焊接机器人系统可靠性设计技术的研究与应用

甘淑娟

【摘要】随着产业转型升级的需要、人力成本的上升化及国家政策的扶持，我国工业机器人市场占有率越来越髙，应用范围也越来越广泛。目前，焊接机器人由于其焊接质量好、焊接效率高等特点，被应用到了许多工程机械的焊接生产线上。鉴于此，本文就焊接机器人系统可靠性设计技术的研究与应用展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。

【关键词】焊接机器人；故障树分化模糊FMECA；可靠性预计

一、PR1400焊接机器人系统主要构成

由机器人本体、控制柜、焊机及周边附件等构成。附件主要包括示教器、变压器、焊枪、送丝机、保护气、焊丝、气管及各种线缆等。其系统连接如下图1所示。

焊接机器人的本体部分是机器人运动的执行机构，该类型的焊接机器人是六自由度串联关节型机器人。PR1400型焊接机器人本体由腰座、肩部、大臂、肘部、小臂、腕部组成，在机器人末端加装有焊枪，在肘部上方加装有送丝机。该款焊接机器人共有六个自由度，依次为腰座绕以s轴回转、大臂绕細轴俯仰、肘部绕Eb轴俯仰、小臂绕Rt轴回转、手腕绕Bn轴俯仰、手腕末端法兰绕Tr轴转动。PR1400的所有关节均为转动关节，其中前三个关节决定焊接机器人末端的位置，而机器人末端姿态由后三个关节决定。

二、PR1400焊接机器人可靠性参数选择及指标的确定

为了能够进一步明确可靠性耍求，一定要选择恰当并符合规定的可靠性参数。前一小节所描述的通用可靠性参数中，MTBF的应用范围极其广泛，并且它也是可修复产品的基本可靠性的一种度量，体现了产品对维修资源的相关要求。针对本文描述的焊接机器人这种可修复的复杂机电产品来说，考虑到它的可靠性的分布形式不是很严格，通常推荐选用MTBF来作为其可靠性设计和评估的可靠性参数。此外，在选定焊接机器人可靠性指标后，还需要全面考虑产品的使用要求、成本、科技水平以及现有相似产品的可靠性水平等因素，并且整理分析大量的国内外已有焊接机器人的可靠性指标值作为依据，结合公司的现状和PR1400焊接机器人的可靠性设计需求，在PR1400设计阶段的初期，先暂时确定PR1400焊接机器人整机MTBF指标的值为5000小时。在细节设计过程中，根据功能将整机指标分配至各个子系统（或部件），确定具体子系统（或部件）的设计要求，完善设计流程；设计完成后，最终再通过可靠性预计及可靠性评审方法，确定新设计的产品能否达到规定的产品指标需求。

三、可靠性预计的常用方法

目前，可靠性预计的方法有很多，根据可靠性预计原理的不同可分为传统的可靠性预计法、功能预计法、相似复杂性法、上下限法等；根据可靠性预计对象的不同可分为系统可靠性预计与单元可靠性预计。其中最常用的预计方法有数学模型法、上下限法、元件计数法、专家评分法、应力分析法、相似设备法、蒙特卡洛法、相似功能法、布尔真值法等对常用的四种可靠性预计方法进行介绍。元器件计数法元器件计数法主要运用在产品研制的早期阶段。这一阶段产品只大概知道元器件的數量，但是对元器件的详细信息并不清楚，不能对产品进行详细的可靠性预计。而产品研制的初期工程人员也只是想要大致地了解产品的可靠性水平，判断当前的设计方案是否满足可靠性要求，同时还能根据可靠性预计的结果对设计方案进行比较，然后确定更好的方案。

四、PR1400焊接机器人系统可靠性分配方法评分

分配法不仅能够反映出各个单元本身的固有故障率特性，而且能够反映出相关影响因素对系统故障特性的影响。本论文主要论述了PR1400焊接机器人系统进入详细设计阶段时其基本可靠性的分配过程，选用评分分配法作为系统的可靠性分配方法。之所以选用评分分配法，主要是由于企业没有相关故障率的原始数据积累，没有重视与可靠性工作相关的研究，导致故障数据的严重缺乏。在为PR1400焊接机器人系统进行可靠性分配时，总体遵循了以下原则。

（1）技术水平；对于PRHOO焊接机器人系统中技术水平比较成熟的单元，可以分配给较高的可靠度，最高可分配为10分，最低为1分。（2）复杂程度：对于PR1400焊接机器人系统中复杂程度较高的子系统或零部件，可以分配较低的可靠度指标。复杂程度最低为10分，最高为1分。（3）重要程度：在PR1400焊接机器人系统中，某个零部件的失效会对机器人产生严重的后果，或者导致整个系统的失效，则应为该零部件分配较高的可靠度，重要程度最髙可分配10分，最低为1分。（4）任务情况：在整个任务时间内都需要连续工作及工作条件恶劣、难以保证很髙可靠性的单元，则分配给较低的可靠度，条件最恶劣为10分，最好为1分。

五、结束语

提升产品质量就要坚持从故障发生的源头抓起，在产品设计的各个阶段进行可靠性工作的安排与实施。本文结合PR1400焊接机器人日常的故障积累，将可靠性理论运用到焊接机器人可靠性设计技术中，对PR1400焊接机器人系统进行了可靠性分析、预计与分配相关方面的研究。

参考文献

[1]孙建超.焊接机器人在焊接技术应用中的关键技术探究[J/OL].中国战略新兴产业，2018-03-29.

[2]王强.汽车制造中焊接机器人的控制系统[J].电子技术与软件工程，2018（04）：113.