DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 11. 001
李伟光，黄键，蔡文伟，等. 谐波减速器柔性薄壁轴承性能检测方法研究［J］ . 机电工程技术，2020，49（11）：1-5.
国家自然科学基金项目（编号：51875205，51875216）；
国家高技术研究发展计划项目（863项目）（编号：2015AA043005）；
广东省重大科技专项项目（编号：2019B090918003）；
广东省自然资源厅资助项目（编号：GDNRC[2020]030）
谐波减速器柔性薄壁轴承性能检测方法研究*
李伟光，黄键，蔡文伟，董佳祥，兰钦泓，孙菁瑶，张豪，余镇钿，马贤武
（华南理工大学机械与汽车工程学院， 广州510640）
摘要：谐波减速器是工业机器人核心部件之一，柔性薄壁轴承是谐波减速器的关键零部件，轴承的性能与稳定直接影响减速器的性能。以往对柔性薄壁轴承应用特性的研究都是将其置于谐波减速器整体研究中进行粗略分析，无法结合其工作过程的变形及载荷交变特性开展深入研究，其主要原因是缺乏有效的试验与验证手段。谐波减速器内除柔性薄壁轴承外，刚轮、柔轮等多个部件的特征信号存在耦合关联，对谐波减速器的单个零部件特征提取难度极大。提出将柔性薄壁轴承从谐波减速器整机中剥离出来进行等效研究的试验方法，创新设计了模拟薄壁轴承实际运动工况的测试装置，开展了相关性能与寿命试验，提出并验证了多种特征提取方法，可快速有效地实现柔性薄壁轴承性能与寿命测试，为谐波减速器的产品优化迭代提供了一种高效便捷方法。
关键词：柔性薄壁轴承；寿命试验；特征提取；故障诊断
中图分类号：TH133.33 文献标志码：A
文章编号：1009－9492 ( 2020 ) 11－0001－05
引言
随着国家大力推进工业4.0和中国制造2025，工业机器人的需求量逐年增多，应用领域变得越来越广泛，其在制造业中的地位也日渐攀升。据中国机器人网统计，2019年全球全年工业机器人安装量为37.3万台，中国占14.05万台；截止2019 年底全球工业机器人累计安装270 万台/套， 年增长12%， 而中国工业机器人安装量达到78.3 万台， 年增长21%，远高于国际增长速度。与此同时，国内应用的工业机器人约71%却是由国外厂商供应，虽然国内制造的工业机器人获得的市场份额逐年增多，但在高端机器人的技术与制造方面与国际一流机器人厂商的水平还存在较大差距。
工业机器人主要由3部分核心零部件构成：驱动器、集成系统和精密RV减速器与谐波。其中减速器的制造与工艺是我国最为缺失的部分。这两种减速器的设计和性能测试技术，均被国外技术垄断，其中75%被日本公司所垄断，如Harmonica和Nabtesco，其中的核心技术也被其牢牢掌控[1]。国内市场有北京谐波传动技术研究所、苏州绿的谐波传动科技股份有限公司、北京中技克美谐波传动股份有限公司、陕西渭河工模具有限公司、浙江来福谐波传动股份有限公司、广州昊志机电股份有限公司等众多公司对机器人减速器进行研究与生产，虽然已经取得了多项成果，但和国外的先进技术水平仍有不小差距。在很多重要应用领域中，国内制造的机器人减速器都达不到要求，需依赖进口件才能保证精度与可靠性，这大大制约了我国工业机器人核心部件的发展。
谐波减速器是一种具有高减速比、质量小、重量轻、传动精度高等优良性能的减速器[2]，其结构如图1所示，包括刚轮、柔轮、波发生器。图中，柔性薄壁轴承安装在凸轮轴上与凸轮轴组成波发生器。柔轮套装在波发生器的轴承外圈上，相应的动力和运动由刚轮与柔轮的齿间相对错齿传递。
柔性薄壁轴承安装在椭圆形的凸轮轴上，凸轮轴作为输入轴时，柔性薄壁轴承产生周期性可控的变形，驱动柔轮产生受控变形并与刚轮齿啮合以实现大的传动比[3]。
柔性薄壁轴承是谐波减速器的重要部件，其精度与稳定性直接决定谐波减速器的性能。柔性薄壁滚动轴承具有大传动比、精度高、体积小、重量轻、承载能力大等突出优点，通过自身的可控变形实现力和运动的传递[4]，其工作正面如图2所示。
结束语
（1） 通过将柔性薄壁轴承从谐波减速器上分离出来，获得柔性薄壁轴承性能的影响成分和权重，使得研制柔性薄壁轴承过程能够直接、快速评价柔性薄壁轴承的特性，减少了目前企业只能通过检测减速器不精确地评价个部件的时间，厂家可通过改变材料、热处理工艺、表面强化、优化结构参数等方式快速迭代产品并进行验证，促进了对柔性薄壁轴承特性的深入探索与优化。
（2） 以载荷位置不变，模拟谐波减速器柔性薄壁轴承在工况下的受载分布，通过伺服运动与机械联动加载装置实现静态加载、周期可调的动态变频双端加载和静动态交变加载，代替谐波减速器工况中薄壁轴承圆周循环受载的情况，不改变轴承疲劳失效形式的基础上实现柔性薄壁轴承寿命加速试验，发明了一种柔性薄壁轴承加速寿命试验方法，可高效、快速获得轴承失效数据。
（3） 提出了主成分分析-希尔伯特变换（PCA-HHT） 融合算法和自适应谱峭度方法- 最大相关峭度解卷积（ASK-MCKD） 融合算法、基于自适应谱峭度和最大相关峭度解卷积的ASK-MCKD等故障提取算法，其所提取的信号谱特征能量比值大，能准确、有效表征柔性薄壁轴承的故障信息。