基于聲發(fā)射的發(fā)動(dòng)機(jī)制造線工業(yè)機(jī)器人故障診斷

周 濤，柳小勤，周 俊，伍 星

（1.云南省昆明市昆明云內(nèi)動(dòng)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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650500）

0 引言

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線作為大量自動(dòng)化設(shè)備的集成系統(tǒng)，建立合理完善的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于控制設(shè)備停機(jī)，保障企業(yè)生產(chǎn)，提高設(shè)備綜合效益具有重要意義。工業(yè)機(jī)器人等關(guān)鍵設(shè)備是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)不斷深入、人口紅利減弱的背景下，工業(yè)機(jī)器人在高端裝備制造中應(yīng)用越來(lái)越多。必然要求對(duì)其機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期故障，預(yù)測(cè)其剩余壽命，避免故障停機(jī)造成的停線損失。Trendafilova測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)上的加速度信號(hào)，采用非線性回歸建模來(lái)檢測(cè)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(lái)診斷工業(yè)機(jī)器人的聲音信號(hào)，并應(yīng)用于質(zhì)量檢測(cè)中[2]。Secchi 提出作動(dòng)器中故障的定位方法，用于事后診斷[3]。Bittencourt 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立溫度、負(fù)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(cè)的方法[4]。Jaber 測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)上的振動(dòng)信號(hào)，采用離散小波變換和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別間隙反沖故障[5]。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)早期故障。隨著日本學(xué)者Yoshioka[6]首先將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于滾動(dòng)軸承的疲勞研究，得出聲發(fā)射比振動(dòng)方法能夠更早獲取疲勞損傷信息的結(jié)論。Liu[7]將滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證聲發(fā)射的高靈敏性。Wang[8-9]將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于球軸承的疲勞壽命預(yù)測(cè)，驗(yàn)證算法的有效性。Othman[10]對(duì)比聲發(fā)射信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)在電機(jī)故障診斷的效果，兩種信號(hào)都適用于感應(yīng)電機(jī)軸承故障檢測(cè)。Liu 等成功將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人減速機(jī)的機(jī)械部件的故障檢測(cè)[11]。

基于以上分析，將聲發(fā)射應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的狀態(tài)檢測(cè)，探索和完善現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法、狀態(tài)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)、故障診斷模型，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)?；谠苾?nèi)動(dòng)力現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)積累，結(jié)合案例庫(kù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)故障的智能診斷，降低對(duì)技術(shù)人員的要求。

1 工業(yè)機(jī)器人故障檢測(cè)系統(tǒng)框架

本工業(yè)機(jī)器人故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)節(jié)臂機(jī)器人開(kāi)發(fā)，包含專用檢測(cè)流程、數(shù)據(jù)管理、故障診斷算法。檢測(cè)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(shí)頻等分析方法。所有的工業(yè)機(jī)器人檢測(cè)數(shù)據(jù)可以上傳到工作站進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)和分析結(jié)果也可以上傳到WPEOMSS 服務(wù)器，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1 所示。

2 工業(yè)機(jī)器人故障檢測(cè)功能

工業(yè)機(jī)器人故障檢測(cè)系統(tǒng)的硬件HY-900 由上海華陽(yáng)檢測(cè)儀器有限公司和昆明理工大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，如圖2 所示。機(jī)器人故障檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面如圖3 所示，本工業(yè)機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有針對(duì)工業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā)的專用檢測(cè)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(dòng)處理、故障識(shí)別、診斷報(bào)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(duì)多個(gè)基地或分廠的機(jī)器人進(jìn)行集中有效管理。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或文件傳輸方式回收檢測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)和機(jī)器人的匹配，歷史數(shù)據(jù)管理、測(cè)試任務(wù)下發(fā)等。

數(shù)據(jù)分析:數(shù)據(jù)分析功能可通過(guò)趨勢(shì)分析、頻譜分析、包絡(luò)譜分析、時(shí)域分析等手段，從多個(gè)角度對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)作深入考察，為機(jī)器人故障診斷提供強(qiáng)有力的工具。

圖1 機(jī)器人故障檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖2 機(jī)器人故障檢測(cè)系統(tǒng)硬件

圖3 機(jī)器人故障檢測(cè)系統(tǒng)界面

自動(dòng)處理功能:由于聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)量大，處理時(shí)間長(zhǎng)，本檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)提供的自動(dòng)處理功能可以對(duì)任意數(shù)目的測(cè)量記錄進(jìn)行多種分析手段的自動(dòng)處理，提高分析效率。

故障識(shí)別:通過(guò)模式識(shí)別算法，綜合利用多種信號(hào)處理手段和數(shù)據(jù)指標(biāo)，自動(dòng)對(duì)檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的故障類型進(jìn)行判斷，降低分析難度。

診斷報(bào)表:診斷報(bào)表功能以自動(dòng)處理功能為依托，可以自動(dòng)生成覆蓋整個(gè)基地（或分廠）所有檢測(cè)機(jī)器人的分析報(bào)告，包括數(shù)據(jù)表格、分析圖譜等，提高辦公效率。

圖4 機(jī)器人聲發(fā)射傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝

2.2 HY-900 適用檢測(cè)的故障類型

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期檢測(cè)的積累，總結(jié)出工業(yè)機(jī)器人常見(jiàn)的故障形式為表面損傷、均勻磨損和潤(rùn)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(diǎn)蝕、剝落等，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中較為常見(jiàn)的故障形式。

（2）均勻磨損。隨著機(jī)器運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)副逐漸磨損，間隙增大，產(chǎn)生松動(dòng)，從而在啟動(dòng)、換向以及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生沖擊。磨損的速度顯然和運(yùn)轉(zhuǎn)速度、負(fù)載等因素有關(guān)。減速機(jī)中齒輪用來(lái)傳遞扭矩，其運(yùn)轉(zhuǎn)速度也最快，因此是最容易磨損的部件，檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的磨損問(wèn)題也多出現(xiàn)在齒輪上。

（3）潤(rùn)滑失效。潤(rùn)滑失效是指潤(rùn)滑脂受到污染，不能有效地起到潤(rùn)滑作用。機(jī)器人減速機(jī)潤(rùn)滑脂中的污染物一般來(lái)自于磨損和表面損傷中產(chǎn)生的金屬顆粒。

3 云內(nèi)動(dòng)力工業(yè)機(jī)器人檢測(cè)

截止2018 年9 月，云內(nèi)動(dòng)力共有工業(yè)機(jī)器人48 臺(tái)，分為SMART NJ370-2.7 和SMART NJ110-3.0 兩種型號(hào)，見(jiàn)表1。

COMAU SMART NJ110-3.0 機(jī)器人為六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人，體積小，重量輕，載荷可以達(dá)到110 kg。而COMAU SMART NJ370-2.7 則為重載型，載荷可以達(dá)到370 kg。主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 工業(yè)機(jī)器人列表

表2 工業(yè)機(jī)器人主要參數(shù)

3.1 測(cè)點(diǎn)位置

工業(yè)機(jī)器人均包含6 個(gè)自由度。各個(gè)自由度傳動(dòng)形式相似，均為電機(jī)軸通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)RV 減速機(jī)，減速機(jī)輸出軸再帶動(dòng)機(jī)械臂。如果要完整覆蓋全部關(guān)節(jié)，每個(gè)機(jī)器人上需要測(cè)量6 個(gè)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)本課題組在上汽通用汽車(chē)的實(shí)際診斷經(jīng)驗(yàn)，容易出故障的機(jī)器人關(guān)節(jié)主要是J2、J3、J6，可以對(duì)這些關(guān)節(jié)做重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。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(hào)接入HY-900 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 典型信號(hào)分析

機(jī)器人CB410.1A 關(guān)節(jié)J3 信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，得到其包絡(luò)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(jī)器人CB320A 的J2 關(guān)節(jié)檢測(cè)信號(hào)如圖7 所示，可以看到運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中有持續(xù)的低幅度信號(hào)，呈現(xiàn)振蕩特征，從圖8 的包絡(luò)譜中可以看到振蕩頻率在100 Hz 左右，和該機(jī)器人測(cè)試時(shí)手動(dòng)低速運(yùn)行模式有關(guān)。

機(jī)器人CB410.1A 的J1 信號(hào)中有幅度很高的稀疏脈沖，如圖9 所示，信號(hào)沒(méi)有明顯的周期規(guī)律，可能是由潤(rùn)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(cè)信號(hào)

圖6 CB410.1A 關(guān)節(jié)J3 信號(hào)包絡(luò)譜

圖7 CB320A-J2 聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)

圖8 CB320A-J2 信號(hào)包絡(luò)譜

圖9 CB410.1A-J1 聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)

4 結(jié)束語(yǔ)

給出一種將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)的信號(hào)處理和故障分析方法。在實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)上的分析結(jié)果驗(yàn)證了本系統(tǒng)能夠有效地檢測(cè)和診斷工業(yè)機(jī)器人減速機(jī)故障；并對(duì)云內(nèi)動(dòng)力工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)，分析了典型信號(hào)特征。該系統(tǒng)通過(guò)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，評(píng)估機(jī)器人關(guān)節(jié)的健康狀況。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能有效檢測(cè)工業(yè)生產(chǎn)線上機(jī)器人及其部件的損壞，開(kāi)展?fàn)顟B(tài)維修，避免故障停機(jī)，保證生產(chǎn)的有序進(jìn)行。