规范工业机器人关节摩擦力矩测试 筑牢机器人运行可靠根基

在智能制造、柔性生产、自动化装配等工业场景高速迭代的当下，工业机器人作为核心自动化装备，承担着精准定位、高效搬运、精密装配等全流程核心任务，其运行精度、稳定性与可靠性直接决定了整个自动化生产线的效能与产品质量。关节作为工业机器人的“运动枢纽”，连接各机械臂部件并实现多自由度转动，而关节摩擦力矩是影响机器人关节运动性能的核心关键因素，直接关系到关节转动的平滑性、定位精度、动态响应速度及能耗控制。工业机器人关节摩擦力矩测试，是量化关节摩擦特性、排查摩擦隐患、验证关节性能的核心技术手段，规范开展该测试，能够精准捕捉关节摩擦力矩的变化规律，排查关节运动中的摩擦异常，为关节结构优化、润滑系统改进、控制算法校准提供科学依据，同时衔接GB/T 12642等相关国家标准及工业机器人性能测试规范，完善工业机器人全流程性能管控体系，助力工业机器人向高精度、高稳定、低能耗方向发展。

一、工业机器人关节摩擦力矩测试核心定位与测试意义

工业机器人关节摩擦力矩测试的核心定位是“量化摩擦特性、排查性能隐患、保障运动适配”，区别于单纯的关节力矩测试（仅关注关节输出力矩的大小），摩擦力矩测试更侧重关节转动过程中摩擦阻力的动态变化，聚焦不同转速、转角、温度条件下摩擦力矩的稳定性、均匀性及异常波动，核心目标是验证关节在实际工业运行场景中的摩擦适配能力与长期运行可靠性。结合工业机器人关节的结构特点，该测试既覆盖关节内部机械结构的摩擦特性，也兼顾润滑状态、环境条件、运行工况等外部因素的影响，形成全方位、多维度的摩擦性能验证体系，契合工业场景对机器人关节“转动平滑、摩擦可控、性能稳定”的核心诉求。

从工业应用价值来看，关节摩擦力矩测试的重要性不言而喻。工业机器人关节内部包含减速器、伺服电机、轴承、齿轮等多个精密部件，运行过程中各部件间的摩擦会产生阻力力矩，若摩擦力矩过大、分布不均或波动异常，会导致关节转动卡顿、定位精度下降、动态响应滞后，进而引发机器人动作偏差、装配精度不足、能耗增加等问题；在高速运行场景中，异常的摩擦力矩会加剧部件磨损，缩短关节使用寿命，增加设备维护成本；在精密装配场景中，摩擦力矩的微小波动会影响关节的微动性能，无法满足高精度定位与装配的严苛要求；此外，关节摩擦力矩的异常变化还可能是部件磨损、润滑失效、异物侵入的前兆，若未及时通过测试排查，可能导致关节卡滞、故障停机，造成生产线中断，带来经济损失。规范开展关节摩擦力矩测试，能够推动工业机器人关节研发向“摩擦优化、性能可控、寿命延长”方向发展，帮助研发企业优化关节结构设计、改进润滑方案、提升部件加工精度，同时为下游应用企业的设备选型、日常维护、故障排查提供明确的性能参考，规避应用风险，实现机器人与工业场景的精准适配，衔接相关可靠性检测标准，提升工业机器人的整体应用价值与运行稳定性。

二、关节摩擦力矩测试核心基础：影响因素与测试原理

工业机器人关节摩擦力矩测试的原理，以“模拟工业实际运行工况、量化摩擦阻力变化、分析摩擦成因”为核心，依托标准化的测试设备、规范化的测试流程，采集关节在不同运行条件下的摩擦力矩数据，通过统计分析量化摩擦力矩的大小、分布规律及波动特性，判断关节摩擦力矩是否符合设计要求与应用标准。其核心逻辑是：在可控的测试环境中，固定关节的安装姿态、测试参数，通过测试设备驱动关节按设定的转速、转角平稳转动，同步采集关节转动过程中的阻力力矩（即摩擦力矩），结合转速、转角、温度等相关参数，分析不同工况下摩擦力矩的变化规律，排查异常摩擦节点，评估关节的摩擦性能与运行可靠性，同时结合精密机械测试的核心方法，确保测试结果的客观性与可比性。

影响工业机器人关节摩擦力矩的因素复杂多样，可分为关节内部因素与外部环境因素两大类，也是测试过程中重点控制与排查的对象。内部因素主要包括：关节内部机械结构设计（如齿轮精度、轴承类型、减速器传动比）、部件加工精度与装配精度（如配合间隙、表面粗糙度）、润滑系统状态（如润滑剂类型、润滑剂量、润滑均匀性），这些因素直接决定了关节摩擦力矩的基准水平与分布规律，其中齿轮、轴承等部件的摩擦特性可通过相关摩擦模型进行精准描述，常用的LuGre摩擦模型可全面诠释摩擦力的动静态特性，涵盖粘滑运动、摩擦滞后等关键特征；外部环境因素主要包括：测试环境温度、湿度（影响润滑剂粘度与部件摩擦系数）、关节运行工况（如转速、转角范围、负载大小）、环境洁净度（避免异物侵入关节内部加剧摩擦），这些外部因素会间接导致关节摩擦力矩出现异常波动，影响摩擦性能表现。此外，力矩传感器的测量精度也会影响测试结果的准确性，其串扰、精度、准度等性能指标需符合测试要求，确保摩擦力矩数据采集的可靠性。

需要明确的是，工业机器人关节摩擦力矩并非“恒定不变”，而是在合理范围内随运行工况动态变化，测试的核心并非追求“最小摩擦力矩”，而是确保摩擦力矩在设计阈值内平稳变化，无明显突变、无持续递增或递减趋势，且符合不同运行工况的适配要求。测试过程中，需结合工业机器人的应用场景，设定合理的测试工况与判定标准，同时参考精密机械摩擦测试的基准方法，建立标准化的测试体系，确保测试结果贴合实际应用需求，既避免过度追求低摩擦导致的关节结构强度不足，也防止摩擦力矩异常影响机器人运行性能，实现摩擦性能、结构强度与应用需求的平衡。

三、工业机器人关节摩擦力矩测试实操流程（规范版）

工业机器人关节摩擦力矩测试需遵循“环境可控、参数固定、流程规范、数据可追溯”的原则，结合工业机器人关节的结构特性与实际运行工况，明确测试设备、环境要求、参数设定、操作步骤及数据处理方法，规避测试过程中的人为误差、环境干扰、参数偏差，确保测试结果的准确性与可比性。结合相关标准要求及工业测试经验，具体可分为以下5个核心步骤，同时兼顾静态测试、动态测试等摩擦测试的核心要点，衔接LuGre摩擦模型参数辨识的相关技术逻辑。

（一）测试前期准备

1.  测试设备与样品选型：选用待测试的工业机器人关节（需明确关节型号、结构类型、额定转速、额定力矩等核心参数），配备标准化测试设备，包括力矩测试设备（如高精度力矩传感器，串扰、精度、准度符合测试要求，测量范围覆盖关节设计摩擦力矩范围，采样精度符合测试标准）、关节驱动设备（用于驱动关节按设定工况平稳转动，转速、转角可调且精度可控）、固定工装（用于固定关节，确保关节安装姿态与实际运行一致，避免测试过程中出现位移、振动）、数据采集与记录设备（用于实时采集摩擦力矩、转速、转角、环境温度等数据）、温度控制设备（用于调节测试环境温度，模拟不同温度工况下的摩擦特性）。所有测试设备需提前调试至正常工作状态，重点检查力矩传感器的测量精度、驱动设备的转速稳定性、数据采集设备的准确性，进行设备校准，避免设备故障影响测试结果，同时可参考相关设备手册与摩擦模型参数要求，初步设定测试基准参数。

2.  测试样品预处理：对待测试关节进行预处理，清理关节表面的灰尘、油污等杂质，检查关节内部润滑状态，确保润滑剂填充均匀、无泄漏、无变质，符合设计要求；检查关节转动灵活性，确认关节无卡滞、无异常异响，部件配合间隙符合标准；将关节按实际安装姿态固定在测试工装上，连接驱动设备与力矩测试设备，确保连接牢固、同轴度符合要求，避免连接偏差导致的测试误差，同时确保关节处于无负载初始状态，为后续测试奠定基础。

3.  测试环境控制：结合工业常规工作环境要求及相关标准规定，控制测试环境参数：温度可调节范围15-35℃（涵盖工业常见环境温度区间，用于模拟不同温度下的摩擦特性），相对湿度45%-65%，环境洁净度符合要求，无明显振动、电磁干扰、灰尘及异物；固定测试区域的环境噪声，避免干扰测试设备运行与数据采集；隔离无关干扰设备，划分测试区域与无关区域，确保测试环境的稳定性与可控性，规避环境因素对测试结果的干扰，提升测试结果的实用性与参考价值，同时控制环境参数稳定，减少对润滑剂粘度及部件摩擦系数的影响。

（二）测试参数设定

根据待测试工业机器人关节的产品规格、工业应用场景需求，结合测试目标，设定核心测试参数，确保参数的合理性与规范性，同时兼顾测试精度与效率，衔接LuGre摩擦模型静动态参数辨识的相关要求：一是关节运行参数，设定不同的测试转速（覆盖关节实际运行的转速范围，包括低速、中速、高速）、转角范围（覆盖关节常用转动角度，确保测试的全面性），设定转动方向（正转、反转，用于测试双向摩擦特性的一致性）；二是环境参数，设定不同的测试温度（如20℃、25℃、30℃，用于分析温度对摩擦力矩的影响），保持湿度、洁净度等参数稳定；三是负载参数，设定不同的测试负载（覆盖关节实际运行的负载范围，包括无负载、轻负载、额定负载），模拟不同工况下的摩擦特性；四是数据采集参数，设定摩擦力矩采集间隔（根据转速调整，确保采集数据的连续性与完整性），明确数据采集的起始节点与终止节点，设定异常波动判定阈值（如摩擦力矩波动超出平均力矩的±8%即为异常波动），确保数据采集的全面性与针对性，参考精密机械测试与力矩传感器测试的参数设定原则。

（三）静态工况下关节摩擦力矩测试实操

1.  测试初始化：启动测试设备与数据采集设备，调试驱动设备、力矩传感器至正常工作状态，将关节调试至设定的初始姿态、环境温度及负载条件（静态工况即关节以恒定低速转动或固定转角保持稳定，模拟机器人静态作业场景），确保关节、驱动设备、测试设备协同工作，无异常报错、无数据丢失，同时记录初始环境温度、关节初始力矩值，确保测试初始状态统一，为后续静态参数分析奠定基础。

2.  连续测试与数据采集：在固定工况（恒定转速、固定负载、稳定温度）下，让关节持续运行设定时长，数据采集设备实时采集关节转动过程中的摩擦力矩数据，同步记录转速、转角、环境温度、负载大小等相关参数，重点记录摩擦力矩的变化情况，标记异常波动节点（如摩擦力矩突然骤增、骤降的时间点或转角位置），确保数据采集的连续性与完整性，避免数据遗漏，同时采集关节正转、反转过程中的力矩数据，用于对比分析双向摩擦特性。

3.  数据统计与分析：测试结束后，整理采集到的摩擦力矩数据，计算核心统计指标，包括平均摩擦力矩、最小摩擦力矩、最大摩擦力矩、摩擦力矩标准差、变异系数（离散程度指标）、异常波动频次，分析摩擦力矩随转角、时间的变化规律，判断摩擦力矩的均匀性与稳定性是否符合设定阈值，排查异常波动的成因（如是否因润滑不均、部件配合偏差、温度变化导致）。同时，对比不同静态工况下的摩擦力矩数据，分析负载、温度对静态摩擦力矩的影响规律，为关节结构优化与润滑方案改进提供依据，参考LuGre摩擦模型静态参数辨识的数据分析方法。

4.  重复测试：为减少测试误差，规避单次测试的偶然性，静态工况下的摩擦力矩测试需重复3次，每次测试重新初始化设备、调整关节姿态，保持测试参数、环境条件、工况一致，取3次测试结果的平均值、标准差作为最终测试数据，确保测试结果的可靠性与重复性，同时计算测试偏差，确保偏差符合标准要求，提升数据的准确性。

（四）动态工况下关节摩擦力矩测试实操

动态工况下的关节摩擦力矩测试，核心是模拟工业场景中关节运行工况波动的实际情况（如转速突然变化、负载突然调整、温度波动），测试关节在动态工况切换时的摩擦力矩稳定性，流程与静态工况测试基本一致，但需重点关注工况切换时的摩擦力矩波动，贴合工业机器人实际运行特点，同时衔接LuGre摩擦模型动态参数辨识的相关需求，具体细节如下：

1.  工况切换设定：按照工业场景中关节常见的工况波动规律，设定工况切换方案（如每隔20分钟切换一次转速或负载，从低速→中速→高速→中速、无负载→轻负载→额定负载循环切换），明确每次工况切换的时间节点、工况参数，确保工况切换的规范性与合理性，模拟工业机器人动态作业场景中的工况变化，同时设定温度波动梯度，模拟不同环境温度下的动态摩擦特性。

2.  数据采集重点：在工况切换前后，加密数据采集频率，重点记录工况切换瞬间及切换后5-10分钟内的摩擦力矩波动情况，观察关节是否能够快速适应工况变化，摩擦力矩是否快速趋于稳定，是否出现长时间异常波动、卡顿或力矩突变，同时记录工况切换时的转速、负载、温度变化数据，分析工况变化与摩擦力矩波动的关联性，为动态摩擦特性优化提供依据。

3.  特殊测试补充：针对工业场景中可能出现的极端工况（如高速重载、低温环境、长时间连续运行），可额外增加极端工况下的摩擦力矩测试，验证关节在极端条件下的摩擦性能稳定性及自我适配能力，排查极端工况下的摩擦隐患（如润滑剂失效、部件过热磨损），同时采集动态参数数据，完善摩擦模型参数辨识基础，确保测试覆盖全场景工况需求，提升关节的鲁棒性。

（五）测试结果记录与整理

测试完成后，严格按照标准化要求，记录完整的测试信息，确保测试过程可追溯、结果可核查，同时衔接相关国家标准的记录规范：包括待测试工业机器人关节型号、结构参数、额定指标，测试设备型号及参数（含力矩传感器精度、串扰等指标），测试环境参数（温度、湿度、洁净度等），测试工况参数（转速、负载、转角、工况切换方案等），静态/动态工况下的全部摩擦力矩数据、统计指标（平均力矩、标准差、变异系数等），异常波动节点及分析，工况变化与摩擦力矩波动的关联性分析，测试结论等。整理测试数据，绘制摩擦力矩随转速、负载、温度的变化曲线、工况切换时的力矩波动曲线，直观呈现关节摩擦力矩的变化特性与稳定性表现，对比关节设计要求与相关标准阈值，判定关节摩擦力矩是否合格，形成完整的测试报告，为关节结构优化、润滑系统改进、控制算法校准、设备验收、日常维护提供科学依据，同时可将测试数据纳入本地化摩擦性能测试数据库，为后续同类关节测试及摩擦模型参数辨识提供参考。

四、测试结果判定与行业应用延伸

工业机器人关节摩擦力矩测试的合格判定，需结合工业应用场景需求、关节产品设计规格及相关国家标准要求，明确核心判定指标，确保判定结果科学、合理、贴合实际，同时参考力矩传感器测试的精度要求与LuGre摩擦模型参数范围：一是摩擦力矩范围，在规定的工况范围内，关节摩擦力矩需控制在设计阈值内，且无超出阈值的异常突变；二是摩擦力矩稳定性，在恒定工况下，摩擦力矩的波动范围不超过平均力矩的±8%（高精度关节不超过±5%），异常波动频次不超过总测试次数的1%，且无持续性异常波动；三是双向摩擦一致性，关节正转、反转时的摩擦力矩偏差不超过设定值，确保双向运动性能一致；四是工况适配稳定性，动态工况切换时，关节摩擦力矩能够在规定时间内趋于稳定，无长时间卡顿、力矩骤增，极端工况下无摩擦失效、部件损坏现象；五是长期运行稳定性，连续运行规定时长内，摩擦力矩无明显递增或递减趋势（无部件过度磨损、润滑失效迹象），符合长期运行要求。若未达到上述任意一项要求，判定该工业机器人关节摩擦力矩不合格，需退回生产企业进行优化调整（如重新装配、更换润滑剂、优化部件加工精度、校准摩擦模型参数等），直至符合要求后，方可配套工业机器人投入应用。

从行业应用延伸来看，关节摩擦力矩测试结果直接决定了工业机器人的场景适配能力，不同工业场景对关节摩擦性能的需求差异显著，结合GB/T 12642等相关标准的应用要求，形成差异化适配标准：在精密装配、高精度定位场景中，需严格控制关节摩擦力矩的波动范围，提升摩擦均匀性与微动性能，确保定位精度与装配精度；在高速搬运、重载作业场景中，需重点验证关节在高速重载工况下的摩擦稳定性与耐磨性，避免力矩突变导致的动作偏差；在低温、粉尘等恶劣工业场景中，需额外关注温度、环境洁净度对摩擦力矩的影响，验证关节的抗干扰能力与润滑稳定性。此外，随着工业机器人向轻量化、高精度、长寿命方向发展，关节结构设计不断优化，新型润滑材料、精密部件的应用日益广泛，关节摩擦力矩测试的重点也在不断延伸，需结合新型关节结构特性与摩擦模型参数辨识需求，优化测试方法，针对性排查新型结构下的摩擦隐患，提升关节的综合摩擦性能。

此外，工业机器人关节摩擦力矩测试还需遵循标准化的校准与异常处理规范，衔接相关可靠性检测标准：测试设备（重点是力矩传感器）需定期校准（每年至少1次），确保测量精度、串扰等参数符合标准要求，重点校准力矩传感器的准度与精度，减少设备老化导致的误差；若测试过程中出现关节卡滞、力矩突变、数据异常等问题，需暂停测试，排查故障成因（如润滑失效、部件磨损、异物侵入、设备连接偏差等），解决故障后重新测试，避免测试结果失真。同时，测试结果也为工业机器人关节的优化提供明确方向：针对摩擦力矩过大的问题，可优化关节结构设计、提升部件加工精度、改进润滑方案；针对摩擦力矩波动异常的问题，可调整部件配合间隙、优化润滑均匀性、校准摩擦补偿算法；针对长期运行中的摩擦磨损问题，可选用高性能润滑材料、优化维护周期。通过测试与优化的闭环管理，推动工业机器人关节性能持续提升，延长机器人使用寿命，降低维护成本，助力工业自动化高质量发展，同时衔接国际先进测试理念与摩擦模型技术，提升我国工业机器人的行业竞争力。