工业机器人零部件耐久性评估的连续运行测试

工业机器人的可靠运行高度依赖关键零部件（如减速箱、轴承、伺服电机）的耐久性，而连续运行测试是评估其长期服役能力的核心技术手段。该测试通过模拟真实应用中的循环运动、负载变化与环境条件，实现疲劳损伤的可控积累，精准还原零部件的失效过程，为设计优化、质量验证提供数据支撑。本文从测试逻辑、工况设计、参数选择到失效分析，系统解析连续运行测试的专业路径，助力企业提升零部件可靠性。

连续运行测试的核心逻辑：模拟真实疲劳积累

连续运行测试并非“长时间空转”，而是通过“加速但不扭曲”的方式，复刻零部件在实际场景中的疲劳损伤过程。其核心是让零部件承受与真实工况一致的应力循环——比如焊接机器人的手腕关节轴承，每天重复1200次高精度轨迹，测试中需压缩至5000小时内完成同样的应力循环，确保失效模式（如轴承滚道点蚀）与真实场景一致。

例如，某搬运机器人的减速箱设计寿命为10000小时，真实工况是每小时运行60个“提升-移动-下降”周期，负载10kg。测试中需保持周期数（5000小时×60=300000次）与负载类型一致，仅通过提高运行频率（每小时80次）缩短测试时间，避免因参数偏离导致失效原因误判。

需注意的是，测试不能“过度加速”——若将运行频率提高至每小时120次，加速度从1m/s²增至2m/s²，会导致惯性力翻倍，应力超过真实场景，引发“虚假失效”（如齿轮因过载断裂，而非疲劳磨损），失去测试意义。

测试工况设计：还原真实场景的三大原则

工况设计是测试有效性的基础，需严格遵循“轨迹还原、负载还原、环境还原”三大原则。不同应用场景的机器人，工况差异极大：焊接机器人需还原高精度重复轨迹（如焊缝直线+圆弧），负载恒定（焊接枪重量）；搬运机器人需还原交变负载（10kg/5kg切换）与多变轨迹（提升-移动-下降）；喷涂机器人需模拟粉尘与溶剂的腐蚀环境。

轨迹还原需用离线编程软件（如ABB RobotStudio）导出真实生产轨迹，转化为测试指令。例如，某焊接机器人的轨迹是“起点→焊缝起点（0.2m/s）→沿焊缝直线500mm（0.2m/s）→圆弧转向（0.1m/s）”，测试中需1:1复制，确保手腕轴承承受的应力与真实一致。

负载还原需考虑“静态+动态”：静态负载是零部件自重（如机器人手臂），动态负载是运动惯性力（如提升10kg负载时，加速度1m/s²产生的20kg惯性负载）。测试中需用电动加载装置模拟这一动态负载，确保零部件承受的应力与真实场景一致。

环境还原需控制温度、湿度、粉尘：例如，汽车总装线的机器人环境是15-35℃、40%-60%湿度，测试中需用环境舱保持这一范围，避免温度过高导致润滑油脂老化，或过低导致密封件变硬。

关键参数选择：匹配设计要求与场景特征

测试参数需基于零部件的设计目标与应用场景选择，核心参数包括运行周期、负载类型、速度与加速度。

运行周期是“一个完整运动循环”（如搬运的“提升-移动-下降-返回”），总周期数需匹配设计寿命——例如，设计寿命10000小时，每小时60周期，总周期数600000次。需避免“过测试”（周期数过多浪费时间）或“欠测试”（周期数不足无法暴露问题）。

负载类型需对应场景：恒定负载适用于焊接机器人（焊接枪重量），交变负载适用于搬运机器人（10kg/5kg切换）。例如，搬运机器人的负载测试需模拟“提升时10kg、移动时5kg、下降时10kg”的交变模式，还原真实应力循环。

速度与加速度需还原真实场景：焊接机器人的速度是0.2m/s、加速度0.5m/s²，测试中需保持一致，避免因速度过快导致惯性力过大，或过慢导致疲劳积累不足。

测试系统构成：硬件与软件的协同设计

测试系统需“硬件+软件”协同，确保测试可控与数据准确。

硬件部分：

1、工装夹具：模拟真实安装方式，如减速箱需固定在与机器人相同的支架上，确保安装刚度一致，避免应力分布改变。

2、加载装置：液压加载（大负载，如100kg以上）或电动加载（小负载高精度，如5kg以下），模拟真实负载。

3、传感器：扭矩传感器（测量减速箱扭矩）、振动传感器（监测轴承磨损）、温度传感器（监测电机温度）、位移传感器（测量齿轮磨损），精度需达0.5级以上。

软件部分：

1、运动控制软件：如KUKA KRC4，控制轨迹重复精度±0.1mm，确保每次运行一致。

2、数据采集软件：如NI LabVIEW，实时监测振动、温度数据，当振动超过 baseline 2倍时自动预警停机，避免进一步损坏。

失效判定：基于标准的客观执行

失效判定需基于“设计要求+行业规范”，常见标准包括：

1、变形过量：齿轮齿面磨损量≥0.1mm（设计阈值），或轴弯曲变形≥0.2mm，需用三坐标测量机或粗糙度仪验证。

2、功能丧失：轴承卡死无法转动，或减速箱输出扭矩下降至设计值85%以下（如输入10N·m，输出需≥9.5N·m，若＜8.5N·m则失效）。

3、性能下降：伺服电机效率下降≥10%（设计90%，测试后80%），或轴承摩擦力矩增加≥50%（初始0.5N·m，测试后0.75N·m）。

判定需“客观可重复”：如齿轮磨损量需测量3个位置取平均，避免主观判断偏差。

失效分析：从现象到根源的改进路径

测试结束后需通过失效分析找出根源，常见方法包括：

1、宏观观察：用放大镜看齿轮齿面的“鱼鳞状磨损”（润滑不足），或轴承滚道的“点蚀”（疲劳失效）。

2、微观分析：用SEM观察齿轮齿面的“疲劳裂纹”，若起源于加工划痕，说明是加工质量问题。

3、理化测试：测试齿轮硬度，若HRC50（设计HRC55），说明热处理不合格，导致耐磨性能不足。

改进方向需针对性：润滑不足则换合成润滑脂；加工问题则提高表面光洁度（Ra1.6→Ra0.8）；设计应力过高则增加齿宽降低接触应力。