工業機器人交流伺服驅動裝置檢驗要求分析*

薛瑞娟 吳 翟 王文浩 黃祖廣

（1.國家機床質量監督檢驗中心 北京100102；2.北京航空航天大學 北京100191）

工業機器人作為新型高端技術的代表，其新興用途的快速發展，例如物流的倉儲搬運，工件的抓取加工等，對現代社會的生產方式產生了積極和深遠的影響。我國的工業機器人生產制造規模和應用市場均為全球最大，且近年來產量和銷售量還在持續增長。因此，工業機器人的產品質量受到人們越來越多的關注。但是，工業機器人具備結構功能復雜、造價高昂的特點，其檢驗工作程序繁雜、檢驗周期過長、檢驗樣本和測量儀器的成本較高。因此，工業機器人的測試評價方案需要綜合考慮成本、效率等多方面要素，間接導致相關規范和標準的形成相對緩慢，而從研究評價工業機器人的電氣裝備著手卻不失為一種好方法。

交流伺服驅動裝置作為具備高穩定性、高快速性、高精度特點的電氣設備，在諸多需要進行控制的制造業裝備中應用現狀不可謂不廣泛，應用前景不可謂不廣闊。交流伺服驅動裝置作為工業機器人的自動化控制裝置，控制機器人的機械臂各軸關節運動，包括速度、轉矩、位置等參數的控制。交流伺服驅動裝置是工業機器人的重要組件之一，影響著工業機器人的性能，可靠性等重要指標，作為高檔工業機器人的重要判定依據。然而，對于在工業機器人上應用的交流伺服驅動裝置，相關標準規范卻制定甚少。

放眼于現實，在2020年之前，由于工業機器人領域的電氣裝備缺乏統一的規范和標準，評價體系無法滿足產品技術的發展要求，該種需求與現實的不適應狀況在一定程度上阻礙了機器人行業的發展。如何對工業機器人的電氣設備及系統進行產品評測進而指導產品生產制造過程統一化，成為了該領域亟待解決的問題。針對這些問題，迫切需要通過制定和規范相關技術條件，確立科學客觀的驗證過程，為工業機器人的生產制造提供有力依據來進一步促進國產工業機器人的發展。基于上述背景和原因，在相關行業人員的共同努力下，GB/T 37414《工業機器人電氣設備及系統》系列標準應時而生。

本文針對工業機器人關鍵電氣設備——交流伺服驅動裝置，對標準GB/T 37414.2-2020進行解讀。

1 標準概況

GB/T 37414.2-2020標準作為GB/T 37414《工業機器人電氣設備及系統》系列標準的第2部分，已經于2020年4月28日發布，正式實施于2020年11月1日。交流伺服驅動裝置在標準中[1]被定義為在工業機器人中，以交流伺服電動機作為執行元件、直接被控量為位移、速度、加速度、力或力矩（轉矩）的反饋控制裝置。相應的，標準面向和適用的是與工業機器人有關的，使用交流輸入供電且有反饋的變頻伺服驅動裝置。通常，交流伺服驅動裝置也被稱為交流伺服系統，簡稱為伺服驅動裝置，其一般由驅動單元、伺服電動機及傳感元件等組成。因此，除伺服驅動裝置整體，其主要組成部件包括驅動單元和伺服電動機，在標準部分內容中也作為標準應用對象。

GB/T 37414.2-2020標準的框架如圖1所示，涉及環境適應性、功能與電氣性能、制造質量、基本安全與電磁兼容性、壽命、隨行文件、包裝、貯存、試驗條件與檢驗規則和質量保證期與用戶服務共九部分內容。

圖1 標準主要技術要求

其中，前六部分內容屬于標準應用對象的檢驗內容，后兩部分中的試驗條件除環境適應性檢驗中部分檢驗項目有特殊的環境要求，其余的檢驗均在正常大氣環境下進行，不同類型的檢驗需使用不同的檢驗規則。質量保證期與用戶服務則是指明生產廠商對使用的承擔的責任要求。

2 出廠檢驗

交流伺服驅動裝置的出廠檢驗要求生產的每批產品在出廠前都進行檢驗。一般來說，出廠檢驗是生產企業自行對產品技術指標進行的檢驗驗證，該項檢驗可能只包括部分檢驗內容。

出廠檢驗的主要要求及步驟：(1)出廠檢驗可以選擇逐臺進行或按抽樣進行。其中，抽樣檢驗要按照GB/T 2828.1-2012中“檢驗一次抽樣方案”的形式方法，檢驗水平為Ⅱ，接收質量限（AQL值）為1.0或2.5或由用戶按需求確定。(2)出廠檢驗評定結果時，若交流伺服驅動裝置整體甚至其中任一部件的檢驗項目出現不合格，則該系列產品檢驗結果均為不合格。(3)出廠檢驗評定結果合格后，檢驗部門應提交合格證明書以及出廠檢驗報告。(4)需要注意的是，交流伺服驅動裝置出廠檢驗后在庫房存放時間達到一年及以上，出廠前還應重新進行出廠檢驗。

3 型式檢驗

交流伺服驅動裝置的型式檢驗要求依據標準，由質量技術監督部門或檢驗機構（第三方機構）對產品進行抽樣后完成全面檢驗驗證，該項檢驗必須包括所有的檢驗內容。

型式檢驗的主要要求及步驟：(1)抽樣通常為在通過出廠檢驗的產品中抽取6臺，其中的4臺作為檢驗樣機，樣機編號為1，2，3，4，另外的2臺作為存放對比用。(2)型式檢驗評定結果時，如果出現任何一項檢驗項目不符合要求，則再選取兩倍不合格數量的產品重復該項檢驗。如果檢驗合格，除第一次檢驗不合格的產品外，其余均認為符合要求。如不合格，則評定為型式檢驗不合格。

交流伺服驅動裝置正常生產時，每兩年應進行一次型式檢驗，除此之外，在產品重大改進時、性能和參數變化時、長期停產后恢復生產時，出廠檢驗結果與以前的型式檢驗存在較大偏差時，需要進行型式檢驗驗證。

4 檢驗內容

4.1 檢驗項目

針對工業機器人電氣設備及系統中伺服驅動裝置，由于其主要部件為驅動單元和伺服電動機，標準檢驗項目不僅涵蓋伺服驅動裝置整體，而且對組成部件也有單獨的驗證。標準中檢驗項目包含了對伺服驅動裝置整體、驅動單元以及伺服電動機的功能、性能、可靠性等指標的檢驗，涉及所規定項目指標的技術要求和試驗方法。

不同的檢驗項目，相應的檢驗條件也應具體情況具體設定。通過對標準進行整理分析，將共計64項檢驗項目列表如表1所示。同時，出廠檢驗項目和型式檢驗樣機編號也在表中給出。表1中，“√”標識代表對標準中涵蓋指標進行檢驗的項目；“×”標識代表不檢驗的項目；“—”標識代表不適用的項目。

表1 檢驗項目列表

接上表

4.2 環境適應性檢驗

交流伺服驅動裝置的環境適應性檢驗包括氣候，機械，電源及特殊環境適應性這四大項。

氣候環境適應性規定了產品貯存和運輸的耐干熱與耐干冷、高溫及低溫運行、溫度變化運行、耐交變濕熱、伺服電動機的抗長霉與抗鹽霧6項內容。為了確保檢驗環境真實反映產品的現實狀況，所有涉及溫度的檢驗必須在測試溫度穩定后，即試驗箱內溫度變化率不超過1℃/min（不超過5min時間的平均值）開始計時。同時，在氣候環境適應性檢驗后，應緊接著做驅動單元、伺服電動機的絕緣電阻試驗。

機械環境適應性中振動、沖擊及自由跌落的檢驗需要對驅動單元和伺服電動機分別進行。

電源環境適應性是伺服驅動裝置具備的工作電源條件范圍及其對電壓諧波的輸入特性。標準中描述了驅動單元對交流輸入電源的電壓和頻率波動的適應性，既能工作于頻率為50Hz±1Hz、有效值為（0.85～1.10）倍輸入電壓標稱值的輸入電源電壓下，又能夠有效適應輸入電源的3次交流諧波電壓。

需要注意的是，對于超出正常條件的特殊應用環境，例如：超低溫貯存、更高海拔的運輸、暴露在有害氣體中等，一般的環境適應性檢驗并不涉及這些內容。

4.3 功能與電氣性能檢驗

交流伺服驅動裝置的功能與電氣性能決定了其能否滿足使用者需求的效能和作用，是體現該產品代表性和實用性的關鍵。簡而言之，就是只有具備了所述功能與電氣性能指標的產品才可以被稱為伺服驅動裝置。

標準將伺服驅動裝置的功能與電氣性能分為了基本功能與選配功能和伺服電動機單獨的性能兩大項。其中，基本功能與選配功能的測試對象均為伺服驅動裝置整體，主要對裝置整體的一般原則、保護功能、監視功能、接口與通信、轉速和轉矩變化的時間響應、頻帶寬度、慣量適應范圍、靜態剛度、額定輸出容量及效率、轉速變化率、調速范圍、穩速精度共13項進行考核。除了一般原則、保護功能、監視功能、接口與通信4項項目有具體的指定評價，其余諸項的檢驗評定皆需考慮產品專用技術條件的要求。這些特征功能指標在大部分關于電機的標準中均有對其技術要求和試驗方法的詳盡描述，屬于伺服驅動裝置最基礎也是最主要的檢驗內容。

同時，對于伺服電動機單獨的性能總計8項指標，包括轉子轉動慣量、工作區、額定轉速和最高轉速、額定轉矩和最大轉矩、反電動勢常數、定子電阻和定子電感、轉矩波動率及溫升，其檢驗方法與伺服驅動裝置的基本功能與選配功能的部分測試類似，或使用儀器測量相應參數，或使用測量參數和公式嚴格計算，以證明其指標是否符合專用技術條件或標準規定。

4.4 制造質量檢驗

從交流伺服驅動裝置的標志、結構外觀等到伺服電動機的外形尺寸和加工精度，伺服驅動裝置的制造質量檢驗項目共計十項內容，良好的制造質量有助于提高產品的外在品質，能夠引導制造企業精益求精，有效促進行業的發展。為實現伺服驅動裝置的互換性和兼容性，伺服電動機使用統一的外形尺寸，其結構如圖2所示。

圖2 伺服電動機基本外形及安裝尺寸

圖中：N為凸緣止口直徑；D為軸伸直徑；E為從軸肩起的軸伸長度；R為凸緣安裝面至軸伸的距離；T為凸緣止口高長度；LA為前端蓋寬厚度；LB為凸緣安裝面至電動機端面的距離；L為電動機總長；AC為電動機直徑或兩側面最大距離；BN為凸緣止口直徑；M 為凸緣安裝孔中心基圓直徑；S為凸緣螺栓通孔直徑；AD為電動機中心線至出線盒邊緣的最大距離。

伺服電動機的軸向間隙，伺服電動機的軸伸徑向圓跳動，安裝配合端面對伺服電動機軸線的端面全跳動和凸緣止口對伺服電動機軸線的徑向圓跳動與伺服電動機的加工精度息息相關，項目檢驗時使用百分表或千分表應當多次測量，并嚴格對應標準規定評定結果。

4.5 基本安全與電磁兼容性檢驗

基本安全與電磁兼容性檢驗涵蓋了十項檢驗項目，基本安全能力作為保護產品和使用人員的無形屏障，是代表整個產品安全性的標志；電磁兼容性作為產品適應電磁環境同時不對環境中的設備產生令其無法忍受的電磁干擾的能力，同樣反映了產品對己和對外的進行安全保護的性能。

在進行基本安全檢驗中外殼防護，電擊防護，保護聯結（接地），絕緣電阻及耐電壓五項項目檢驗時，伺服驅動裝置需先進行斷電。這五項檢驗項目分別體現伺服驅動裝置各部分殼體防水防固體等級，保護使用人員免受電擊能力，牢固可靠的電氣連接，電源電路和保護聯結電路間的絕緣能力和承受高壓電擊的能力。在這些項目中，驅動單元和伺服電動機兩者的安全能力要求和檢驗均在標準中得到了展現。針對泄漏電流，標準中要求伺服電動機工作在頻率為50Hz左右時的泄漏電流值應不大于8mA，該項檢驗一般于溫升檢驗后進行。針對防火保護及非金屬材料的阻燃性，標準對驅動單元的防火保護措施設定了要求，該項校驗同樣需要斷電操作。

電磁兼容性檢驗分為電磁發射干擾和電磁抗擾度檢驗，電磁發射干擾包括輻射干擾和傳導騷擾。輻射干擾以外殼端口為測試對象，檢驗結果需要考慮測量距離，傳導干擾以電源端口為測量對象。電磁抗擾度檢驗依據如下性能判據確認檢驗結果：

1）性能判據A：在標準限值內性能正常；

2）性能判據B： 功能或性能暫時降低或喪失，但能自行恢復；

3）性能判據C：功能或性能暫時降低或喪失，但需操作者干涉或系統復位才能恢復。

其中，靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度及浪涌（沖擊）抗擾度按性能判據B驗收；電壓暫降和短時中斷抗擾度按性能判據C驗收；射頻場感應的傳導騷擾抗擾度按性能判據A驗收。

噪聲檢驗在伺服驅動裝置額定轉速空載下進行，其A計權聲功率級噪聲應小于等于75dB(A)。

4.6 壽命檢驗

壽命檢驗中，標準要求交流伺服驅動裝置應能通過大于1000h的壽命試驗，在壽命試驗期間，驅動伺服電動機以50%的額定轉速和50%的額定功率運行，伺服驅動裝置正常運行，各功能及性能正常。與此同時，安裝于試驗支架上的伺服電動機的檢驗位置和時間分配如表2所示。

表2 伺服電動機壽命試驗參數

然而，筆者認為目前市面上的伺服驅動裝置往往具備高可靠性，其連續工作數年乃至更長時間都不會發生故障。評價伺服驅動裝置的壽命，1000h的測試時間顯得過短，而如果按照檢驗環境與正常工作環境相同，時間比1：1形式進行測試，檢驗過程又顯然不切實際。因此，在伺服驅動裝置壽命檢驗項目中，通過考慮產品的故障模式及發生故障情況，參考GB/T 34986-2017產品加速試驗方法，采用多應力條件下的加速實驗[2]來完成可靠性壽命檢驗。

4.7 隨行文件、包裝、貯存檢驗

交流伺服驅動裝置的類型不同，導致于其具體使用方法也大相徑庭，包裝貯運的要求也有差別。隨行文件給與用戶對產品直接的指導和說明，包括使用文件，保證文件，包裝文件。檢驗人員應當依據標準閱讀查看這3類文件，對隨行文件的正確性、完整性和統一性進行視檢，隨行文件的內容如表 3所示。

表3 隨行文件

包裝、貯運檢驗著重于對包裝箱和包裝箱內產品的擺放，產品儲存、運輸的條件和注意事項進行視檢，確保伺服驅動裝置的包裝、貯存和運輸環節指標符合標準的規定。

5 結語

在我國制造業轉型升級和創新發展的大背景下，工業機器人逐漸成為制造裝備業發展中不可或缺的力量，相關的機器人電氣設備及系統的生產和應用與日俱增，行業人員對其日益充分的了解促使工業機器人用交流伺服驅動裝置的標準化工作得到不斷深入推進。在標準的應用實施中，筆者希望標準的規范引領能夠與行業積極創新相配合，使我國產伺服驅動裝置的產品品質能夠得到不斷提升，再上一個臺階。