e=3。

　　9 . 4 试验过程中应观察：

　　— 各连接件、紧固件是否有松动;

　　— 各密封处接合处是否漏油、渗油;

　　— 运转是否平稳，是否发生过大冲击、异响;

　　— 传动装置壳体温度是否超过上限;

　　— 输出转速和转矩是否出现异常。

　　9 . 5 寿命试验完成后应进行检查：

　　— 检查试验件传动误差变化情况;

　　— 检查零部件失效情况。

　　10 弯曲刚度试验与数据处理

　　输出端按图 4 方式施加互相垂直的负载力 W1 和 W2 。逐步增加负载 W1 、W2 ,记录 θ、W1 、W2 的

　　值 。 根据式(7) ,计算出弯曲刚度 Km 。

　　K …………………………( 7 )

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　　式中：

　　Km — 弯曲刚度，单位为牛顿米每弧分(N · m/arc min) ; θ — 输出法兰的偏转角，单位为弧分(arc min) ;

　　W 1 、W2 — 负载力，单位为牛顿(N) ;

　　L1 、L2 — 基准到负载力作用点的距离，单位为米(m)。