一种用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置的制作方法

本发明涉及模拟加载试验类领域，特别是涉及一种用于机器人关节减速器性能测试的模拟加载装置，可实现扭矩、弯矩、轴向力复合加载。

背景技术：

关节减速器是机器人的核心部件，减速器的性能对于机器人系统的承载能力、安全性以及工作寿命等具有决定性作用，对减速器的工作性能进行有效的评估具有重要价值。机器人关节减速器工作时，其输出端承受的载荷工况受多种因素影响，需要考虑的输出端承受的工作载荷有扭矩、弯矩、轴向力等主要性能参数。因此，为了准确评估机器人关节减速器在复合载荷作用下的工作性能以及各种载荷的作用，设计一种能够模拟减速器载荷工况的多种载荷复合加载装置有重要的意义。

通过对现有文献检索发现，目前，国内外针对减速器性能测试的需要设计了一系列的模拟加载装置，例如，申请号CN201310042776.5的专利公开的一种用于减速器测试的电液加载装置和CN201010186216.3的专利公开的一种起重机卷扬减速器的加载实验机，对于模拟减速器载荷工况的需要均提出了相应的复合加载的方案。通过对现有的各种减速器复合加载装置进行调查发现，现有的减速器复合加载装置存在不足：1)加载类型单一，主要是针对扭矩、弯矩、轴向力的单种载荷加载，复合加载类型少，难以准确模拟减速器的实际负载；2)模块化程度低，且适用的减速器型号较为单一。

本发明面向机器人关节减速器的性能测试，提出一种用于模拟减速器输出端负载的复合加载装置。通过调节装置各模块的组合方式，可灵活调节复合加载工况，更准确、有效地模拟减速器实际工作时的负载，有助于进行机器人关节减速器的工作性能测试。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的减速器模拟加载测试装置的技术问题，提出一种用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，该装置可以准确施加多种复合载荷以期望模拟出减速器的真实工作条件，从而增加实验的可靠性，同时装置适用多种型号减速器且操作便捷。为 达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

本发明用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于，包括工作台基座(40)，分别设置在工作台基座(40)上的被测减速器模块、加载扭杆模块、扭矩加载模块、加载杠杆模块、丝杠加载模块(1)以及吊重支架模块，其中：

被测减速器模块包括被测减速器(39)和加载轴(16)；所述加载轴(16)为带法兰阶梯轴；所述被测减速器(39)输出端通过其上的安装孔与加载轴(16)的一侧法兰端面相连；

加载扭杆模块包括联轴器A(25)、法兰轴(26)、弹性扭杆(28)、输出法兰(32)；所述加载轴(16)的阶梯轴的小端通过联轴器A(25)与法兰轴(26)连接；所述法兰轴(26)与弹性扭杆(28)相对固定；且所述法兰轴(26)与弹性扭杆(28)之间安装有力矩传感器(27)；

扭矩加载模块包括减速器(33)、联轴器B(34)、力矩电机(35)；所述输出法兰(32)的一侧法兰端面与减速器(33)输出端连接；所述减速器(33)输入端通过联轴器B(34)与力矩电机(35)输出轴连接；

加载杠杆模块包括加载杠杆(11)；所述加载杠杆(11)为一套筒结构件，且沿套筒的轴径方向伸出对称的悬臂；所述加载轴(16)套装在加载杠杆(11)的套筒中；

丝杠加载模块(1)的轴线均与水平面平行；两个丝杠加载模块(1)，其中一个所述丝杠加载模块(1)的一端与所述加载杠杆(11)上一个悬臂的端部固定连接，另一个所述丝杠加载模块(1)的一端与所述加载杠杆(11)上另一个悬臂的端部固定连接；所述加载杠杆(11)与每个所述丝杠加载模块(1)之间安装有力传感器A(10)；

吊重支架模块包括底座(19)、顶梁(21)以及用于支撑所述顶梁(21)的支撑架(20)；所述加载杠杆(11)的套筒设置在支撑架(20)内侧；所述加载杠杆(11)的上部与顶梁(21)连接；所述加载杠杆(11)与顶梁(21)之间安装有力传感器B(13)。

所述的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于：所述法兰轴(26)通过一个轴承转动设置在一个所述轴承座C(31)上；所述弹性扭杆(28)通过两个轴承转动设置在两个所述轴承座B(29)上。

所述的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于：所述被测减速器(39)固定在减速器支座B(38)上；所述轴承座B(29)、轴承座C(31)固定在盒装底座A(30)上；所述减速器(33)固定在减速器支座A(37)上，且所述减速器支座A(37)、力矩电机(35)固定在盒状底座B(36)上；所述丝杠加载模块(1)固定在支座(9)上； 所述减速器支座B(38)、盒装底座A(30)、盒状底座B(36)、支座(9)、吊重支架模块的底座(19)通过螺栓和螺母固定在工作台基座(40)上。

所述的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于：所述丝杠加载模块(1)包括轴承座A(2)、丝杠(3)、移动滑台(4)、绳索A(5)、吊环A(6)、滑轨(7)；所述丝杠(3)的两端均加工有轴段，通过轴承转动设置在支座(9)上的两个轴承座A(2)之间；所述移动滑台(4)设置在支座(9)一端的滑轨(7)上，移动滑台(4)的移动方向与加载轴(16)的轴线方向平行；所述移动滑台(4)上固定安装有丝杠螺母，并通过丝杠螺母与丝杠(3)相对转动配合；所述移动滑台(4)上系着绳索A(5)，绳索A(5)另一端与吊环A(6)连接，吊环A(6)通过螺纹配合固定在力传感器A(10)上。

所述的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于：所述丝杠加载模块(1)的外侧安装有旋转手柄(8)；所述旋转手柄(8)用于控制移动滑台(4)在滑轨(9)上的位置，并调节绳索A(5)上的拉力，进而调节力传感器A(10)用在加载杠杆(11)一个悬臂上的拉力。

所述的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于：所述加载杠杆模块还包括轴承端盖A(17)、轴承端盖B(18)、圆螺母(22)、圆锥滚子轴承A(23)、圆锥滚子轴承B(24)；所述加载轴(16)通过圆锥滚子轴承A(23)和圆锥滚子轴承B(24)转动安装在加载杠杆(11)的轴系套筒中；所述加载轴(16)一端通过轴肩与圆锥滚子轴承B(24)配合，另一端制出一段螺纹，配以圆螺母(22)与圆锥滚子轴承A(23)配合；所述轴承端盖A(17)和所述轴承端盖B(18)通过螺钉安装于加载杠杆(11)的轴系套筒两端。

所述的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于：所述吊重支架模块还包括调节螺杆(12)、吊环B(14)、绳索B(15)；所述加载杠杆(11)上部通过绳索B(15)与吊环B(14)连接；所述吊环B(14)与力传感器B(13)下端通过螺纹配合固定；所述力传感器B(13)上端与调节螺杆(12)通过螺纹配合固定；所述调节螺杆(12)与顶梁(21)上端面紧固连接；所述调节螺杆(12)用于控制加载杠杆(11)在竖直方向上的安装位置，并调节绳索B(15)作用在加载杠杆(11)的拉力。

所述的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于：所述丝杠(3)采用单螺纹T型丝杠，用于实现所述丝杠(3)在旋转一定角度后能够自锁，从而保持所述丝杠加载模块(1)对加载杠杆(11)的加载力。

所述的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于：所述弹性扭杆(28) 材料选用弹簧钢60Si2Mn，具有刚度低的特点，可以过滤被测减速器(39)输出端的高频扭矩波动。

所述的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于：所述联轴器A(25)采用的是十字滑块联轴器，可容纳加载轴(16)和法兰轴(26)两端轴线间的误差，又可以传递扭矩。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)可实现五种加载工况。能够针对被测减速器输出端承受的工作载荷，可以模拟扭矩加载、弯矩加载、轴向力加载、扭矩和弯矩复合加载、扭矩和轴向力复合加载等五种载荷工况，加载系统结构简单，可以验证主轴减速器在复合力或力矩情况下的工作性能。

(2)恒力/弯矩加载。在产品运转过程中，能够对被测减速器准确施加恒力或恒弯矩，满足测试精度要求。

(3)模块化设计。采用模块化设计，各模块采用可移动的工作台，可以灵活调整各个安装模块在工作台基座上的安装位置，同时使得实验装置拆装方便。

(4)适用不同型号被测减速器。针对不同型号的被测减速器的尺寸和接口需要，只需更换相应的被测减速器支座及各模块的底座等过渡件即可。

(5)加载平稳，造型美观。机构加载过程连贯流畅且过渡平滑，通过丝杠调节加载力的大小，运行可靠，手动操作安全性高，不会因断电等问题出现锁死状态，整体布局美观大方。

附图说明

图1为本发明的一种用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置示意图；

图2为本发明中加载扭杆模块结构示意图；

图3为本发明中扭矩加载模块结构示意图；

图4为本发明中加载杠杆模块结构的轴系局部剖视图；

图5为本发明中丝杠加载模块结构示意图；

图6为本发明中吊重支架模块结构示意图；

图7为本发明的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置的弯矩和扭矩复合加载工作原理示意图；

图8为本发明的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置的轴向力和扭矩复合加载工作原理示意图。

以上的图中有：丝杠加载模块(1)、轴承座A(2)、丝杠(3)、移动滑台(4)、绳索A (5)、吊环A(6)、滑轨(7)、旋转手柄(8)、支座(9)、力传感器A(10)、加载杠杆(11)、调节螺杆(12)、力传感器B(13)、吊环B(14)、绳索B(15)、加载轴(16)、轴承端盖A(17)、轴承端盖B(18)、底座(19)、支撑架(20)、顶梁(21)、圆螺母(22)、圆锥滚子轴承A(23)、圆锥滚子轴承B(24)、联轴器A(25)、法兰轴(26)、力矩传感器(27)、弹性扭杆(28)、轴承座B(29)、盒状底座A(30)、轴承座C(31)、输出法兰(32)、减速器(33)、联轴器B(34)、力矩电机(35)、盒状底座B(36)、减速器支座A(37)、减速器支座B(38)、被测减速器(39)、工作台基座(40)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。

在本发明中，需要理解的，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等方位关系为基于附图所示的方位关系，仅为便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指装置或原件必需具有的方位关系及构造，不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，一种用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置，其特征在于，包括工作台基座40，分别设置在工作台基座40上的被测减速器模块、加载扭杆模块、扭矩加载模块、加载杠杆模块、丝杠加载模块1以及吊重支架模块等部件，用于对被测减速器39的输出端进行弯矩、扭矩以及轴向力加载。

被测减速器部分主要由减速器支座B38、被测减速器39和加载轴16组成；根据被测减速器39的输出端结构，加载轴16可以选择多种合适的连接结构；本实施例中，优选的加载轴16为一个带法兰阶梯轴；被测减速器39输出端与加载轴16法兰端通过螺栓固定连接；优选的减速器支座B42上表面通过止口及螺栓与被测减速器43底部接口相配合，具体细节如图1和图4所示。

加载扭杆模块主要由联轴器A25、法兰轴26、弹性扭杆28、输出法兰32和盒状底座A30等组成；法兰轴26与加载轴16通过联轴器A25连接；联轴器A25优选为十字滑块联轴器，可容纳加载轴16和法兰轴26两端轴线间的误差，又可以传递扭矩；法兰轴26通过力矩传感器27与弹性扭杆28固定连接；力矩传感器27可以替换为不同种类的传感器，以便于测试不同类型的数据，用于多个项目的测试。法兰轴26通过一个轴承转动支撑设置在一个所述轴承座C31上；弹性扭杆28通过两个轴承转动支撑设置在两个所述轴承座B29上；轴承座B29、轴承座C31通过螺钉固定在盒装底座A30上。弹性扭杆28材料选用弹簧钢60Si2Mn，具有 刚度低的特点，用于过滤被测减速器39输出端的高频扭矩波动，以提高力矩电机35的动态加载精度，具体细节如图2所示。

扭矩加载模块由输出法兰32、减速器33、联轴器B34、力矩电机35、盒状底座B36、减速器支座A37组成；减速器33输出端与优选的输出法兰32法兰端通过螺栓连接；联轴器减速器33输入端与联轴器B34一端键槽连接，力矩电机35输出轴与联轴器B34另一端键槽连接，B34优选为波纹管弹性联轴器；减速器33通过螺栓固定在减速器支座A37上；力矩电机35通过螺栓固定在盒状底座B36上；力矩电机35带动减速器33转动进行扭矩加载，减速器33起扭矩放大作用，具体细节如图3所示。

加载杠杆模块由加载杠杆11、轴承端盖A17、轴承端盖B18、圆螺母22、圆锥滚子轴承A23、圆锥滚子轴承B24组成；加载杠杆11可以为多种合适的形状，本实施例中，加载杠杆11为一套筒结构件，且沿套筒的轴径方向伸出对称的悬臂；加载杠杆11的轴系套筒内部为一对轴承背对背安装的支撑形式，由圆锥滚子轴承A23和圆锥滚子轴承B24组成；加载轴16通过圆锥滚子轴承A23和圆锥滚子轴承B24转动安装在加载杠杆11的轴系套筒中，加载轴16一端通过轴肩与圆锥滚子轴承B24配合，另一端制出一段螺纹，配以圆螺母22与圆锥滚子轴承A23配合，圆螺母材料12.8级轴承钢，可以承受的轴向最大的加载力F＝6000N；轴承端盖A17和轴承端盖B18通过螺钉安装于加载杠杆11的轴系套筒两端；加载杠杆11可以将轴向力或弯矩传递到加载轴16上，然后再通过加载轴16上的法兰传递到被测减速器39的输出端上，从而实现对被测减速器39的输出端施加轴向力或弯矩，具体细节如图4所示。

进一步的，加载杠杆11的每个悬臂的端部分别与一个丝杠加载模块1固定连接，加载杠杆11与每个所述丝杠加载模块1之间安装有力传感器A10，力传感器A10通过螺栓与加载杠杆11的悬臂固定；另外，两个丝杠加载模块1的轴线方向平行于加载杠杆11套筒的轴线，具体细节如图1所示。

丝杠加载模块1为两个，每个丝杠加载模块1的轴线均与水平面平行；本发明中，丝杠加载模块由轴承座A2、丝杠3、移动滑台4、绳索A5、吊环A6、滑轨7、旋转手柄8组成；丝杠3选用单螺纹T型丝杠，导程R＝4mm，型号为30°T形螺纹，可以提供最大3000N的拉力，具有拉力保持的能力，丝杠3的两端均加工有轴段，通过轴承转动设置在支座9上的两个轴承座A2之间；移动滑台4设置在支座9一端的滑轨7上，移动滑台4的移动方向与加载轴16的轴线方向平行；移动滑台4底部通过螺钉固定安装有丝杠螺母，并通过丝杠螺母与丝杠3相对转动配合；移动滑台4上系着绳索A5，绳索A5另一端与吊环A6连接，吊环 A6通过螺纹配合固定在力传感器A10上；力传感器A10与加载杠杆11通过螺栓固定，力传感器A10除了能够测力外，还起到加载的作用；丝杠3末端安装旋转手柄8，旋转手柄8转动带动丝杠3转动，调节移动滑台4位置并调节绳索A5上的拉力，通过力传感器A10测力，准确调整拉力并施加到加载杠杆11上；轴承座A2及滑轨7通过螺钉固定在支座9上。采用绳索A5和吊环A6的连接力传感器A10进行加载方式，可以保证加载杠杆11在丝杠加载模块1的加载力作用下的变形扭转角度不对丝杠加载模块1加载力的准确度造成影响，具体细节如图5所示。

吊重支架模块可以采用多种适合的形状结构，具有底座19、顶梁21以及用于支撑所述顶梁21的支撑架20。本实施例中，优选的吊重支架模块，支撑架20底部与底座19通过焊接固定，顶梁21四个角上的方形槽与支撑架20的四个立柱部分的凸起相结合，顶梁21可以拆卸，顶梁21与底座19之间形成一个开放的容纳空间，用于后续部件的安装；支撑架20的四个立柱支架可设置支撑横梁，以加强吊重支架23撑架20的结构强度和稳定性，具体细节如图6所示。

进一步，加载杠杆11的套筒部分设置在支撑架20内侧，加载杠杆11的上部与顶梁21连接；加载杠杆11与顶梁21之间可以为多种合适的连接结构，本实施例中，加载杠杆11的上部具有四个吊耳并通过绳索B15与吊环B14连接；吊环B14与力传感器B13下端通过螺纹配合固定；调节螺杆12上端通过两个螺母与顶梁21配合，调节螺杆12下端通过螺母与力传感器B13上端配合；调节螺杆12用于控制加载杠杆11在竖直方向上的安装位置，并可以方便调节加载轴16与被测减速器39输出端之间的同轴度；调节螺杆12可以用于调节绳索B15作用在加载杠杆11的拉力，确保加载杠杆模块以及加载轴16的重量全部作用在吊重支架模块上，而不会对被测减速器39的输出端产生额外的弯矩，具体细节如图6所示。

减速器支座B38、盒装底座A30、盒状底座B36、支座9、吊重支架模块的底座19可以采用多种适合的形状结构，本实施例中，减速器支座B38、盒装底座A30、盒状底座B36、支座9、吊重支架模块的底座19的高度可以根据不同被测减速器39的型号进行调整；减速器支座B38、盒装底座A30、盒状底座B36、支座9、吊重支架模块的底座19的底部上均设计有U形孔，并通过螺栓和螺母固定在工作台基座上44。

本发明的用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置的工作原理如下，

工作情形1：参阅图1和图7，进行被测减速器39输出端的弯矩和扭矩复合加载。工作原理，(1)将待测减速器39通过螺栓固定在减速器支座B38上；(2)通过螺栓连接待测减 速器39输出端和加载轴16的法兰端；(3)通过联轴器A25连接加载轴16的阶梯轴的小端与加载扭杆模块的法兰轴26；(4)丝杠加载模块1未加载时，两个丝杠加载模块1以加载杠杆11的两个悬臂的对称中心为原点对称分布并且优选初始状态(未加载时)丝杠加载模块1的轴线方向垂直于加载杠杆11的悬臂的轴线，丝杠加载模块1加载时，通过转动旋转手柄8，调节丝杠加载模块1对加载杠杆11拉力；(5)通过调节两个丝杠加载模块1的绳索A5拉力至相同，进而对加载轴16施加弯矩；(6)启动力矩电机35带动减速器33和弹性扭杆28，对加载轴16施加扭矩；(7)通过加载轴16对被测减速器39的输出端施加扭矩和弯矩复合载荷。

工作情形2：参阅图1和图8，在与工作情形1的其他装置结构、安装方位、操作过程类似的情况下，仅对丝杠加载模块1安装位置进行调整，进行被测减速器39输出端的轴向力和扭矩复合加载。丝杠加载模块1未加载时，两个丝杠加载模块1以加载杠杆11的套筒的轴线为对称轴对称分布并且优选初始状态(未加载时)丝杠加载模块1的轴线方向垂直于加载杠杆11的悬臂的轴线。通过本结构实现对被测减速器39的输出端施加扭矩和轴向力复合载荷。

工作情形3：参阅图2、图3和图7，在与工作情形1的其他装置结构、安装方位、操作过程类似的情况下，加载扭杆模块和扭矩加载模块不工作，联轴器A25断开与加载轴16的连接，进行被测减速器39输出端的轴向力加载。通过本结构实现对被测减速器39的输出端施加单独轴向力载荷。

工作情形4：参阅图2、图3和图8，在与工作情形2的其他装置结构、安装方位、操作过程类似的情况下，加载扭杆模块和扭矩加载模块不工作，联轴器A25断开与加载轴16的连接，进行被测减速器39输出端的弯矩加载。通过本结构实现对被测减速器39的输出端施加单独弯矩载荷。

工作情形5：参阅图5和图7，在与工作情形1的其他装置结构、安装方位、操作过程类似的情况下，丝杠加载模块不工作，力传感器A10断开与加载杠杆11的连接，进行被测减速器39输出端的扭矩加载。通过本结构实现对被测减速器39的输出端施加单独扭矩载荷。

以上所述，仅为本用于机器人关节减速器性能测试的复合加载装置具体实施例，是为了便于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内理解和应用本发明，但本发明的保护范围不局限于此，在本技术方案的基础上做出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或者各种替换都在本发明的保护范围之内。