En la inspección de calidad y evaluación de rendimiento de articulaciones robóticas integradas, las pruebas de frecuencia de segundo armónico (2×) se han convertido en un paso clave indispensable. Aunque pueda parecer altamente especializado, esta prueba está directamente relacionada con indicadores de rendimiento fundamentales como la precisión, rigidez y fiabilidad de la articulación. Este documento explica—abarcando principios técnicos, práctica de ingeniería y control de calidad—por qué son necesarias las pruebas de segundo armónico y por qué están adquiriendo mayor relevancia en la fabricación robótica moderna.

Estructura central y características dinámicas de las articulaciones robóticas

Estructura típica de un módulo de articulación integrado

Una cadena de transmisión típica de una articulación integrada es:

Motor ->Transmisión armónica / Reductor RV -> Eje de salida

Entre estos, el reductor es el componente central de transmisión, y su rendimiento determina en gran medida el comportamiento general de la articulación.

Características no lineales de las transmisiones armónicas

Las transmisiones armónicas se utilizan ampliamente en articulaciones de brazos robóticos colaborativos debido a ventajas como alta relación de reducción, casi cero juego y tamaño compacto. Su principio de funcionamiento se basa en la deformación elástica del engranaje flexible:

- El generador de ondas gira y hace que el engranaje flexible se deforme elípticamente.

- Durante la deformación, el engranaje flexible engrana con la corona circular para transmitir movimiento.

- La corona circular está fija, y el engranaje flexible proporciona rotación de velocidad reducida.

Dado que esta transmisión depende de la deformación elástica, exhibe inherentemente rigidez no lineal. Cuando el generador de ondas gira a frecuencia angular ω, el engranaje flexible experimenta dos eventos de engranaje y desacoplamiento por revolución, lo que introduce un componente de frecuencia 2ω en el par de salida y la respuesta de vibración—este es el origen físico del fenómeno del segundo armónico.

La esencia física del fenómeno del segundo armónico

Mecanismo de características en el dominio de la frecuencia

Durante el funcionamiento de una transmisión armónica, la distribución de tensiones en el engranaje flexible cambia periódicamente. Tomando la velocidad del generador de ondas como frecuencia fundamental f1, dentro de un ciclo de rotación el engranaje flexible experimenta:

- Primera zona de engranaje: la dirección del eje mayor engrana completamente con la corona circular.

- Zona de transición: la profundidad de engranaje disminuye gradualmente.

- Segunda zona de engranaje: la dirección del eje menor forma otra zona de engranaje.

- Zona de transición: la profundidad de engranaje disminuye nuevamente.

Esta característica estructural—una rotación, dos eventos de engranaje—hace que la ondulación del par, la variación de rigidez y la respuesta de vibración del eje de salida exhiban una clara característica de segundo armónico (2f1). Desde una perspectiva de análisis de Fourier, este es un sistema típico de excitación paramétrica, donde la rigidez del sistema varía periódicamente con el tiempo.

Identificación espectral en señales de vibración

Mediante la medición de vibraciones en la articulación con acelerómetros o vibradores láser, se puede obtener un espectro de respuesta en el dominio de la frecuencia. Un espectro de vibración típico de una articulación con transmisión armónica incluye:

- Fundamental (1×): corresponde a la velocidad del motor o frecuencia del eje de entrada.

- Segundo armónico (2×): frecuencia característica de la transmisión armónica, generalmente la amplitud más prominente.

- Tercer armónico (3×) y superiores: componentes armónicos de orden superior con amplitudes menores.

La magnitud de la amplitud 2× refleja directamente:

- La calidad del engranaje entre el engranaje flexible y la corona circular.

- La precisión de mecanizado del generador de ondas.

- La adecuación de la precarga de los rodamientos.

- Errores de coaxialidad introducidos durante el montaje.

Significado en ingeniería de las pruebas de segundo armónico

Evaluación de rigidez

La rigidez de la articulación es un parámetro clave que afecta la precisión de posicionamiento y la respuesta dinámica del robot. La rigidez torsional de una transmisión armónica no es constante; varía con el estado de engranaje. Una mayor amplitud del segundo armónico indica una fluctuación de rigidez más severa, lo que provoca:

- Reducción de la precisión de posicionamiento: error adicional de posición bajo cambios de carga.

- Peor seguimiento de trayectoria: oscilaciones durante movimiento a alta velocidad.

- Menor estabilidad de control: los algoritmos de control tienen dificultades para compensar la rigidez variable.

El monitoreo de características de segundo armónico permite evaluar indirectamente la rigidez torsional equivalente de la articulación y su rango de fluctuación, proporcionando una base para el diseño del sistema de control.

Inspección de calidad de montaje

La amplitud del segundo armónico es altamente sensible a la precisión de montaje. Los siguientes defectos de montaje pueden causar comportamiento anormal del segundo armónico:

- Excentricidad del generador de ondas: la amplitud aumenta significativamente (deformación desigual del engranaje flexible, fuerzas de engranaje desequilibradas).

- Precarga inadecuada de rodamientos: dispersión de frecuencia, más bandas laterales (introduce holgura adicional o sobreconstricción).

- Engranaje flexible montado inclinado: el 2× se divide en picos dobles (zona de engranaje asimétrica).

- Mala coaxialidad entre corona circular y engranaje flexible: acoplamiento entre 2× y frecuencia de rotación (desalineación de ejes geométricos).

Advertencia temprana de fallos

Durante su vida útil, los reductores sufren degradación como desgaste y fatiga. La evolución de las características del segundo armónico puede servir como indicador de monitoreo de condición:

- Aumento gradual de la amplitud 2×: crecimiento de grietas por fatiga en el engranaje flexible, reducción de rigidez.

- Cambio en la frecuencia 2×: el desgaste de rodamientos causa inestabilidad de velocidad.

- Aparición de nuevas bandas laterales: daños localizados como picaduras o descamación en superficies dentadas.

En comparación con las inspecciones periódicas tradicionales de desmontaje, el monitoreo en línea basado en características de segundo armónico permite mantenimiento predictivo, evitando paradas no planificadas por fallos repentinos.

Métodos y estándares de prueba

Configuración del sistema de prueba

Un sistema completo de prueba de segundo armónico típicamente incluye:

- Dispositivo de excitación: motor servo que impulsa la articulación a velocidad constante o variable.

- Conjunto de sensores: acelerómetros triaxiales (montados en la carcasa de la articulación), sensor de par (mide la ondulación del par de salida), codificador (señal de referencia de fase).

- Adquisición y análisis de datos: DAQ de alta tasa de muestreo (>= 10 kHz), análisis espectral FFT, análisis de seguimiento de órdenes (para condiciones de velocidad variable).

Procedimiento de prueba típico

Paso 1: Prueba de funcionamiento sin carga

- Funcionamiento al 30%, 60% y 100% de la velocidad nominal.

- Registro de espectros de vibración a cada velocidad.

- Extracción de amplitudes 1× y 2× y cálculo de su relación.

Paso 2: Prueba bajo carga

- Aplicación del 50% y 100% del par nominal.

- Comparación de cambios en características de segundo armónico bajo diferentes cargas.

- Evaluación del comportamiento de rigidez y amortiguamiento dependientes de la carga.

Paso 3: Prueba de barrido

- Barrido desde baja velocidad a alta velocidad a una tasa uniforme.

- Trazado de un diagrama de Campbell para identificar puntos de resonancia.

- Verificación de si el segundo armónico se acopla con frecuencias naturales estructurales.

Estándares relevantes

Aunque actualmente no existe un estándar independiente específico para pruebas de segundo armónico, los siguientes estándares proporcionan marcos para pruebas de vibración y dinámica:

- ISO 10218-1:2011

- GB/T 30819-2014

- ISO 9283:1998

- ISO 14738:2002

Muchos fabricantes de robots también establecen procedimientos internos de prueba de segundo armónico dentro de sus sistemas de calidad y lo utilizan como elemento estándar para la inspección final de articulaciones.

Conclusión

Las pruebas de segundo armónico son un medio importante para comprender y evaluar el rendimiento de articulaciones robóticas colaborativas. Revelan características dinámicas inherentes de las transmisiones armónicas y proporcionan evidencia cuantitativa para control de calidad, diagnóstico de fallos y optimización de rendimiento.

Desde la perspectiva física, el fenómeno del segundo armónico se origina en la estructura de una rotación, dos eventos de engranaje del engranaje flexible, representando una respuesta intrínseca de un sistema de excitación paramétrica. Desde la perspectiva de ingeniería, la amplitud del segundo armónico está directamente asociada con indicadores clave como fluctuación de rigidez, precisión de montaje y condición de desgaste.

A medida que la robótica avanza hacia mayor precisión y fiabilidad, las pruebas de segundo armónico inevitablemente pasarán de ser un método de laboratorio a un estándar de línea de producción, convirtiéndose en una importante salvaguarda para la calidad de los robots. Para ingenieros involucrados en diseño, fabricación y mantenimiento de robots, una comprensión profunda de los principios y métodos detrás de las pruebas de segundo armónico ayudará a mejorar la competitividad del producto y a impulsar el progreso tecnológico en la industria.