服务机器人可靠性振动试验的剖面设计与验证要求

关卫斌，陈海锋

（广东产品质量监督检验研究院，广东 广州 510670）

0 引言

在GB/T 39266 2020、GB/T 39006

2020、GB/T 2423.10 2019、GB/T 2423.56 2018、GB/T 34986 2017 等标准中，提出了对服务机器人设备进行正弦扫频试验或随机振动试验要求。为进一步提高服务机器人设备的可靠性，也可以通过各类加速试验使其充分地暴露缺陷。由于服务机器人设备的种类较多，使用场景也大不相同，在加速试验期间应参考GB/T 34986 2017 的试验要求评估产品的环境应力。本文以清扫机器人可靠性振动要求为例，结合实测场景数据推导可靠性振动试验的剖面设计与验证要求。

1 振动数据特征样本

为有效地解决服务机器人实际工作中的振动问题，分别对各个数据通道和不同场景运行状态的实测振动数据进行处理，结合修正后的容差上限法推导相应的试验要求及试验剖面。在此基础上，给出服务机器人设备正弦振动、随机振动、定频振动试验的剖面与验证要求。为了更准确地制定清扫机器人的振动试验条件，对其产生的不同振动应力进行分析。

图1 为清扫机器人在不同作业环境下的振动图谱。从图1 中可以看出，在草地停车场作业环境下，只有一个共振频率，加速度峰值为22 m/s2，共振点频率之后的频段实测加速度值基本相同且数值不大；在人行道作业环境下，路面相对平缓且运行速度不大，共有两个共振频率且在低频时的加速度峰值较大，加速度峰值为34 m/s2；在平地作业环境下，路面相对平缓且行驶时间较长，有多个共振频率且在低频时的加速度值较大，加速度峰值为15.6 m/s2，集中在550 Hz 内，后半段频率的加速度峰值较大；在斜坡减速带作业环境下，路面相对陡峭，运行时间不长，有多个共振频率且在低频时的加速度值较大，加速度峰值为14.8 m/s2，集中在550 Hz 内。

图1 清扫机器人在不同作业环境下的振动图谱

2 振动数据分析

清扫机器人在不同作业环境下的振动数据见表1。

表1 清扫机器人在不同作业环境下的振动数据

在实测的四种场景中，低频时对应的振动幅值偏大，在中频段区间的振动幅值明显低于前者。在550 ～1 000 Hz 频率范围内基本无共振点，振动幅值平缓且较小。

实测的四种场景中的共振频率点集中在低频段。频率越低，加速度幅值越大，对清扫机器人的影响就越大。其中，在河边人行道的振动幅值最大，同时对清扫机器人的接插件影响也最大，将该幅值作为实测最大值参考，通过加速得出试验条件的最大值。

实测中，清扫机器人在平地场景的工作时间最长，整车反馈的共振频率点的数量最多，主要分布在前中短频率，振动幅值相对更小。

3 试验要求与剖面设计

根据产品的环境适应性与可靠性相关标准要求，对清扫机器人拟定正弦和随机振动试验要求。考虑到产品的尺寸较大，内部及核心部件存在共振损伤情况，需要设定共振点定频耐久试验。

1）扫频耐久试验。进行初始化检查，检查完毕后将清扫机器人安装在振动台上，试验期间样品不通电。试验条件及参数如下：

扫频速率：0.5 oct/min；频率范围：5 ～1 000 Hz；振动幅值：5 ～55 Hz 加速度峰值为20 m/s2，55 ～550 Hz 加速度峰值为10 m/s2，550～1 000 Hz加速度峰值为5 m/s2；振动方向：X、Y、Z；试验持续时间：每个轴向持续1 h。当前加速度峰值根据最大实测值34 m/s2，结合修正后的容差上限系数法推导得出。

扫频耐久试验剖面图如图2 所示。

图2 扫频耐久试验剖面图

2）随机振动试验。进行初始化检查，检查完毕后将清扫机器人安装在振动台上，试验期间样品不通电。试验条件及参数见表2。随机振动试验剖面图如图3 所示。

表2 试验条件

图3 随机振动试验剖面图

3）定频耐久试验。试验前应进行振动响应检查，找出共振频率。建议安装3 个监测传感器，分别定位于清扫机器人外表面中心位置、右侧底盘位置以及受振动影响最大的位置（该位置由企业自定）。试验期间给样品上电，试验条件及参数如下：

扫频速率：1 oct/min；频率范围：1 ～1 000 Hz；振动幅值：1 ～1 000 Hz，加速度峰值为5 m/s2；振动方向：X、Y、Z；循环次数：每个轴向循环1 次。

振动响应检查试验剖面图如图4 所示。

图4 振动响应检查试验剖面图

定频耐久试验前，应检查得到的共振频率。首先，固定频率，即共振频率，施加的频率始终保持在该共振频率上，在Z轴上以20 m/s2加速度持续30 min。其次，靠近固定频率进行有限的频率范围扫描。如果实际共振频率不清晰（出现颤动且颤动的频率相近或出现多个较为相近的共振点），应在共振频率0.8 ～1.2 倍的范围内进行扫频，在Z轴上以20 m/s2加速度持续60 min。试验期间样品不通电，定频耐久试验剖面图如图5 所示。

图5 定频耐久试验剖面图

4 验证要求

试验样品的要求是为了防止清扫机器人产生机械疲劳的累加，不建议试验重复使用。试验前后应检查、记录各类数据，确证结果一致性。

试验过程中应考核清扫机器人及其部件的疲劳程度，连接处是否有松动以及内部结构是否稳固，功能是否正常。采用振动幅值逐渐递减的方式，随着频率增大，振动幅值变小。预测前半段频率对清扫机器人的机械损伤相对较大，应从结构、紧固件、连接件等多方面表现综合评估产品的耐受情况。

5 结语

以清扫机器人为例，测量多场景下的振动量化指标，根据现有的统计归纳理论，结合工作经验，给出了基于实测数据的可靠性振动试验剖面与验证要求。通过可靠性量化评价与试验，制造商可以进一步提高相关产品的质量和性能，最大限度满足客户需求。