焊接機器人系統可靠性設計技術的研究與應用

甘淑娟

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

【關鍵詞】焊接機器人；故障樹分化模糊FMECA；可靠性預計

一、PR1400焊接機器人系統主要構成

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

焊接機器人的本體部分是機器人運動的執行機構，該類型的焊接機器人是六自由度串聯關節型機器人。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、大臂繞細軸俯仰、肘部繞Eb軸俯仰、小臂繞Rt軸回轉、手腕繞Bn軸俯仰、手腕末端法蘭繞Tr軸轉動。PR1400的所有關節均為轉動關節，其中前三個關節決定焊接機器人末端的位置，而機器人末端姿態由后三個關節決定。

二、PR1400焊接機器人可靠性參數選擇及指標的確定

為了能夠進一步明確可靠性耍求，一定要選擇恰當并符合規定的可靠性參數。前一小節所描述的通用可靠性參數中，MTBF的應用范圍極其廣泛，并且它也是可修復產品的基本可靠性的一種度量，體現了產品對維修資源的相關要求。針對本文描述的焊接機器人這種可修復的復雜機電產品來說，考慮到它的可靠性的分布形式不是很嚴格，通常推薦選用MTBF來作為其可靠性設計和評估的可靠性參數。此外，在選定焊接機器人可靠性指標后，還需要全面考慮產品的使用要求、成本、科技水平以及現有相似產品的可靠性水平等因素，并且整理分析大量的國內外已有焊接機器人的可靠性指標值作為依據，結合公司的現狀和PR1400焊接機器人的可靠性設計需求，在PR1400設計階段的初期，先暫時確定PR1400焊接機器人整機MTBF指標的值為5000小時。在細節設計過程中，根據功能將整機指標分配至各個子系統（或部件），確定具體子系統（或部件）的設計要求，完善設計流程；設計完成后，最終再通過可靠性預計及可靠性評審方法，確定新設計的產品能否達到規定的產品指標需求。

三、可靠性預計的常用方法

目前，可靠性預計的方法有很多，根據可靠性預計原理的不同可分為傳統的可靠性預計法、功能預計法、相似復雜性法、上下限法等；根據可靠性預計對象的不同可分為系統可靠性預計與單元可靠性預計。其中最常用的預計方法有數學模型法、上下限法、元件計數法、專家評分法、應力分析法、相似設備法、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計方法進行介紹。元器件計數法元器件計數法主要運用在產品研制的早期階段。這一階段產品只大概知道元器件的數量，但是對元器件的詳細信息并不清楚，不能對產品進行詳細的可靠性預計。而產品研制的初期工程人員也只是想要大致地了解產品的可靠性水平，判斷當前的設計方案是否滿足可靠性要求，同時還能根據可靠性預計的結果對設計方案進行比較，然后確定更好的方案。

四、PR1400焊接機器人系統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影響因素對系統故障特性的影響。本論文主要論述了PR1400焊接機器人系統進入詳細設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，主要是由于企業沒有相關故障率的原始數據積累，沒有重視與可靠性工作相關的研究，導致故障數據的嚴重缺乏。在為PR1400焊接機器人系統進行可靠性分配時，總體遵循了以下原則。

（1）技術水平；對于PRHOO焊接機器人系統中技術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）復雜程度：對于PR1400焊接機器人系統中復雜程度較高的子系統或零部件，可以分配較低的可靠度指標。復雜程度最低為10分，最高為1分。（3）重要程度：在PR1400焊接機器人系統中，某個零部件的失效會對機器人產生嚴重的后果，或者導致整個系統的失效，則應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）任務情況：在整個任務時間內都需要連續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、結束語

提升產品質量就要堅持從故障發生的源頭抓起，在產品設計的各個階段進行可靠性工作的安排與實施。本文結合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計技術中，對PR1400焊接機器人系統進行了可靠性分析、預計與分配相關方面的研究。

參考文獻

[1]孫建超.焊接機器人在焊接技術應用中的關鍵技術探究[J/OL].中國戰略新興產業，2018-03-29.

[2]王強.汽車制造中焊接機器人的控制系統[J].電子技術與軟件工程，2018（04）：113.