特種重載機器人故障模式、影響及危害性分析

謝冰，朱艾晨

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110000）

本文重載機器人指末端有效載荷大于1000kg 的特種機器人，該機器人具有負載能力大、運行平穩、定位精度高等特點，相比傳統起重設備更加智能、高效、靈活，能夠提供不同規格負載高精度吊裝、轉載、搬運等功能。由于其較為復雜的結構以及多自由度系統，重載機器人不僅維修困難而且維修成本較高，運行中一旦出現故障，輕則喪失系統功能，重則導致吊物損壞或碰撞進而引發更加嚴重的危害，造成不必要的經濟損失。因此，本文以沈陽新松機器人自動化股份有限公司所研制的某特種重載機器人為研究對象，采用硬件FMECA 方法進行分析，明確薄弱環節，并給出改善措施。

1 重載機器人結構功能介紹

本文以重載機器人整機系統為研究對象，并將重載機器人整機系統的結構作如下劃分，即重載機器人主要由機器人本體、多功能復合吊梁、電控系統和液壓系統4 大部分組成，如圖1 所示。

機器人本體采用垂直多關節的結構形式，依靠多軸復合運動實現起升、平移、回轉等動作。多功能復合吊梁作為機器人的末端執行器，通過視覺掃描機構對吊物位置進行定位。電控系統設計滿足整機控制系統、驅動電機等全部用電設備的供電。在成熟工業機器人控制技術的基礎上，電控系統按照重載、大慣量、精度要求高等特點，對機器人的控制結構進行了針對性改造，實現機器人運動規劃、控制、系統狀態數據采集顯示、組網通訊等功能。液壓系統采用一種并聯雙閥組控制結構，空載高速工況多路閥工作，重載低速啟用比例伺服閥，實現重載低速高精度，空載高速的要求。

2 FMECA 分析

FMECA 是分析產品所有可能存在的故障模式及其可能產生的影響，并按照每個故障模式產生影響的嚴重程度及其發生概率予以分類的一種歸納分析方法，FMECA 由故障模式及影響分析（FMEA）、危害性分析（CA）兩部分組成，具體的分析方法按照圖2 所示步驟來進行。

圖2 FMECA 分析步驟

2.1 故障模式及影響分析

（1）約定層次。“初始約定層次”為重載機器人。“約定層次”為機器人本體、多功能復合吊具、電控系統、和液壓系統。“最低約定層次”為約定層次的維修最小更換單元，如圖3 所示。

圖3 重載機器人的主體結構

（2）根據重載機器人的約定層次、功能及組成進行分析，功能層次與結構層次對應關系見圖4。

圖4 重載機器人功能與結構層次對應關系

（3）重載機器人的分系統之間無冗余或備份，因此，可靠性模型按各分系統的串聯結構，任意分系統不能正常工作時，均會導致重載機器人任務失敗。

（4）故障影響及嚴酷度分析。故障影響級別共有3個層次：局部影響、高一層次影響和最終影響，最終影響是故障影響模式的最后一個層面，也是確定嚴酷度和改進措施的基礎。故障影響級別和嚴酷度等級劃分評分準按Ⅰ類（致命的）、Ⅱ類（災難的）、Ⅲ類（中等的）和Ⅳ類（輕度的）進行分類。

2.2 危害性分析

危害性分析常用的方法包括風險優先數法和危害性矩陣法，后者又分為定性以及定量危害性矩陣分析法，當故障數據不充分時，可進行定性分析；當故障數據較為充足時，可進行定量分析。本文采取的是定量危害性矩陣分析法。

定量分析方法通過已有的故障信息進行分析總結，計算得出故障模式的危害度Cmj或產品危害度Cr，從而確定關鍵的故障模式。

（1）故障模式的危害度Cmj。

第j 個故障模式在工作時間t 內發生的危害度的Cmj。

式中，j=1，2，…，N，N 為產品的故障模式總數；αj：故障模式頻數比，產品已經發生故障時，第j 個故障模式發生的概率；βj：故障模式影響概率，第j 個故障模式已經發生時，對“初始約定層次”的最終影響的發生概率。常用的以及本文采用的規定值β見表1；λp（1×10-6）：產品在工作時間t 內的發生的故障頻率（1/h）；t；產品的工作時間（h）。

表1 故障影響概率β

（2）產品危害度Cr。

Cr是產品在特定的嚴酷度類別和工作時間t 內的所有Cmj之和。

式中，j = 1，2，…，N，N 為產品的故障模式總數。

本文FMECA 分析中的數據（αj、βj、λp、t 等），基本上是對沈陽新松某特種重載機器人的故障信息進行調研、統計和總結后獲得的。

根據特種重載機器人的實際情況，將FMEA、CA 表合并成FMECA 表，FMECA 分析中的數據（αj、βj、λp、t 等），基本上是對沈陽新松某特種重載機器人的故障信息進行調研、統計和總結后獲得的。根據FMECA 表的內容，將故障模式的嚴酷度類別作為橫坐標，故障模式危害度Cm作為縱坐標，繪制故障模式的危害性矩陣圖（如圖5 所示）。

圖5 危害性矩陣圖

由圖5 可知，特種重載機器人共有25 個故障模式，考慮到嚴酷度類別以及故障模式危害度，將Ⅰ類嚴酷度、Ⅱ類嚴酷度且故障模式危害度≥2 的故障模式定義為關鍵故障模式，包括：

嚴酷度類別Ⅰ：104（關節回轉軸斷裂）、105（連桿斷裂）：因結構損傷引起的關節回轉軸斷裂和連桿斷裂，機器人無法正常工作。設計時，可增加結構安全系數進行改進。

嚴酷度類別Ⅱ：1010（液壓油缸內泄）：因密封不良和密封件損壞而引起的液壓油缸內泄，造成機器人本體舉升無力，最終吊物出現下沉。設計時可選擇高質量油缸，控制系統增加吊物位置保護以進行改進；303（伺服驅動器過流）：因過載引起伺服驅動器過流造成機器人無法正常工作，設計時可選取額定載荷更大的驅動器進行改進，使用時降低負載、更換驅動器；304（編碼器反饋碼值異常）：因接線故障和自身故障而引起的編碼器反饋碼值異常而引起機器人工作無法正常進行，可改善線路布局并進行相應線纜保護，注意接線處連接牢固，編碼器備份設計，一用一備。使用時定期線路排查、更換編碼器；403（液壓泵組失效）：針對因內部零件機械磨損、疲勞損壞引起的液壓泵組失效，造成機器人失效，可采用雙泵設計，并設計應急電機泵組；405（平衡閥失效）：因平衡閥故障或者油液污染引起的平衡閥失效，造成機器人無法正常工作?？稍黾右嚎貑蜗蜷y手動鎖定措施進行改進；407（比例伺服閥失效）：因閥組故障引起的比例伺服閥失效，造成機器人失效，可增加手動閥改進。同時使用過程中定期維護保養、加強潤滑和檢查狀態。

3 結語

本文在對重載機器人的系統結構組成進行分析的基礎上，通過FMECA 法對重載機器人整機系統進行了故障分析發現：（1）歸納了4 個子系統的各個關鍵子部件相應的故障模式以及潛在影響，并給出相對應的改進措施以及使用措施。（2）通過FMECA 分析，發現特種重載機器人對應的Ⅰ類嚴酷度有2 個，Ⅱ類嚴酷度故障有12 個，并定義關節回轉軸斷裂、連桿斷裂、編碼器反饋碼值異常、液壓油缸內泄、伺服驅動器過流、液壓泵組失效、平衡閥失效、比例伺服閥失效為關鍵故障模式。（3）重載機器人故障模式分析可以促進重載機器人FMECA 工作的系統性和規范性，同時通過重載機器人整機系統上的FMECA 分析，為完善重載機器人的設計、提高重載機器人的可靠性提供重要依據。