聲發(fā)射技術(shù)診斷機器人減速器故障研究

朱振軍，葉建偉

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程，上海 201206）

工業(yè)機器人是智能工廠的重要生產(chǎn)單元，在上汽通用汽車有限公司有廣泛應(yīng)用，機器人集成了諸多先進技術(shù)和高精度零部件，其維護保養(yǎng)是一項復(fù)雜的工作。對于流水線式生產(chǎn)企業(yè)，機器人突發(fā)故障會造成生產(chǎn)中斷，企業(yè)損失很大，其中機械故障相較于電氣故障，往往引起更大的維修時間和停機損失。因此上汽通用著手研究檢測機器人機械故障的有效手段。《ISO22096-2006 聲發(fā)射用于機械狀態(tài)監(jiān)測的總體指導(dǎo)建議》中指出聲發(fā)射技術(shù)對于研究機械部件的潤滑、磨損和軸承故障是可行的。上汽通用在《采用聲發(fā)射技術(shù)預(yù)測機器人機械故障的可行性研究》中總結(jié)以下規(guī)律：第一，聲發(fā)射信號的事件數(shù)量對應(yīng)故障的存在與否。第二，聲發(fā)射信號的幅度對應(yīng)故障的發(fā)展程度。本文在此基礎(chǔ)上，進一步研究減速器故障類型及其對應(yīng)的聲發(fā)射信號特征。

1 機器人傳動系統(tǒng)分析

機器人傳動系統(tǒng)的核心是RV減速器，RV減速器使用行星齒輪和擺線針輪兩級減速，傳動精度高、減速比大，同時還具有傳動剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。這些特點有利于減小高頻信號的衰減，對聲發(fā)射檢測是有利的。RV減速器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，見圖1。運動環(huán)節(jié)主要包括：第一，輸入齒輪和三個行星齒輪的嚙合。第二，行星齒輪軸的旋轉(zhuǎn)。第三，擺線針輪旋轉(zhuǎn)和嚙合。包括擺線輪兩側(cè)軸承的旋轉(zhuǎn)、擺線輪和針輪的嚙合。根據(jù)機器人減速器結(jié)構(gòu)和運轉(zhuǎn)模式，結(jié)合聲發(fā)射信號的頻率特征，可以判斷故障所在零部件。

圖1 RV減速結(jié)構(gòu)器

2 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。

3 故障診斷研究

3.1 聲發(fā)射信號分析

機器人減速器潤滑狀態(tài)不良或者出現(xiàn)局部損傷時，不同部件的接觸面會產(chǎn)生沖擊作用，激發(fā)聲發(fā)射信號，通過包絡(luò)譜分析能夠發(fā)現(xiàn)沖擊的特征頻率，找出對應(yīng)的故障源。此次研究在24臺機器人上開展了334測點次檢測，對這些信號數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，找出普遍性的信號模式規(guī)律。經(jīng)過信號分析和現(xiàn)場維修驗證，發(fā)現(xiàn)機器人常見的機械故障形式有軸承損傷、齒輪磨損和潤滑失效三種，且此三種故障有其對應(yīng)的信號特征。

3.2 減速器故障類型

（1）軸承損傷。軸承損傷通常是由于材料疲勞、沖擊載荷造成的局部損傷，如點蝕、剝落等，是旋轉(zhuǎn)機械中較為常見的故障形式。旋轉(zhuǎn)過程中，當損傷位置與其它部件發(fā)生接觸時，會產(chǎn)生聲發(fā)射脈沖。軸承損傷通常表現(xiàn)為周期性的脈沖：脈沖幅度高低和損傷程度有關(guān)，而脈沖產(chǎn)生的頻率則對應(yīng)旋轉(zhuǎn)速度，即不同的旋轉(zhuǎn)副。因此，通過信號幅度特征可以判斷故障程度，通過包絡(luò)譜分析計算脈沖頻率可以定位損傷位置。

圖2、圖3給出了其典型信號特征，時域間波形上，沖擊信號規(guī)則，但不十分密集，由于軸承旋轉(zhuǎn)換向，信號有間斷或幅度降低。從包絡(luò)譜上可以看到90Hz的沖擊頻率及其倍頻，屬于軸承的故障特征頻率范圍。圖4是現(xiàn)場拆解的故障軸承照片。

圖2 軸承損傷信號時域波形

圖3 軸承損傷信號包絡(luò)譜

圖4 軸承損傷

（2）齒輪磨損。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。檢測中發(fā)現(xiàn)的磨損問題多出現(xiàn)在齒輪上。

圖5、圖6中給出了齒輪磨損的典型信號特征，時域信號沖擊非常密集，包絡(luò)譜峰值出現(xiàn)在820Hz，和齒輪嚙合頻率段匹配。拆解顯示，擺線針輪中的圓柱滾動體與兩側(cè)軸承的外圈產(chǎn)生了摩擦，在軸承外圈上形成了明顯的痕跡，見圖7。這說明圓柱滾動體和擺線針輪表面之間產(chǎn)生間隙，運轉(zhuǎn)過程中圓柱滾動體向兩側(cè)滑動，驗證了磨損的診斷。

圖5 齒輪磨損信號時域波形

圖6 齒輪磨損信號包絡(luò)譜

圖7 擺線針輪一側(cè)軸承外圈上的磨痕

（3）潤滑失效。機器人減速器由于磨損和軸承損傷會產(chǎn)生金屬顆粒，這些金屬顆粒污染潤滑脂導(dǎo)致潤滑失效。金屬顆粒隨著潤滑脂移動到各個旋轉(zhuǎn)副中間，旋轉(zhuǎn)副擠壓顆粒，造成振動和表面變形，產(chǎn)生聲發(fā)射信號。圖8、圖9是潤滑失效的典型信號特征，時域波形中沖擊幅度大，但很稀疏，規(guī)律性不強，在包絡(luò)譜上低頻幅度大，沒有突出的峰值（圖8、9）。

4 結(jié)語

圖8 潤滑失效信號時域波形

圖9 潤滑失效信號包絡(luò)譜

本文經(jīng)過多樣本的信號采集，通過聲發(fā)射信號包絡(luò)譜分析和維修驗證，總結(jié)機器人減速器常見的故障形式有軸承損傷、齒輪磨損和潤滑失效三種，并發(fā)現(xiàn)其對應(yīng)的信號特征，可以準確診斷機器人減速器故障，指導(dǎo)精益維護。