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）

0 引言

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。

1 工業(yè)機器人故障檢測系統(tǒng)框架

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。

2 工業(yè)機器人故障檢測功能

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。

2.1 HY-900 功能介紹

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

2.2 HY-900 適用檢測的故障類型

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。

3 云內(nèi)動力工業(yè)機器人檢測

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)

3.1 測點位置

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。

3.2 典型信號分析

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

4 結(jié)束語

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。