聲發射技術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）

工業機器人是智能工廠的重要生產單元，在上汽通用汽車有限公司有廣泛應用，機器人集成了諸多先進技術和高精度零部件，其維護保養是一項復雜的工作。對于流水線式生產企業，機器人突發故障會造成生產中斷，企業損失很大，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?！禝SO22096-2006 聲發射用于機械狀態監測的總體指導建議》中指出聲發射技術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《采用聲發射技術預測機器人機械故障的可行性研究》中總結以下規律：第一，聲發射信號的事件數量對應故障的存在與否。第二，聲發射信號的幅度對應故障的發展程度。本文在此基礎上，進一步研究減速器故障類型及其對應的聲發射信號特征。

1 機器人傳動系統分析

機器人傳動系統的核心是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、結構緊湊等優點。這些特點有利于減小高頻信號的衰減，對聲發射檢測是有利的。RV減速器的結構較為復雜，見圖1。運動環節主要包括：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。第三，擺線針輪旋轉和嚙合。包括擺線輪兩側軸承的旋轉、擺線輪和針輪的嚙合。根據機器人減速器結構和運轉模式，結合聲發射信號的頻率特征，可以判斷故障所在零部件。

圖1 RV減速結構器

2 聲發射技術基本原理

聲發射(Acoustic Emission，AE)是指材料局部能量的快速釋放而發出瞬態彈性波的現象。利用儀器檢測、分析聲發射信號并利用聲發射信息推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術。聲發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。聲發射檢測適用于早期損傷、潤滑失效、低速旋轉機械、自身振動大等工況。

3 故障診斷研究

3.1 聲發射信號分析

機器人減速器潤滑狀態不良或者出現局部損傷時，不同部件的接觸面會產生沖擊作用，激發聲發射信號，通過包絡譜分析能夠發現沖擊的特征頻率，找出對應的故障源。此次研究在24臺機器人上開展了334測點次檢測，對這些信號數據進行統計分析，找出普遍性的信號模式規律。經過信號分析和現場維修驗證，發現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，是旋轉機械中較為常見的故障形式。旋轉過程中，當損傷位置與其它部件發生接觸時，會產生聲發射脈沖。軸承損傷通常表現為周期性的脈沖：脈沖幅度高低和損傷程度有關，而脈沖產生的頻率則對應旋轉速度，即不同的旋轉副。因此，通過信號幅度特征可以判斷故障程度，通過包絡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，沖擊信號規則，但不十分密集，由于軸承旋轉換向，信號有間斷或幅度降低。從包絡譜上可以看到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，旋轉副逐漸磨損，間隙增大，產生松動，從而在啟動、換向以及運行過程中產生沖擊。檢測中發現的磨損問題多出現在齒輪上。

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，包絡譜峰值出現在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軸承的外圈產生了摩擦，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生間隙，運轉過程中圓柱滾動體向兩側滑動，驗證了磨損的診斷。

圖5 齒輪磨損信號時域波形

圖6 齒輪磨損信號包絡譜

圖7 擺線針輪一側軸承外圈上的磨痕

（3）潤滑失效。機器人減速器由于磨損和軸承損傷會產生金屬顆粒，這些金屬顆粒污染潤滑脂導致潤滑失效。金屬顆粒隨著潤滑脂移動到各個旋轉副中間，旋轉副擠壓顆粒，造成振動和表面變形，產生聲發射信號。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，規律性不強，在包絡譜上低頻幅度大，沒有突出的峰值（圖8、9）。

4 結語

圖8 潤滑失效信號時域波形

圖9 潤滑失效信號包絡譜

本文經過多樣本的信號采集，通過聲發射信號包絡譜分析和維修驗證，總結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，并發現其對應的信號特征，可以準確診斷機器人減速器故障，指導精益維護。