CN111486943B

CN111486943B - 工业机器人振动状态分析方法、系统、装置及可读存储介质

Info

Publication number: CN111486943B
Application number: CN202010236377.2A
Authority: CN
Inventors: 尹荣造; 徐瞳; 田坤淼
Original assignee: Borunte Robot Co Ltd
Current assignee: Borunte Robot Co Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: CN111486943A

Abstract

本发明涉及机器人振动分析技术领域，尤其为一种工业机器人振动状态分析方法，将加速度传感器固定在机器人末端，记录机器振动原始数据，调用振动分析软件读入接口读取机器振动加速度、角速度、角度，通过对输入的时频信号转化为幅频信号，对输入信号进行DFT变换到复数域，然后计算加速度、角速度、和角度幅频前6阶的振动频率，最后计算信号功率谱，通过振动分析软件的图形界面输出幅频特性分析结果。本发明，有利于对机器人振动状态进行更好的分析，量化工业衡量机器人各关节的振动状态。本发明还公开了一种工业机器人振动状态分析系统、装置及计算机可读存储介质，与上述方法具有相同的有益效果。

Description

工业机器人振动状态分析方法、系统、装置及可读存储介质

技术领域

本发明涉及一种工业机器人振动状态分析方法、系统、装置及可读存储介质。

背景技术

在机械工程领域内，为确保机械设备安全可靠地运行，机械结构的振动监控和诊断也引起人们的重视。在研究方法上，振动测试是与理论分析计算结合采用的。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。专门用于机器人的振动状态分析系统使用和维护成本高昂，且测量的机理均不清楚。

机器人振动量如果超过允许范围，机械设备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，严重时会导致零部件的早期失效。为量化工业衡量机器人各关节的振动状态，我们提出了一种工业机器人振动状态分析方法、系统、装置及可读存储介质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业机器人振动状态分析方法、系统、装置及可读存储介质，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种工业机器人振动状态分析方法，包括如下步骤：

步骤1：将加速度传感器固定在机器人末端，先采集加速度传感器固定后静止状态下的加速度数据，并在之后的动态测试中将动态加速度的数据减去静态加速度的数据各轴的平均值；

步骤2：通过加速度传感器记录机器振动原始数据，调用振动分析软件读入接口读取机器振动加速度、角速度、角度；

步骤3：计算加速度各方向的平均速度；

步骤4：计算加速度合方向的平均速度；

步骤5：计算加速度各方向的μ-3σ、μ+3σ；

步骤6：将输入的时频信号转化为幅频信号，对输入信号进行DFT变换到复数域，其中，信号的模为幅频，信号的相角为相频；

步骤7：DFT变换后，变换信号对应的频率由于对称性应取所有频率的1/2；

步骤8：计算加速度、角速度、和角度幅频前6阶的振动频率；

步骤9：计算信号功率谱；

步骤10：通过振动分析软件的图形界面输出幅频特性分析结果。

进一步的，步骤3中的平均速度为：

进一步的，步骤4中的平均速度为：

进一步的，步骤5中的μ+3σ、μ-3σ值：

进一步的，步骤7中变换信号对应的频率采用

表示。

进一步的，步骤9中信号功率谱：W＝20log₁₀(振幅)。

进一步的，所述DFT的公式如下：

其中，X(k)表示DFT变换后的数据，x(n)为采样的模拟信号，公式中的x(n)可以为复信号，实际当中x(n)都是实信号，虚部为0，此时公式可以展开为：

在计算机中展开：

其中，DFT得到的复数模按频率构成的序列是幅频，复数的相位角就是相频，计算信号功率谱，功率谱结果用Powdata[][]存储，其中行数代表数据序列，列数代表坐标轴方向。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种工业机器人振动状态分析系统，包括：

加速度传感器，固定在机器人末端，用于记录机器振动原始数据；

振动状态分析模块，用于计算并输出信号功率谱；

计算机，用于存储振动状态分析模块，并驱动该振动状态分析模块运行；

其中，所述加速度传感器将机器振动原始数据上传到振动状态分析模块。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种工业机器人振动状态分析装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的工业机器人振动状态分析方法的步骤。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的工业机器人振动状态分析方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明，为量化工业衡量机器人各关节的振动状态，基于高精度的加速度传感器和傅里叶频谱分析算法，开发系统振动状态评估软件，将加速度传感器读取的数据通过图形化界面显示，有利于对机器人振动状态进行更好的分析，同时系统简洁，易维护，且测量的机理清楚。

附图说明

图1为本发明振动状态分析流程图。

图2为本发明加速度传感器固定在机器人末端示意图。

图3为本发明分析系统结构示意图。

图4为本发明分析装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上/下端”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置/套设有”、“套接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：

一种工业机器人振动状态分析方法，该分析方法包括如下步骤：

一、测量方法

1、加速度传感器采集数据的过程中，由于重力加速度的影响和坐标轴的限制，导致采集的数据图形化输出不明显，而由于不同机器加速度传感器的固定方式不一致，加速度传感器的固定位置不一定固定在三个坐标轴中的其中一轴方向与重力加速度一致，为了排除重力加速度对采集数据的影响，需先采集传感器固定后静止状态下的加速度数据，并在之后的动态测试中将动态加速度的数据减去静态加速度的数据各轴的平均值。

2、通过六轴高精度传感器(加速度传感器)记录机器振动原始数据，调用振动分析软件读入接口(EXCEL接口)读取机器振动加速度、角速度、角度。

3、计算加速度各方向的平均速度：

4、计算加速度合方向的平均速度：

5、计算加速度各方向的μ-3σ,μ+3σ值：

6、将输入的时频信号转化为幅频信号，对输入信号(加速度、角速度、角度)进行DFT变换到复数域，其中，信号的模为幅频，信号的相角为相频。

7、DFT后，变换信号对应的频率由于对称性应取所有频率的1/2，即：

8、计算加速度、角速度、和角度幅频前6阶的振动频率。

9、计算信号功率谱：W＝20log₁₀(振幅)。

10、振动状态分析流程如附图1所示。

二、DFT算法应用

DFT(Discrete Fourier Transform)是离散傅里叶变换，它是将连续的时域信号通过采样进行离散化后，变换到频域信号，再将频域信号通过采样进行离散化，得到离散的频域信号，因为其时域信号和频域信号都是离散的，可以很方便计算机进行计算。

DFT的公式如下：

在计算机中展开：

其中，DFT得到的复数模按频率构成的序列是幅频，复数的相位角就是相频。计算信号功率谱，功率谱结果用Powdata[][]存储，其中行数代表数据序列，列数代表坐标轴方向。

具体的：

一、测试过程及步骤

1、将传感器固定在机器人末端(推荐螺栓固定)，如附图2所示；

2、将蓝牙接口连接到计算机，打开加速度计的电源，为保证加速计的数据传输，计算机和蓝牙尽量不要超过5m；

3、启动测试设备，待设备运行平稳；

4、启动振动状态分析软件，点击主界面的测试按钮，打开上位机程序，点击开始和停止后，软件自动保存测试数据；

5、在菜单栏目选择消除重力加速度影响的方法，选择模式一(动态-静态)，消除静止状态下加速度对运动状态加速度的影响。点击“静态”按钮，，导入静止运动状态下采集的文本文档数据。

6、点击“动态”按钮，导入运动状态下采集的文本文档数据。

7、点击“计算”按钮，即可通过振动分析软件的图形界面输出幅频特性分析结果；

8、在菜单栏目选择消除重力加速度影响的方法，选择模式二(动态)，消除直流信号(重力加速度)在坐标图上对运动状态加速度幅频显示的影响。点击“动态”按钮，导入运动状态下采集的文本文档数据。

9、点击“计算”按钮，即可通过振动分析软件的图形界面输出幅频特性分析结果；

10、点击“输出数据”按钮，保存输出数据，供后续查看分析结果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种工业机器人振动状态分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤3：计算加速度各方向的平均速度；

步骤4：计算加速度合方向的平均速度；

步骤5：计算加速度各方向的μ-3σ、μ+3σ；

步骤9：计算信号功率谱；

2.根据权利要求1所述的工业机器人振动状态分析方法，其特征在于，步骤3中的平均速度为：

3.根据权利要求1所述的工业机器人振动状态分析方法，其特征在于，步骤4中的平均速度为：

4.根据权利要求1所述的工业机器人振动状态分析方法，其特征在于，步骤5中的μ+3σ、μ-3σ值：

5.根据权利要求1所述的工业机器人振动状态分析方法，其特征在于，步骤7中变换信号对应的频率采用

表示。

6.根据权利要求1所述的工业机器人振动状态分析方法，其特征在于，步骤9中信号功率谱：W＝20log₁₀(振幅)。

7.根据权利要求1所述的工业机器人振动状态分析方法，其特征在于，所述DFT的公式如下：

在计算机中展开：

8.一种工业机器人振动状态分析系统，其特征在于，包括：

振动状态分析模块，用于计算并输出信号功率谱；

其中，所述加速度传感器将机器振动原始数据上传到振动状态分析模块；

加速度传感器用于先采集加速度传感器固定后静止状态下的加速度数据，并在之后的动态测试中将动态加速度的数据减去静态加速度的数据各轴的平均值；通过加速度传感器记录机器振动原始数据，调用振动分析软件读入接口读取机器振动加速度、角速度、角度；振动状态分析模块用于计算加速度各方向的平均速度；计算加速度合方向的平均速度；计算加速度各方向的μ-3σ、μ+3σ；将输入的时频信号转化为幅频信号，对输入信号进行DFT变换到复数域，其中，信号的模为幅频，信号的相角为相频；DFT变换后，变换信号对应的频率由于对称性应取所有频率的1/2；计算加速度、角速度、和角度幅频前6阶的振动频率；计算信号功率谱；通过振动分析软件的图形界面输出幅频特性分析结果。

9.一种工业机器人振动状态分析装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1～5任一项所述的工业机器人振动状态分析方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～5任一项所述的工业机器人振动状态分析方法的步骤。