特种作业机器人传动机构极端工况模拟试验机

一、应用场景​

在原应用场景基础上，新增特殊工业机器人传动性能测试场景。工业机器人（尤其是特种机器人）的传动机构（如关节减速器、谐波驱动器、行星齿轮箱）需在高频动态响应、变负载精准控制、极端环境适应性下运行，本试验机可针对性模拟以下工况：

重载工业机器人（如汽车焊装线、钢铁厂搬运机器人）

模拟搬运超重工件（负载5-50吨）时的冲击载荷（峰值扭矩达额定值3-5倍）、启停惯性力矩（加速度10-20rad/s²），验证RV减速器/行星齿轮箱的齿面接触强度与抗冲击寿命。

高速工业机器人（如3C电子装配、食品包装分拣机器人）

复现高频往复运动（每分钟60-120次启停）、高速换向（转速3000-6000rpm）下的动态扭矩波动（脉宽0.05-0.5s），考核谐波减速器柔轮的疲劳寿命与背隙稳定性（要求≤1arcmin）。

协作工业机器人（如医疗手术辅助、人机共线装配机器人）

模拟与人近距离交互时的力反馈控制（力矩精度±0.1N·m）、碰撞冲击（接触力50-200N），验证关节模组的低刚性阻尼特性与安全停机响应（碰撞后50ms内力矩归零）。

极端环境工业机器人（如铸造车间高温机器人、半导体洁净室机器人、防爆巡检机器人）

高温环境（80-150℃）下测试润滑失效（油脂碳化）对传动效率的影响；

洁净室环境（Class 1000级无尘）模拟粉尘侵入（粒径≤5μm）导致的齿轮磨损；

防爆环境（Ex d IIB T4）验证传动机构的密封性能（IP67）与火花抑制设计。

特种作业机器人（如核工业检修机器人、深海探测机器人）

模拟辐射环境（累计剂量100kGy）下的材料脆化效应、深海高压（10MPa）下的密封泄漏风险，考核传动机构的极端环境耐久性。

二、适用范围
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在原适用范围基础上，细化工业机器人传动测试的适配性：

1. 传动类型（新增工业机器人专用类型）​

精密减速器：谐波减速器（传动比1:30-1:320，背隙≤1arcsec）、RV减速器（传动比1:50-1:200，扭转刚度≥100N·m/arcmin）、精密行星齿轮箱（传动比1:3-1:100，效率≥95%）；

关节模组：集成电机-减速器-编码器的模块化关节（输出扭矩5-1000N·m，重复定位精度±0.01mm）；

直线传动：滚珠丝杠（导程5-20mm，定位精度±0.005mm）、同步带直线模组（行程0-2000mm，速度0-2m/s）。

2. 被测对象尺寸（适配机器人关节特点）​

小型关节：输入/输出轴距100-500mm，中心高50-200mm，最大重量50kg（如协作机器人关节）；

中型关节：输入/输出轴距500-1500mm，中心高200-400mm，最大重量500kg（如SCARA机器人臂部传动）；

大型关节：输入/输出轴距1500-3000mm，中心高400-800mm，最大重量1吨（如重载机器人腰部关节）。

3. 动力匹配（强化高精度与动态响应）​

驱动系统：兼容直驱力矩电机（峰值扭矩500N·m，转速0-3000rpm，定位精度±0.001°）、伺服电机+精密减速器（背隙≤5arcsec），支持多关节联动（最多8轴同步控制）；

加载系统：新增高精度伺服电动缸（推力±50kN，位移精度±0.01mm），模拟机器人关节的位置-力矩复合加载（如协作机器人的阻抗控制）。

4. 极端工况覆盖（聚焦机器人特殊需求）​

动态载荷：高频交变扭矩（频率5-200Hz，幅值±200%额定扭矩）、变负载突变（0.1s内负载从10%跃升至100%）；

精度相关：背隙测试（正反旋转切换时的空程误差）、刚度测试（加载力与位移的线性关系）、重复定位精度（连续100次定位误差≤±0.005mm）

环境适应性：洁净度（ISO Class 5级无尘模拟）、防爆（甲烷/氢气混合气体环境）、辐射（γ射线辐照累积剂量100kGy）；

寿命相关：连续运行寿命（24小时不间断，累计运行10000小时）、启停次数（≥100万次）。

三、核心技术参数（补充机器人测试相关指标）​

四、结构特征（补充机器人测试专用模块）​

机器人关节专用夹具​

模块化快换接口：适配主流品牌关节（如ABB IRB 6700、发那科M-20iA），支持谐波/RV减速器、行星齿轮箱的快速装夹（对中精度≤0.02mm）；

多轴联动平台：配置3自由度（X/Y/Z平移+旋转）调整机构，模拟机器人手臂的空间姿态变化（如肩关节-肘关节联动）。

高精度测量子系统​

背隙测试仪：激光干涉仪（雷尼绍XL-80）+ 角度编码器（多摩川TS5667N12），测量正反旋转切换时的空程误差；

刚度测试模块：伺服电动缸+力传感器（HBM U9C），通过分级加载绘制“力矩-变形”曲线，计算扭转刚度；

热成像监测：红外热像仪（FLIR A700）实时监测减速器壳体温度分布（精度±0.5℃），分析热致变形对传动精度的影响。

协作机器人安全测试单元​

碰撞力传感器阵列：安装在被测关节输出端，测量碰撞时的三维力/力矩（量程±500N/±50N·m，分辨率0.1N/0.01N·m）；

安全停机逻辑：触发碰撞阈值（如接触力＞100N）后，50ms内切断驱动电源并锁定关节。

五、控制系统

机器人运动学集成​

支持导入机器人DH参数（Denavit-Hartenberg），自动生成关节运动轨迹（如圆弧插补、直线插补）；

多轴同步控制：通过EtherCAT总线实现8轴联动，轨迹跟踪误差≤±0.02°（参考轨迹由MATLAB Robotics Toolbox生成）。

专用测试算法​

背隙测试算法：正反旋转切换时，记录扭矩归零点的角度差，计算空程误差；

刚度辨识算法：基于最小二乘法拟合“力矩-转角”数据，分离弹性变形与传动误差；

力控精度评估：对比指令力矩与实际反馈力矩的频域特性（FFT分析），计算相位滞后与幅值误差。

六、功能描述（补充机器人专项测试功能）​

机器人关节基础性能测试​

静态特性：额定扭矩下的效率（输入/输出功率比）、空载回差、启动转矩；

动态特性：阶跃响应超调量（≤5%）、频率响应带宽（≥100Hz）、共振点抑制（通过陷波滤波器）。

机器人关节专项测试​

寿命加速试验：按ISO 9283标准，模拟10年工况（等效启停10万次+连续运行5000小时），预测剩余寿命；

热稳定性测试：满负载运行2小时后，测量传动精度衰减（重复定位误差≤±0.01mm）；

故障注入测试：模拟减速器断齿、轴承点蚀、润滑不足（油膜厚度＜10μm），验证故障诊断算法（如振动信号的小波包分解）。

七、安全机制（补充机器人测试特殊防护）​

协作机器人碰撞防护​

双重安全回路：硬件层面通过碰撞力传感器直接切断电源，软件层面通过PLC监控力矩阈值（＞100N·m时停机）；

安全区域划分：激光扫描仪（SICK S3000）实时监测人员位置，进入危险区域（半径0.5m）时自动降速至10%额定速度。

高速运动防护​

透明防爆罩（聚碳酸酯材质，厚度15mm）+ 联锁开关（开门即停机）；

紧急制动按钮（双手操作，间距＞0.5m），触发后5ms内完成制动（减速度≤5m/s²，避免二次冲击）。