周 濤,柳小勤,周 俊,伍 星
(1.云南省昆明市昆明云內(nèi)動力股份有限公司,云南昆明 650200;2.云南省昆明市昆明理工大學 機電工程學院,云南昆明 650500)
汽車發(fā)動機生產(chǎn)線作為大量自動化設備的集成系統(tǒng),建立合理完善的設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),對于控制設備停機,保障企業(yè)生產(chǎn),提高設備綜合效益具有重要意義。工業(yè)機器人等關(guān)鍵設備是柴油發(fā)動機的現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)的重要部件,在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級不斷深入、人口紅利減弱的背景下,工業(yè)機器人在高端裝備制造中應用越來越多。必然要求對其機械系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)早期故障,預測其剩余壽命,避免故障停機造成的停線損失。Trendafilova測量機器人關(guān)節(jié)上的加速度信號,采用非線性回歸建模來檢測關(guān)節(jié)中的反沖(backlash)和間隙[1]。Olsson 提出基于案例的推理方法來診斷工業(yè)機器人的聲音信號,并應用于質(zhì)量檢測中[2]。Secchi 提出作動器中故障的定位方法,用于事后診斷[3]。Bittencourt 根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù),建立溫度、負載、磨損與關(guān)節(jié)中靜摩擦力的關(guān)系模型,提出磨損監(jiān)測的方法[4]。Jaber 測量機器人關(guān)節(jié)上的振動信號,采用離散小波變換和人工神經(jīng)網(wǎng)絡,識別間隙反沖故障[5]。
聲發(fā)射檢測技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)早期故障。隨著日本學者Yoshioka[6]首先將聲發(fā)射技術(shù)應用于滾動軸承的疲勞研究,得出聲發(fā)射比振動方法能夠更早獲取疲勞損傷信息的結(jié)論。Liu[7]將滾動軸承故障聲發(fā)射信號和振動信號進行對比,驗證聲發(fā)射的高靈敏性。Wang[8-9]將聲發(fā)射技術(shù)應用于球軸承的疲勞壽命預測,驗證算法的有效性。Othman[10]對比聲發(fā)射信號和振動信號在電機故障診斷的效果,兩種信號都適用于感應電機軸承故障檢測。Liu 等成功將聲發(fā)射技術(shù)應用于工業(yè)機器人減速機的機械部件的故障檢測[11]。
基于以上分析,將聲發(fā)射應用于工業(yè)機器人的狀態(tài)檢測,探索和完善現(xiàn)場檢測方法、狀態(tài)評判標準、故障診斷模型,為該技術(shù)的推廣應用打下基礎(chǔ)?;谠苾?nèi)動力現(xiàn)場數(shù)據(jù)積累,結(jié)合案例庫、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)等技術(shù),實現(xiàn)對工業(yè)機器人傳動系統(tǒng)故障的智能診斷,降低對技術(shù)人員的要求。
本工業(yè)機器人故障監(jiān)測系統(tǒng)針對工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)節(jié)臂機器人開發(fā),包含專用檢測流程、數(shù)據(jù)管理、故障診斷算法。檢測流程和數(shù)據(jù)管理主要借助于數(shù)據(jù)采集硬件HY-900,故障診斷的算法主要使用時頻等分析方法。所有的工業(yè)機器人檢測數(shù)據(jù)可以上傳到工作站進行分析,數(shù)據(jù)和分析結(jié)果也可以上傳到WPEOMSS 服務器,系統(tǒng)拓撲圖如圖1 所示。
工業(yè)機器人故障檢測系統(tǒng)的硬件HY-900 由上海華陽檢測儀器有限公司和昆明理工大學聯(lián)合開發(fā),如圖2 所示。機器人故障檢測系統(tǒng)軟件界面如圖3 所示,本工業(yè)機器人監(jiān)測系統(tǒng),具有針對工業(yè)機器人開發(fā)的專用檢測流程、數(shù)據(jù)管理、故障診斷算法,其功能包括:數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、自動處理、故障識別、診斷報表等功能。
數(shù)據(jù)管理:數(shù)據(jù)管理功能的目的是對多個基地或分廠的機器人進行集中有效管理。通過無線網(wǎng)絡或文件傳輸方式回收檢測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)和機器人的匹配,歷史數(shù)據(jù)管理、測試任務下發(fā)等。
數(shù)據(jù)分析:數(shù)據(jù)分析功能可通過趨勢分析、頻譜分析、包絡譜分析、時域分析等手段,從多個角度對檢測數(shù)據(jù)作深入考察,為機器人故障診斷提供強有力的工具。
圖1 機器人故障檢測系統(tǒng)拓撲圖
圖2 機器人故障檢測系統(tǒng)硬件
圖3 機器人故障檢測系統(tǒng)界面
自動處理功能:由于聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)量大,處理時間長,本檢測系統(tǒng)內(nèi)提供的自動處理功能可以對任意數(shù)目的測量記錄進行多種分析手段的自動處理,提高分析效率。
故障識別:通過模式識別算法,綜合利用多種信號處理手段和數(shù)據(jù)指標,自動對檢測信號對應的故障類型進行判斷,降低分析難度。
診斷報表:診斷報表功能以自動處理功能為依托,可以自動生成覆蓋整個基地(或分廠)所有檢測機器人的分析報告,包括數(shù)據(jù)表格、分析圖譜等,提高辦公效率。
圖4 機器人聲發(fā)射傳感器現(xiàn)場安裝
經(jīng)過長期檢測的積累,總結(jié)出工業(yè)機器人常見的故障形式為表面損傷、均勻磨損和潤滑失效3 種類型。
(1)表面損傷。表面損傷通常是由于材料疲勞、沖擊載荷造成的旋轉(zhuǎn)副表面局部損傷,如點蝕、剝落等,是旋轉(zhuǎn)機械中較為常見的故障形式。
(2)均勻磨損。隨著機器運行時間的增長,旋轉(zhuǎn)副逐漸磨損,間隙增大,產(chǎn)生松動,從而在啟動、換向以及運行過程中產(chǎn)生沖擊。磨損的速度顯然和運轉(zhuǎn)速度、負載等因素有關(guān)。減速機中齒輪用來傳遞扭矩,其運轉(zhuǎn)速度也最快,因此是最容易磨損的部件,檢測中發(fā)現(xiàn)的磨損問題也多出現(xiàn)在齒輪上。
(3)潤滑失效。潤滑失效是指潤滑脂受到污染,不能有效地起到潤滑作用。機器人減速機潤滑脂中的污染物一般來自于磨損和表面損傷中產(chǎn)生的金屬顆粒。
截止2018 年9 月,云內(nèi)動力共有工業(yè)機器人48 臺,分為SMART NJ370-2.7 和SMART NJ110-3.0 兩種型號,見表1。
COMAU SMART NJ110-3.0 機器人為六自由度關(guān)節(jié)型機器人,體積小,重量輕,載荷可以達到110 kg。而COMAU SMART NJ370-2.7 則為重載型,載荷可以達到370 kg。主要參數(shù)見表2。
表1 工業(yè)機器人列表
表2 工業(yè)機器人主要參數(shù)
工業(yè)機器人均包含6 個自由度。各個自由度傳動形式相似,均為電機軸通過齒輪驅(qū)動RV 減速機,減速機輸出軸再帶動機械臂。如果要完整覆蓋全部關(guān)節(jié),每個機器人上需要測量6 個測點。根據(jù)本課題組在上汽通用汽車的實際診斷經(jīng)驗,容易出故障的機器人關(guān)節(jié)主要是J2、J3、J6,可以對這些關(guān)節(jié)做重點監(jiān)測。傳感器同樣采用磁座吸附,如圖4 所示。聲發(fā)射傳感器信號接入HY-900 進行數(shù)據(jù)采集。
機器人CB410.1A 關(guān)節(jié)J3 信號如圖5 所示,其中有幅度較高的聲發(fā)射沖擊,并且非常規(guī)則。按照系統(tǒng)提出方法對信號進行分析,得到其包絡譜圖6,圖中55 Hz 頻率峰值突出,可能是內(nèi)部零件損傷產(chǎn)生的。
機器人CB320A 的J2 關(guān)節(jié)檢測信號如圖7 所示,可以看到運轉(zhuǎn)過程中有持續(xù)的低幅度信號,呈現(xiàn)振蕩特征,從圖8 的包絡譜中可以看到振蕩頻率在100 Hz 左右,和該機器人測試時手動低速運行模式有關(guān)。
機器人CB410.1A 的J1 信號中有幅度很高的稀疏脈沖,如圖9 所示,信號沒有明顯的周期規(guī)律,可能是由潤滑脂中夾雜的金屬顆粒造成的。
圖5 CB410.1A 關(guān)節(jié)J3 聲發(fā)射檢測信號
圖6 CB410.1A 關(guān)節(jié)J3 信號包絡譜
圖7 CB320A-J2 聲發(fā)射檢測信號
圖8 CB320A-J2 信號包絡譜
圖9 CB410.1A-J1 聲發(fā)射檢測信號
給出一種將聲發(fā)射技術(shù)應用于工業(yè)機器人傳動系統(tǒng)檢測的信號處理和故障分析方法。在實際測試數(shù)據(jù)上的分析結(jié)果驗證了本系統(tǒng)能夠有效地檢測和診斷工業(yè)機器人減速機故障;并對云內(nèi)動力工業(yè)機器人進行檢測,分析了典型信號特征。該系統(tǒng)通過聲發(fā)射檢測技術(shù),評估機器人關(guān)節(jié)的健康狀況。經(jīng)過長期現(xiàn)場檢測驗證,該系統(tǒng)能有效檢測工業(yè)生產(chǎn)線上機器人及其部件的損壞,開展狀態(tài)維修,避免故障停機,保證生產(chǎn)的有序進行。