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1、项目四 工业机器人的维护与维修学习目标学习目标1.熟悉工业机器人故障诊断基本原理,能正确判断常见故障；2.掌握机电维修基本知识，熟悉工业机器人维修方法,能进行常规的预防性检修操作；3.掌握工业机器人的维护规程,能合理维护机器人系统；知识链接 一、工业机器人故障诊断基础随着科学技术与生产的发展，设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，同时设备更加复杂、各部分的关联愈中密切，从而往往某处微小故障就爆发链锁反应，导致整个设备乃至与设备有关的环境遭受灾难性的毁坏，这不仅会造成巨大的经济损失，而且会危及人身安全，后果极为严重。因此，设备诊断技术日益发挥重要作用，它可使设备无故障、工作可靠，发
2、挥最大效益；保证设备在将有故障或已有故障时，能及时诊断出来，正确地加以维修，以减少维修时间，提高维修质量，节约维修费用。测取设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，通过对信号的处理和分析，并结合设备的历史状况，定量识别设备及其零部件的技术状态，并预知有关异常、故障和预测未来技术状态，从而确定必要的对策的技术，即设备故障诊断技术。在机器设备的评估中，技术鉴定是确定设备成新率的重要手段。1、故障及其分类故障：设备（元件、零件、部件、产品或系统）因某种原因丧失规定功能的现象。（1）按故障发生、发展的过程分类1)突发性故障故障发生之前没有明显的可察征兆，具有较大的破坏性。2)渐发性故障故障的发生一般与
3、磨损、腐蚀、疲劳等密切相关，其特点是故障一般发生在元器件有效寿命的后期；有规律，可以预防；发生概率与设备运转时间有关。(2）按故障的性质分类1)自然故障：设备自身原因造成。2)人为故障：操作使用不当或意外原因。2、引起故障的原因 （1）环境因素：包括力、能、振动、污染等。表4-1 环境影响及引起的故障环境因素主要影响典型故障机械能产生振动、冲击、压力、强速度、机械应力等。机械强度降低、功能受影响、磨损加剧、过量变形、疲劳破坏、机件断裂。热能产生热老化、氧化、软化、熔化、粘性变化、固化、脆化、热胀冷缩及热应力等。电气性能变化、润滑性能降低、机械应力增加、磨损加剧、机械强度降低、腐蚀加速、热疲劳破
4、坏、密封性能破坏。化学能产生受潮、干燥、脆化、腐蚀、电蚀、化学反应及污染等。功能受影响、电气性能下降、机械性能降低、保护层损坏、表面变质、化学反应加剧、机械断裂。其他能量 产生脆化、加热、蜕化、电离及磁化。表面变质、材料褪色、热老化、氧化、材料的物理、化学、电气性能发生变化。注：其他能量包括核能、电磁能 及生物因素等 （2）人为因素：包括设计不良、质量偏差、使用不当等。 （3）时间因素：常见的磨损、腐蚀、疲劳、变形等故障都与时间有密切的关系。3、描述故障的特征参量（1）直接特征参量1）设备或部件的输出参数：设备的输出与输入的关系以及输出变量之间的关系都可以反映设备的运行状态。如输入功率与输出功
5、率、示教器输入参数与手部执行参数间关系等；2）设备零部件的损伤量：变形量、磨损量、裂纹以及腐蚀情况等都是判断设备技术状态的特征参量。（2）设备运转中的间接特征参量（二次效应参数）：主要是设备在运行过程中产生的振动、噪声、温度、电量等。设备或部件的输出参数和零部件的损伤量都是故障的直接特征参量，而二次效应参数是间接特征参量。使用间接特征参量进行故障诊断的优点是，可以在设备运行中并且无需拆卸的条件下进行。不足之处是间接特征参量与故障之间的关系不是完全确定的。4、设备故障诊断技术及其实施过程 （1）设备故障诊断技术的分类 1）按照诊断的目的、要求和条件分类 功能诊断和运行诊断：功能诊断主要用于新安装
6、或刚维修的设备；而运行诊断则针对运行中的设备或系统。 定期诊断和连续监测。 直接诊断和间接诊断：间接诊断主要通过设备运行中的二次信息判断。 在线诊断和离线诊断：在线是指对现场正在运行设备的自动实时监测；而离线监测是利用记录仪等将现场的状态信号记录后，带回实验室进行分析诊断。 常规诊断和特殊诊断。 简易诊断和精密诊断。 2）按诊断的物理参数分类 主要物理参数有振动、声学、温度、污染、无损、压力、强度、电参数、趋向以及各种参数的综合。表4-2 按诊断的物理参数分类 诊断技术名称状态检测参数振动诊断技术平衡振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数等。声学诊断技术噪声、声阻、超声以及声发射等。温度诊断技术温
7、度、温差、温度场以及热象等。污染诊断技术气、液、固体的成分变化，泄学习班及残留物等。无损诊断技术裂纹、变形、斑点及色泽等。压力诊断技术压差、压力及压力脉动等。强度诊断技术力、扭矩、应力及应变等。电参数诊断技术电信号、功率及磁特性等。趋向诊断技术设备的各种技术性能指标。综合诊断技术各种物理参数的组合与交叉。 3）按诊断的直接对象 主要直接诊断对象有本体部件、机械零件、伺服系统、控制系统、工艺流程、生产系统、电气设备等。（2）设备故障诊断技术的实施过程图4-1诊断技术三阶段1）状态监测状态监测：通过传感器采集设备在运行中的各种信息，将其转变为电信号或其它物理量，再将获取的信号输入到信号处理系统进行
8、处理。后者主要是将特征信号提取出来，而将无用信号和干扰信号排除。2）分析诊断分析诊断：根据监测到的能够反映设备运行状态的征兆或特征参数的变化情况或将征兆与模式进行比较，来判断故障的存在、性质、原因和严重程度以及发展趋势。3）治理预防治理预防：根据分析诊断得出的结论确定治理修正和预防的办法。（3）状态监测与故障诊断的区别与联系状态监测是故障诊断的基础和前提；故障诊断是对监测结果的进一步分析和处理，诊断是目的。5、设备故障诊断常用的方法 （1）振动测量法：根据能否用确定的时间关系函数来描述，振动分为振动分为确定性振动和随机振动，确定性振动又分为周期振动和非周期振动，周期振动又进一步分为简谐周期振动
9、和复杂周期振动，非周期振动也进一步分为准周期振动和瞬态振动。振动的基本参数有振幅、频率和相位是振动的基本参数。振动完全可以通过这三个参数加以描述。 振动测量有机械方法、光学方法和电测方法，其中，电测方法应用最广泛。 1）传感器及振动测量 加速度传感器：压电加速度传感器，图4-2所示，是基于压电晶体的压电效应工作的，属于能量转换型传感器。压电晶体输出电荷与振动的加速度成正比。压电式加速度计无需外电源，灵敏度高而且稳定。 速度传感器：惯性式磁电速度传感器，图4-3所示，。磁电速度传感器是基于磁电感应工作的，也属于能量转换型传感器。当传感器随被测系统振动时，传感器线圈与磁场之间产生相对运动，传感器内
10、的磁钢随被测物体一起振动，与线圈发生相对运动，从而产生感应电动势，输出与速度成正比的电压。惯性式磁电速度传感器也不需要外电源。图4-2压电加速度传感器结构示意图图4-3 惯性式磁电速度传感器结构示意图 图4-4 涡流位移传感器示意图 位移传感器：电涡流位移传感器，如图4-4所示。它基于金属体在交变磁场中的电涡流效应工作，属于能量控制型传感器。工作时，将传感器顶端与被测对象表面之间的距离变化转换成与之成正比的电信号。这种传感器不仅能测量一些旋转轴系的振动、轴向位移，还能测量转数。涡流位移传感器属于非接触式测量，但需要外电源。 2）异常振动分析方法 振动总值法：通过传感器直接测量，以表格或图形表示
11、趋向，并对照异常振动判断基准判别设备工作是否正常。 可以采用振动总值法判别异常振动，如若要进一步查出异常的原因和位置，就要对振动信号进行频谱分析。表4-3 异常振动判断基准 频率分析法：把测量的振动信号取出进行频率分析，再将频谱图与正常谱图比较，可以找出振源、部位和严重程度。 频谱分析仪，又称动态分析仪。它能将时域信号变换为频域信号，将工程信号分解为各个频率分量，获得信号的频率结构和组成信号各个谐波的振幅、相位信息。 频谱分析仪一般由前置放大器、抗混淆滤波器、A/D转换器、高速数据处理器及外围设备等组成，如图4-5所示。频率分析仪是一种将时域信号转变为频域信号的仪器。频率分析仪可以将振动信号的
12、波形分解为各个频率的分量，获得信号的频率结构和组成信号的各个谐波的幅值、相位，从而确定信号特征。图4-5 频谱分析仪组成及实物（2）噪声测量法。1）噪声：不规则的机械振动在空气中引起的振动波。采用声压级、声强级和声功率级来表示噪声的强弱；用频率或频谱表示噪声的成分。也可以用主观的感觉，例如响度进行测量。2）噪声的主要参数：.声压、声强、声功率。声压：声波传播时，空气质点随之振动所产生的压力波动而引起的压强增量（Pa）。声压级（dB）：声压与基准声压之比的以10为底的对数的20倍。声强：单位时间内，通过垂直于传播方向上单位面积的声波能量-声强（W/）。声强级：声强与基准声强之比的以10为底的对数
13、的10倍-声强级（dB）。声功率：声源在单位时间内辐射出来的总声能-声功率（W）。声功率级；声功率与基准声功率之比的以10为底的对数的10倍-声功率级（dB）。3）噪声的主观量度：响度、响度级、等响曲线响度是人耳对声音强弱产生的主观感觉。选用频率为1000Hz的纯音作为标准，调节纯音的声压级使它和测定的声音听起来有同样的响度，则该声音的响度级就等于这个纯音的声压级（dB）值。单位为方（Phon）。当声音的频率发生变化时，听阈和痛域的声压值将随之变化。响度曲线：典型听者感觉响度相同的纯音，其声压级和频率之间的关系曲线，如图4-6所示等响度曲线听阈曲线。频率不同时，听阈的声压级不同，将各个频率下相
14、同响度的声压相连而得到的曲线，即为听阈曲线，其响度规定为0 ，所以听阈曲线也称为0方响度线。同理，将不同频率时，痛阈的声压级和频率关系曲线称为痛阈曲线，也称为120方响度线。同一条曲线上的各点，频率和声压级不同，但响度相同。例如频率为30 HZ时声压级为120分贝的噪声，听起来，其响度和频率为1000HZ声压级为100分贝的噪声，响度相同。二者的响度都是100方（phon）。图4-6等响度曲线听阈曲线 4）噪声测量仪器。常用电容传声器、压电传声器、声级计等来测量。 5）故障的噪声识别方法.。可以根据噪声信号的特征量制定一个限值作为有无故障的标准。要识别故障的性质、发生的部位以及严重程度，还需要
15、提取噪声信号作频谱分析。对噪声判断有绝对标准、相对标准和类比标准。三种方法的分别对应于将测量所得到的噪声信号的特征量值和标准特征量值、正常运行的特征量值或同类设备相同工况时的特征量值进行比较。（3）温度测量法1）测温仪表。温度计分类如图4-7所示。接触式测温装置：测温元件与被测对象直接接触，通过热交换进行测温。a.热膨胀式（水银、双金属、液体、气体等）b.压力式。c.热电阻式（铂、镍、铜、半导体等）：材料的电阻随温度的变化而变化，利用这个特性，可以将温度转换成为电量。d.电偶式（镍铬-考铜、镍铬-镍硅、铂铑-铂等）。热电偶由两根不同材料的导体焊接组成。若两端温度不同，则产生感应电动势，热电偶的
16、热电动热与热电偶材料、两端温度有关，与热电极长度、直径无关。在冷端温度T0不变，热电偶材料已定的情况下，其热电动势只是被测温度的函数。图4-7 温度计分类非接触式测温装置，包括辐射高温计（图4-8）、光学高温计（图4-9）、比色高温计（图4-10）、红外测温仪器。红外测温仪器由红外探测器、红外光学系统、信号处理系统以及显示系统等组成。红外测温仪器的核心是红外探测器，它能将入射的红外辐射转变为电能或其它能量。按照辐射响应方式的不同，分为光电探测器和热敏探测器两类。红外光学系统有反射式、折射式和折-反射式。常用的红外测温仪器有：红外测温仪；测量被测物体一点的温度，如图4-11。红外热像仪：红外热像仪由光学与扫描系统、红外探测器、视频信号处理系统，显示器等组成。通过红外热像仪可以获得物体表面或近表面的热像图，通过热像图的观察和分析可以测量温度在物体表面或空间的分布情况，如图4-12所示。图4-8 辐射高温计原理及实物图4-9光学高温计原理及结构图4-10 比色高温计原理及实物图4-11 红外测温仪图4-12红外热像仪系统 2）通过测温测量所能发现的常见故障 轴承损坏、流体系统故障、发热异常、
