焊接機器人系統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)的研究與應(yīng)用

甘淑娟

【摘要】隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需要、人力成本的上升化及國家政策的扶持，我國工業(yè)機器人市場占有率越來越髙，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。目前，焊接機器人由于其焊接質(zhì)量好、焊接效率高等特點，被應(yīng)用到了許多工程機械的焊接生產(chǎn)線上。鑒于此，本文就焊接機器人系統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)的研究與應(yīng)用展開探討，以期為相關(guān)工作起到參考作用。

【關(guān)鍵詞】焊接機器人；故障樹分化模糊FMECA；可靠性預(yù)計

一、PR1400焊接機器人系統(tǒng)主要構(gòu)成

由機器人本體、控制柜、焊機及周邊附件等構(gòu)成。附件主要包括示教器、變壓器、焊槍、送絲機、保護(hù)氣、焊絲、氣管及各種線纜等。其系統(tǒng)連接如下圖1所示。

焊接機器人的本體部分是機器人運動的執(zhí)行機構(gòu)，該類型的焊接機器人是六自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)型機器人。PR1400型焊接機器人本體由腰座、肩部、大臂、肘部、小臂、腕部組成，在機器人末端加裝有焊槍，在肘部上方加裝有送絲機。該款焊接機器人共有六個自由度，依次為腰座繞以s軸回轉(zhuǎn)、大臂繞細(xì)軸俯仰、肘部繞Eb軸俯仰、小臂繞Rt軸回轉(zhuǎn)、手腕繞Bn軸俯仰、手腕末端法蘭繞Tr軸轉(zhuǎn)動。PR1400的所有關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中前三個關(guān)節(jié)決定焊接機器人末端的位置，而機器人末端姿態(tài)由后三個關(guān)節(jié)決定。

二、PR1400焊接機器人可靠性參數(shù)選擇及指標(biāo)的確定

為了能夠進(jìn)一步明確可靠性耍求，一定要選擇恰當(dāng)并符合規(guī)定的可靠性參數(shù)。前一小節(jié)所描述的通用可靠性參數(shù)中，MTBF的應(yīng)用范圍極其廣泛，并且它也是可修復(fù)產(chǎn)品的基本可靠性的一種度量，體現(xiàn)了產(chǎn)品對維修資源的相關(guān)要求。針對本文描述的焊接機器人這種可修復(fù)的復(fù)雜機電產(chǎn)品來說，考慮到它的可靠性的分布形式不是很嚴(yán)格，通常推薦選用MTBF來作為其可靠性設(shè)計和評估的可靠性參數(shù)。此外，在選定焊接機器人可靠性指標(biāo)后，還需要全面考慮產(chǎn)品的使用要求、成本、科技水平以及現(xiàn)有相似產(chǎn)品的可靠性水平等因素，并且整理分析大量的國內(nèi)外已有焊接機器人的可靠性指標(biāo)值作為依據(jù)，結(jié)合公司的現(xiàn)狀和PR1400焊接機器人的可靠性設(shè)計需求，在PR1400設(shè)計階段的初期，先暫時確定PR1400焊接機器人整機MTBF指標(biāo)的值為5000小時。在細(xì)節(jié)設(shè)計過程中，根據(jù)功能將整機指標(biāo)分配至各個子系統(tǒng)（或部件），確定具體子系統(tǒng)（或部件）的設(shè)計要求，完善設(shè)計流程；設(shè)計完成后，最終再通過可靠性預(yù)計及可靠性評審方法，確定新設(shè)計的產(chǎn)品能否達(dá)到規(guī)定的產(chǎn)品指標(biāo)需求。

三、可靠性預(yù)計的常用方法

目前，可靠性預(yù)計的方法有很多，根據(jù)可靠性預(yù)計原理的不同可分為傳統(tǒng)的可靠性預(yù)計法、功能預(yù)計法、相似復(fù)雜性法、上下限法等；根據(jù)可靠性預(yù)計對象的不同可分為系統(tǒng)可靠性預(yù)計與單元可靠性預(yù)計。其中最常用的預(yù)計方法有數(shù)學(xué)模型法、上下限法、元件計數(shù)法、專家評分法、應(yīng)力分析法、相似設(shè)備法、蒙特卡洛法、相似功能法、布爾真值法等對常用的四種可靠性預(yù)計方法進(jìn)行介紹。元器件計數(shù)法元器件計數(shù)法主要運用在產(chǎn)品研制的早期階段。這一階段產(chǎn)品只大概知道元器件的數(shù)量，但是對元器件的詳細(xì)信息并不清楚，不能對產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)的可靠性預(yù)計。而產(chǎn)品研制的初期工程人員也只是想要大致地了解產(chǎn)品的可靠性水平，判斷當(dāng)前的設(shè)計方案是否滿足可靠性要求，同時還能根據(jù)可靠性預(yù)計的結(jié)果對設(shè)計方案進(jìn)行比較，然后確定更好的方案。

四、PR1400焊接機器人系統(tǒng)可靠性分配方法評分

分配法不僅能夠反映出各個單元本身的固有故障率特性，而且能夠反映出相關(guān)影響因素對系統(tǒng)故障特性的影響。本論文主要論述了PR1400焊接機器人系統(tǒng)進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計階段時其基本可靠性的分配過程，選用評分分配法作為系統(tǒng)的可靠性分配方法。之所以選用評分分配法，主要是由于企業(yè)沒有相關(guān)故障率的原始數(shù)據(jù)積累，沒有重視與可靠性工作相關(guān)的研究，導(dǎo)致故障數(shù)據(jù)的嚴(yán)重缺乏。在為PR1400焊接機器人系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分配時，總體遵循了以下原則。

（1）技術(shù)水平；對于PRHOO焊接機器人系統(tǒng)中技術(shù)水平比較成熟的單元，可以分配給較高的可靠度，最高可分配為10分，最低為1分。（2）復(fù)雜程度：對于PR1400焊接機器人系統(tǒng)中復(fù)雜程度較高的子系統(tǒng)或零部件，可以分配較低的可靠度指標(biāo)。復(fù)雜程度最低為10分，最高為1分。（3）重要程度：在PR1400焊接機器人系統(tǒng)中，某個零部件的失效會對機器人產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，或者導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效，則應(yīng)為該零部件分配較高的可靠度，重要程度最髙可分配10分，最低為1分。（4）任務(wù)情況：在整個任務(wù)時間內(nèi)都需要連續(xù)工作及工作條件惡劣、難以保證很髙可靠性的單元，則分配給較低的可靠度，條件最惡劣為10分，最好為1分。

五、結(jié)束語

提升產(chǎn)品質(zhì)量就要堅持從故障發(fā)生的源頭抓起，在產(chǎn)品設(shè)計的各個階段進(jìn)行可靠性工作的安排與實施。本文結(jié)合PR1400焊接機器人日常的故障積累，將可靠性理論運用到焊接機器人可靠性設(shè)計技術(shù)中，對PR1400焊接機器人系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析、預(yù)計與分配相關(guān)方面的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]孫建超.焊接機器人在焊接技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)探究[J/OL].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018-03-29.

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