焊接机器人系统可靠性设计技术的应用

文/邹俊 周正华

焊接机器人属于工业机器人的范畴内，最早应用于电汽化生产，随着新时期人工智能技术、软件编程及数字化信息处理的应用成果，焊接机器人逐渐应用在多个工业自动化生产当中，但是我国现存的实践案例和理论体系不够成熟，焊接机器人的使用性和功能性不足，可靠性有待完善，所以需要加以研发相关设计技术的研究与应用。

焊接机器人相较于常规劳动力来说不受工作时间、高温恶劣环境的影响，能够完成高危险性的复杂焊接任务，作为工业自动化控制与生产的象征，对于精密电子元件和机械零件的高精度加工焊接，需要提升相应的可靠性，减少对产品的损耗，提升焊接机器人的质量及标准，创新技术功能，完善产品加工制造的完成度，只有不断改进与研发新技术，才能提升市场竞争力，保障焊接机器人的可靠性、实用性与安全性。

1 焊接机器人的系统结构及功能性分析

焊接机器人的系统常规来说包括机器人主体、控制系统中心、焊机等焊接工具以及必要附件，焊接机器人的本体部分分为控制处理系统和执行系统，要想提升可靠性，必须要双管齐下，既要掌控焊接机器人的操作技术和机械臂动作轨迹，也要重视信息的传输、处理、存储、通讯、模拟、实践等多种功能，具备一定的人机交互和传感功能。在面对特殊情况和异常事件时，要能够区分差异并作出解决方案，决定即时停机暂停操作还是进行合理补救。焊接机器人按照系统组成部件可以划分为机器本体、控制柜、焊机及周边附件，（附件具体包括示范教学机器、变压器、焊枪、送丝机、保护器、焊丝、各类线缆等）。如果按照客观实际来区分，焊接机器人主要以机器区域和电子区域。机器区域包括支撑机器人的必要机械结构和在进行焊接工作时的操作结构，机械臂的结构设计与精细度也是决定焊接机器人系统可靠性的影响因素之一；电子区域则包括了焊接机器人的数据输入装置、逻辑控制器、传感器、变压器、集成电路、电源和线缆。

2 焊接机器人的可靠性分析

严格来说，焊接机器人系统的可靠性主要是根据可靠度和故障率两个硬性指标来衡量的。可靠度是指焊接机器人的工作效率，即在限定条件下完成工作并达到相关要求的概率；故障率是指焊接机器人的工作质量，既在某一时间点之前的工作完成率和时间点之后的故障发生率。另外还包括平均故障间隔时间，平均故障间隔则是指机器人在每次修复完毕后，持续工作时间的平均值。焊接机器人系统的可靠性在实际生产和加工过程中是具有相对性的，由于应用范围和实际的工作种类、工作内容和工作要求来说，具体完成指标也不一致。不同产品对焊接机器人的可靠性要求也有所差异。所以具体的可靠性内容分析首先要基于客户的需求，在结构设计时进行修改与调整，通过对具体参数和相关质量规格进行调整，并且可以进行三维建模推演投入运行的实际效果，通过对可靠度、故障率及其他指标事项进行核算，来假定焊接机器人的可靠性区间来确定其工作效率及工作质量水平。

3 焊接机器人系统可靠性设计的技术应用

3.1 可靠性设计的方法及影响因素探讨

根据相关理论，焊接机器人的可靠性预计原理主要以系统可靠性预计和单元可靠性预计，常见的预计方法包括模型法、相似预计法、元件计数法、应力分析法、专家评分法等。具体影响焊接机器人可靠性的因素较为复杂，在测算方法时需要进行综合考量。一般来说，基于机器设计人员的工程经验来说，由于客观因素的影响，限制范围较多，诸如机器结构的复杂性，生产、加工、制造的环境条件，工作内容、时间及要求，技术专业性质等。焊接机器人的系统数据及外部结构设计越复杂，机械零件和电子元件越多，在实际投入运行的难度就越大，可靠性就越难提升。就当前技术水平来说，需要克服种种限制条件，不但要提升焊接机器人可靠性，还要就后续对焊接机器人的检修和维护工作做好防护措施。

3.2 可靠性设计技术在焊接机器人系统中的应用

可靠性的有效性研究一般以焊接机器人系统在实际工作运转中采集到的数据信息进行实质性的测算，基于相关数据的整合、处理与分析，来建立工作故障树状图。通常来说，焊接机器人在投入生产加工制造工作时都需要进行试运行，数据信息录入之后，通过软件编程进行模拟实际的工作效益，并对焊接机器人的各项功能进行试运行测试，收集数据对其可能会出现的故障问题进行分析，对于故障模式、故障影响、发生概率和具体原因一一进行判别，将相关数据收集起来作为对后续焊接机器人设计制作的参考依据，一步步完善，逐渐消除相关问题，提升可靠性。

焊接机器人的故障检验分析必须要通过建立故障树展开分析，在确认目标机器人后，需要了解对象，对其整体的结构设计、工作性能和功能范畴进行了解，合理选定故障树的顶点事件，一般来说顶事件大于等于两个。其次要根据可能会发生的故障事件的逻辑关系建立故障树，通过顶事件与其他事件的逻辑关系，研究其故障原因，分析并处理相关问题，由上至下，层层深入，最后进行描述。故障树分析故障树分析主要用于焊接机器人系统在设计阶段的故障检验，而这一检验过程则是通过建立故障树并围绕故障树展开分析来实现的。在故障树的构建阶段，设计师首先需要收集尽可能多的焊接机器人故障资料，了解其可能出现的故障情况，比如机器人本体故障设定顶事件，子系统下的故障原因由敲定各个机械结构的设计和运转故障，依次将手臂、肩部、肘部、底座、腰部、轴承、轴、齿轮、等等进行设置为中间事件，在根据每个细节的零件问题分为组件故障，在判定故障现象时计入概率数据以及因果关系，提供理论依据。

3.3 可靠性分配

可靠性分配是指对焊接机器人的工作需求进行合理的参数分配，首先根据其设计结构和系统内容进行逐一管理，确定每一个部分的可靠性指标，设定相应的区间阈值，定期对其进行核算，确定焊接机器人的可靠值、故障率及平均故障间隔。对于客户需求和工作要求明确相关编程和参数信息，同时设计人员也根据具体的指标来寻找具体的设计方法，以保证子系统或组件能够满足可靠性指标的要求。在实际应用中，可靠性分配可分为等份分配法、评分分配法、比例组合阀等多种方法，不同方法所使用的算法不同，适用的情况也存在差异，因而还需根据焊接机器人系统的实际情况来进行选择。

4 结语

综上所述，焊接机器人系统的可靠性设计技术虽然较为复杂，流程繁琐，但是只要层层深入，合理分析，剖析相关故障原因，收集参数和运行信息进行处理，能够有效提升其可靠性，通过建立完善的故障树图来最大程度上减少故障几率，加强相关维护检测工作，能够实时了解到焊接机器人的故障问题，优化设计方案和结构体系。在实际设计中进行灵活应用，充分保障焊接机器人系统的可靠性。从企业利益来看，提升焊接机器人的可靠性水平能够有效降低后期生产加工制造成本，提升经济效益，收回成本。尤其是对于可靠性分配来说，需要注重物质资源的合理配置，算入相应的资金成本和投资效益。从我国焊接机器人事业发展来看，可靠性系统的设计技术需要考虑到未来相关试验和实践案例的数据信息收集，以提升企业产品质量，塑造良好口碑和形象，提升经济效益，推动焊接机器人产业链发展，促进工业自动化、智能化高效生产加工制造为主。