基于FMEA的折彎機器人動力與傳動系統可靠性分析

王東升 賈志新 畢溫海 潘心偉

(①北京科技大學機械工程學院，北京100083；②揚州恒佳自動化設備有限公司，江蘇揚州225129)

如今，隨著鈑金行業快速發展[1]，折彎機器人這 種行業專用機器人已成為自動化生產線重要組成部分。折彎機器人動力與傳動系統是折彎機器人的關鍵系統之一，其可靠性水平的高低直接影響折彎機器人的加工效率與質量，提高動力與傳動系統的可靠性對于減少折彎機器人故障，減少生產線停機，提高生產效率具有重要意義。

故障模式及影響分析(failure modes and effect analysis，FMEA)是一種前瞻性的可靠性分析和安全評估方法。該方法通過分析系統中每一個潛在的故障模式，確定其對系統所產生的影響，從而識別系統中的薄弱環節和關鍵項目[2]，管控風險[3-4]，為制定改進措施提供依據。FMEA已經在越來越多的領域被應用。如建筑安裝工程[5-6]、船舶與海洋工程[7]、醫療衛生[8]、軟件工程及信息系統開發、機械工程[9]等。國內學者應用FMEA方法做了大量研究，如喬巍巍、賈亞洲等[10]對數控系統軟件故障做了故障模式影響及危害分析；楊靜對重型數控機床主傳動系統做了故障模式、影響及危害性分析[11]。李星軍運用FMEA分析方法對數控磨床以子系統為約定層次做了可靠性分析與評價，以提高數控磨床可靠性[12]。熊君星、趙金平等[13]運用FMEA方法對設備故障管理做了研究，分析設備故障模式與影響，對設備故障風險進行評價，通過效果對比，得出設備FMEA報告。

1 動力與傳動系統可靠性框圖建立

基本可靠性框圖是描述產品整體可靠性與其組成部分的可靠性之間的關系，不僅反映系統間的功能關系，而且表示故障影響的邏輯關系。因此產品的結構框圖應該包括所有的構成單元，包括產品所有用于儲備工作模式的單元，因為構成產品的任何單元發生故障后均需要維修以及后勤保障。

經過對折彎機器人的動力與傳動系統組成結構與實現功能進行研究分析，建立動力與傳動系統可靠性框圖與編碼體系，如圖1-6所示，為FMEA分析與后期統計分析做了鋪墊。

2 動力與傳動系統FMEA分析

2.1 故障判據制定

依據國家軍用標準《GJB/Z1391-2006故障模式、影響及危害性分析指南》制定如下折彎機器人故障判據依據:

(1)折彎機器人在規定的條件下和規定時間內，不能完成規定的功能。

(2)折彎機器人在規定的條件下和規定的時間內，某些性能指標或規定參數不能保持在規定的范圍內。

(3)折彎機器人在規定的條件下和規定時間內，引起對人員、環境、能源、和物質等方面的影響超出了允許范圍。

2.2 動力系統故障模式、部位、原因分析

本文針對揚州恒佳自動化設備有限公司2016年全年、2017年全年銷售的HR50系列折彎機器人動力與傳動系統發生的故障，依據故障判據依據，經過篩選得到54條故障數據進行處理分析。針對其他類型機電一體化產品制定的可靠性代碼以及中華人民共和國行業標準發布的QC/T34-92《汽車的故障模式及分類》，制定折彎機器人故障模式、故障原因代碼。

對折彎機器人動力與傳動系統做故障模式分析，故障模式表如表1所示，故障模式直方圖如圖1所示。

從表1和圖7可以看出折彎機器人動力與傳動系統各故障模式發生頻率，頻率高于0.05的主要是故障類型從高到低分別是:失調型中的運動部件運動失調、功能型中的發出異響、損壞型中的電動機損壞、零部件損壞，運動型中的不動作、功能型中的程序與實際運行位置不符、松動型中的零部件松動、滲漏中的漏油。

表1 折彎機器人動力與傳動系統做故障模式表

動力與傳動系統故障部位分析:故障部位直方圖如圖8所示。

從圖8中可以看出動力與傳動系統故障部位頻率高于0.05的從高到低依次為:Z軸電動機、A軸減速器、Y軸電動機、Y軸張緊、X軸PU開口帶。

動力與傳動系統故障原因分析:折彎機器人動力與傳動系統故障原因統計如表2、直方圖如圖9所示。

表2 動力與傳動系統故障原因表

從表2和圖9折彎機器人動力與傳動系統故障原因直方圖中可以看出:主要的故障原因為:電動機損壞、零部件損壞、安裝不當。其中電動機損壞導致的故障最多。在外構件中損壞型較高的為電動機，損壞次數為23次。其他零部件有損壞但極少。因此，建議更換電動機提供廠商、提高電動機質量以提高折彎機器人可靠性。針對Z軸滑落現象，由于Z軸承載著Z軸、Y軸、A軸、C軸、工裝等結構的重量，電機損壞 Z軸下滑易導致其他意外損害。因此建議安裝電磁制動裝置，當出現故障時可以自動緊急制動。嚴格要求裝配程序，劃分責任，加強出廠檢查。鑒于帶張緊處出現松動為5次。對減速機密封定期做檢查，定期對設備潤滑維護。

3 結語

本文經過對折彎機器人動力與傳動系統組成零部件分析，建立可靠性框圖，建立起了零件與組成動力與傳動系統的可靠性邏輯關系。依據FMEA理論，應用FMEA分析方法，針對動力與傳動系統2年內發生的54條實際故障數據進行處理分析，得出折彎機器人動力與傳動系統主要的故障模式為失調型中的運動部件運動失調、功能型中的發出異響、損壞型中的電機損壞、零部件損壞，運動型中的不動作、功能型中的程序與實際運行位置不符、松動型中的零部件松動、滲漏中的漏油。發生的主要故障部位為Z軸電動機、A軸減速機、Y軸電動機、Y軸張緊、X軸PU開口帶。主要的故障原因為:電動機損壞、零部件損壞、安裝不當。

.知識窗.

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