機器人搬運單元的可靠性分析

曹曉燕，吳 桐，楊富宏，王麗麗，徐 慧

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

機器人搬運單元的可靠性分析

曹曉燕，吳 桐，楊富宏，王麗麗，徐 慧

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

1 化纖產品包裝的物流過程

近年來，工業機器人在我國的應用越來越廣泛，尤其在物流自動化系統中，用機器人代替人工勞動，把人力從繁重的體力勞動中解放出來，極大的提高了工作效率。 同時由于采用RFID，條形碼等信息技術使得車間物流系統實現了少人化和無人化。化纖生產企業，POY產品從加彈機下機之后，要經過織襪、染色、存儲、外檢、裝箱、碼垛等工序。 以前，外檢組批、裝箱和碼垛都是采用人工來完成的。自動化物流系統采用機器人和自動化立體車庫，實現了自動化存儲和自動化包裝。

從圖1可以看到，絲卷從下機到碼垛入成品庫經歷了絲車上線、出入庫、裝箱、碼垛等環節，絲卷從絲車上轉移到輸送線的托盤上，再轉移到立體庫的托盤上。經過8小時的存儲后，物流管理調度系統根據銷售系統的要貨指令進行庫存檢索，按入庫時間、等級、數量、批號等要素組織出庫隊列。出庫時，絲卷從立庫托盤轉移到輸送線托盤上，經過裝箱，稱重貼標進行碼垛，入成品庫。

圖2顯示了絲卷從加彈機下機后到包裝入成品庫的信息流，實現了全流程的信息跟蹤和可追溯。從整個工藝流程來看，絲卷在不同工藝段的轉移都是由機器人來實現的，一般需要6臺機器人實現絲卷的自動包裝。機器人單元是整個物流生產線的關鍵設備，它的動作節拍決定了生產線的節拍，它的可靠性是整個物流線的保證。

2 機器人搬運單元的系統組成

在實際應用系統中，機器人要和手爪、輸送線等構成機器人應用工作站。 包裝生產線一般每天工作在20小時以上，機器人20秒一個循環，這對工作站的可靠性要求極高。 國外工業機器人經過40年的發展和大量使用，可靠性和安全性已達到很高的水平，國外知名品牌ABB、KUKA的機器人的mtbf可以達到5萬小時以上。機器人手爪、機器人外圍設備是否可以達到高可靠性，從而提高機器人動作單元的可靠性，充分發揮機器人的工作效率和能力，是在機器人應用當中亟待解決的問題。

圖1 包裝物流系統構成

圖2 包裝系統信息流程

一個機器人抓取出庫工作站，由機器人和手爪、出庫鏈式輸送機（出庫站臺）、輸送輥道（機器人放置工位）組成。機器人一次要從立體庫托盤上抓8錠絲卷。由于立庫托盤和輸送線托盤放置間距不一樣，要求手爪在X、Y兩個方向可縮放。抓取方式要求從紙筒內壁抓取，因此采用了內漲式手指氣缸。這樣一個搬運手爪由8個氣動手指，兩個橫縱移動氣缸，導軌滑塊，定位擋塊和緩沖器，手爪框架，電磁閥及安裝板，磁性開關，遠程IO模塊及接線箱，電纜氣管安裝支架及拖鏈等組成，如圖3所示。機器人周邊設備包括：取絲卷的立體庫托盤鏈式機和放絲卷的雙排輥道輸送機。輥道鏈式輸送機包括機架、滾筒、鏈條、輸送電機、氣動阻擋器、電磁閥、氣缸到位磁性開關、托盤到位檢測開關、絲卷有無檢測光電開關等 。

圖3 機器人抓取手爪示意圖

機器人完成一次搬運任務分三個階段：機器人從立庫站臺抓取絲卷，機器人運動到放置工位，機器人將絲卷放到輸送機的托盤上。其中機器人運動比較簡單，參與的部件少，基本不會出現故障。而其他兩個階段除機器人運動外，手爪和外圍設備是主要動作設備，是易出故障的階段。下面簡單介紹機器人放置絲卷的功能流程。

圖4 機器人放置絲卷的功能流程

3 機器人搬運單元的可靠性模型

根據機器人搬運單元的組成和功能流程，建立機器人搬運單元的可靠性模型，這是一種串聯結構模型。

其中機器人的mtbf為50000小時。手爪中的關鍵元器件為氣動元件和導軌滑塊。氣動元件選用國外產品，壽命5000km；導軌滑塊在額定動負載63.6kN、靜負載100.6kN情況下，壽命為100000km。按機器人每天工作20小時，每小時動作150次，每次動作100mm，氣缸壽命為333333小時，導軌的壽命則在600萬小時。按照串聯系統可靠性計算，整體可靠性指標可以滿足客戶提出的每月停機時間限度。串聯結構的系統每一個部件的可靠性對整體的影響是一樣的[1]。在設計時不僅要對關鍵件進行可靠性設計，對簡單的零部件也要特別注意。在實際應用中就是電纜走線布置，傳感器的安裝方法，限位裝置的結構等成為故障的多發處，影響了系統的可靠性。

圖5 機器人搬運單元的串聯模型

4 主要故障分析

典型故障分析：機器人手爪不動作故障樹如圖6所示。

5 系統可靠性的改進

四個基本故障原因及解決方案：

1）信號電纜斷。

解決方案：增加電纜拖鏈，使用彎曲半徑小、抗扭屈的柔性電纜，使用后效果良好，徹底解決了問題。

2）導軌滑塊損壞。

解決方案：增加緩沖器。重新選型，由于屬于早期損壞，一定是受到了額定負載之外的力。

3）對射開關支架晃動。

解決方案：支架與線體分開。

4）停止器失效

解決方案：改變固定方式，增加緩沖墊。

6 結論

圖6 機器人抓取手爪的故障樹

機器人應用單元的可靠性主要由機器人手爪和外圍設備決定。對于串聯系統，關鍵零部件和一般部件對可靠性來說重要程度是一樣的。

機器人是一個成熟的高可靠性產品，而手爪和外圍設備可能是新開發的，這部分的可靠性分布非常符合“浴盆曲線”[2]。因此要在手爪和外圍設備的設計過程中，盡量采用成熟技術。同時要在投入運行前，進行大量實驗，盡量減少早期故障。對易損件要定期維護和監控，對提高可靠性至關重要。

[1]馬文·勞沙德.系統可靠性理論:模型、統計方法及應用[M].北京:國防工業出版社,2010:187-191.

[2]賽義德.可靠性工程[M].北京:電子工業出版社,2013:64-65.

Reliability analysis of transfer robot station

CAO Xiao-yan, WU Tong, YANG Fu-hong, WANG Li-li, XU Hui

簡述了化纖產品包裝的物流過程，針對典型的機器人搬運單元，建立了可靠性模型，根據長期的現場應用情況統計，構建了主要故障的故障樹，分析了故障原因，提出了改進方法，提高了系統的可靠性和機器人的使用效率。

化纖產品包裝物流；機器人搬運；可靠性模型；故障樹分析

曹曉燕（1976 -），女，云南人，工程師，碩士，主要從事企業物流及倉儲自動化系統開發與研究。

TP242.6

A

1009-0134(2015)07(下)-0025-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).07

2015-04-03