朱振軍，尹瑞榮，姜錫魯，葉建偉

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程，上海 201206）

采用聲發(fā)射技術(shù)預測機器人機械故障的可行性研究

朱振軍，尹瑞榮，姜錫魯，葉建偉

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程，上海 201206）

本文進行了聲發(fā)射技術(shù)對機器人機械故障預測的可行性研究，選取事件計數(shù)和幅度作為預測故障的主要參數(shù)，并通過對機器人的拆解驗證，確定聲發(fā)射技術(shù)可以預測機器人機械故障。

聲發(fā)射；機器人；故障預測

工業(yè)機器人是制造業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化和信息化的重要載體，在汽車行業(yè)有廣泛應用。上汽通用汽車有限公司工業(yè)機器人應用比例很高。同時，工業(yè)機器人是典型的復雜性產(chǎn)品，集成了諸多先進技術(shù)和核心零部件，其自身的維護也是一項復雜的工作。對于流水線式生產(chǎn)企業(yè)，機器人突發(fā)故障停機，會造成長時間生產(chǎn)中斷，企業(yè)損失巨大。目前機器人的故障預測局限于電壓、電流、PLC等電信號，對于機械故障是間接測量，缺乏及時性和準確性。根據(jù)上汽通用汽車的排故經(jīng)驗，機械故障相較于電氣故障往往造成更多的維修時間和停機損失。因此公司急需一種直接檢測機器人機械故障的手段?！禝SO22096-2006 聲發(fā)射用于機械狀態(tài)監(jiān)測的總體指導建議》中指出聲發(fā)射技術(shù)對于研究機械部件的潤滑、磨損和軸承故障是可行的。因此上汽通用汽車開展了應用聲發(fā)射技術(shù)預測機器人機械故障的可行性研究。

1 聲發(fā)射技術(shù)基本原理

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是指材料局部能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。利用儀器檢測、分析聲發(fā)射信號并利用聲發(fā)射信息推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射有很寬的檢測頻帶，可以避開一般的振動頻帶獲得更高的信噪比，對檢測方向和形狀不敏感。聲發(fā)射檢測適用于早期損傷、潤滑失效、低速旋轉(zhuǎn)機械、自身振動大等工況。

2 聲發(fā)射信號分析

聲發(fā)射信號有多項參數(shù),本次研究發(fā)現(xiàn)事件計數(shù)和幅度可作為評判機器人機械狀態(tài)的主要參數(shù)。

事件計數(shù)：聲發(fā)射信號的波形，經(jīng)過包絡(luò)檢波后，波形超過預置的閾值電壓形成一個矩形脈沖。如果一個突發(fā)型信號形成一個矩形脈沖叫做一個事件，這些事件脈沖數(shù)就是事件計數(shù)，見圖1。事件計數(shù)可以評估聲發(fā)射的強度，并區(qū)分不同的信號來源。

幅度：聲發(fā)射信號波形中的最大振幅值，反映了事件的大小，與閾值電壓大小無關(guān)，其大小決定事件的可檢測性，可作為聲發(fā)射源的強度大小的評價，與缺陷的大小有關(guān)。

圖1 事件計數(shù)

3 故障預測研究

3.1 研究對象

為了研究事件計數(shù)和幅度對機器人機械故障的預測準確性，研究選取了三臺不同運行時間，且在日常運行維護中發(fā)現(xiàn)有狀態(tài)差異的機器人作為研究對象，見表1。由于高負荷工況和工作頻次，J2、J3軸的減速器故障頻次相對較高，因此作為此次研究的主要部件。

表1 機器人運行信息

3.2 檢測分析

測試過程中，J2 軸測試時，J2和J3運動，其它關(guān)節(jié)靜止；J3軸測試時，只有J3旋轉(zhuǎn)，其它關(guān)節(jié)均靜止。每個位置上的測試動作包括機械臂往返完整循環(huán)。聲發(fā)射傳感器安裝在距離減速機最近的端面上，三臺機器人的傳感器安裝位置基本一致。J2軸信號分析：本次測試中，機器人1（圖2）中沒有密集信號，只包含加減速中的零星信號。機器人2（圖3）和機器人3（圖4）的J2 軸信號總體上有相似性，每個動作周期內(nèi)均有兩個信號簇，每個簇內(nèi)均包含密集的頻率一致的沖擊信號。

圖2 機器人1的J2軸測試信號

圖3 機器人2的J2軸測試信號

圖4 機器人3的J2軸測試信號

J3軸信號分析：機器人1（圖5）中只包含零星的信號，低于100mV。機器人2（圖6）和機器人3（圖7）的J3軸信號差別較大，機器人2主要包含一個密集信號簇，以及加減速中的零星信號，其中密集信號幅度約120mV，低于機器人3中的500mV。機器人3中信號幅度大，但頻率低，在動作的往返階段都產(chǎn)生信號。機器人2 中密集信號頻率較規(guī)則，機器人3信號中沒有明顯的規(guī)律性，表明兩種信號的來源是不同的。

以上三臺機器人的事件計數(shù)和幅度信號與運行時間的分別對應關(guān)系如圖8、9。

圖6 機器人2的J3軸測試信號

圖7 機器人3的J3軸測試信號

圖8 事件計數(shù)與工作時間關(guān)系

圖9 幅度與工作時間關(guān)系

從以上三個不同運行時間機器人的兩個主軸測試對比分析中可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：第一，聲發(fā)射信號的數(shù)量與結(jié)構(gòu)故障的存在與否有密切的關(guān)系。3號機器人的J3軸全速運行中報警停機以及2號機器人J2中存在異常噪聲，這些位置的信號中都可以看到非常多的聲發(fā)射信號。而1號機器人狀態(tài)良好，測試中只有零星的信號。第二，聲發(fā)射信號的幅度與故障的發(fā)展程度有對應關(guān)系。2號和3號機器人的J2軸聲發(fā)射信號總體上非常類似，但前者的信號幅度低于后者，表明后者程度更為嚴重，這與其工作時間更長也是吻合的。對于J3 軸，3號機器人聲發(fā)射信號幅度也比2號機器人高。實際中3號機器人的J3軸全速運行時停機，故障程度也更嚴重。

第三，分析對比不同機器人的相同關(guān)節(jié),聲發(fā)射信號的模式與故障類型可能存在一定的關(guān)系。2號和3號機器人的J3信號存在顯著差異，前者信號幅度小，但頻率穩(wěn)定，后者幅度高，頻率無明顯規(guī)律，表明兩臺機器人J3軸的故障類型是不同的。

3.3 拆解驗證

圖10 軸承故障

結(jié)合機器人的運行記錄及聲發(fā)射理論分析，決定對3號機器人J3軸進行拆解驗證。拆解后發(fā)現(xiàn)其軸承滾動體與一側(cè)軸承外圈摩擦，有均勻磨損和壓痕（圖10）。證明聲發(fā)射理論分析和故障機理一致，說明采用聲發(fā)射技術(shù)研究機器人機械故障是可行的。

4 結(jié)語

本文進行了聲發(fā)射技術(shù)對機器人機械故障的預測研究，選取事件計數(shù)和幅度作為預測故障的主要參數(shù)，并通過對機器人的拆解驗證，確定聲發(fā)射技術(shù)可以預測機器人減速器機械故障。

同時，在研究中發(fā)現(xiàn)不同機器人之間存在信號模式的差異，可能與故障類型存在一定的關(guān)系。下一步將深入研究信號模式和故障類型之間的聯(lián)系。

[1]ISO22096-2006．聲發(fā)射用于機械狀態(tài)監(jiān)測的總體指導建議．

[2]聲發(fā)射檢測．國防科技工業(yè)無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材編審委員會．機械工業(yè)出版社．

TH878

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1671-0711（2017）09（上）-0083-04