一種機器人用電控箱的振動測試分析

蘇德輝， 黎旭權， 劉麗英， 廖廣政

（廣東省東莞市質量監督檢測中心， 廣東 東莞 523808）

引言

電控箱是改型機器人的關鍵部件，負責控制機器人的動作行為，記錄重要的運行狀態數據。由于該機器人的工作環境復雜，工作電機功率大，需要進行鉆機、橫掃、豎掃等破壞性動作，電控箱產生強烈振動，容易造成電控箱電氣元件發生故障、掉落或損壞，甚至引起電控箱爆炸[1-2]。因此，需要對電控箱采取有效的防振措施，對于提高其運行可靠性和安全性具有重要的現實意義。

1 電控箱振動測試

1.1 測點分布

振動試驗在實驗室進行，通過測試獲得機器人用電控箱空載、行進、左橫掃、下豎掃這四種工況下的振動數據[3]；機器人整體振動主要包括橫向振動、豎向振動，縱向振動較小。理論上電控箱振動應考慮六個自由度的振動情況，其測點布置如圖1 所示。

圖1 電控箱振動測點布置

其中，測點1、2、3、4 設置在電控箱機架上，測點5、6、7、8、9、10 設置在電控箱體上。在測試過程中，同時記錄每個測量點的振動信號，每個測量點的振動測試方向如下：機架為1y，1z，2y，2z，3y，3z，4z；箱體為5y，6y，7z，8z，9x，10x。

1.2 測試工具及測試方法

1.2.1 測試工具

測試需要加速度測量工具頻帶大于（2-3）Wmax（最大信號頻率），同時還要寬動態范圍和良好的相頻特性。功率放大器需要和選定的加速度測量工具匹配。本次測試結合實際情況選用以下測量工具：8 個加速度傳感計；1 臺控制儀；1 臺功率放大器。

1.2.2 測試方法

通過加速度傳感器采集振動信號，經過功率放大器放大信號，并通過控制儀和電腦記錄下來。

2 振動數據及分析

2.1 時域分析

根據各個測量點對應的振動時域信號圖形量獲得四種工況下的各測點的加速度峰值，如表1 所示。

表1 四種工況下的各測點的加速度峰值

根據上表中各測點的加速度值可以看出：

1）機器空轉工況下，電控箱機架加速度峰值出現在測點1 垂向方向，大小為0.79g，電控箱體上加速度峰值出現在測點8，大小為0.77g。

2）左橫掃工況下，電控箱機架上加速度峰值出現測點1 垂直方向，大小1.79g，電控箱體上的加速度峰值出現在測點6 垂直方向，大小為1.77g，但此時機架上測點1 的加速度峰值為1.47g，此外，測點8、測點9點的加速度峰值也大于對應機架的加速度峰值。

3）在下豎掃工況下，電控箱體測點5 在垂直方向上的加速度為1.49g，大于對應機架的加速度值0.91g，其他工況下電控箱體測點5 在垂直方向上的加速度均接近對應機架加速度峰值。

4）機架上各點的加速度大小不同，說明其隔振是多方向的。

5）電控箱體在測點5、測點6 垂直方向上的加速度不同，說明箱體存在橫擺振動。

6）電控箱體各個測試方向上的加速度值略有差異，表示電控箱體振動為多向耦合。

綜上，現階段電控箱體使用的隔振裝置的實際效果較差，箱體加速度值大于機架加速度值，隔振裝置不對稱排列導致各個方向上電控箱體耦合振動增加。

2.2 頻域分析

繪制時域信號對應的頻譜，從頻譜圖中得到信號的主頻，具體如表2 所示。

表2 四種工況下的各測點優勢頻率 Hz

1）機器空轉時，機架各測點振動信號的主頻是一系列基頻為85 Hz 的倍頻，由機器內部的旋轉機構引發，而出現一定降值的高階倍頻表示振動受到旋轉機構周期影響。

2）機器行進工況下，機架振動的激勵因素除了機器本身產生的高頻外，在25 Hz 以下的低頻范圍也占很大比例，這主要是由于機器人進行切割作業時隨機載荷造成的。

電控箱體振動的激勵因素主要包括機器自身產生的中高頻激振及其行進中隨機載荷產生的低激振。根據箱體和機架上各測點的響應頻率幅值可知：

1）電控箱隔振裝置只對高頻成分效果好，對85Hz、157 Hz 中頻及低頻成分的隔振效果不好，原因是隔振裝置剛度太大，固有頻率太高。

2）電控箱體測點5 的高頻成份較小，原因是箱體側面設置的隔振裝置對中、高頻振動由隔振作用。

本次振動測試獲得的數據呈離散狀態，因此可以通過以下公式求得離散振動速度有效值為Vrms。

其中：N 表示測點數；vi表示各測點的振動速度。則可通過下列公式求得當量振動烈度：

其中：vxrms表示x 方向的振動速度有效值；vyrms表示y方向的振動速度有效值；vzrms表示z 方向的振動速度有效值。用分貝可以表示成：

其中：Vdb表示當量振動烈度對應的分貝值；Vref為參考值，通常取10-5mm/s。

基于上述公式及振動測試數據可以求得四種工況下電控箱的振動烈度，并按照ISO2372 進行烈度評級。空轉、左橫掃、行進、下豎掃四種工況下電控箱的振動烈度和振動等級分別為102.4996（A 級）、108.6990（B 級）、106.9518（B 級）、113.1523（C 級），其中A 級表示良好，B 級表示容許，C 級表示可容忍，D 級表示不容許。機器人空轉工況下，電控箱振動烈度最小；左橫掃、下豎掃工況下振動烈度大致相同，均為B 級；行進工況下振動烈度最大，對電控箱的運行安全帶來較大影響。

3 結語

由于機器人用電控箱工作條件的特殊性，相關振動測試條件苛刻且費用昂貴，重復實驗難度大，缺乏相關資料，導致電控箱設計難度大。本文對某型機器人用電控箱在各種工況下的振動特性進行了實驗測試，為電控箱設計研發提供了基礎實驗數據，以提高電控箱性能，通過提高電控箱隔振性能和可靠性來提高機器人的運行效能。