機器人行走軸驅動齒輪磨損問題研究

安靜勝，張澤志

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

21 世紀是機器人技術革命的世紀，機器人作為全面延伸和擴展人的體力和智力的手段，將實現“當代最高意義的自動化”。機器人的應用和普及正在改變人類的生產方式和生活方式。而在非常規和極端的制造過程中，工業機器人是不可或缺的自動化設備。工業機器人是一種對生產環境和生產條件具有較強的適應性和靈活性的柔性自動化裝備，它主要用于現在制造業中代替人們從事繁重、重復單調環境惡劣等工作中，從而減輕了人們的勞動強度，改善了勞動環境，并且有效的提高自動化程度，提高生產效率。

機器人行走軸又稱機器人地軌、機器人外軸、機器人第七軸，其作用主要是移動工業機器人，使其能在指定路線上進行運動，擴大機器人的作業半徑，擴展機器人使用范圍功能，并且可將多臺設備集成到此直線系統中，提高機器人的使用效率。機器人行走軸主要應用于噴涂、焊接、搬運、碼垛、鑄造、機床上下料、智能倉儲、汽車、航天等行業領域，使用伺服電機驅動，最終通過齒輪傳動從而使得機器人行走軸具有重復定位精度高、響應速度快、運行平穩、可靠等特點。

北京奔馳MRA 裝焊車間大批量的使用工業機器人，為了使機器人更為靈巧以及高效的工作，七軸滑軌也被大批量的投入使用。機器人行走軸在無數次往復運動之后，齒輪與齒條進行無數次的咬合，齒輪會出現一定程度的磨損，從而導致機器人行走軸重復定位精度降低，造成一系列工藝質量缺陷，嚴重的會出現機器人的碰撞的問題。隨著產量的日益增加，機器七軸滑軌的驅動齒輪磨損問題變得極為嚴重。

自2018 年公司提倡設備維穩，精益生產，降低成本理念后，MRA 裝焊維護部團隊經過對歷年備件消耗分析，發現“機器人第七軸減速機故障”對生產的質量、產量的交付以及備件費用的消耗影響最為突出。通過一段時間的觀察機器人七軸齒輪箱故障集中在七軸驅動齒輪磨損的問題上，七軸減速機的驅動齒輪精度要求高、材質要求高，一般國內普通機械加工很難滿足使用要求。只能通過返廠維修來解決問題，但是維修周期長，費用消耗特別高。

為了突破“德國制造”的束縛，BBAC MRA 裝焊維護團隊，通過長時間摸索，部門維修技師利用豐富的維修經驗，最終探索出一條成功維修七軸減速機齒輪的通道。

1 機器人七軸滑軌

1.1 機器人七軸滑軌系統介紹

以圖1 為例是七軸滑軌整體的結構組成部分，滑軌拖鏈系統其主要作用是能對內置的線纜、水管、氣管起到牽引和保護的作用?；壍耐斜P它是工業機器人的固定底座，工業機器人安裝到托盤上由驅動部分的牽引力推動工業機器人在滑軌齒條上自由移動。

1.2 機器人七軸滑軌驅動系統介紹

圖1 七軸滑軌總成

機器人七軸滑軌驅動系統是能讓工業機器人在七軸滑軌上運動的發動機，圖2 是整套驅動系統的硬件組成部分，七軸滑軌的減速器，是整個驅動系統的動力輸出執行端。它上面的驅動齒輪會以非常高的速度在滑軌上與齒條嚙合產生的驅動力，牽引著七軸滑軌托盤在滑軌齒條上往復運動。

1.3 驅動系統存在的問題

長此以往的高速運動，若驅動齒輪以及齒條在完全沒有潤滑存在的情況下，非常容易產生磨損的問題。尤其是在北京奔馳白車身的生產車間，隨著焊接過程會有很多焊渣的產生，焊渣掉落在驅動齒輪和齒條的表面則會使得磨損加劇。MRA BS 現場共有127 套七軸滑軌，最初設備廠家的方案不包含潤滑系統，長期的不帶潤滑運行，齒輪磨損較為嚴重，會造成固定齒輪箱的螺栓斷裂，嚴重的會影響機器人的定位精度及威脅人身安全。若要徹底解決磨損問題需要從現有狀態進行分析，齒輪需要增加潤滑清潔裝置，齒輪齒條的日常維護保養策略需要優化，面對已經產生磨損的齒輪尋求單獨更換齒輪的維修方法。

2 維護策略介紹

2.1 PM 優化

優化機器人七軸滑軌的日常維護策略，將現場127 套七軸滑軌分為26 個工單，工單分批次彈出。每周分不同的工位來進行維護，既能保證工作的可執行性又能滿足標準維護的時間要求。

2.2 檢查方式優化

使用特殊工具定期檢查齒輪間隙（千分表/磁力座/拉力計），使得齒輪磨損問題及時發現，減少因為齒輪間隙增大，影響機器人定位精度而產生的質量問題的風險。

3 自動清潔潤滑裝置介紹

3.1 增加潤滑裝置背景

2018 年整年，MRA 裝焊車間機器人運動過程中出現與工件發生碰撞的現象，檢查發現是由于機器人產生偏差導致，該問題在機器人運行過程中未能及時發現，直至發現工件銷孔變形、機器人與板件碰撞的情況才發現。后續綜合分析，發現板件變形的根本原因是因為七軸齒輪間隙過大驅動齒輪磨損嚴重，機器人重復定位精度發生偏差導致。機械運轉離不開潤滑，失去潤滑后設備機械承載能力和耐久性能將直線下降。所以增加自動清潔潤滑裝置是非常必要的。

3.2 安裝與調試

潤滑系統電源供給方式初步預案在：控制柜取電、本體后側航插取電、自動供電定期更換電源三種形式中研討，考慮以后的維護便利性最終決定選擇自動供電方式

3.2.1 安裝實驗步驟1

步驟1 實驗結果：鑒于奔馳車間的特殊性，除防爆插頭以外禁止接入。以及和安裝施工耗時過長、現場改動大、破壞原有設備完整性，決定更換供電方式，采用自動供電定期更換電源形式。

3.2.2 安裝實驗步驟2

油品的選用直接關系到潤滑效果和此次項目的成功與否。鑒于潤滑油見效快，更為直接。油品定于液體潤滑油的方式，為減速機齒輪提供潤滑媒介。并安排于2019 年1 月安裝測試。

圖2 七軸滑軌驅動系統總成

步驟2 實驗結果：自動供電稀油潤滑系統，試驗期間對齒面潤滑油效果良好。缺點是油無法在齒面長期停留，附著力較差。長時間使用后會滴在行走滑臺護罩上，現場油漬可清理性差。鑒于現場難以清理絕對再次改善原有方案。

3.2.3 安裝實驗步驟3

2019 年3 月采用自動供電油脂潤滑型，實驗期間效果良好，對齒輪齒條的保護有起到了顯著改善效果。

步驟3（圖3）最終潤滑方案實驗結果：歷經6 個月現場實際應用，滿足各項約定使用要求。圖4 為現場實際的安裝施工圖。

3.2.4 安裝期間發現的問題

（1）由于減速機的安裝方向有左側和右側兩種，自動潤滑系統安裝位置尺寸不同。必須要進行鏡像整改，方可安裝。

（2）同一行走滑臺上，有2 臺機器人。自動潤滑系統在兩機器人中間位置，出現碰撞，經過協商，變更原有預定潤滑裝置安裝方案，將自動潤滑系統移至機器人兩側安裝。

（3）激光房內安裝的潤滑裝置，在機器人作業時潤滑裝置與機器人管線包發生干涉。經協商，采用與第2 點相同處理方案。

3.3 增加潤滑裝置獲得收益

目前脂潤滑系統加裝工作已經接近完成，加裝之后將給裝焊帶來的益處有以下3 點：

（1）通過自動潤滑系統，免除人員日常維護、降低維護人員勞動強度、降低維護人員危險區域作業滯留時間、降低設備故障停機時間。

（2）延長減速機齒輪和行走滑臺齒條使用周期。保證機器人在生產過程中的重復定位精度，進而保證產品質量。

（3）避免因缺少潤滑而導致齒輪、齒條磨損，造成減速機負荷飆升，產生高額減速機更換費用。

預計減少由七軸齒輪箱導致的大停機4 次以上/年。

預計節約備件消耗：3.7329×8=29.8632 萬元/年。

節約人工維保消耗：0.0473×127=6.0071 萬元/年。

4 驅動齒輪國產化維修

針對驅動齒輪磨損嚴重，圖5 為驅動齒輪磨損的現象，MRA 裝焊維護團隊，著手分析問題發生的根本原因、維修方案、以及后期使用糾正的辦法，引導機器人維修由應急故障式維修向預防式維修逐步轉變。經過雙方多次現場比對測量，70%替換下來的七軸減速機內部間隙，仍然可以達到使用標準。用“反齒規”對現場行走滑臺齒條進行復驗，現場95%以上齒條齒面沒有損傷，而驅動齒輪的齒面上損傷率達100%?，F場測試結論：齒輪齒面磨損極為嚴重，齒輪與齒條齒面之間齒隙過大，部分齒輪磨損深度達1 mm 以上。導致機器人的重復定位精度由±0.2 mm 變為了±2 mm，嚴重影響生產線運行精度，必將導致產品品質下降、減速機和伺服電機負荷急劇增加、故障停機率增高。

圖3 最終潤滑方案

圖4 實際安裝照片

由于驅動齒輪與減速機的連接依據德國標準制作，屬于大過盈連接，之前此類故障發生后解決方案為：直接更換減速機總成。2018 年8 月，一家與維修長期合作的機加工供應商提出可以免費試做替換齒輪，并用特殊工藝完成大過盈裝配，產品裝配后投入生產線試用。試用歷時6 個月，“反齒規”對現場行走滑臺齒條和試用齒輪進行復驗，齒隙在允許范圍內，滿足現場高速、高負荷運轉條件。

截止到現在已完成30 余臺磨損的七軸滑軌減速箱的驅動齒輪的維修，所有返修件都能滿足使用要求，返修成功率100%。

圖5 驅動齒輪磨損照片

5 結束語

工業機器人對于提高產品品質和生產效率、降低人力成本等有著重要的意義。工業機器人是企業生產的重要因素，對工業機器人的管理與維護關系著企業的生產效率，對維持安全、穩定、健康、經濟運行等起著十分重要的作用。企業管理層要有高度的重視，從制度上健全工業機器人的運行、維護管理制度，提高機器人投運率。維護專業人員也要努力提高職業技能，切實做好檢修維護工作，豐富故障判別及維護經驗。通過此次改造提升了設備利用率，節約了人力成本。拓寬了技能方向和發展方向，為公司從多方面帶來效益。作為負責運營現場的設備維護人員，要多方面的不斷提升自己的對生產現場的理解和技術能力，只有不斷學習，敢于創新，才能滿足現代自動化生產線對設備維護人員的要求。