一種機(jī)器人用電控箱的振動(dòng)測(cè)試分析

蘇德輝， 黎旭權(quán)， 劉麗英， 廖廣政

（廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心， 廣東 東莞 523808）

引言

電控箱是改型機(jī)器人的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)控制機(jī)器人的動(dòng)作行為，記錄重要的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。由于該機(jī)器人的工作環(huán)境復(fù)雜，工作電機(jī)功率大，需要進(jìn)行鉆機(jī)、橫掃、豎掃等破壞性動(dòng)作，電控箱產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，容易造成電控箱電氣元件發(fā)生故障、掉落或損壞，甚至引起電控箱爆炸[1-2]。因此，需要對(duì)電控箱采取有效的防振措施，對(duì)于提高其運(yùn)行可靠性和安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電控箱振動(dòng)測(cè)試

1.1 測(cè)點(diǎn)分布

振動(dòng)試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，通過測(cè)試獲得機(jī)器人用電控箱空載、行進(jìn)、左橫掃、下豎掃這四種工況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)[3]；機(jī)器人整體振動(dòng)主要包括橫向振動(dòng)、豎向振動(dòng)，縱向振動(dòng)較小。理論上電控箱振動(dòng)應(yīng)考慮六個(gè)自由度的振動(dòng)情況，其測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 電控箱振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

其中，測(cè)點(diǎn)1、2、3、4 設(shè)置在電控箱機(jī)架上，測(cè)點(diǎn)5、6、7、8、9、10 設(shè)置在電控箱體上。在測(cè)試過程中，同時(shí)記錄每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)試方向如下：機(jī)架為1y，1z，2y，2z，3y，3z，4z；箱體為5y，6y，7z，8z，9x，10x。

1.2 測(cè)試工具及測(cè)試方法

1.2.1 測(cè)試工具

測(cè)試需要加速度測(cè)量工具頻帶大于（2-3）Wmax（最大信號(hào)頻率），同時(shí)還要寬動(dòng)態(tài)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(cè)量工具匹配。本次測(cè)試結(jié)合實(shí)際情況選用以下測(cè)量工具：8 個(gè)加速度傳感計(jì)；1 臺(tái)控制儀；1 臺(tái)功率放大器。

1.2.2 測(cè)試方法

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

2 振動(dòng)數(shù)據(jù)及分析

2.1 時(shí)域分析

根據(jù)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)圖形量獲得四種工況下的各測(cè)點(diǎn)的加速度峰值，如表1 所示。

表1 四種工況下的各測(cè)點(diǎn)的加速度峰值

根據(jù)上表中各測(cè)點(diǎn)的加速度值可以看出：

1）機(jī)器空轉(zhuǎn)工況下，電控箱機(jī)架加速度峰值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)1 垂向方向，大小為0.79g，電控箱體上加速度峰值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)8，大小為0.77g。

2）左橫掃工況下，電控箱機(jī)架上加速度峰值出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)1 垂直方向，大小1.79g，電控箱體上的加速度峰值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)6 垂直方向，大小為1.77g，但此時(shí)機(jī)架上測(cè)點(diǎn)1 的加速度峰值為1.47g，此外，測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)9點(diǎn)的加速度峰值也大于對(duì)應(yīng)機(jī)架的加速度峰值。

3）在下豎掃工況下，電控箱體測(cè)點(diǎn)5 在垂直方向上的加速度為1.49g，大于對(duì)應(yīng)機(jī)架的加速度值0.91g，其他工況下電控箱體測(cè)點(diǎn)5 在垂直方向上的加速度均接近對(duì)應(yīng)機(jī)架加速度峰值。

4）機(jī)架上各點(diǎn)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(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6 垂直方向上的加速度不同，說明箱體存在橫擺振動(dòng)。

6）電控箱體各個(gè)測(cè)試方向上的加速度值略有差異，表示電控箱體振動(dòng)為多向耦合。

綜上，現(xiàn)階段電控箱體使用的隔振裝置的實(shí)際效果較差，箱體加速度值大于機(jī)架加速度值，隔振裝置不對(duì)稱排列導(dǎo)致各個(gè)方向上電控箱體耦合振動(dòng)增加。

2.2 頻域分析

繪制時(shí)域信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻譜，從頻譜圖中得到信號(hào)的主頻，具體如表2 所示。

表2 四種工況下的各測(cè)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)頻率 Hz

1）機(jī)器空轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)架各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的主頻是一系列基頻為85 Hz 的倍頻，由機(jī)器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)引發(fā)，而出現(xiàn)一定降值的高階倍頻表示振動(dòng)受到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)周期影響。

2）機(jī)器行進(jìn)工況下，機(jī)架振動(dòng)的激勵(lì)因素除了機(jī)器本身產(chǎn)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(jī)器人進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)隨機(jī)載荷造成的。

電控箱體振動(dòng)的激勵(lì)因素主要包括機(jī)器自身產(chǎn)生的中高頻激振及其行進(jìn)中隨機(jī)載荷產(chǎn)生的低激振。根據(jù)箱體和機(jī)架上各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)頻率幅值可知：

1）電控箱隔振裝置只對(duì)高頻成分效果好，對(duì)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(cè)點(diǎn)5 的高頻成份較小，原因是箱體側(cè)面設(shè)置的隔振裝置對(duì)中、高頻振動(dòng)由隔振作用。

本次振動(dòng)測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)呈離散狀態(tài)，因此可以通過以下公式求得離散振動(dòng)速度有效值為Vrms。

其中：N 表示測(cè)點(diǎn)數(shù)；vi表示各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度。則可通過下列公式求得當(dāng)量振動(dòng)烈度：

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

其中：Vdb表示當(dāng)量振動(dòng)烈度對(duì)應(yīng)的分貝值；Vref為參考值，通常取10-5mm/s。

基于上述公式及振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)可以求得四種工況下電控箱的振動(dòng)烈度，并按照ISO2372 進(jìn)行烈度評(píng)級(jí)?？辙D(zhuǎn)、左橫掃、行進(jìn)、下豎掃四種工況下電控箱的振動(dòng)烈度和振動(dòng)等級(jí)分別為102.4996（A 級(jí)）、108.6990（B 級(jí)）、106.9518（B 級(jí)）、113.1523（C 級(jí)），其中A 級(jí)表示良好，B 級(jí)表示容許，C 級(jí)表示可容忍，D 級(jí)表示不容許。機(jī)器人空轉(zhuǎn)工況下，電控箱振動(dòng)烈度最?。蛔髾M掃、下豎掃工況下振動(dòng)烈度大致相同，均為B 級(jí)；行進(jìn)工況下振動(dòng)烈度最大，對(duì)電控箱的運(yùn)行安全帶來較大影響。

3 結(jié)語

由于機(jī)器人用電控箱工作條件的特殊性，相關(guān)振動(dòng)測(cè)試條件苛刻且費(fèi)用昂貴，重復(fù)實(shí)驗(yàn)難度大，缺乏相關(guān)資料，導(dǎo)致電控箱設(shè)計(jì)難度大。本文對(duì)某型機(jī)器人用電控箱在各種工況下的振動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，為電控箱設(shè)計(jì)研發(fā)提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(jī)器人的運(yùn)行效能。