劉 偉，趙玄玉，查明虎，朱 黎,2*，胡 濤

(1.湖北民族大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.硒食品營(yíng)養(yǎng)與健康智能技術(shù)湖北省工程研究中心，湖北 恩施 445000)

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，如今工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、電子和電氣工業(yè)、食品工業(yè)等領(lǐng)域[1].工業(yè)機(jī)器人通常由多軸機(jī)械臂構(gòu)成，軸關(guān)節(jié)是工業(yè)機(jī)器人的核心部分，伺服電機(jī)是工業(yè)機(jī)器人軸關(guān)節(jié)主要部件之一[2]，因此軸電機(jī)是否處于健康狀態(tài)，關(guān)系到整個(gè)工業(yè)機(jī)器人能否正常工作.評(píng)估軸電機(jī)健康狀態(tài)的參數(shù)有多種，如電機(jī)溫度、電機(jī)扭矩、電機(jī)噪聲和電機(jī)電流等，選用電機(jī)電流參數(shù)用于電機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析也是近年來的研究熱點(diǎn).李峰等[3]利用電機(jī)電流和振動(dòng)信號(hào)的融合信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與單一電機(jī)電流或振動(dòng)信號(hào)相比，利用融合信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)子故障系統(tǒng)診斷的準(zhǔn)確率明顯提高了.趙迪等[4]提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的基于機(jī)器人軸電機(jī)電流變化速度來檢測(cè)碰撞的方法，最終的碰撞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，機(jī)械臂可以快速檢測(cè)到碰撞并做出相應(yīng)反應(yīng)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo).綜上所述，采集工業(yè)機(jī)器人軸電機(jī)電流數(shù)據(jù)具有重要意義.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

圖2 四軸機(jī)器人主體Fig.2 Main body of four-axis robot

圖3 閉環(huán)霍爾電流傳感器工作原理Fig.3 Working principle of closed-loop Hall current sensor

目前，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)運(yùn)作過程中出現(xiàn)故障時(shí)，通常會(huì)因?yàn)槟承﹨?shù)超過閾值[5]而報(bào)警甚至停機(jī)，此時(shí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行保養(yǎng)維修會(huì)耗費(fèi)一定時(shí)間，影響生產(chǎn)鏈的運(yùn)作，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失.因此，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的大量工作數(shù)據(jù)進(jìn)行健康預(yù)測(cè)，有一定的研究意義.工業(yè)機(jī)器人的多種運(yùn)行參數(shù)封裝在其內(nèi)部程序中，軸關(guān)節(jié)電機(jī)的電流為其中參數(shù)之一.

為此，本文設(shè)計(jì)了一種工業(yè)機(jī)器人軸電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有非接觸式采集軸電流數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，可導(dǎo)出特定時(shí)間段內(nèi)軸電流數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為1臺(tái)四軸工業(yè)機(jī)器人，通過機(jī)器人示教器進(jìn)行編程，結(jié)合機(jī)器人電氣柜，可操控四軸機(jī)器人各軸完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng).電流傳感器可將采集的各軸電流數(shù)據(jù)上傳至(programmable logic controller，PLC)，通過編程實(shí)現(xiàn)電流監(jiān)視，導(dǎo)出電流譜圖，并通過復(fù)位按鈕模塊控制特定時(shí)間內(nèi)軸電流數(shù)據(jù)的記錄，最后對(duì)軸電流數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合分析.圖2為四軸機(jī)器人主體圖.

2 閉環(huán)霍爾電流傳感器選型

目前，霍爾電流傳感器主要用在電流信號(hào)的檢測(cè)中，該類型傳感器具有非接觸式、測(cè)量精度高、工作頻帶寬、線性度好和體積小等優(yōu)點(diǎn)[6].霍爾電流傳感器分為2類：開環(huán)(直放式)電流傳感器和閉環(huán)(磁平衡)電流傳感器.與開環(huán)霍爾電流傳感器相比，閉環(huán)霍爾電流傳感器因其零磁通的工作原理，具有響應(yīng)時(shí)間更快、帶寬范圍更大、線性度更好和精度更高的優(yōu)點(diǎn).閉環(huán)霍爾電流傳感器工作原理如圖3所示.被測(cè)電流在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)B1,霍爾元件感應(yīng)到磁場(chǎng)，輸出霍爾信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)線性放大、比例積分等處理后，通過功率放大電路輸出一個(gè)補(bǔ)償電流，該電流經(jīng)過副邊補(bǔ)償繞組產(chǎn)生與B1方向相反的磁場(chǎng)B2，使氣隙中的總磁場(chǎng)減小，從而導(dǎo)致霍爾元件輸出的霍爾信號(hào)減小，直到B1=B2，氣隙中的霍爾元件處于零磁通狀態(tài)，此時(shí)有：N1I1=N2I2，其中N1為一次側(cè)線圈匝數(shù)，I1為原邊電流(被測(cè)電流)，N2為副邊補(bǔ)償繞組匝數(shù)，I2為補(bǔ)償電流.通過檢測(cè)補(bǔ)償電流值大小，即可算出被測(cè)電流值[7-8].

本文采集的工業(yè)機(jī)器人軸電流是由交流伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生，通過電機(jī)動(dòng)力線纜傳至工業(yè)機(jī)器人軸關(guān)節(jié)內(nèi)部的交流伺服電機(jī)，傳輸信號(hào)是頻率為20 kHz的交流電信號(hào)，信號(hào)形式是正弦脈寬調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM).結(jié)合實(shí)際需要，選用4種型號(hào)的霍爾電流傳感器在工業(yè)機(jī)器人上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，型號(hào)為ZQM10ZYX22T24的霍爾電流傳感器取得較好測(cè)量效果，所測(cè)電流值在工業(yè)機(jī)器人軸電流的額定范圍內(nèi).表1為4種型號(hào)霍爾電流傳感器主要參數(shù)對(duì)比.由表1可知，ZQM10ZYX22T24霍爾電流傳感器的測(cè)量精度較高、頻率范圍較寬、交流電可測(cè)，滿足測(cè)試要求.

表1 4種型號(hào)霍爾電流傳感器主要參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of main parameters of four non-contact current sensors

圖4 霍爾電流傳感器測(cè)量原理Fig.4 Schematic diagram of Hall current sensor measurement

圖5 PLC外部接口分配Fig.5 PLC external interface distribution

圖6 模擬量轉(zhuǎn)換模塊Fig.6 Analog conversion module

閉環(huán)霍爾電流傳感器的測(cè)量原理如圖4所示.傳感器由24 V電源供電，非接觸式測(cè)量方式，原邊輸入0～10 A軸電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20 mA電流信號(hào)，傳至西門子模擬量輸入模塊SM1231，當(dāng)原邊不通電時(shí)，輸出電流信號(hào)為4 mA,輸出電流Iout與輸入電流Iin為線性轉(zhuǎn)化關(guān)系：Iout=0.0016×Iin+4.

3 軸電流讀取軟件設(shè)計(jì)

選用西門子S7-1200系列的PLC作為軸電流信號(hào)處理裝置，CPU模塊選用的是1214C DC/DC/DC，模擬量輸入模塊采用的是SM1231 AI 4×13.圖5為PLC外部接口分配圖，模擬量輸入模塊SM1231有4路采集通道，0～3模擬量輸入通道依次對(duì)應(yīng)測(cè)量工業(yè)機(jī)器人軸1到軸4關(guān)節(jié)處電流的4個(gè)電流傳感器.CPU模塊采用以太網(wǎng)方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，I0.2和I0.3外接了2個(gè)自復(fù)位按鈕，負(fù)責(zé)開始和停止記錄軸電流數(shù)據(jù).軟件設(shè)計(jì)是利用博途軟件實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)功能：軸電流數(shù)據(jù)讀取、軸電流譜生成和軸電流數(shù)據(jù)記錄.

3.1 軸電流數(shù)據(jù)讀取

電流傳感器的輸出為4～20 mA電流信號(hào)，需通過標(biāo)準(zhǔn)化指令和縮放指令將4～20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10 A的電流數(shù)值，被測(cè)電流值可直接通過博途軟件顯示.模擬量轉(zhuǎn)換模塊如圖6所示.

3.2 軸電流譜生成

利用Trace(軌跡)功能將特定時(shí)間段內(nèi)讀取的軸電流數(shù)據(jù)生成軸電流譜圖[9]，能直觀地觀察軸電流的特性.首先打開軌跡功能模塊，添加四軸工業(yè)機(jī)器人4個(gè)軸電流軌跡；然后，對(duì)軌跡組態(tài)內(nèi)容進(jìn)行編輯，包括信號(hào)、記錄條件(采樣、觸發(fā)器、設(shè)備上的測(cè)量)的參數(shù)設(shè)置，信號(hào)參數(shù)需將預(yù)采集的軸電流信號(hào)變量地址導(dǎo)入；其中設(shè)置記錄時(shí)長(zhǎng)為5 000個(gè)采樣數(shù)，總時(shí)間為5 s,每秒記錄1 000個(gè)點(diǎn)；觸發(fā)模式為立即記錄，可手動(dòng)選擇記錄任意5 s時(shí)段內(nèi)的軸電流數(shù)據(jù).4個(gè)軸電流的電流譜圖如圖7所示.

觀察軸電流譜圖，可看出4個(gè)軸的電流譜形狀差異較大，在時(shí)間分布上呈現(xiàn)近似的周期性；軸2電流譜分布最密集，即單位時(shí)間內(nèi)電流值上下波動(dòng)次數(shù)最多，軸1電流譜密集性和軸2接近但次之，軸3和軸4電流譜密度較接近，比較稀疏，但軸3電流譜鋸齒較多，波動(dòng)性稍大一些.

3.3 軸電流數(shù)據(jù)記錄

為了便于軸電流數(shù)據(jù)分析，需對(duì)軸電流數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄.利用數(shù)據(jù)日志功能[10]，對(duì)設(shè)定時(shí)間段內(nèi)軸電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過Web瀏覽器，將采集的數(shù)據(jù)以Excel表格形式下載到計(jì)算機(jī).如圖8所示，為軸電流數(shù)據(jù)記錄模塊.

使用S7-1200 CPU內(nèi)置的Web服務(wù)器，可管理數(shù)據(jù)日志文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)日志文件的下載、刪除和重命名.如表2所示，為已下載數(shù)據(jù)日志中記錄的各軸電流數(shù)據(jù).

(a) 軸1 (b) 軸2

(c) 軸3 (d) 軸4圖7 軸1至軸4電流譜圖Fig.7 Shaft 1 to shaft 4 current spectrum

圖8 軸電流數(shù)據(jù)記錄模塊Fig.8 Shaft current data recording module

表2 記錄的各軸電流數(shù)據(jù)Tab.2 Recorded current value of each axis

表3 3種數(shù)學(xué)模型下的卡方值對(duì)比Tab.3 Comparison of chi-square values under three mathematical models

4 軸電流數(shù)據(jù)分析

利用高斯模型[11]、偽福格特模型[12]和對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型[13]3種方法對(duì)工業(yè)機(jī)器人各軸同組電流數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，用擬合結(jié)果中的Chi-square(卡方)值評(píng)估數(shù)學(xué)模型的擬合效果.Chi-square text[14]可用于檢驗(yàn)擬合曲線和離散數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度，如果卡方值越小，二者偏差程度越小，即相關(guān)度越高.3種數(shù)學(xué)模型下的卡方值對(duì)比情況如表3所示，由表可知3種數(shù)學(xué)模型中，高斯模型下4個(gè)軸電流數(shù)據(jù)擬合結(jié)果的卡方值都是最小的.

在定量分析模型中常用到高斯擬合[15-16]，該擬合方式可簡(jiǎn)化模型，提高模型的可解釋性.通過對(duì)采集的軸電流數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析取得較好擬合效果，確定擬合函數(shù)為

式中，xdata、ydata為擬合數(shù)據(jù)，xdata代表采樣數(shù)，ydata代表電流值，α、β、γ為輸出參數(shù)，利用高斯擬合函數(shù)對(duì)采集的軸電流離散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合逼近得出高斯擬合曲線，采樣數(shù)為600.調(diào)整輸出參數(shù)α、β、γ使得高斯擬合曲線達(dá)到最佳效果，以軸1為例，圖9為軸1電流數(shù)據(jù)的高斯擬合曲線.如表4所示，記錄了各軸電流數(shù)據(jù)達(dá)到最佳高斯擬合效果時(shí)的輸出參數(shù)和起始電流值.

綜上分析，在保證工業(yè)機(jī)器人各軸運(yùn)動(dòng)速度、采樣數(shù)等條件一致情況下，對(duì)軸電流數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合得出以下結(jié)果：以軸1為例，對(duì)單軸運(yùn)動(dòng)時(shí)采集的軸1電流數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合所得曲線為a，對(duì)四軸聯(lián)合運(yùn)動(dòng)時(shí)采集的軸1

圖9 軸1電流數(shù)據(jù)的高斯擬合曲線Fig.9 Gaussian fitting curve of axis 1 current data

表4 最佳高斯擬合效果下的輸出參數(shù)和起始電流值對(duì)比Tab.4 Comparison of output parameters and initial current values under the best Gaussian fitting effect

電流數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合所得曲線為b，曲線a的起始電流值相比于b高0.003 A,即軸1單軸運(yùn)動(dòng)時(shí)起始電流值偏高0.003 A；同理得，軸4單軸運(yùn)動(dòng)時(shí)起始電流值偏高0.010 A，而軸2單軸運(yùn)動(dòng)時(shí)起始電流值偏低0.025 A,軸3單軸運(yùn)動(dòng)時(shí)起始電流值偏低0.005 A.

5 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人健康問題備受當(dāng)今社會(huì)關(guān)注，軸關(guān)節(jié)作為機(jī)器人核心部分之一，其運(yùn)動(dòng)健康狀態(tài)尤為重要.本文從工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的實(shí)際需要出發(fā)，利用霍爾電流傳感器對(duì)工業(yè)機(jī)器人軸關(guān)節(jié)電流進(jìn)行非接觸式采集，利用高斯擬合分析電流數(shù)據(jù)，結(jié)果表明四軸工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與軸電流變化呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用軸電流之間的差異性可以較好地反映出工業(yè)機(jī)械臂軸關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和狀態(tài)，為未來的工業(yè)機(jī)器人健康監(jiān)測(cè)提供了理論和數(shù)據(jù)支撐.