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(yù)測機(jī)器人機(jī)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(jìn)行了聲發(fā)射技術(shù)對機(jī)器人機(jī)械故障預(yù)測的可行性研究，選取事件計(jì)數(shù)和幅度作為預(yù)測故障的主要參數(shù)，并通過對機(jī)器人的拆解驗(yàn)證，確定聲發(fā)射技術(shù)可以預(yù)測機(jī)器人機(jī)械故障。

聲發(fā)射；機(jī)器人；故障預(yù)測

工業(yè)機(jī)器人是制造業(yè)實(shí)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(yīng)用。上汽通用汽車有限公司工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用比例很高。同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人是典型的復(fù)雜性產(chǎn)品，集成了諸多先進(jìn)技術(shù)和核心零部件，其自身的維護(hù)也是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。對于流水線式生產(chǎn)企業(yè)，機(jī)器人突發(fā)故障停機(jī)，會(huì)造成長時(shí)間生產(chǎn)中斷，企業(yè)損失巨大。目前機(jī)器人的故障預(yù)測局限于電壓、電流、PLC等電信號(hào)，對于機(jī)械故障是間接測量，缺乏及時(shí)性和準(zhǔn)確性。根據(jù)上汽通用汽車的排故經(jīng)驗(yàn)，機(jī)械故障相較于電氣故障往往造成更多的維修時(shí)間和停機(jī)損失。因此公司急需一種直接檢測機(jī)器人機(jī)械故障的手段。《ISO22096-2006 聲發(fā)射用于機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測的總體指導(dǎo)建議》中指出聲發(fā)射技術(shù)對于研究機(jī)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(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)預(yù)測機(jī)器人機(jī)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(hào)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(dòng)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(jī)械、自身振動(dòng)大等工況。

2 聲發(fā)射信號(hào)分析

聲發(fā)射信號(hào)有多項(xiàng)參數(shù),本次研究發(fā)現(xiàn)事件計(jì)數(shù)和幅度可作為評(píng)判機(jī)器人機(jī)械狀態(tài)的主要參數(shù)。

事件計(jì)數(shù)：聲發(fā)射信號(hào)的波形，經(jīng)過包絡(luò)檢波后，波形超過預(yù)置的閾值電壓形成一個(gè)矩形脈沖。如果一個(gè)突發(fā)型信號(hào)形成一個(gè)矩形脈沖叫做一個(gè)事件，這些事件脈沖數(shù)就是事件計(jì)數(shù)，見圖1。事件計(jì)數(shù)可以評(píng)估聲發(fā)射的強(qiáng)度，并區(qū)分不同的信號(hào)來源。

幅度：聲發(fā)射信號(hào)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(qiáng)度大小的評(píng)價(jià)，與缺陷的大小有關(guān)。

圖1 事件計(jì)數(shù)

3 故障預(yù)測研究

3.1 研究對象

為了研究事件計(jì)數(shù)和幅度對機(jī)器人機(jī)械故障的預(yù)測準(zhǔn)確性，研究選取了三臺(tái)不同運(yùn)行時(shí)間，且在日常運(yùn)行維護(hù)中發(fā)現(xiàn)有狀態(tài)差異的機(jī)器人作為研究對象，見表1。由于高負(fù)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(jī)器人運(yùn)行信息

3.2 檢測分析

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

圖2 機(jī)器人1的J2軸測試信號(hào)

圖3 機(jī)器人2的J2軸測試信號(hào)

圖4 機(jī)器人3的J2軸測試信號(hào)

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

以上三臺(tái)機(jī)器人的事件計(jì)數(shù)和幅度信號(hào)與運(yùn)行時(shí)間的分別對應(yīng)關(guān)系如圖8、9。

圖6 機(jī)器人2的J3軸測試信號(hào)

圖7 機(jī)器人3的J3軸測試信號(hào)

圖8 事件計(jì)數(shù)與工作時(shí)間關(guān)系

圖9 幅度與工作時(shí)間關(guān)系

從以上三個(gè)不同運(yùn)行時(shí)間機(jī)器人的兩個(gè)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(hào)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(hào)機(jī)器人的J3軸全速運(yùn)行中報(bào)警停機(jī)以及2號(hào)機(jī)器人J2中存在異常噪聲，這些位置的信號(hào)中都可以看到非常多的聲發(fā)射信號(hào)。而1號(hào)機(jī)器人狀態(tài)良好，測試中只有零星的信號(hào)。第二，聲發(fā)射信號(hào)的幅度與故障的發(fā)展程度有對應(yīng)關(guān)系。2號(hào)和3號(hào)機(jī)器人的J2軸聲發(fā)射信號(hào)總體上非常類似，但前者的信號(hào)幅度低于后者，表明后者程度更為嚴(yán)重，這與其工作時(shí)間更長也是吻合的。對于J3 軸，3號(hào)機(jī)器人聲發(fā)射信號(hào)幅度也比2號(hào)機(jī)器人高。實(shí)際中3號(hào)機(jī)器人的J3軸全速運(yùn)行時(shí)停機(jī)，故障程度也更嚴(yán)重。

第三，分析對比不同機(jī)器人的相同關(guān)節(jié),聲發(fā)射信號(hào)的模式與故障類型可能存在一定的關(guān)系。2號(hào)和3號(hào)機(jī)器人的J3信號(hào)存在顯著差異，前者信號(hào)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(tái)機(jī)器人J3軸的故障類型是不同的。

3.3 拆解驗(yàn)證

圖10 軸承故障

結(jié)合機(jī)器人的運(yùn)行記錄及聲發(fā)射理論分析，決定對3號(hào)機(jī)器人J3軸進(jìn)行拆解驗(yàn)證。拆解后發(fā)現(xiàn)其軸承滾動(dòng)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(jī)理一致，說明采用聲發(fā)射技術(shù)研究機(jī)器人機(jī)械故障是可行的。

4 結(jié)語

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

同時(shí)，在研究中發(fā)現(xiàn)不同機(jī)器人之間存在信號(hào)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(hào)模式和故障類型之間的聯(lián)系。

[1]ISO22096-2006．聲發(fā)射用于機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測的總體指導(dǎo)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(rèn)證培訓(xùn)教材編審委員會(huì)．機(jī)械工業(yè)出版社．

TH878

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1671-0711（2017）09（上）-0083-04