摘要：工業(yè)機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其中順應(yīng)性裝配機(jī)器人手臂(SCARA) 因其具有高剛性和高精度，廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子制造的生產(chǎn)流水線場(chǎng)景。此外，在醫(yī)療康復(fù)、科學(xué)研究、教育等領(lǐng)域 SCARA 機(jī)器人都扮演著重要角色，其中諧波齒輪減速器作為核心組件之一，是保證 SCARA 機(jī)器人高精度和高可靠性的核心部件。諧波齒輪減速器的齒輪磨損是 SCARA 機(jī)器人最典型的故障之一，磨損后會(huì)引起噪聲、齒輪強(qiáng)度降低、漏油、設(shè)備發(fā)熱等問(wèn)題，從而引發(fā)安全事故、造成生產(chǎn)污染，因此其預(yù)測(cè)方法的研究十分重要且必要。本文通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，收集了不同工作條件下的諧波齒輪減速器轉(zhuǎn)矩信號(hào)，經(jīng)過(guò)分析和處理后發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的特征變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)或預(yù)防因諧波齒輪減速器磨損造成的危害，為后續(xù)高質(zhì)高效的自動(dòng)化生產(chǎn)提供了保障。

　　SCARA 機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人中的一種，其名稱由 “Selective Compliance Assembly Robot Arm”幾個(gè)單詞的首字母組成，常用于自動(dòng)化裝配、包裝、搬運(yùn)、焊接、零件選取等任務(wù)，廣泛應(yīng)用在智能制造、醫(yī)療康復(fù)、科學(xué)研究、教育等領(lǐng)域。SCARA 機(jī)器人具有高剛性和高精度的特點(diǎn)，能滿足產(chǎn)業(yè)需求。根據(jù)國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)與評(píng)定中心(總部)統(tǒng)計(jì)，SCARA 機(jī)器人常見故障主要包括：諧波齒輪減速器故障、控制柜故障、線纜故障、旋轉(zhuǎn)矢量(RV)減速器故障、電機(jī)故障以及其他類型故障。從故障發(fā)生的頻率來(lái)看，諧波齒輪減速器仍然是最常見的故障組件之一，也是全球范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人普遍存在且難以解決的問(wèn)題。

　　SCARA 機(jī)器人的工序需要精準(zhǔn)的定位，諧波齒輪減速器能夠通過(guò)內(nèi)嚙合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)和較大的轉(zhuǎn)矩輸出 , 具有零背隙等優(yōu)點(diǎn)，因此小型諧波齒輪減速器作為 SCARA 機(jī)器人的常見組件，被廣泛應(yīng)用于 SCARA 機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)中，旨在減慢驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度并提高輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn) SCARA 機(jī)器人高的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。

　　然而，正如任何機(jī)械系統(tǒng)一樣，SCARA 機(jī)器人及其組成部分也面臨著磨損和故障的風(fēng)險(xiǎn)。其中，齒輪磨損故障是常見的問(wèn)題。這是因?yàn)樽詣?dòng)化生產(chǎn)中，SCARA 機(jī)器人將一直處于工作狀態(tài)，其柔輪承受較大的交變載荷，運(yùn)行過(guò)程中波發(fā)器轉(zhuǎn)動(dòng)使柔輪和鋼輪的嚙合產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，同時(shí)柔輪輪齒與鋼輪輪齒之間也存在傳動(dòng)磨損，這將導(dǎo)致傳動(dòng)性能退化、機(jī)械性能下降、精度損失以及不必要的停機(jī)。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和及時(shí)檢測(cè)這些故障，可以減少不必要的日常維護(hù)，提升生產(chǎn)效率。此外，伴隨磨損加劇，柔輪的受力情況復(fù)雜，變形量大，可能導(dǎo)致漏油現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)漏油問(wèn)題，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，漏油嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起減速機(jī)少油、斷油，使齒輪嚙合面磨 損加劇，進(jìn)而發(fā)生咬焊或剝離，導(dǎo)致設(shè)備事故，而且漏油對(duì)周圍環(huán)境污染厲害，對(duì)土壤和水源有腐蝕作用，這樣既破壞了文明生產(chǎn)又浪費(fèi)了不少本可收回再生的潤(rùn)滑油。

　　如何科學(xué)有效地確定齒輪磨損情況，開展相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)，有利于保證生產(chǎn)效率，提升生產(chǎn)精細(xì)化管理，為企業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益提供保障。本研究的主要目的是探索并驗(yàn)證基于轉(zhuǎn)矩信號(hào)的 SCARA 機(jī)器人小型諧波齒輪減速器齒輪磨損故障的預(yù)測(cè)方法。具體來(lái)說(shuō)，本文將通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析轉(zhuǎn)矩信號(hào)，建立模型來(lái)預(yù)測(cè)齒輪磨損故障的發(fā)生，以降低機(jī)器人維護(hù)成本，提高機(jī)械系統(tǒng)的可靠性，減少停機(jī)時(shí)間。

　　研究的重要性在于提供了一種新的、非侵入性的故障預(yù)測(cè)方法，該方法可以廣泛應(yīng)用于 SCARA 機(jī)器人和其他機(jī)械系統(tǒng)。這有望提高制造業(yè)的生產(chǎn)效率，為企業(yè)節(jié)省維護(hù)成本，提供可持續(xù)的解決方案。

　　本文將從諧波齒輪減速器齒輪磨損機(jī)理、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析、結(jié)論及展望等幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

　　一、諧波齒輪減速器齒輪磨損機(jī)理分析

　　諧波齒輪減速

　　根據(jù)《機(jī)器人用諧波齒輪減速器》(GB/T 30189—2014)結(jié)構(gòu)說(shuō)明中對(duì)諧波齒輪減速器定義，它是一種靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形波，通過(guò)與剛輪的相互作用，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的傳動(dòng)裝置。其輸入和輸出轉(zhuǎn)向相反，即：波發(fā)生器輸人，剛輪固定，柔輪輸出;或柔輪固定，剛輪輸出，其結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖 1 所示。

　　如圖 2 所示，粉色小圓為波發(fā)生器球心，藍(lán)色小圓為柔輪球心，綠色小圓為剛輪球心。理論上健康狀態(tài)下，三個(gè)小圓應(yīng)該在同一個(gè)位置，發(fā)生波發(fā)生器偏移故障時(shí)，三小球發(fā)生錯(cuò)位。其中：WG 是波發(fā)生器(wave generator)，F(xiàn)S 是柔輪(flex spline)，RC 是剛輪(rigidy cylinder)。

　　諧波齒輪減速器運(yùn)行分析

　　在諧波齒輪減速器正常運(yùn)行時(shí)，如果波發(fā)生器、柔齒輪和鋼輪均為同心圓形，那么理論上轉(zhuǎn)矩的波形將保持恒定。這是因?yàn)樵谶@種情況下，各個(gè)元件之間沒(méi)有變形或失真，能夠保持穩(wěn)定的傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)矩輸出，即當(dāng)所有條件滿足理想條件時(shí)，諧波齒輪減速器輸出的轉(zhuǎn)矩波形為一個(gè)常數(shù)。

　　當(dāng)諧波齒輪減速器柔輪和鋼輪不同心，但都為圓形時(shí)，其輸出的波形圖振幅相同。

　　然而，一旦柔輪和鋼輪的圓心不重合且其中至少一個(gè)部件不是圓形時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生二次諧波的波形。這是因?yàn)楫?dāng)減速器結(jié)構(gòu)存在不對(duì)稱性時(shí)，系統(tǒng)的非線性特性會(huì)導(dǎo)致二次諧波的生成。

　　根據(jù)諧波齒輪減速器三個(gè)部件圓心偏移程度和制造工藝是否足夠接近圓形可以得到不同的故障轉(zhuǎn)矩波形，如表 1 所示。

　　諧波齒輪減速器故障機(jī)理分析

　　諧波齒輪減速器的齒輪是關(guān)鍵的工作部件，用于傳遞轉(zhuǎn)矩。長(zhǎng)時(shí)間或超載使用情況下，齒輪可能會(huì)磨損、變形，導(dǎo)致運(yùn)行不平穩(wěn)、噪音增加、輸出效率下降、漏油等現(xiàn)象。

　　不平穩(wěn)的運(yùn)行有可能導(dǎo)致波發(fā)生器的位置偏移，從而導(dǎo)致諧波分量無(wú)法被正確地產(chǎn)生或傳遞，進(jìn)而影響了轉(zhuǎn)矩輸出的穩(wěn)定性，變形會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩傳遞過(guò)程中出現(xiàn)非線性變化，使得轉(zhuǎn)矩波形中產(chǎn)生了額外的諧波分量，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩信號(hào)的波形發(fā)生變化。如果輸出側(cè)或者鋼輪發(fā)生變形，那么最終生成的轉(zhuǎn)矩信號(hào)波形將呈現(xiàn)二次諧波。

　　因此，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的波形的采集分析，可以掌握波發(fā)生器、柔輪和鋼輪的同心情況、齒輪的圓形特性，從而有針對(duì)性地進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，避免減速器的非預(yù)期損壞，從而提升 SCARA 機(jī)器人在智能制造生產(chǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。

　　在諧波齒輪減速器的運(yùn)行中，維持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出是十分重要的，同時(shí)需要定期檢查和維護(hù)這些元件，以確保減速器的正常工作并避免轉(zhuǎn)矩波形出現(xiàn)異常，所以研究諧波齒輪減速器的齒輪磨損故障預(yù)測(cè)非常具有必要性。

　　二、試驗(yàn)原理和影響因素排除

　　試驗(yàn)原理

　　SCARA 機(jī)器人通常在一定的工作節(jié)拍下運(yùn)行，其關(guān)節(jié)中的電機(jī)、減速器等部件運(yùn)轉(zhuǎn)都以周期循環(huán)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)工作。隨著機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間累積，各關(guān)節(jié)中的旋轉(zhuǎn)部件的磨損程度加劇，從而導(dǎo)致內(nèi)部摩擦力的逐漸上升，為了維持運(yùn)行需要，機(jī)器人必須不斷增加輸出轉(zhuǎn)矩。

　　按照《永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)通用技術(shù)條件》(GB/T 30549—2014)的條款 3.9 的定義，電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)是指當(dāng)電機(jī)接入單位線電流的時(shí)候，其產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩的大小，即轉(zhuǎn)矩和電機(jī)繞組電流成正比關(guān)系。通過(guò)前面諧波齒輪減速器機(jī)構(gòu)可知，通過(guò)監(jiān)測(cè) SCARA 控制柜中的電流信號(hào)，可以了解轉(zhuǎn)矩變化情況，根據(jù)轉(zhuǎn)矩變化數(shù)據(jù)的收集，以及與減速器齒輪磨損變形情況關(guān)聯(lián)關(guān)系的研究，給出臨界閾值，從而制定日常維護(hù)數(shù)據(jù)采集計(jì)劃，及時(shí)掌握諧波齒輪減速器運(yùn)行狀態(tài)，適時(shí)采取必要的維護(hù)和修復(fù)措施，以確保機(jī)器人的可靠運(yùn)行和生產(chǎn)效率。

　　轉(zhuǎn)矩測(cè)試法影響因素排除

　　實(shí)際上電磁轉(zhuǎn)矩和繞組電流并非完全正比關(guān)系，電流和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換關(guān)系還會(huì)受到很多因素影響，其中較為顯著的影響因素為：溫度、三相電壓穩(wěn)定性和負(fù)載條件。

　　本次研究基于定變量法分析，為了減少影響因素對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)采取了以下措施：

　　1)溫度：考慮到啟動(dòng)電流，以及從冷態(tài)到熱態(tài)由于溫升造成的電阻變化，從而引起的電流波動(dòng)，開始數(shù)據(jù)采集前，布置熱電偶，保證環(huán)境溫度恒定，監(jiān)測(cè)電機(jī)的溫度變化，當(dāng)達(dá)到熱穩(wěn)定后(溫升 1K/h)，再進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)記錄。

　　2)三相電壓穩(wěn)定性：為了保持與實(shí)際工況一致，電機(jī)的接線與實(shí)際使用情況保持一致，測(cè)試時(shí)對(duì)供電電源的穩(wěn)定性提出了要求，以避免因三相電壓不平衡引起的電流不平衡對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。

　　3)負(fù)載條件：負(fù)載的引入通常有兩種方式，第一種通過(guò)電機(jī)對(duì)拖的測(cè)試平臺(tái)來(lái)提供負(fù)載，第二種通過(guò)帶實(shí)際的負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載引入。通過(guò)電機(jī)對(duì)拖的負(fù)載方式，負(fù)載電機(jī)本身會(huì)有抖動(dòng)，從而造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。通過(guò)引入實(shí)際負(fù)載的方式，如果在實(shí)際工況下，循環(huán)操作，SCARA 機(jī)器人在有載和空載條件下交替，負(fù)載的變化會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，應(yīng)避免頻繁的動(dòng)態(tài)加載導(dǎo)致的測(cè)量不準(zhǔn)確，故本次試驗(yàn)采取承載額定負(fù)載的砝碼連續(xù)運(yùn)行的方式。

　　4)只對(duì) SCARA 機(jī)器人的一個(gè)軸按實(shí)際工況模式進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)測(cè)試工況的一致性。

　　三、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析

　　試驗(yàn)條件

　　為了開展小型諧波齒輪減速器齒輪磨損故障的預(yù)測(cè)研究，首先確定研究對(duì)象，以及基于定變量和試驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性考慮，細(xì)化試驗(yàn)條件。

　　首先選取兩個(gè)型號(hào)為 CSG-32-100-2UH-SP 的諧波齒輪減速器，分別安裝在型號(hào)為 IRB 910SC 的 SCARA 機(jī)器人的軸 1 和軸 2 位置，選取 4BNo.2 作為潤(rùn)滑油，使用型號(hào)為 IRC5C 控制器，試驗(yàn)室環(huán)境溫度維持在 25±1℃，帶載砝碼為額定負(fù)載 6kg，具體參數(shù)見表 2。

　　試驗(yàn)步驟

　　測(cè)試按照如下步驟進(jìn)行：

　　1)傳感器安裝：在 SCARA 機(jī)器人的電機(jī)軸上安裝轉(zhuǎn)矩傳感器，以實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)矩信號(hào)。這些傳感器通常連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)矩信號(hào)記錄下來(lái)。

　　2)運(yùn)行姿態(tài)初始化：IRB 910SC 的 SCARA 機(jī)器人設(shè)置初始姿態(tài)，軸 1、軸 2 均與地面保持 90°，整體保持水平，旋轉(zhuǎn) 1 軸，姿態(tài)如圖 3 所示。

　　3)數(shù)據(jù)記錄：以額定速度和加速度來(lái)操作 1 軸，并將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為三個(gè)階段：加速階段、勻速階段和減速階段，記錄轉(zhuǎn)矩信號(hào)。這些數(shù)據(jù)將包括正常運(yùn)行狀態(tài)和可能出現(xiàn)齒輪磨損故障時(shí)的信號(hào)。

　　如圖 4 在加速階段，機(jī)器人將逐漸增加速度，使得 1 軸的運(yùn)動(dòng)逐漸加快。這個(gè)階段旨在將機(jī)器人帶到額定速度，以便快速而平穩(wěn)地完成任務(wù)。

　　一旦達(dá)到額定速度，在勻速階段，機(jī)器人將以恒定的速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)階段，機(jī)器人可以保持穩(wěn)定的速度，以確保操作精確性和穩(wěn)定性。最后，在減速階段，機(jī)器人將逐漸降低速度，以平穩(wěn)地停止運(yùn)動(dòng)。這個(gè)階段非常關(guān)鍵，因?yàn)樗_保了機(jī)器人的定位準(zhǔn)確性和安全性，同時(shí)避免了意外的沖擊或過(guò)載。

　　4)數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)采集到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、濾波和數(shù)據(jù)對(duì)齊等步驟，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性。

　　5)特征提?。簭霓D(zhuǎn)矩信號(hào)中提取特征，這些特征將用于預(yù)測(cè)方法的構(gòu)建等。

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取和處理主要分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和穩(wěn)定段提取。在數(shù)據(jù)采集階段，使用 TSV 軟件(ABB 官方的數(shù)據(jù)采集軟件)，直接獲取 SCARA 機(jī)器人控制柜中的原始信號(hào)，如扭矩、位置和速度信號(hào)等。數(shù)據(jù)處理階段排除影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素，主要為白噪音和過(guò)高的采集頻率引起的耦合干擾等。穩(wěn)定段提取主要剔除掉動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程，保留數(shù)據(jù)的穩(wěn)定段用于分析故障。這套完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取和處理方法確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

　　數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集使用 TSV 軟件，通信協(xié)議為 TCP/IP 協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)線連接 TSV 軟件和 SCARA 機(jī)器人控制柜上的服務(wù)端口，從而采集到電機(jī)相關(guān)性信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置如下：

　　電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)：C_C_Auto_Ti(用于自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的性能。通常情況下，C_C_Auto_Ti 指的是電機(jī)控制器中的自動(dòng)調(diào)節(jié)積分時(shí)間常數(shù)。這個(gè)參數(shù)的作用是調(diào)節(jié)電機(jī)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，以及控制器的能耗和熱效應(yīng)。通過(guò)調(diào)整這個(gè)參數(shù)，可以優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行效率和性能。)

　　電機(jī)控制參數(shù)：k = 0.02

　　控制柜：IRC5C

　　通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置，讀取被測(cè)軸的時(shí)間、扭矩、位置、速度等信號(hào)，采集頻率為 1000Hz，得到如下試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖 5 所示，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間(ms)，縱坐標(biāo)為扭矩(N·m)。

　　數(shù)據(jù)處理：由于白噪聲和采樣頻率較高等因素，原始數(shù)據(jù)難以直觀地展示相關(guān)特征，因此需對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波?？紤]到試驗(yàn)所用的速度為 12 rpm，所對(duì)應(yīng)的頻率為 0.2 Hz，濾波的截止頻率設(shè)置為 10 Hz，為對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的 50 倍，選擇此截止頻率可以有效地去除噪聲、保留信號(hào)特征、避免失真等。濾波后的數(shù)據(jù)見圖 6。

　　穩(wěn)定段提取：由于測(cè)試過(guò)程中存在運(yùn)動(dòng)的加速段、勻速段、減速段、反向旋轉(zhuǎn)等階段，其不穩(wěn)定階段(加速、減速、換向等階段)不能用作故障分析，需剔除相應(yīng)數(shù)據(jù)，保留穩(wěn)定段數(shù)據(jù)，如圖 7- 圖 9 所示。分別分析諧波齒輪減速器 CSG-32-100-2UH-SP 的轉(zhuǎn)矩、速度、位置等穩(wěn)定段的數(shù)據(jù)。

　　在另一個(gè)試驗(yàn)中，諧波齒輪減速器型號(hào)為 CSG-32-100-2UH-SP 被安裝在機(jī)器人上，并整體保持水平，旋轉(zhuǎn)軸 2，姿態(tài)如圖 10 所示。

　　該機(jī)器人以額定速度和加速度來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)軸 2，并記錄轉(zhuǎn)矩、速度、位置等信息如圖 11- 圖 13 所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果

　　記錄、處理采集的數(shù)據(jù)后，運(yùn)用計(jì)算軟件可以形成諧波齒輪減速器在軸 1、軸 2 的速度曲線圖，如圖 14 和圖 15 所示。

　　圖 14 是減速器 1 在軸 1 上的速度曲線圖。在程序 0 中，藍(lán)色線表示理論速度值，而紅色線表示實(shí)際速度值。另外，在程序 1 中，綠色線表示理論速度值，而紫色線表示實(shí)際速度值。

　　圖 15 是減速器 2 在軸 2 上的速度曲線圖。在程序 0 中，藍(lán)色線表示理論速度值，而紅色線表示實(shí)際速度值。另外，在程序 1 中，綠色線表示理論速度值，而紫色線表示實(shí)際速度值。

　　圖 16 為軸 1 減速器全新減速器的轉(zhuǎn)矩曲線。

　　經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)軸 2 減速器輸出側(cè)漏油明顯，此時(shí)捕捉到的諧波齒輪減速器轉(zhuǎn)矩趨勢(shì)圖如圖 17 所示，由圖可見轉(zhuǎn)矩的變化。

　　轉(zhuǎn)矩法峭度分析

　　峭度(kurtosis)是統(tǒng)計(jì)學(xué)中用來(lái)衡量概率分布形態(tài)陡峭程度的一個(gè)指標(biāo)。峭度因子能夠反映振動(dòng)信號(hào)的沖擊特性，它描述了數(shù)據(jù)分布曲線在其平均值附近的陡峭程度。

　　式(1)用于計(jì)算觀測(cè)數(shù)據(jù)的峭度值，以評(píng)估數(shù)據(jù)分布的尖峭程度。峭度值大于 3 表示數(shù)據(jù)分布相對(duì)尖峭，小于 3 表示數(shù)據(jù)分布相對(duì)平緩，等于 3 表示數(shù)據(jù)分布近似于正態(tài)分布。

　　對(duì)于減速器轉(zhuǎn)矩波形的分析也可以使用峭度來(lái)評(píng)估。峭度試驗(yàn)參數(shù)如表 3 所示。

　　在當(dāng)前試驗(yàn)中，經(jīng)計(jì)算可得 K_Ax1 的值為 3.1，K_Ax2 的值為 8.2，由此可得 2 軸減速器存在較為明顯的異?，F(xiàn)象。

　　由本試驗(yàn)可知，當(dāng)諧波齒輪減速器的輸出側(cè)或鋼輪發(fā)生變形或漏油時(shí)，最終生成的轉(zhuǎn)矩信號(hào)波形和峭度值將呈現(xiàn)較為異常的特征。

　　擴(kuò)展試驗(yàn)

　　本試驗(yàn)使用了 10 臺(tái)相同型號(hào)的 SCARA 機(jī)器人和 20 個(gè)相同的減速器，旨在驗(yàn)證轉(zhuǎn)矩法測(cè)試的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在峭度值大于 8 的減速器中，發(fā)現(xiàn)有 16 個(gè)減速器出現(xiàn)了輸出側(cè)漏油的問(wèn)題，并且能夠明顯觀察到油痕。試驗(yàn)對(duì)象、峭度值以及對(duì)應(yīng)的漏油情況的匯總信息如表 4 所示。

　　四、結(jié)果與討論

　　經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，轉(zhuǎn)矩法對(duì)于諧波齒輪減速器齒輪磨損程度的監(jiān)測(cè)、防止非預(yù)期故障影響日常生產(chǎn)具有重要意義，可以為應(yīng)用 SCARA 機(jī)器人的制造生產(chǎn)線的日常維護(hù)、維修提供指導(dǎo)。

　　本研究發(fā)現(xiàn)，在預(yù)測(cè)諧波齒輪減速器輸出側(cè)漏油故障方面，采用峭度值的測(cè)試方法表現(xiàn)出明顯的一致性，準(zhǔn)確率高達(dá) 90%。當(dāng)峭度值大于 8 時(shí)，漏油可能性較高。另外，信號(hào)閾值超過(guò)均值的 20% 以上也可作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。該方法經(jīng)過(guò)理論設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，適用于各種類型的減速器和其他工業(yè)機(jī)器人，具有普適性。

　　該方法簡(jiǎn)單有效，并通過(guò)驗(yàn)證具備推廣價(jià)值。然而，閾值的設(shè)定需要進(jìn)一步數(shù)據(jù)支持和理論驗(yàn)證。較高的閾值會(huì)增加故障發(fā)生的可能性，從而滿足智能制造對(duì)可靠性的要求。

　　本研究已經(jīng)成功將預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)機(jī)器人的管理和維護(hù)中，并取得了真實(shí)有效的成果。PHM 作為一種重要的技術(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)故障，能夠及時(shí)管理和維護(hù)諧波齒輪減速器等關(guān)鍵部件。未來(lái)的研究可以重點(diǎn)關(guān)注將 PHM 技術(shù)應(yīng)用于諧波齒輪減速器故障預(yù)測(cè)和防范，以提高工業(yè)機(jī)器人的可靠性和生產(chǎn)效率。同時(shí)，還需要進(jìn)一步探索相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和建模方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和判斷。

　　除了杯形諧波齒輪減速器，SCARA 型機(jī)器人還可以采用中空禮帽形、標(biāo)準(zhǔn)和短筒等不同形狀的諧波齒輪減速器。盡管類型有所不同，這些減速器的運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)基本一致，本次研究借助國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)和評(píng)定中心的支持，基于本文的試驗(yàn)方法和激勵(lì)，拓展在其他應(yīng)用諧波齒輪減速器的機(jī)器人上進(jìn)行了類似的試驗(yàn)，如 4 軸機(jī)械臂工業(yè)機(jī)器人，同樣驗(yàn)證了該方法的可預(yù)測(cè)性。

　　因此可以將該方法擴(kuò)展到其他應(yīng)用諧波齒輪減速器作為動(dòng)力傳動(dòng)裝置工業(yè)機(jī)器人的故障預(yù)測(cè)中。

　　誠(chéng)然，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可能因?yàn)殡娫捶€(wěn)定性、負(fù)載變動(dòng)等因素影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，未來(lái)通過(guò)其他定變量的研究，可以繼續(xù)深化對(duì)諧波齒輪減速器故障預(yù)測(cè)模型的研究。

　　綜上所述，盡管本研究取得了一些進(jìn)展，但在進(jìn)一步完善諧波齒輪減速器故障分析和預(yù)測(cè)的過(guò)程中仍存在一些限制。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　據(jù)貝哲斯統(tǒng)計(jì)，2022 年全球 SCARA 機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 365.79 億元，結(jié)合歷史趨勢(shì)和發(fā)展環(huán)境等方面因素，預(yù)測(cè)到 2028 年，全球 SCARA 機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá) 668.67 億元，發(fā)展前景廣闊。然而，伴隨著大規(guī)模的使用，機(jī)器人及其關(guān)鍵零部件的可靠性備受關(guān)注。

　　針對(duì)減速機(jī)漏油問(wèn)題，傳統(tǒng)解決措施是拆卸并打開減速機(jī)后更換密封墊片或涂抹密封膠，該方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以確保密封效果，在運(yùn)行中還會(huì)再次出現(xiàn)滲漏問(wèn)題。然而非預(yù)期的故障對(duì)于智能制造生產(chǎn)造成的損失巨大。

　　本文開展的研究，通過(guò)切實(shí)可行的日常數(shù)據(jù)采集，將故障趨勢(shì)通過(guò)顯性的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，可作為實(shí)際的設(shè)備維護(hù)、維修計(jì)劃制定的重要依據(jù)，對(duì)整體提升諧波齒輪減速器齒輪的可靠性，乃至提升 SCARA 等應(yīng)用諧波齒輪減速器齒輪傳動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人的可靠性，降低非預(yù)期停產(chǎn)，具有重大意義，伴隨深入的研究和方法的優(yōu)化，推廣前景廣闊，產(chǎn)生的直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益巨大。

　　參考文獻(xiàn)略.