工業機器人可靠性設計與測試研究

柳賀+++李勛++劉蕾

摘 要：工業機器人作為一種工業現場應用設備，其可靠性往往在與人類交互過程中顯得尤為重要，其可靠性受到設計、加工、裝配以及調試等多方面因素的影響，對其研究比較復雜。本文主要介紹工業機器人的元器件選型、分析以及可靠性測試方面的保障，進一步提升產品的可靠性。

關鍵詞：工業機器人；可靠性；測試

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業機器人以來，機器人技術及其產品發展很快，已成為柔性制造系統（FMS）、自動化工廠（FA）、計算機集成制造系統（CIMS）的自動化工具。

由于工業機器人是元部件眾多，是一復雜系統，它以多自由度方式運動，因而發生的故障可能造成難以預計的后果，具有潛在的人機風險。為此對機器人必須嚴格按照可靠性測試標準進行測試，目的在于：（1）在機器人的設計和整個壽命周期中進行有效的可靠性運行，特別在樣機測試階段，必須將潛在的風險暴露出來加以改進；（2）出現故障后的及時修復性，減少客戶的停機損失；（3）工業機器人的安全性，避免出現人機事故，確保人員安裝調試、編程示教、操作、維護過程的安全。我們以EFORT的工業機器人可靠性指標：MTBF不低于6000H。我們需要從設計、采購、加工制造、裝配、 測試等環節降低產品失效的因素。

1元器件可靠性設計要求

1.1電子元器件可靠性設計

電子器件的選取，必須經過100%環境篩選測試，測試合格的產品才允許采用，按照可靠性分配原則，篩選與元器件失效分析相結合，一旦發現失效，必須對同一類產品進行原因分析，按照5W1H方法進行糾正預防措施分析與整改。

電子元器件的選取按照以下規則：

a.電子元器件決不允許超核運行，應按照降額設計，一般達到85%；

b.線路設計盡量進行動力、信號隔離處理，防止電磁干擾，進行干擾試驗；

c.功能部件進行熱分析，高溫拷機測試；

d.振動測試，一般按照5-200HZ，振幅2mm的掃頻振動測試。

1.2機電產品的可靠性設計

機電產品的設計與驗證，必須100%驗證，在斷路器、線纜、繼電器、接插件等必須進行電流、溫度、頻次等驗證分析，主要為：

a.線路的選取考慮電流、溫度等其它要求；

b.電氣元器件的參數除符合國家標準外，機器人的額外要求不許滿足，比如繼電器的動作次數要求等；

c.接插件的接觸電阻、電流、耐熱等，同時考慮其防錯、易維修性等。

1.3機加部件的可靠性設計

機械加工部件的設計，考慮其材質、加工難度、安全系數等，裝配前必須100%檢查，全部合格后才能安裝，主要包括：

a.設計時用機械專用軟件進行應力分析，確保安全系數在2以上；

b.設計時考慮加工工藝，確保機加的尺寸、行位公差以及粗糙度等；

c.對部分特殊要求的，要控制其材質與工藝，比如：發黑、耐腐蝕等特殊處理。

2關鍵部件可靠性驗證

機器人的關鍵部件測試必須嚴格按照測試大綱進行測試，詳細記錄測試數據并進行分析。

2.1運動控制器與伺服驅動器

運動控制器與伺服驅動器為機器人主要運動控制部件，除電子元器件的可靠性測試外，額外需要進行功能測試，包括：加減速測試、響應測試、正反向運轉電流沖擊測試、CPU負載率測試等。

2.2伺服電機

機器人伺服電機除一般的電機要求外，還要求電機具備高過載能力，同時由于其特殊的安裝與應用環境，需要對其電機油封、制動器都提出很高要求，表現為：

a.電機的油封本身動密封要求很高，盡量采用高質量的雙唇油封，一般測試3000H后進行拆解，分析密封情況；

b.制動器對于機器人為安全部件，其可靠次數必須達到萬級以上，測試為制動器扭力確認，不能出現跌失。

2.3 減速器

在選取減速器的時，考慮電機轉速、設計指標等來選取減速器的減速比、額定扭矩，并降額選取，同時考慮減速器的輸入齒輪配合、油路潤滑等，在重要關節考慮設計走線方式與裝配方便性。

2.4管線包

工業機器人本體管線包包括電機驅動線纜，外圍IO線纜，總線線纜等組成，由于機器人的現場應用需求，線纜必須滿足耐扭拉、高揉要求，最少滿足：1000萬次以上的耐彎曲指標。

3 整機可靠性分析與驗證

3.1整機可靠性測試

各部件測試完成后，需要對樣機進行整機測試，按照國家與企業標準對機器人的功能測試外，必須要進行可靠性測試，其中包括控制柜的振動測試、溫控測試、本體振動監視等。

圖1與圖2是我們用加速度傳感器檢測的各軸電機在機器人高速運行時的XYZ三方向的振動情況。

由圖1的測試結果，可以分析原因，進行運動參數調整，減小機器人的本體振動，從圖2中可以看出振動從修改前的5G降到修改后的2G。

3.1.1整機120H功能測試

機器人的120H測試，包括機器人功能測試與拷機測試。功能測試包括：機器人3大坐標系的運動測試、零點復位、IO功能測試、各軸運動范圍與運動空間測試、各軸最大速度、重復精度測試，特殊要求的軌跡精度與D-H參數補償測試等。如圖3所示。

3.1.2整機1000H可靠性測試

在120H測試結束正常后，進入1000H滿載100%速度各空間可達程序運行測試，在測試過程中會監視各軸的運行情況，包括各軸電流、速度等曲線，測試結束后需要再次測試機器人的重復定位精度，分析機械本體與控制系統的精度偏移。同時對電柜整體的溫度、各電機部件溫度，機械傳動部件溫度以及本體噪聲均監控，規定噪聲不大于75分貝。

圖4與圖5表示測試過程中出現的異常與正常電流、速度曲線對比，從圖3中明顯可以看出機器人處于異常狀態，這時需要排查機械本體傳動與電機等原因。

3.1.3整機500H超載加速測試

在完成1000H測試后，還需要對機器人進行130%負載，100%速度下運行，主要進行加速超額檢測，測試過程中，同樣監視各軸的運行情況，包括各軸電流、速度等曲線，測試結束后需要再次測試機器人的重復定位精度，分析機械本體與控制系統的精度偏移。

4 結論

從可靠性工程角度分析，在工業機器人的設計、采購、生產制造、測試等階段都應進行相應的可靠性工作，在設計階段進行可靠性預計與設計；采購、加工階段對質量的薄弱環節進行過程控制與試驗；在樣機階段必須進行可靠性測試與加速，甚至破壞性測試；在應用現場進行故障記錄與搜集，這樣才能提高我們自主機器人的可靠性。

參考文獻

[1]蔡自興.機器人學[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]霍偉. 機器人動力學與控制[M].高等教育出版社，2004..

[3]R.P.Paul.“Robot manipulators：mathematics，programming，and control”The MIT press 1981：160-168..

[4]陸佑方. 柔性多體系統動力學[M]. 高等教育出版社， 1996..

[5]陳勝軍.機器人系統的可靠性理論研究[J] .機器人 robot 第25卷， 2003（07）.

[6]（美）克來格（Craig J.J）.機器人學導論[M].機械工業出版社，2006.

[7] SPONG M W，VIDYASAGAR M.Robot Dynamics And Control [M].Wiley India Pvt.Ltd.，2008.endprint

摘 要：工業機器人作為一種工業現場應用設備，其可靠性往往在與人類交互過程中顯得尤為重要，其可靠性受到設計、加工、裝配以及調試等多方面因素的影響，對其研究比較復雜。本文主要介紹工業機器人的元器件選型、分析以及可靠性測試方面的保障，進一步提升產品的可靠性。

關鍵詞：工業機器人；可靠性；測試

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業機器人以來，機器人技術及其產品發展很快，已成為柔性制造系統（FMS）、自動化工廠（FA）、計算機集成制造系統（CIMS）的自動化工具。

由于工業機器人是元部件眾多，是一復雜系統，它以多自由度方式運動，因而發生的故障可能造成難以預計的后果，具有潛在的人機風險。為此對機器人必須嚴格按照可靠性測試標準進行測試，目的在于：（1）在機器人的設計和整個壽命周期中進行有效的可靠性運行，特別在樣機測試階段，必須將潛在的風險暴露出來加以改進；（2）出現故障后的及時修復性，減少客戶的停機損失；（3）工業機器人的安全性，避免出現人機事故，確保人員安裝調試、編程示教、操作、維護過程的安全。我們以EFORT的工業機器人可靠性指標：MTBF不低于6000H。我們需要從設計、采購、加工制造、裝配、 測試等環節降低產品失效的因素。

1元器件可靠性設計要求

1.1電子元器件可靠性設計

電子器件的選取，必須經過100%環境篩選測試，測試合格的產品才允許采用，按照可靠性分配原則，篩選與元器件失效分析相結合，一旦發現失效，必須對同一類產品進行原因分析，按照5W1H方法進行糾正預防措施分析與整改。

電子元器件的選取按照以下規則：

a.電子元器件決不允許超核運行，應按照降額設計，一般達到85%；

b.線路設計盡量進行動力、信號隔離處理，防止電磁干擾，進行干擾試驗；

c.功能部件進行熱分析，高溫拷機測試；

d.振動測試，一般按照5-200HZ，振幅2mm的掃頻振動測試。

1.2機電產品的可靠性設計

機電產品的設計與驗證，必須100%驗證，在斷路器、線纜、繼電器、接插件等必須進行電流、溫度、頻次等驗證分析，主要為：

a.線路的選取考慮電流、溫度等其它要求；

b.電氣元器件的參數除符合國家標準外，機器人的額外要求不許滿足，比如繼電器的動作次數要求等；

c.接插件的接觸電阻、電流、耐熱等，同時考慮其防錯、易維修性等。

1.3機加部件的可靠性設計

機械加工部件的設計，考慮其材質、加工難度、安全系數等，裝配前必須100%檢查，全部合格后才能安裝，主要包括：

a.設計時用機械專用軟件進行應力分析，確保安全系數在2以上；

b.設計時考慮加工工藝，確保機加的尺寸、行位公差以及粗糙度等；

c.對部分特殊要求的，要控制其材質與工藝，比如：發黑、耐腐蝕等特殊處理。

2關鍵部件可靠性驗證

機器人的關鍵部件測試必須嚴格按照測試大綱進行測試，詳細記錄測試數據并進行分析。

2.1運動控制器與伺服驅動器

運動控制器與伺服驅動器為機器人主要運動控制部件，除電子元器件的可靠性測試外，額外需要進行功能測試，包括：加減速測試、響應測試、正反向運轉電流沖擊測試、CPU負載率測試等。

2.2伺服電機

機器人伺服電機除一般的電機要求外，還要求電機具備高過載能力，同時由于其特殊的安裝與應用環境，需要對其電機油封、制動器都提出很高要求，表現為：

a.電機的油封本身動密封要求很高，盡量采用高質量的雙唇油封，一般測試3000H后進行拆解，分析密封情況；

b.制動器對于機器人為安全部件，其可靠次數必須達到萬級以上，測試為制動器扭力確認，不能出現跌失。

2.3 減速器

在選取減速器的時，考慮電機轉速、設計指標等來選取減速器的減速比、額定扭矩，并降額選取，同時考慮減速器的輸入齒輪配合、油路潤滑等，在重要關節考慮設計走線方式與裝配方便性。

2.4管線包

工業機器人本體管線包包括電機驅動線纜，外圍IO線纜，總線線纜等組成，由于機器人的現場應用需求，線纜必須滿足耐扭拉、高揉要求，最少滿足：1000萬次以上的耐彎曲指標。

3 整機可靠性分析與驗證

3.1整機可靠性測試

各部件測試完成后，需要對樣機進行整機測試，按照國家與企業標準對機器人的功能測試外，必須要進行可靠性測試，其中包括控制柜的振動測試、溫控測試、本體振動監視等。

圖1與圖2是我們用加速度傳感器檢測的各軸電機在機器人高速運行時的XYZ三方向的振動情況。

由圖1的測試結果，可以分析原因，進行運動參數調整，減小機器人的本體振動，從圖2中可以看出振動從修改前的5G降到修改后的2G。

3.1.1整機120H功能測試

機器人的120H測試，包括機器人功能測試與拷機測試。功能測試包括：機器人3大坐標系的運動測試、零點復位、IO功能測試、各軸運動范圍與運動空間測試、各軸最大速度、重復精度測試，特殊要求的軌跡精度與D-H參數補償測試等。如圖3所示。

3.1.2整機1000H可靠性測試

在120H測試結束正常后，進入1000H滿載100%速度各空間可達程序運行測試，在測試過程中會監視各軸的運行情況，包括各軸電流、速度等曲線，測試結束后需要再次測試機器人的重復定位精度，分析機械本體與控制系統的精度偏移。同時對電柜整體的溫度、各電機部件溫度，機械傳動部件溫度以及本體噪聲均監控，規定噪聲不大于75分貝。

圖4與圖5表示測試過程中出現的異常與正常電流、速度曲線對比，從圖3中明顯可以看出機器人處于異常狀態，這時需要排查機械本體傳動與電機等原因。

3.1.3整機500H超載加速測試

在完成1000H測試后，還需要對機器人進行130%負載，100%速度下運行，主要進行加速超額檢測，測試過程中，同樣監視各軸的運行情況，包括各軸電流、速度等曲線，測試結束后需要再次測試機器人的重復定位精度，分析機械本體與控制系統的精度偏移。

4 結論

從可靠性工程角度分析，在工業機器人的設計、采購、生產制造、測試等階段都應進行相應的可靠性工作，在設計階段進行可靠性預計與設計；采購、加工階段對質量的薄弱環節進行過程控制與試驗；在樣機階段必須進行可靠性測試與加速，甚至破壞性測試；在應用現場進行故障記錄與搜集，這樣才能提高我們自主機器人的可靠性。

參考文獻

[1]蔡自興.機器人學[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]霍偉. 機器人動力學與控制[M].高等教育出版社，2004..

[3]R.P.Paul.“Robot manipulators：mathematics，programming，and control”The MIT press 1981：160-168..

[4]陸佑方. 柔性多體系統動力學[M]. 高等教育出版社， 1996..

[5]陳勝軍.機器人系統的可靠性理論研究[J] .機器人 robot 第25卷， 2003（07）.

[6]（美）克來格（Craig J.J）.機器人學導論[M].機械工業出版社，2006.

[7] SPONG M W，VIDYASAGAR M.Robot Dynamics And Control [M].Wiley India Pvt.Ltd.，2008.endprint

摘 要：工業機器人作為一種工業現場應用設備，其可靠性往往在與人類交互過程中顯得尤為重要，其可靠性受到設計、加工、裝配以及調試等多方面因素的影響，對其研究比較復雜。本文主要介紹工業機器人的元器件選型、分析以及可靠性測試方面的保障，進一步提升產品的可靠性。

關鍵詞：工業機器人；可靠性；測試

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業機器人以來，機器人技術及其產品發展很快，已成為柔性制造系統（FMS）、自動化工廠（FA）、計算機集成制造系統（CIMS）的自動化工具。

由于工業機器人是元部件眾多，是一復雜系統，它以多自由度方式運動，因而發生的故障可能造成難以預計的后果，具有潛在的人機風險。為此對機器人必須嚴格按照可靠性測試標準進行測試，目的在于：（1）在機器人的設計和整個壽命周期中進行有效的可靠性運行，特別在樣機測試階段，必須將潛在的風險暴露出來加以改進；（2）出現故障后的及時修復性，減少客戶的停機損失；（3）工業機器人的安全性，避免出現人機事故，確保人員安裝調試、編程示教、操作、維護過程的安全。我們以EFORT的工業機器人可靠性指標：MTBF不低于6000H。我們需要從設計、采購、加工制造、裝配、 測試等環節降低產品失效的因素。

1元器件可靠性設計要求

1.1電子元器件可靠性設計

電子器件的選取，必須經過100%環境篩選測試，測試合格的產品才允許采用，按照可靠性分配原則，篩選與元器件失效分析相結合，一旦發現失效，必須對同一類產品進行原因分析，按照5W1H方法進行糾正預防措施分析與整改。

電子元器件的選取按照以下規則：

a.電子元器件決不允許超核運行，應按照降額設計，一般達到85%；

b.線路設計盡量進行動力、信號隔離處理，防止電磁干擾，進行干擾試驗；

c.功能部件進行熱分析，高溫拷機測試；

d.振動測試，一般按照5-200HZ，振幅2mm的掃頻振動測試。

1.2機電產品的可靠性設計

機電產品的設計與驗證，必須100%驗證，在斷路器、線纜、繼電器、接插件等必須進行電流、溫度、頻次等驗證分析，主要為：

a.線路的選取考慮電流、溫度等其它要求；

b.電氣元器件的參數除符合國家標準外，機器人的額外要求不許滿足，比如繼電器的動作次數要求等；

c.接插件的接觸電阻、電流、耐熱等，同時考慮其防錯、易維修性等。

1.3機加部件的可靠性設計

機械加工部件的設計，考慮其材質、加工難度、安全系數等，裝配前必須100%檢查，全部合格后才能安裝，主要包括：

a.設計時用機械專用軟件進行應力分析，確保安全系數在2以上；

b.設計時考慮加工工藝，確保機加的尺寸、行位公差以及粗糙度等；

c.對部分特殊要求的，要控制其材質與工藝，比如：發黑、耐腐蝕等特殊處理。

2關鍵部件可靠性驗證

機器人的關鍵部件測試必須嚴格按照測試大綱進行測試，詳細記錄測試數據并進行分析。

2.1運動控制器與伺服驅動器

運動控制器與伺服驅動器為機器人主要運動控制部件，除電子元器件的可靠性測試外，額外需要進行功能測試，包括：加減速測試、響應測試、正反向運轉電流沖擊測試、CPU負載率測試等。

2.2伺服電機

機器人伺服電機除一般的電機要求外，還要求電機具備高過載能力，同時由于其特殊的安裝與應用環境，需要對其電機油封、制動器都提出很高要求，表現為：

a.電機的油封本身動密封要求很高，盡量采用高質量的雙唇油封，一般測試3000H后進行拆解，分析密封情況；

b.制動器對于機器人為安全部件，其可靠次數必須達到萬級以上，測試為制動器扭力確認，不能出現跌失。

2.3 減速器

在選取減速器的時，考慮電機轉速、設計指標等來選取減速器的減速比、額定扭矩，并降額選取，同時考慮減速器的輸入齒輪配合、油路潤滑等，在重要關節考慮設計走線方式與裝配方便性。

2.4管線包

工業機器人本體管線包包括電機驅動線纜，外圍IO線纜，總線線纜等組成，由于機器人的現場應用需求，線纜必須滿足耐扭拉、高揉要求，最少滿足：1000萬次以上的耐彎曲指標。

3 整機可靠性分析與驗證

3.1整機可靠性測試

各部件測試完成后，需要對樣機進行整機測試，按照國家與企業標準對機器人的功能測試外，必須要進行可靠性測試，其中包括控制柜的振動測試、溫控測試、本體振動監視等。

圖1與圖2是我們用加速度傳感器檢測的各軸電機在機器人高速運行時的XYZ三方向的振動情況。

由圖1的測試結果，可以分析原因，進行運動參數調整，減小機器人的本體振動，從圖2中可以看出振動從修改前的5G降到修改后的2G。

3.1.1整機120H功能測試

機器人的120H測試，包括機器人功能測試與拷機測試。功能測試包括：機器人3大坐標系的運動測試、零點復位、IO功能測試、各軸運動范圍與運動空間測試、各軸最大速度、重復精度測試，特殊要求的軌跡精度與D-H參數補償測試等。如圖3所示。

3.1.2整機1000H可靠性測試

在120H測試結束正常后，進入1000H滿載100%速度各空間可達程序運行測試，在測試過程中會監視各軸的運行情況，包括各軸電流、速度等曲線，測試結束后需要再次測試機器人的重復定位精度，分析機械本體與控制系統的精度偏移。同時對電柜整體的溫度、各電機部件溫度，機械傳動部件溫度以及本體噪聲均監控，規定噪聲不大于75分貝。

圖4與圖5表示測試過程中出現的異常與正常電流、速度曲線對比，從圖3中明顯可以看出機器人處于異常狀態，這時需要排查機械本體傳動與電機等原因。

3.1.3整機500H超載加速測試

在完成1000H測試后，還需要對機器人進行130%負載，100%速度下運行，主要進行加速超額檢測，測試過程中，同樣監視各軸的運行情況，包括各軸電流、速度等曲線，測試結束后需要再次測試機器人的重復定位精度，分析機械本體與控制系統的精度偏移。

4 結論

從可靠性工程角度分析，在工業機器人的設計、采購、生產制造、測試等階段都應進行相應的可靠性工作，在設計階段進行可靠性預計與設計；采購、加工階段對質量的薄弱環節進行過程控制與試驗；在樣機階段必須進行可靠性測試與加速，甚至破壞性測試；在應用現場進行故障記錄與搜集，這樣才能提高我們自主機器人的可靠性。

參考文獻

[1]蔡自興.機器人學[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]霍偉. 機器人動力學與控制[M].高等教育出版社，2004..

[3]R.P.Paul.“Robot manipulators：mathematics，programming，and control”The MIT press 1981：160-168..

[4]陸佑方. 柔性多體系統動力學[M]. 高等教育出版社， 1996..

[5]陳勝軍.機器人系統的可靠性理論研究[J] .機器人 robot 第25卷， 2003（07）.

[6]（美）克來格（Craig J.J）.機器人學導論[M].機械工業出版社，2006.

[7] SPONG M W，VIDYASAGAR M.Robot Dynamics And Control [M].Wiley India Pvt.Ltd.，2008.endprint