工业机器人交流伺服驱动装置检验要求分析*

薛瑞娟 吴 翟 王文浩 黄祖广

（1.国家机床质量监督检验中心 北京100102；2.北京航空航天大学 北京100191）

工业机器人作为新型高端技术的代表，其新兴用途的快速发展，例如物流的仓储搬运，工件的抓取加工等，对现代社会的生产方式产生了积极和深远的影响。我国的工业机器人生产制造规模和应用市场均为全球最大，且近年来产量和销售量还在持续增长。因此，工业机器人的产品质量受到人们越来越多的关注。但是，工业机器人具备结构功能复杂、造价高昂的特点，其检验工作程序繁杂、检验周期过长、检验样本和测量仪器的成本较高。因此，工业机器人的测试评价方案需要综合考虑成本、效率等多方面要素，间接导致相关规范和标准的形成相对缓慢，而从研究评价工业机器人的电气装备着手却不失为一种好方法。

交流伺服驱动装置作为具备高稳定性、高快速性、高精度特点的电气设备，在诸多需要进行控制的制造业装备中应用现状不可谓不广泛，应用前景不可谓不广阔。交流伺服驱动装置作为工业机器人的自动化控制装置，控制机器人的机械臂各轴关节运动，包括速度、转矩、位置等参数的控制。交流伺服驱动装置是工业机器人的重要组件之一，影响着工业机器人的性能，可靠性等重要指标，作为高档工业机器人的重要判定依据。然而，对于在工业机器人上应用的交流伺服驱动装置，相关标准规范却制定甚少。

放眼于现实，在2020年之前，由于工业机器人领域的电气装备缺乏统一的规范和标准，评价体系无法满足产品技术的发展要求，该种需求与现实的不适应状况在一定程度上阻碍了机器人行业的发展。如何对工业机器人的电气设备及系统进行产品评测进而指导产品生产制造过程统一化，成为了该领域亟待解决的问题。针对这些问题，迫切需要通过制定和规范相关技术条件，确立科学客观的验证过程，为工业机器人的生产制造提供有力依据来进一步促进国产工业机器人的发展。基于上述背景和原因，在相关行业人员的共同努力下，GB/T 37414《工业机器人电气设备及系统》系列标准应时而生。

本文针对工业机器人关键电气设备——交流伺服驱动装置，对标准GB/T 37414.2-2020进行解读。

1 标准概况

GB/T 37414.2-2020标准作为GB/T 37414《工业机器人电气设备及系统》系列标准的第2部分，已经于2020年4月28日发布，正式实施于2020年11月1日。交流伺服驱动装置在标准中[1]被定义为在工业机器人中，以交流伺服电动机作为执行元件、直接被控量为位移、速度、加速度、力或力矩（转矩）的反馈控制装置。相应的，标准面向和适用的是与工业机器人有关的，使用交流输入供电且有反馈的变频伺服驱动装置。通常，交流伺服驱动装置也被称为交流伺服系统，简称为伺服驱动装置，其一般由驱动单元、伺服电动机及传感元件等组成。因此，除伺服驱动装置整体，其主要组成部件包括驱动单元和伺服电动机，在标准部分内容中也作为标准应用对象。

GB/T 37414.2-2020标准的框架如图1所示，涉及环境适应性、功能与电气性能、制造质量、基本安全与电磁兼容性、寿命、随行文件、包装、贮存、试验条件与检验规则和质量保证期与用户服务共九部分内容。

图1 标准主要技术要求

其中，前六部分内容属于标准应用对象的检验内容，后两部分中的试验条件除环境适应性检验中部分检验项目有特殊的环境要求，其余的检验均在正常大气环境下进行，不同类型的检验需使用不同的检验规则。质量保证期与用户服务则是指明生产厂商对使用的承担的责任要求。

2 出厂检验

交流伺服驱动装置的出厂检验要求生产的每批产品在出厂前都进行检验。一般来说，出厂检验是生产企业自行对产品技术指标进行的检验验证，该项检验可能只包括部分检验内容。

出厂检验的主要要求及步骤：(1)出厂检验可以选择逐台进行或按抽样进行。其中，抽样检验要按照GB/T 2828.1-2012中“检验一次抽样方案”的形式方法，检验水平为Ⅱ，接收质量限（AQL值）为1.0或2.5或由用户按需求确定。(2)出厂检验评定结果时，若交流伺服驱动装置整体甚至其中任一部件的检验项目出现不合格，则该系列产品检验结果均为不合格。(3)出厂检验评定结果合格后，检验部门应提交合格证明书以及出厂检验报告。(4)需要注意的是，交流伺服驱动装置出厂检验后在库房存放时间达到一年及以上，出厂前还应重新进行出厂检验。

3 型式检验

交流伺服驱动装置的型式检验要求依据标准，由质量技术监督部门或检验机构（第三方机构）对产品进行抽样后完成全面检验验证，该项检验必须包括所有的检验内容。

型式检验的主要要求及步骤：(1)抽样通常为在通过出厂检验的产品中抽取6台，其中的4台作为检验样机，样机编号为1，2，3，4，另外的2台作为存放对比用。(2)型式检验评定结果时，如果出现任何一项检验项目不符合要求，则再选取两倍不合格数量的产品重复该项检验。如果检验合格，除第一次检验不合格的产品外，其余均认为符合要求。如不合格，则评定为型式检验不合格。

交流伺服驱动装置正常生产时，每两年应进行一次型式检验，除此之外，在产品重大改进时、性能和参数变化时、长期停产后恢复生产时，出厂检验结果与以前的型式检验存在较大偏差时，需要进行型式检验验证。

4 检验内容

4.1 检验项目

针对工业机器人电气设备及系统中伺服驱动装置，由于其主要部件为驱动单元和伺服电动机，标准检验项目不仅涵盖伺服驱动装置整体，而且对组成部件也有单独的验证。标准中检验项目包含了对伺服驱动装置整体、驱动单元以及伺服电动机的功能、性能、可靠性等指标的检验，涉及所规定项目指标的技术要求和试验方法。

不同的检验项目，相应的检验条件也应具体情况具体设定。通过对标准进行整理分析，将共计64项检验项目列表如表1所示。同时，出厂检验项目和型式检验样机编号也在表中给出。表1中，“√”标识代表对标准中涵盖指标进行检验的项目；“×”标识代表不检验的项目；“—”标识代表不适用的项目。

表1 检验项目列表

接上表

4.2 环境适应性检验

交流伺服驱动装置的环境适应性检验包括气候，机械，电源及特殊环境适应性这四大项。

气候环境适应性规定了产品贮存和运输的耐干热与耐干冷、高温及低温运行、温度变化运行、耐交变湿热、伺服电动机的抗长霉与抗盐雾6项内容。为了确保检验环境真实反映产品的现实状况，所有涉及温度的检验必须在测试温度稳定后，即试验箱内温度变化率不超过1℃/min（不超过5min时间的平均值）开始计时。同时，在气候环境适应性检验后，应紧接着做驱动单元、伺服电动机的绝缘电阻试验。

机械环境适应性中振动、冲击及自由跌落的检验需要对驱动单元和伺服电动机分别进行。

电源环境适应性是伺服驱动装置具备的工作电源条件范围及其对电压谐波的输入特性。标准中描述了驱动单元对交流输入电源的电压和频率波动的适应性，既能工作于频率为50Hz±1Hz、有效值为（0.85～1.10）倍输入电压标称值的输入电源电压下，又能够有效适应输入电源的3次交流谐波电压。

需要注意的是，对于超出正常条件的特殊应用环境，例如：超低温贮存、更高海拔的运输、暴露在有害气体中等，一般的环境适应性检验并不涉及这些内容。

4.3 功能与电气性能检验

交流伺服驱动装置的功能与电气性能决定了其能否满足使用者需求的效能和作用，是体现该产品代表性和实用性的关键。简而言之，就是只有具备了所述功能与电气性能指标的产品才可以被称为伺服驱动装置。

标准将伺服驱动装置的功能与电气性能分为了基本功能与选配功能和伺服电动机单独的性能两大项。其中，基本功能与选配功能的测试对象均为伺服驱动装置整体，主要对装置整体的一般原则、保护功能、监视功能、接口与通信、转速和转矩变化的时间响应、频带宽度、惯量适应范围、静态刚度、额定输出容量及效率、转速变化率、调速范围、稳速精度共13项进行考核。除了一般原则、保护功能、监视功能、接口与通信4项项目有具体的指定评价，其余诸项的检验评定皆需考虑产品专用技术条件的要求。这些特征功能指标在大部分关于电机的标准中均有对其技术要求和试验方法的详尽描述，属于伺服驱动装置最基础也是最主要的检验内容。

同时，对于伺服电动机单独的性能总计8项指标，包括转子转动惯量、工作区、额定转速和最高转速、额定转矩和最大转矩、反电动势常数、定子电阻和定子电感、转矩波动率及温升，其检验方法与伺服驱动装置的基本功能与选配功能的部分测试类似，或使用仪器测量相应参数，或使用测量参数和公式严格计算，以证明其指标是否符合专用技术条件或标准规定。

4.4 制造质量检验

从交流伺服驱动装置的标志、结构外观等到伺服电动机的外形尺寸和加工精度，伺服驱动装置的制造质量检验项目共计十项内容，良好的制造质量有助于提高产品的外在品质，能够引导制造企业精益求精，有效促进行业的发展。为实现伺服驱动装置的互换性和兼容性，伺服电动机使用统一的外形尺寸，其结构如图2所示。

图2 伺服电动机基本外形及安装尺寸

图中：N为凸缘止口直径；D为轴伸直径；E为从轴肩起的轴伸长度；R为凸缘安装面至轴伸的距离；T为凸缘止口高长度；LA为前端盖宽厚度；LB为凸缘安装面至电动机端面的距离；L为电动机总长；AC为电动机直径或两侧面最大距离；BN为凸缘止口直径；M 为凸缘安装孔中心基圆直径；S为凸缘螺栓通孔直径；AD为电动机中心线至出线盒边缘的最大距离。

伺服电动机的轴向间隙，伺服电动机的轴伸径向圆跳动，安装配合端面对伺服电动机轴线的端面全跳动和凸缘止口对伺服电动机轴线的径向圆跳动与伺服电动机的加工精度息息相关，项目检验时使用百分表或千分表应当多次测量，并严格对应标准规定评定结果。

4.5 基本安全与电磁兼容性检验

基本安全与电磁兼容性检验涵盖了十项检验项目，基本安全能力作为保护产品和使用人员的无形屏障，是代表整个产品安全性的标志；电磁兼容性作为产品适应电磁环境同时不对环境中的设备产生令其无法忍受的电磁干扰的能力，同样反映了产品对己和对外的进行安全保护的性能。

在进行基本安全检验中外壳防护，电击防护，保护联结（接地），绝缘电阻及耐电压五项项目检验时，伺服驱动装置需先进行断电。这五项检验项目分别体现伺服驱动装置各部分壳体防水防固体等级，保护使用人员免受电击能力，牢固可靠的电气连接，电源电路和保护联结电路间的绝缘能力和承受高压电击的能力。在这些项目中，驱动单元和伺服电动机两者的安全能力要求和检验均在标准中得到了展现。针对泄漏电流，标准中要求伺服电动机工作在频率为50Hz左右时的泄漏电流值应不大于8mA，该项检验一般于温升检验后进行。针对防火保护及非金属材料的阻燃性，标准对驱动单元的防火保护措施设定了要求，该项校验同样需要断电操作。

电磁兼容性检验分为电磁发射干扰和电磁抗扰度检验，电磁发射干扰包括辐射干扰和传导骚扰。辐射干扰以外壳端口为测试对象，检验结果需要考虑测量距离，传导干扰以电源端口为测量对象。电磁抗扰度检验依据如下性能判据确认检验结果：

1）性能判据A：在标准限值内性能正常；

2）性能判据B： 功能或性能暂时降低或丧失，但能自行恢复；

3）性能判据C：功能或性能暂时降低或丧失，但需操作者干涉或系统复位才能恢复。

其中，静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度及浪涌（冲击）抗扰度按性能判据B验收；电压暂降和短时中断抗扰度按性能判据C验收；射频场感应的传导骚扰抗扰度按性能判据A验收。

噪声检验在伺服驱动装置额定转速空载下进行，其A计权声功率级噪声应小于等于75dB(A)。

4.6 寿命检验

寿命检验中，标准要求交流伺服驱动装置应能通过大于1000h的寿命试验，在寿命试验期间，驱动伺服电动机以50%的额定转速和50%的额定功率运行，伺服驱动装置正常运行，各功能及性能正常。与此同时，安装于试验支架上的伺服电动机的检验位置和时间分配如表2所示。

表2 伺服电动机寿命试验参数

然而，笔者认为目前市面上的伺服驱动装置往往具备高可靠性，其连续工作数年乃至更长时间都不会发生故障。评价伺服驱动装置的寿命，1000h的测试时间显得过短，而如果按照检验环境与正常工作环境相同，时间比1：1形式进行测试，检验过程又显然不切实际。因此，在伺服驱动装置寿命检验项目中，通过考虑产品的故障模式及发生故障情况，参考GB/T 34986-2017产品加速试验方法，采用多应力条件下的加速实验[2]来完成可靠性寿命检验。

4.7 随行文件、包装、贮存检验

交流伺服驱动装置的类型不同，导致于其具体使用方法也大相径庭，包装贮运的要求也有差别。随行文件给与用户对产品直接的指导和说明，包括使用文件，保证文件，包装文件。检验人员应当依据标准阅读查看这3类文件，对随行文件的正确性、完整性和统一性进行视检，随行文件的内容如表 3所示。

表3 随行文件

包装、贮运检验着重于对包装箱和包装箱内产品的摆放，产品储存、运输的条件和注意事项进行视检，确保伺服驱动装置的包装、贮存和运输环节指标符合标准的规定。

5 结语

在我国制造业转型升级和创新发展的大背景下，工业机器人逐渐成为制造装备业发展中不可或缺的力量，相关的机器人电气设备及系统的生产和应用与日俱增，行业人员对其日益充分的了解促使工业机器人用交流伺服驱动装置的标准化工作得到不断深入推进。在标准的应用实施中，笔者希望标准的规范引领能够与行业积极创新相配合，使我国产伺服驱动装置的产品品质能够得到不断提升，再上一个台阶。