机械设备服务介绍

工业机器人是现代制造业的核心装备，其运行稳定性直接影响生产效率与产品质量。然而，在搬运、焊接、装配等实际工况中，机器人常面临振动（如传送带周期性激励、电机运转震动）与冲击（如工件跌落、夹具碰撞）的干扰，可能导致关节精度下降、部件疲劳磨损甚至系统故障。因此，振动与冲击测试是确保机器人可靠性的关键环节——通过模拟实际环境中的力学载荷，验证机器人结构强度、部件耐久性及性能稳定性。本文将从测试准备、方法选择、设备使用到数据处理，详细拆解工业机器人振动与冲击测试的全流程。

测试前的基础准备工作

测试前的准备直接决定结果的可靠性，首要任务是收集机器人的基础资料：包括额定负载、关节最大角速度、结构刚度（如底座与大臂的连接刚度）、工作环境的振动频谱（可通过现场监测获取）及制造商提供的测试标准（如ISO 10816-3关于旋转机械振动的要求）。这些资料能帮助确定测试的边界条件，避免因参数不符导致的测试无效。

接下来是制定详细的测试方案：需明确测试目标（如验证结构抗振性、评估末端执行器的冲击耐受度）、测试点位置（通常选择振动传递路径上的关键部位，如底座、关节减速器输入端、末端执行器安装面）、测试工况（如空载、半负载、满载）及参照标准（如GB/T 2611-2007《试验机通用技术要求》或行业特定标准）。例如，测试焊接机器人的末端振动时，需将传感器安装在焊枪连接法兰处，模拟实际焊接时的负载（如5kg焊枪+2kg焊丝）。

样品准备环节需确保机器人处于正常工作状态：检查关节润滑情况（如减速器是否有漏油）、紧固件是否松动（如底座螺栓的扭矩是否符合要求）、电缆是否固定（避免测试中电缆晃动引入额外振动）。若测试带负载的工况，需用专用夹具固定负载，确保负载重心与机器人末端的重心重合，防止偏心负载导致的附加弯矩。

最后是人员培训：测试人员需熟悉设备操作（如振动台的参数设置）、传感器校准方法及紧急停止流程。例如，操作电磁式振动台时，需掌握“预启动-低幅值调试-正式测试”的步骤，避免突然加载导致机器人损坏。

振动测试的类型与具体实施方法

工业机器人的振动测试主要分为三类：正弦振动、随机振动与扫频振动，需根据实际工况选择。正弦振动模拟周期性激励（如传送带的循环运动），测试时需设定固定频率或频率范围（如5-500Hz）、加速度幅值（如0.5-5g）及持续时间（如每个频率点保持10分钟）。例如，测试搬运机器人底座的抗振性时，正弦振动需覆盖传送带的工作频率（如15Hz），并将加速度设定为实际工况的1.2倍，验证底座是否出现共振。

随机振动模拟复杂的非周期性激励（如汽车生产线的多源振动），需根据现场采集的振动频谱设定功率谱密度（PSD）曲线，涵盖机器人工作的所有频率范围（如10-2000Hz）。测试时，振动台会同时输出多个频率的振动，更接近实际环境。例如，测试装配机器人的关节振动时，随机振动的PSD曲线需匹配装配线的振动数据，重点关注关节减速器的共振频率（如200Hz左右）。

扫频振动用于寻找机器人的共振频率，测试时频率从低到高（或相反）连续变化（如5-1000Hz，扫频速率1oct/min），同时监测加速度响应。当响应加速度突然增大时，对应的频率即为共振频率——这是机器人设计的关键参数，需确保共振频率远离工作频率。例如，某型号机器人的大臂共振频率为120Hz，若其工作频率为80Hz，需通过结构优化（如增加加强筋）将共振频率提高至150Hz以上。

实施振动测试时，传感器的安装是关键：需选择与测试频率匹配的加速度传感器（如压电式传感器适用于高频振动，应变式适用于低频），并用专用胶水或磁吸座固定，确保传感器与测试点刚性连接（避免“附加质量”影响测量结果）。例如，测试末端执行器的振动时，传感器需粘贴在执行器的中心位置，且导线需固定（避免导线晃动产生噪声）。

冲击测试的类型与操作要点

冲击测试模拟机器人在搬运、安装或故障时受到的瞬时力学载荷，主要类型包括半正弦冲击、方波冲击与锯齿波冲击。半正弦冲击是最常见的类型，模拟跌落或碰撞（如机器人搬运工件时突然掉落），其加速度曲线呈半正弦形，参数包括峰值加速度（如10-50g）、脉冲持续时间（如1-10ms）。例如，测试物流机器人的末端夹具冲击耐受度时，半正弦冲击需设定峰值加速度20g、持续时间5ms，模拟夹具抓取工件时的意外碰撞。

方波冲击模拟突然的刚性碰撞（如机器人与工作站围栏的撞击），其加速度曲线在峰值保持一段时间（如2ms），适用于测试结构的抗冲击强度。锯齿波冲击模拟线性加速的冲击（如机器人快速启动时的惯性冲击），加速度曲线呈三角形，适用于测试部件的疲劳寿命。

冲击测试的操作要点：首先确定冲击方向——需覆盖机器人实际可能受到的方向（如轴向、径向、垂直方向），例如，搬运机器人的底座需测试垂直方向（地面冲击）与水平方向（传送带侧向冲击）的冲击。其次，冲击的循环次数——需根据机器人的使用频率设定，如每天可能受到5次冲击的机器人，测试时需循环100次，验证部件的耐久性。

测试时需注意：冲击台的负载能力需匹配机器人的重量（如100kg的机器人需选择负载200kg以上的冲击台），避免冲击台过载。同时，需用高速摄像机记录冲击过程，观察机器人的变形情况（如大臂是否弯曲），辅助判断结构的完整性。

测试设备的选择与校准要求

振动测试的核心设备是振动台：电磁式振动台适用于高频、小负载的测试（如末端执行器的振动，负载≤50kg），具有响应快、精度高的优点；液压式振动台适用于低频、大负载的测试（如底座的振动，负载≥100kg），能提供更大的位移与力。例如，测试重型搬运机器人（负载500kg）的底座振动时，需选择液压式振动台，其最大负载可达1000kg，位移范围±50mm。

冲击测试的核心设备是冲击台：跌落式冲击台通过重物跌落产生冲击（适用于半正弦冲击），气动式冲击台通过压缩空气推动活塞产生冲击（适用于方波、锯齿波冲击）。例如，测试机器人末端的小负载冲击时，跌落式冲击台更经济；测试底座的大负载冲击时，气动式冲击台能提供更稳定的峰值加速度。

传感器的选择需匹配测试参数：加速度传感器的量程需覆盖测试的峰值加速度（如测试50g的冲击，需选择量程100g的传感器），频率范围需覆盖测试的频率范围（如测试1000Hz的振动，需选择频率范围0.5-5000Hz的传感器）。数据采集系统的采样率需满足Nyquist定理（如测试频率1000Hz，采样率需≥5000S/s），分辨率需≥16位（避免量化误差）。

设备校准是确保测试精度的关键：需定期用标准校准器（如B&K的4294型振动校准器）校准传感器与振动台——校准传感器时，需将传感器安装在标准振动台上，输入已知的加速度（如1g），检查传感器的输出是否一致；校准振动台时，需用标准传感器测量振动台的输出，确保频率、加速度与设定值的误差≤5%。例如，校准电磁式振动台时，若设定频率100Hz、加速度1g，标准传感器的测量结果需在95-105Hz、0.95-1.05g之间。

测试环境的控制要点

测试环境的温度需控制在20-25℃之间：温度过高会导致传感器的灵敏度下降（如压电式传感器的压电材料性能随温度升高而降低），温度过低会导致润滑油粘度增加（影响机器人关节的运动）。例如，在夏季测试时，需开启空调降温，避免振动台的电机过热。

湿度需控制在40%-60%之间：湿度过高会导致设备受潮（如数据采集系统的电路板短路），湿度过低会产生静电（影响传感器的信号传输）。例如，在南方梅雨季节测试时，需使用除湿机，保持测试室的湿度在50%左右。

电磁干扰的控制：测试现场需远离变频器、电焊机、高压线路等强电磁干扰源，传感器的导线需使用屏蔽线（如同轴电缆），并将屏蔽层接地（避免电磁噪声引入信号）。例如，测试焊接机器人的振动时，需将测试设备与电焊机保持10米以上的距离，并用屏蔽线连接传感器与数据采集系统。

机器人的固定：需用专用夹具将机器人底座固定在振动台或冲击台上，确保固定刚度大于机器人的结构刚度（避免夹具变形影响测试结果）。例如，固定重型机器人时，需使用M20以上的螺栓，将底座与振动台的台面刚性连接，并用扭矩扳手拧紧至制造商规定的扭矩（如200N·m）。

测试数据的采集与处理方法

数据采集时，需设置合理的触发条件：例如，振动测试可设置“加速度超过0.1g”触发采集，避免记录无效数据；冲击测试可设置“峰值加速度超过5g”触发采集，确保捕捉到冲击过程的完整波形。同时，需记录测试的环境参数（如温度、湿度）与机器人的工况（如负载、关节角度），便于后续分析。

数据处理的第一步是滤波：使用低通滤波器去除高频噪声（如传感器导线的晃动噪声），截止频率需设置为测试频率范围的1.5倍（如测试频率0-1000Hz，截止频率设为1500Hz）。例如，测试末端执行器的振动时，若原始数据中存在2000Hz的高频噪声，需用低通滤波器将其滤除，避免影响特征参数的提取。

特征参数的提取是数据处理的核心：振动测试需提取加速度峰值（Peak）、均方根值（RMS）、峰值因数（Peak/RMS）及频率谱（通过FFT变换获取）；冲击测试需提取峰值加速度、脉冲持续时间、速度变化量（Velocity Change）及能量谱。例如，振动测试中，若某关节的RMS值超过制造商规定的0.2g，说明该关节的振动过大，需检查减速器的润滑情况。

数据的可视化有助于快速识别问题：时域波形（时间-加速度曲线）可观察振动或冲击的变化趋势（如是否有周期性波动、是否有突变）；频域谱图（频率-加速度曲线）可识别共振频率（如某频率点的加速度幅值明显高于其他点）。例如，通过频域谱图发现机器人底座在15Hz处有共振峰，说明该频率与传送带的工作频率重合，需调整传送带的速度或机器人的结构。

测试中异常情况的识别与应对

测试中常见的异常情况包括：机器人发出异响（如关节减速器的齿轮啮合声）、传感器信号异常（如信号突然消失或波动过大）、振动台/冲击台过载（如设备报警）。当出现异响时，需立即停止测试，检查关节是否有松动或齿轮磨损——例如，某机器人在振动测试中发出“咔咔”声，拆开减速器后发现齿轮齿面有划痕，需更换齿轮后重新测试。

传感器信号异常的原因可能是：传感器安装不牢固（如胶水未干导致传感器脱落）、导线接触不良（如插头松动）、电磁干扰（如附近有电焊机工作）。应对措施：重新安装传感器（用新的胶水粘贴）、检查导线插头（确保插紧）、远离干扰源（将测试设备移至另一房间）。

振动台/冲击台过载的原因可能是：机器人重量超过设备负载能力（如用50kg负载的振动台测试100kg的机器人）、测试参数设置过大（如加速度设定为10g，超过设备的最大输出）。应对措施：更换更大负载的设备、调整测试参数（将加速度降至设备允许的范围）。

另外，测试中若机器人出现位移（如底座从振动台上滑动），需立即停止测试，检查固定夹具是否松动——例如，某机器人在随机振动测试中滑动了50mm，原因是固定螺栓的扭矩不足（仅拧到100N·m，而要求是200N·m），需重新拧紧螺栓后再测试。

测试后的性能验证环节

测试完成后，首先需检查机器人的外观与结构：观察是否有部件变形（如大臂弯曲）、紧固件松动（如关节螺栓脱落）、电缆损坏（如导线绝缘层破裂）。例如，冲击测试后，若发现末端执行器的法兰有裂纹，说明该部件的冲击耐受度不足，需更换更厚的法兰。

接下来是功能验证：测试机器人的重复定位精度（如用激光跟踪仪测量末端执行器的定位误差）、关节灵活性（如手动转动关节，检查是否有卡滞）、负载能力（如搬运额定负载，检查是否能正常运行）。例如，振动测试后，若机器人的重复定位精度从0.05mm上升至0.1mm，说明振动导致关节减速器的间隙增大，需调整减速器的预紧力。

然后是数据的复现性验证：重复测试1-2次，检查两次测试的特征参数（如加速度RMS值、共振频率）是否一致（误差≤10%）。若复现性差，说明测试过程存在不稳定因素（如传感器安装不牢固、环境温度变化），需重新检查测试条件并再次测试。

最后是部件的耐久性检查：对于长期使用的机器人，需对测试后的关键部件（如减速器、轴承）进行拆解检查，观察是否有疲劳磨损（如轴承滚道的点蚀、齿轮齿面的胶合）。例如，经过100次冲击测试后，拆解减速器发现轴承滚道有轻微点蚀，说明该轴承的寿命可能不足，需更换更高承载能力的轴承。