国内外机器人关节测试技术研究现状及展望

关节是机器人进行姿态控制的核心执行部件,其性能对整机性能有直接影响,对其测试和评价是提高关节性能的重要基础。本文从应用场景、工作原理、结构设计等方面对关节技术现状进行分析。归纳总结了关节的传动精度、响应参数、机械参数及电参数的测试原理及测试方法。从整体上分析关节测试设备现状,阐述了面向大型关节和小型关节的两类测试设备。对关节测试技术存在的难点做出分析和讨论,并对其未来的发展方向做了展望。

复合材料板Chirp激励的Lamb波成像技术研究

作为一种快速、高效的无损检测方法,Lamb波技术在结构健康监测领域具有巨大的应用潜力并受到广泛关注。采用线性宽带Chirp信号作为激励信号,替代传统的窄带Tone burst信号。响应信号经过后处理可以解调出其带宽范围内任意中心频率的等效Tone burst响应信号。优化设计一种压电传感器,能够在低频段激励和接收纯净的A0模态。由于A0模态对板中缺陷非常敏感,使信号更便于分析。将这种传感器按照稀疏阵列的形式布置于准各向同性复合材料板上,对模拟缺陷进行检测。通过实验所得Chirp信号的检测数据解调出多个中心频率下的响应信号,结合椭圆成像技术和数据融合方法进行缺陷成像,实现了板中缺陷定位,并且多个频率下响应信号融合后的成像结果具有更高的分辨率、对比度和定位精度。

超精密蜗轮副加工成套工艺研究

介绍了一种新型超精密蜗轮副加工成套工艺,该工艺以“误差诱导重塑与自我精准抵消”为核心思想。为实现传动误差的精准检测,开发了机械传动误差检测智能iFMT仪器;研发了嵌入iFMT仪器可实现加工测量一体化功能的新型蜗轮母机;配合刀具、新标准等配套技术,加工得到双面同时达到DIN标准1级精度的超精密蜗轮副。

新一代产品几何技术规范标准中齿轮非理想表面建模研究

公差规范贯穿于几何产品的整个生命周期,为了解决现行的计算机辅助公差工具无法从物理几何角度实现对于产品制造误差的真实表达,提出1种普适性的公差建模方法,能够在几何产品最初的设计阶段便对产品制造、检测过程中的几何变化量予以考虑。以新一代产品几何技术规范(GPS)为基础,将小波分析和功率谱密度分析等信号处理技术运用到产品表面形貌分析中,研究出1种能够反映产品三维表面及其二维轮廓的宏观及微观多尺度形貌误差成分的非理想表面模型表征方法,并应用于具有齿廓误差的圆柱齿轮模型上,实现其在通用商业CAD软件中的显示,以解决产品在设计、制造、检验过程中公差规范表达难以统一的难题,为产品几何变化量的有效控制提供了1种可行、可靠的新方法。

小模数塑料齿轮静态强度试验台研制与实验研究

为获取小模数塑料齿轮的静态强度,研发了小模数塑料齿轮静态强度试验台,可以精准测量出不同模数、转速、材料的塑料齿轮的静态强度。重点介绍了试验台的工作原理、构成和工装零部件的设计。试验台由机械系统、电控系统和测量软件组成,主要采用卧式结构,结构紧凑,占用空间小,工装夹具设计简单,便于测量。进行了静态强度的测试试验,测试了不同材料的静态强度。该试验台的研发,解决了小模数齿轮静态强度测试不准、测试装夹困难的问题。研究对塑料齿轮设计有一定的理论价值与实际应用价值。

齿轮线激光三维测量仪的研制

快速获取齿轮全部齿面的三维误差信息,是表征复杂齿面质量的关键和前提。本文基于激光三角测量原理,建立了齿轮线激光三维测量模型,研制出齿轮线激光三维测量仪,可用于生产现场快速获取被测齿轮的三维齿面误差信息并进行质量评定。仪器采用立式结构,主要由基座、精密主轴、圆光栅传感器、控制系统、软件系统等部分组成。精密主轴采用密珠轴系实现高精度回转,保证了被测齿轮的高精度定位与回转。在精密主轴周向布置两个高精度线激光传感器,并根据被测齿轮参数调整其位姿状态;圆光栅实时获取精密主轴的回转角度,并触发采集器实时采集并记录被测齿轮左右齿面的几何信息。开发了齿轮线激光三维测量与评价软件,可实现齿轮齿廓偏差、齿距偏差、拓扑偏差等项目的测量与评定,能够满足5级精度齿轮的检测要求。

论齿轮样板

齿轮样板是齿轮参数量值的标准实物载体,用于将齿轮国家测量标准所复现的量值传递到各级齿轮测量仪器上,从而实现齿轮测量的准确性和一致性,保证齿轮产品质量。全面概述了齿轮样板起源及其发展历程;详细论述了齿轮样板的种类、结构及特点、齿轮样板的测量技术及装置、齿轮样板的国际比对、未来的发展与展望。齿轮样板迄今已历经九十多年发展,其种类在不断丰富、尺度不断延伸、复杂度不断简化,作为一种“有形”的实物量具,目前仍不可替代。未来随着“无形”的虚拟仿真测量技术发展,对“有形”实物样板的依赖将可以减弱,“无形”的技术将可能成为量值传递的新模式。

机器人用RV减速器多齿啮合特性研究

针对摆线针轮多齿啮合时的接触力对于RV减速器传动精度和疲劳寿命的影响问题,本文研究了RV减速器摆线针轮多齿啮合的动态过程,建立了RV减速器动力学仿真模型。通过仿真计算得到了各摆线针齿啮合点处的法向接触力、摩擦力和接触应力,并与理论公式计算结果进行了对比。最后对RV减速器样机的传动性能进行了测试,确定了摆线针轮传动是引起RV减速器传动误差的主要原因。由RV减速器分段传动误差的标准差分量可以间接地判断摆线针齿不同啮合位置的匹配性,从而经过针对性的齿廓修形进一步提高RV减速器的传动精度。

基于频率-波数分析的激光Lamb波传播特性试验研究

Lamb波的频散和多模态特性,使得利用Lamb波信号的时域或频域特征实现缺陷的定量检测具有一定的困难。提出了一种在频率-波数内分析激光Lamb波传播特性的方法。基于全光学型激光超声检测系统,脉冲激光在固定位置激励,连续激光一维线扫描接收,获得时间-空间波场信号,可直观地显示激光Lamb波信号的传播特性以及激光Lamb波与缺陷之间的作用规律。采用二维傅里叶变换将波场信号从时间-空间域转换到频率-波数域,可有效识别信号中包含的各模态信息。为了保留空间信息,借鉴短时傅里叶变换的思想,采用短空间二维傅里叶变换得到沿扫描路径上波数的分布,从中可直观看出缺陷的位置。采用带通滤波结合连续小波变换的方法对短空间二维傅里叶变换的结果进行了优化。分别在有、无缺陷铝板中进行了试验研究,试验结果验证了该方法的有效性。

用于裂纹方向识别的超声散射系数分析方法研究

本文主要利用超声相控阵技术进行了裂纹方向识别研究。首先,对线性超声相控阵探头采集的全矩阵数据进行了全聚焦成像,确定缺陷的位置。然后将线性阵列划分为若干子阵列,研究了缺陷位置处子阵列的散射系数分布,从中提取出缺陷的方向信息。在此基础上,研究了子阵列参数选择(子阵列包含晶片数及相邻子阵列间隔晶片数)及探头位置对裂纹方向识别的影响。通过对散射系数分布图中提取的3个特征指标,角度测量误差、角度分辨率及相对脊带宽度,进行主成分分析,评价了子阵列参数设置(如子阵列包含晶片数及相邻子阵列间隔晶片数)对裂纹方向识别的影响,优化出最佳的检测位置及子阵列参数设置。仿真和检测实验结果表明,当相邻子阵列间隔晶片数为1,包含晶片数为11个时,可以利用超声散射系数分布进行裂纹方向的准确测量,测量误差小于2%。

相位加权的矢量全聚焦超声阵列成像方法研究

常规矢量全聚焦成像仅利用检测信号的幅值信息,其成像质量受噪声、栅瓣和旁瓣等的影响大。综合利用检测信号的幅值和相位信息,本文提出两种相位加权的矢量全聚焦成像方法。首先,对全矩阵数据的相位信息进行分析,提取出两种相位特征参数:相位一致因子(Phase Coherence Factor:PCF)和极性一致因子(Sign Coherence Factor:SCF);然后,将全阵列划分为若干子阵列,分别利用两种相位特征参数对各个子阵列的成像幅值进行加权,求取加权幅值特征向量;最后,对所有子阵列的加权特征向量进行合成,得到两种加权的矢量全聚焦成像,并从中提取出裂纹方向及尺寸等特征信息。将三种矢量全聚焦成像方法应用于不同缺陷检测仿真及实验验证,结果表明,3种方法均可以实现缺陷方向识别与长度定量测量;但相位加权矢量全聚焦成像效果明显优于常规矢量全聚焦成像结果,其成像信噪比及分辨率更高,缺陷角度及长度测量结果更准确。本文研究工作为缺陷无损评价提供了可行的技术手段。

齿轮磨削烧伤检测方法研究现状及发展方向

分析了齿轮磨削烧伤的危害,总结并比较了针对齿轮磨削烧伤的多种检测方法及特点。根据检测与烧伤发生的时间先后,分为事先预防和事后检测的方法。事先预防的方法包括临界常数法、磨削力比法、磨削温度监测法、神经网络预测磨削烧伤;事后检测的方法包括酸蚀法、表层显微硬度法、金相检测法、变质层深检测法等有损检测方法以及目测法、X射线衍射残余应力检测法、成分分析法、涡流检测法、CCD图像法、磁弹法、声发射在线监测等无损检测方法。针对每种方法的研究进展,讨论了各种方法适用的范围和局限性,并进一步指出齿轮磨削烧伤检测的发展方向。

基于机电阻抗与超声导波技术的复合材料梁损伤定位

运用机电阻抗与超声导波技术,结合数据融合算法,实现了复合材料梁结构的损伤定位研究.首先,利用2种方法各自的损伤监测特点,提出了一种综合损伤指数的数据融合算法,用于表征结构的变化情况;其次,运用2种方法单独进行损伤评估,均可以实现损伤在较大范围内的定位,但定位不准确;最后,运用综合损伤指数对结构损伤进行表征.结果表明:这种通过数据融合得到的综合损伤指数能较为准确地识别缺陷所在位置,实现了损伤的定位评估.

20年来齿轮测量技术的发展

推动齿轮测量技术发展的力量有两股,一是齿轮产业发展对齿轮测量不断提出的新要求,二是不断进步的关联技术在齿轮测量领域的渗透。21世纪以来,这两股力量的交汇推动了齿轮测量技术的快速发展。在简要回顾20世纪齿轮精度理论和齿轮测量技术演变的基础上,提出了齿轮广义精度理论的基本要义,从齿轮全信息测量技术、面向生产现场的齿轮在线快速分选检测技术、面向特大齿轮和微小齿轮的极端测量技术、高精度齿轮样板及量值传递等多个方面系统归纳了20年来齿轮测量技术的新发展。齿轮精密测量肇始至今已历经百多年,目前处在第三代齿轮测量向下一代齿轮测量跨越的关键阶段。提出了下一代齿轮测量的整体技术构想,列出为实现下一代齿轮测量必须攻克的基础理论和关键技术问题,展望了未来10年齿轮测量的研究重点和科学问题。

齿轮测量仪器的动态设计方法及其应用

为了解决目前齿轮量仪中由于动态性能不足而严重影响测量结果的稳定性、可靠性和精确性的问题,对齿轮测量仪器的动态设计方法展开研究,提出利用有限元分析与实验模态分析技术相结合的动态设计方法。首先,研究了动态分析的理论基础、有限元分析的基本步骤和实验模态分析的基本原理;接着,以某齿轮快速检测仪为例,对其进行了有限元分析与实验模态分析;然后,在该齿轮快速检测仪上进行测量实验,即采用不同精度的齿轮,在不同的速度下进行测试;最后,分析了测量实验中存在振动扰动以及测量过程中振动的变化情况。实验结果表明,有限元分析法可以在设计阶段有效的提高仪器的动态性能,从根本上提高仪器的动态性能指标。实验模态分析方法可以在仪器制造以后准确的获得仪器的实际动态性能指标,可以有效地进行最佳工作转速选择,进一步提升仪器的使用性能。通过测量实验,验证了有限元分析和实验模态分析的正确,为齿轮提高齿轮量仪的动态精度提供了一种方法,为量仪的合理使用提供了一条确实可行的途径。

基于d-q变换的时栅位移传感器补偿算法研究

时栅位移传感器是一种新型的栅式位移传感器,它不依赖于空间等分性,通过对时间脉冲进行计数而间接实现位移测量,从而达到高精度测量。介绍了传感器信号变形的原因,将非理想信号分为幅度不均、相位偏移、谐波叠加、波形变形四大类;针对幅度不均的情况,将电机学中的d-q变换引入误差分析,推导出其对寄生式时栅位移传感的误差影响;同时在d-q变换原理的视角下重新审视了时栅传感器的测量过程。提出了一种基于变换空间下的误差补偿算法,d轴的差分项与q轴误差项变化趋势一致,利用变化规律对测量误差进行实时修正。在安装有寄生式时栅位移传感器的实验台上进行了实验并获取到不同情况下的误差曲线,实验结果表明,该补偿算法可以消除幅度不均带来的二次误差,误差压制量达到90%。这种算法完全利用信号本身的特性,无需复杂的运算,将误差部分进行了补偿达到了比较理想的效果,对于寄生式时栅位移传感器的实际应用具有重要意义。

小模数直齿轮免参数并行快速测量

小模数齿轮在实际制造中,单条产线多台设备通常同时生产多种不同参数的齿轮,迄今无法用单台齿轮测量仪器在生产线上同时实时全检这些不同参数的齿轮。开发了基于Facet的齿轮亚像素边缘定位算法、基于迭代重加权最小二乘的齿轮中心定位法、圆与齿廓交点快速定位法、正弦函数拟合齿数法和齿廓近似测压力角法等;若结合适当的送料与定位机构,本文方法能够在未知参数时,实现多种不同型号齿轮的混合测量,无需装夹,测量效率高。可以实现齿数、模数、压力角、齿顶圆直径、齿根圆直径、全齿高、齿宽、公法线变动量、变位系数、齿廓偏差和形位误差的测量。实验结果表明:该方法测量0.5~1.0 mm模数的直齿轮的重复性精度为4μm。该方法在小模数齿轮柔性化生产线具有重要应用前景。

基于ISO 1328-1:2013的齿廓偏差评定方法研究

针对ISO 1328-1:2013中齿廓偏差定义及评定方法与前一版本差异较大的问题,对ISO 1328-1:2013中的齿廓偏差定义及评定方法进行了细化分析和计算,包括齿廓计值范围和齿廓计值长度、平均齿廓线拟合和齿廓测量数据滤波等方面。给出了符合ISO1328-1:2013的齿廓偏差评定流程,开发了基于ISO 1328-1:2013的齿廓偏差评定软件;采用齿轮测量中心获取齿廓测量数据,进行了齿廓偏差评定,对基于ISO 1328-1两个版本的齿廓偏差评定结果进行了对比分析,并在所开发的齿廓偏差评定软件中,计算和显示齿廓偏差评定参数、评定结果以及评定曲线。研究结果表明:对于同一组齿廓测量数据,基于两个版本标准的齿廓偏差评定结果存在一定的差异,该差异符合ISO 1328-1:2013相对于前一版本在齿廓偏差评定中做出的变更,可为ISO 1328-1:2013的应用提供参考。

单级齿轮箱内部冲击振动的传播衰减特性研究

齿轮箱箱体表面的振动信号包含了丰富的内部状态信息,因此成为系统动态特性辨识和结构故障诊断的主要依据。考虑到啮合刚度,以及加工误差或齿面缺陷的激励作用,从内部激励源到表面拾振点之间形成了多级、多界面的振动传递过程,沿不同路径的传播、衰减特性直接决定了振动信号采集的质量。建立某单级齿轮箱的有限元模型,通过模态叠加法完成了该结构的冲击响应分析,研究了沿不同传播路径的界面传播与衰减情况,并通过振动幅值能量和能量传播损耗率两个参数实现了衰减特性的定量分析。最终通过齿轮箱试验台的脉冲响应试验,验证了数值仿真的准确性,并建立了可信的齿轮箱冲击振动衰减规律。

圆柱直齿轮微小裂纹缺陷检测系统的结构调谐共振方法研究

车辆齿轮微小裂纹缺陷产生的振动信号十分微弱,易淹没在背景噪声信号中难以被发现和提取,进而造成严重的安全事故和经济损失。以圆柱直齿轮为研究对象,应用共振对微弱振动信号的放大作用,提出一种针对齿轮微小裂纹缺陷检测的结构调谐共振方法。采用有限元模态分析技术与实验模态分析技术相结合的手段,构建了基于结构调谐共振的实验测试系统,并利用该测试系统对直齿轮微小裂纹缺陷进行检测。实验结果表明,该测试系统所测信号频谱中啮合频率周围的边频带频率更明显,更有利于齿轮微小缺陷的识别和诊断,为齿轮故障诊断提供了一种新的方法和思路。