基于Adams对机器人减速器加速疲劳测试负载转矩的研究-USB迷|专注于互联网分享

2024年5月25日发(作者：奚逸)

2023年第47卷第7期

文章编号：1004-2539（2023）07-0107-06

Journal of Mechanical Transmission

107

DOI：10.16578/.1004.2539.2023.07.015

基于Adams对机器人减速器加速疲劳测试负载转矩的研究

陈雷童桂英慕银银乔桂鹏

（烟台大学机电汽车工程学院，山东烟台　264005）

摘要精度和疲劳寿命是制约国产机器人减速器发展的重要因素，为了提高国产机器人减速器

疲劳寿命测试的效率，选取合适的负载转矩进行加速寿命试验至关重要。为此，根据某种机器人减

速器在工业机器人上工作的真实工况，经过计算与仿真，得到机器人减速器不失效情况下的最大负

载转矩；以此为依据，完成了加速寿命试验。首先，利用SolidWorks软件搭建计算模型，计算最大

静态转矩，初步选择合适的负载质量；然后，利用Adams软件模拟疲劳测试负载的摆动，得出负载

转矩图象，根据最大静态转矩和最大动态转矩进行负载质量和转动加减速时间的调整，将二者组合

设计正交试验，得出能够最高效率完成加速疲劳测试的负载质量和转动加减速时间，并通过试验验

证了仿真计算的正确性。结果表明，负载静态转矩对于测试时间影响较大；机器人减速器在选取合

适的负载质量和转动加减速时间后，测试时间明显缩短，提高了机器人减速器的测试效率。研究为

机器人减速器的加速寿命试验提供了理论基础。

关键词机器人减速器加速寿命试验负载转矩测试时间

Research on Load Torque of Robot Reducer Acceleration Fatigue Tests Based on Adams

Chen Lei Tong Guiying Mu Yinyin Qiao Guipeng

(School of Electromechanical and Automotive Engineering, Yantai University, Yantai 264005, China)

reducers. In order to improve the efficiency of fatigue life test, it is very important to select appropriate load

torque for accelerated life test. In this study, according to the real working condition of a certain robot reducer on

the industrial robot, the maximum load torque of the robot reducer without failure is obtained through calculation

built by using SolidWorks software, the maximum static torque is calculated and the appropriate load mass is

deceleration time are calculated. An orthogonal experiment is designed to combine the two to obtain the load

mass and rotation acceleration and deceleration time that can complete the accelerated fatigue test with the

and simulation, and the accelerated life test is completed on the basis of this. Firstly, the calculation model is

preliminarily selected. Then the Adams software is used to simulate the pendulum of fatigue test load. According

to the maximum static torque and the maximum dynamic torque, the load quality and rotation acceleration and

Abstract Accuracy and fatigue life are important factors restricting the development of domestic robot

highest efficiency. Besides, the correctness of simulation calculation is verified by experiments. The results show

that the load static torque has a great influence on the test time, and the test time of the robot reducer is

significantly shortened after selecting the appropriate load mass, the rotation acceleration and the deceleration

time, which improves the test efficiency of robot reducers. It provides a theoretical basis for the accelerated life

test of robot reducers.

Key words Robot reducer　Accelerated life test　Load torque　Test time

我国对于工业机器人的研究正处于快速发展阶段

[1-2]

。

机器人减速器作为工业机器人本体的核心零部件，

具有精度高、可靠性高、传动比大、体积小等优

0 引言

随着我国人口红利的下降以及用人成本的提高，

工业机器人在实际生产中扮演着越来越重要的角色，

点。但是，国产机器人减速器的发展仍受到精度、

[3]

108

第47卷

疲劳寿命等方面的制约

[4]

。国内机器人减速器的使用

大多依赖进口，成本极高。进行国产机器人减速器

疲劳寿命试验，研究其磨损规律，优化其内部结构，

提高其疲劳寿命，实现国产代替进口，具有极大的

现实意义。

目前，国内外对于机器人减速器的精度和受力等

方面研究得较多，对疲劳测试研究得较少。程曼等

[5]

搭建了一套机器人减速器疲劳测试系统，并进行试

验，验证了方案的可行性。张跃明等

[6]

以S-N疲劳理

论、Miner理论为基础，推导出机器人RV减速器的疲

劳寿命公式，并用试验验证了公式的正确性。朱良斌

等

[7]

对摆线轮进行有限元分析，研究了摆线轮的疲劳

寿命。邱义等

[8]

设计了一种RV减速器动态传动性能自

动化检测平台，为RV减速器的深入研究提供了理论

基础。白斌等

[9]

提出了一种基于模糊数学思想的专家

评估与多层次分析相结合的方法，对RV减速器进行

了失效率可靠性评估。Ostapski

[10]

分析了影响减速器

内部柔性轴承失效的主要因素。可见，有些学者已

经对机器人减速器疲劳寿命测试进行了一些研究，

并且对于加速寿命试验也有了一定的理论基础。但

是，对于加速疲劳测试负载转矩的研究并未提及，

而实际上，负载转矩对于加速寿命试验的测试时间

具有极大的影响。目前，国内企业为测试机器人减

速器疲劳寿命，采用模拟方法，由机器人直接带动

减速器进行疲劳测试试验，此时机器人工作负载低

于额定负载，这样测试时间漫长、耗时耗力、成本

极高。因此，机器人减速器加速寿命试验显得尤为

重要。

负载转矩是影响机器人减速器加速寿命试验的

重要因素，在其他测试条件均为机器人正常工作情

况的条件下，适当增加负载转矩可以明显缩短测试

时间。根据标准GB/T 35089—2018，进行机器人

减速器加速寿命试验时，其末端负载转矩不超过额

定转矩的2.5倍不会破坏减速器正常失效形式。本文

根据疲劳等效理论，利用SolidWorks软件初步选取

负载质量，再利用Adams软件进行负载摆动仿真，

得到负载转矩图象；根据最大静态转矩和最大动态

转矩进行负载质量和转动加减速时间的调整，设计

正交试验将二者组合，得出能够最高效率完成加速

疲劳测试的负载质量和转动加减速时间；并通过试

验验证了仿真计算的正确性，为机器人减速器的加

速寿命试验提供理论基础。

[11]

1 机器人减速器疲劳测试机

本文采用国产A40E1型减速器进行试验分析，

模拟机器人减速器在机器人上的正常使用工况，只

改变负载转矩，实现加速寿命试验。其参数如表1

所示。

表1　A40E1型减速器参数

Tab. 1　A40E1 reducer parameters

参数

减速比

额定寿命/h

额定转速（/r/min）

数值

6 000

105

参数

额定转矩（/N·m）

寿命指数

数值

10/3

412

角度为270°，运动过程为顺时针方向与逆时针方向

交替转动，除启停加减速外，其余为匀速转动，匀

速转动时的转速为额定转速15 r/min。疲劳测试机的

整体结构如图1所示。

A40E1型减速器用于某工业机器人三轴，转动

1.配重块；2.减速器负载；3.转接法兰；4.减速器支架；5.被测减

速器；6.减速器盖；7.连接轴；8.联轴器；9.电动机支架；10.驱

动电动机；11.电动机支架导轨；12.疲劳测试工作台。

Fig. 1　Fatigue testing machine of robot reducers

图1　机器人减速器疲劳测试机

改变配重块的数量可以改变负载的质量和重心位

置，从而改变负载在重力作用下的静态转矩；改变电

动机的加减速时间可以改变负载的动态转矩，即启停

转矩。静态转矩与动态转矩结合可求出最大转矩。

2 机器人减速器加速疲劳测试理论基础

根据标准GB/T 35089—2018，机器人减速器的

疲劳寿命按照偏心轴轴承的疲劳寿命计算。由疲劳

等效理论，加速试验时间的计算根据减速器额定寿

命、额定转速、额定转矩与平均转速、平均转矩的

比值进行等效，计算公式为

∑

)

（1）

第7期陈雷，等：基于Adams对机器人减速器加速疲劳测试负载转矩的研究

表2　负载加减配重块参数

式中，t

、n

、T

、n

、T

分别为减速器的额定寿命、

额定转速、额定转矩、平均转速、平均转矩，其中，

平均转速与平均转矩可以分为几个阶段进行计算；e

为轴承的寿命指数，球轴承为3，滚子轴承为10/3。

减速器测试时，顺、逆时针方向摆动均采用竖

直对称布置。因此，仅对一个单摆运动计算即可完

成疲劳寿命等效。将单摆运动分为加速、匀速、减

速3个阶段，并计算各阶段平均转速、平均转矩和时

间，代入式（1），可求出测试时间。

109

Tab. 2　Load addition and subtraction counterweight parameters

配重块数量/块

质量/kg

力臂/m

力矩（/N·m）

12345

106.6

0.567

592.3

125.0

0.631

773.0

143.4

0.678

952.8

161.9

1 134.4

0.715

180.3

1 314.6

0.744

速器在启停时加减速时间较短，所受冲击较大。因

此，最大转矩应在静态转矩的基础上加上启停所产

生的动态转矩。为了保证试验最大负载转矩不过大，

初步选取A40E1型减速器的负载配重块数量为1块，

最大静态转矩为592.3 N·m。

3.2　负载转动加减速时间的初步选取与测试时间

的计算

减速器一个单摆的运动过程为先加速、再匀速、

再减速到0，加减速时间相同。通过改变加减速时

间，改变加减速阶段的角加速度，可以改变减速器

负载的动态转矩，进而得到不破坏减速器正常失效

下的最大转矩。

设负载在加减速运动时所产生的角加速度为

α，转动惯量为J，则负载摆动所产生的动态转矩

如式（3）所示；负载的总转矩为静态转矩与动态转矩

之和，如式（4）所示。

=Jα

T=T

=mgrsinφ+Jα

3.1　负载质量的初步选取

3 减速器疲劳测试机负载设计

疲劳测试机负载的设计如图2所示，其上端右侧

通过螺栓连接固定在减速器转接法兰上，并以此圆

心为旋转中心；下端通过加减圆盘配重块数量来改

变负载的质量，从而改变负载的静态转矩。

（3）

（4）

图2　机器人减速器疲劳测试机负载

Fig. 2　Fatigue testing machine load of robot reducers

计算选取冲击最大时的加减速时间t

=0.08 s。根据

前文提到的减速器在机器人中的工作情况，A40E1型

机器人关节启停加减速时间范围为0.08~0.1 s，

负载的静态转矩为负载重力产生的转矩。在负

载旋转平面内，设负载质量为m，重力加速度为g，

负载重心与旋转中心之间的距离为r，负载转动方向

与竖直方向的夹角为φ，则负载所受的静态转矩为

=mgrsinφ

（2）

利用SolidWorks软件进行负载的建模，赋予普

通碳钢材料，查看质量属性中负载的质量和重心位

置，通过式（2）得出负载的静态转矩。

根据式（2），当负载处于水平位置，即

φ=90°

时，重力的力臂最大，此时负载的静态转矩最大。

通过加减配重块的数量，求得负载的质量、力臂以

及最大静态转矩，如表2所示。

本次测试选用的减速器型号为A40E1，额定转

矩为412 N·m，负载最大静态转矩应不大于额定转

矩的2.5倍，即1 030 N·m。根据表2所示参数，安

装1、2、3块配重块时的负载符合要求。

根据机器人在特定工况下的真实运动情况，减

减速器测试时的匀速转速n

=15 r/min，即角速度ω

90 （°）/s。因此，在1个单摆周期内，加减速阶段的

角加速度为

90 （°）/s

==1 125 （°）/s

0.08 s

加减速阶段的角位移为

=3.6°

匀速阶段的角位移为

匀速阶段的运动时间为

=2.92 s

=270°-2φ

=262.8°

因此，负载在1个单摆周期内的角加速度函数、

角速度函数、角位移函数分别如式（5）~式（7）所示。

（0≤t<0.08）

1 125

α=

0（0.08≤t<3）

（3≤t≤3.08）

-1 125

（5）

110

第47卷

t0≤t<0.08）

1 125（

ω=

90（0.08≤t<3）

（3≤t≤3.08）

90-1 125(t-3)

（6）

×1 125t

（0≤t<0.08）

×1 125×0.08

+90(t-0.08)

φ=

（0.08≤t<3）

（7）

×1 125×0.08

+90×2.92+

×1 125(t-3)

（3≤t≤3.08）

将安装1块配重块的负载导出为.x_t格式，并导

入Adams软件，设置重力场为沿负载连杆指向配重

块方向（此处为-z方向），赋予负载steel材料，将工

作平面设置为负载的旋转平面，设置负载相对于大

地的旋转副，旋转中心为与减速器转接法兰相接的

圆心，根据式（5）~式（7）添加旋转副的运动函数。此

次仿真设置从左侧最高点开始，摆动到右侧最高点，

之后反向摆动到左侧最高点停止；加减速时间设置

为0.08 s，匀速时角速度为90 （°）/s，摆动角度为竖

直对称的270°，运动时间设置要大于1次左右摆动

所需的时间（此处设置为7 s）。仿真完成后得到旋转

副处的合力矩图象如图3所示。

图5　匀速阶段负载转矩图象

Fig. 5　Load torque image in the constant speed stage

图6　减速阶段负载转矩图象

矩分别为694.78 N·m、429.66 N·m、376.63 N·m，

根据式（1）计算1块配重块、加减速时间0.08 s条件

下的测试时间为

∑

=5 110.0 h

Fig. 6　Load torque image in the deceleration stage

根据图3，当负载添加1块配重块、加减速时间

为0.08 s时，负载的最大静态转矩为590 N·m，最大

动态转矩为1 169 N·m，最大静态转矩与理论计算的

结果相同，验证了仿真的正确性。但是，此条件下

最大动态转矩超过了A40E1型减速器额定转矩的2.5

图3　1块配重块、加减速时间0.08 s时的负载转矩图象

Fig. 3　Load torque image of a counterweight block and

acceleration and deceleration time of 0.08 s

∑

)

倍，并且加速寿命试验所需测试时间相对于额定寿

命并没有明显的缩短（仅缩短14.8％），为了不破坏

减速器正常失效形式，并且有效缩短测试时间，负

载质量与转动加减速时间的组合需重新选取。

3.3　最佳组合选取的正交试验

根据影响机器人减速器负载转矩的因素，将负

载质量和加减速时间设计成9组2因素3水平的正交

试验，评价指标为最大动态转矩和测试时间，分别

进行如第3.2节的计算和仿真。对应的因素水平如

表3所示，试验方案和试验结果如表4所示。

图4　加速阶段负载转矩图象

Fig. 4　Load torque image in the acceleration stage

表3　试验因素与水平

Tab. 3 Experimental factors and levels

因素

配重块数量/块

加减速时间/s

水平

0.08

0.09

0.1

单摆运动加减速阶段为匀加（减）速运动，故其

平均转速为匀速阶段转速的1/2，即7.5 r/min；进行

3个阶段的Adams仿真，得到3个阶段的转矩图象分

别如图4~图6所示。通过仿真得出各阶段的平均转

第7期陈雷，等：基于Adams对机器人减速器加速疲劳测试负载转矩的研究

111

表4　正交试验方案和试验结果

Tab. 4 Experimental program and test results

命试验时，采用安装2块配重块、加减速时间0.1 s

的负载测试条件，能够最高效率完成测试，测试时

间为2 202.2 h。参考此测试时间，制定减速器精度

检测的周期，可高效地探究其磨损规律。

试验

编号

正交试验方案

配重块

数量/块

加减速时间/s

0.08

0.09

0.1

试验结果

最大动态转矩/

（N·m）

1 169.0

1 589.0

2 027.4

1 279.9

1 699.6

1 028.3

1 483.7

852.9

994.5

测试时间/h

5 110.0

2 085.0

1 028.9

5 260.5

2 153.6

1 065.2

5 267.1

2 202.2

1 090.8

4 试验验证

搭建如图1所示的测试平台，根据正交试验选取

的最优试验条件，将试验条件设置为：负载转动角

度为竖直对称的270°，匀速转动时转速为15 r/min，

加减速时间为0.1 s，配重块数量为2块，在此条件

下连续摆动。疲劳测试机实物如图7所示，该测试机

可以测得减速器的输入转矩。试验测得A40E1型减速

器的输入转矩图象如图8所示。具体实验数据如表6

所示，其中，减速转矩即为减速器输入转矩。

极差R是评价各因素对试验结果影响程度的敏

感性参数，极差越大的因素对于试验结果的影响越

大。分别计算两因素相对于测试时间的极差，计算

公式分别如式（8）、式（9）所示：

R=max{k

}-min{k

}

（8）

（9）

式中，i为因素的水平数；j为因素数；K

为j因素在i

水平下的各试验结果之和；k

为j因素在i水平下的均

值；n为j因素在i水平下的试验次数。

极差分析结果如表5所示。由表5可知，配重块

数量极差结果远大于加减速时间极差结果。配重块

数量对于测试时间的影响较大，并且随着配重块数

量的增加，最大动态转矩越来越大；随着加减速时

间的增加，最大动态转矩越来越小。

表5　试验结果极差分析

Tab. 5　Test results range analysis

因素

配重块

数量

加减速

时间

单位：h

图8　A40E1型减速器试验输入转矩图象

Fig. 8　Image of input torque of A40E1 reducer test

图7　疲劳测试机实物图

Fig. 7　Physical drawing of a fatigue test machine

15 637.66 440.83 184.95 212.52 146.91 061.64 150.9

8 223.98 479.38 560.12 741.32 826.42 853.4112.1

由图8和表6可知，减速器加减速转动的最大

输入转矩T

约为11 N·m，A40E1型减速器的减速

1 028.3

N·m

、温度39 ℃条件下的效率η为89％，则

比u为105。在输出转速15 r/min、最大负载转矩

最大输出转矩为

由表4中最大动态转矩的试验结果可知，虽然负

载安装1、2、3块配重块时静态转矩均满足要求，但

是由于工作情况下冲击较大，一些试验条件下的最

大动态转矩已经超过减速器额定转矩的2.5倍，此种

情况会破坏减速器正常失效形式，不予考虑。符合

条件的负载质量与加减速时间有：1块配重块、加减

速时间0.09 s；1块配重块、加减速时间0.1 s；2块

配重块、加减速时间0.1 s。

在最大动态转矩满足条件的前提下，根据表4中

测试时间的试验结果，A40E1型减速器进行加速寿

uη=1 027.9

N·m

试验计算的最大输出转矩与表4中相同条件下仿

真计算的最大动态转矩相吻合，验证了仿真计算结

果的正确性。

5 结论

加减负载配重块数量和调整负载转动加减速时间来

1）搭建了机器人减速器疲劳测试平台，提出了

112

第47卷

表6　输入转矩试验数据

Tab. 6　Test data of input torque

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tion and experimental study of RV-40E reducer［J］.Journal of Me⁃

gy，2021：1-5.

减速转矩/(N

∙

11.230

7.029

温度/℃

39.434

39.507

39.324

39.352

39.572

39.553

39.370

39.407

39.224

39.214

39.187

39.105

39.095

39.013

39.095

39.059

39.086

39.132

采集时间

2022-07-28 14:27:59

2022-07-28 14:27:52

2022-07-28 14:27:49

2022-07-28 14:27:42

2022-07-28 14:27:39

2022-07-28 14:27:32

2022-07-28 14:27:29

2022-07-28 14:27:22

2022-07-28 14:27:19

2022-07-28 14:27:12

2022-07-28 14:27:09

2022-07-28 14:27:02

2022-07-28 14:26:59

2022-07-28 14:26:52

2022-07-28 14:26:49

2022-07-28 14:26:42

2022-07-28 14:26:39

2022-07-28 14:26:32

2022-07-28 14:26:29

2022-07-28 14:26:22

-6.875

-5.559

7.969

5.347

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-8.738

5.019

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-2.144

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42（3）：375-381.

分别改变负载的静态转矩和动态转矩的方法；基于

国家标准和正交试验分析，得出了在减速器不失效

的情况下最高效率测试的负载质量与转动加减速时

间的组合；基于疲劳等效理论，计算出了最短测试

时间，并通过试验验证了仿真计算的正确性。结果

表明，2块配重块、加减速时间0.1 s的组合对于

A40E1型减速器测试时间的缩短最为明显。

2）利用Adams软件对不同配重块数量和转动加

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减速时间组合下的负载进行了动力学仿真，并对仿

真计算结果进行了正交试验分析，得出了负载静态

转矩对于测试时间影响较大的结论。在加减速时间

一定的情况下，静态转矩越大，测试时间越少。试

验时，在负载转矩不超过减速器额定转矩2.5倍的前

提下，尽量增大负载质量，可明显缩短机器人减速

器加速寿命试验时间，大大提高测试效率。

参考文献

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收稿日期： 2022-05-19 修回日期： 2022-07-29

基金项目：山东省重点计划资助项目（2018GGX104007）

作者简介：陈雷（1997— ），男，山东临沂人，硕士；研究方向为工业

机器人、机器人用减速器；****************。