特种重载机器人故障模式、影响及危害性分析

谢冰，朱艾晨

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110000）

本文重载机器人指末端有效载荷大于1000kg 的特种机器人，该机器人具有负载能力大、运行平稳、定位精度高等特点，相比传统起重设备更加智能、高效、灵活，能够提供不同规格负载高精度吊装、转载、搬运等功能。由于其较为复杂的结构以及多自由度系统，重载机器人不仅维修困难而且维修成本较高，运行中一旦出现故障，轻则丧失系统功能，重则导致吊物损坏或碰撞进而引发更加严重的危害，造成不必要的经济损失。因此，本文以沈阳新松机器人自动化股份有限公司所研制的某特种重载机器人为研究对象，采用硬件FMECA 方法进行分析，明确薄弱环节，并给出改善措施。

1 重载机器人结构功能介绍

本文以重载机器人整机系统为研究对象，并将重载机器人整机系统的结构作如下划分，即重载机器人主要由机器人本体、多功能复合吊梁、电控系统和液压系统4 大部分组成，如图1 所示。

机器人本体采用垂直多关节的结构形式，依靠多轴复合运动实现起升、平移、回转等动作。多功能复合吊梁作为机器人的末端执行器，通过视觉扫描机构对吊物位置进行定位。电控系统设计满足整机控制系统、驱动电机等全部用电设备的供电。在成熟工业机器人控制技术的基础上，电控系统按照重载、大惯量、精度要求高等特点，对机器人的控制结构进行了针对性改造，实现机器人运动规划、控制、系统状态数据采集显示、组网通讯等功能。液压系统采用一种并联双阀组控制结构，空载高速工况多路阀工作，重载低速启用比例伺服阀，实现重载低速高精度，空载高速的要求。

2 FMECA 分析

FMECA 是分析产品所有可能存在的故障模式及其可能产生的影响，并按照每个故障模式产生影响的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法，FMECA 由故障模式及影响分析（FMEA）、危害性分析（CA）两部分组成，具体的分析方法按照图2 所示步骤来进行。

图2 FMECA 分析步骤

2.1 故障模式及影响分析

（1）约定层次。“初始约定层次”为重载机器人。“约定层次”为机器人本体、多功能复合吊具、电控系统、和液压系统。“最低约定层次”为约定层次的维修最小更换单元，如图3 所示。

图3 重载机器人的主体结构

（2）根据重载机器人的约定层次、功能及组成进行分析，功能层次与结构层次对应关系见图4。

图4 重载机器人功能与结构层次对应关系

（3）重载机器人的分系统之间无冗余或备份，因此，可靠性模型按各分系统的串联结构，任意分系统不能正常工作时，均会导致重载机器人任务失败。

（4）故障影响及严酷度分析。故障影响级别共有3个层次：局部影响、高一层次影响和最终影响，最终影响是故障影响模式的最后一个层面，也是确定严酷度和改进措施的基础。故障影响级别和严酷度等级划分评分准按Ⅰ类（致命的）、Ⅱ类（灾难的）、Ⅲ类（中等的）和Ⅳ类（轻度的）进行分类。

2.2 危害性分析

危害性分析常用的方法包括风险优先数法和危害性矩阵法，后者又分为定性以及定量危害性矩阵分析法，当故障数据不充分时，可进行定性分析；当故障数据较为充足时，可进行定量分析。本文采取的是定量危害性矩阵分析法。

定量分析方法通过已有的故障信息进行分析总结，计算得出故障模式的危害度Cmj或产品危害度Cr，从而确定关键的故障模式。

（1）故障模式的危害度Cmj。

第j 个故障模式在工作时间t 内发生的危害度的Cmj。

式中，j=1，2，…，N，N 为产品的故障模式总数；αj：故障模式频数比，产品已经发生故障时，第j 个故障模式发生的概率；βj：故障模式影响概率，第j 个故障模式已经发生时，对“初始约定层次”的最终影响的发生概率。常用的以及本文采用的规定值β见表1；λp（1×10-6）：产品在工作时间t 内的发生的故障频率（1/h）；t；产品的工作时间（h）。

表1 故障影响概率β

（2）产品危害度Cr。

Cr是产品在特定的严酷度类别和工作时间t 内的所有Cmj之和。

式中，j = 1，2，…，N，N 为产品的故障模式总数。

本文FMECA 分析中的数据（αj、βj、λp、t 等），基本上是对沈阳新松某特种重载机器人的故障信息进行调研、统计和总结后获得的。

根据特种重载机器人的实际情况，将FMEA、CA 表合并成FMECA 表，FMECA 分析中的数据（αj、βj、λp、t 等），基本上是对沈阳新松某特种重载机器人的故障信息进行调研、统计和总结后获得的。根据FMECA 表的内容，将故障模式的严酷度类别作为横坐标，故障模式危害度Cm作为纵坐标，绘制故障模式的危害性矩阵图（如图5 所示）。

图5 危害性矩阵图

由图5 可知，特种重载机器人共有25 个故障模式，考虑到严酷度类别以及故障模式危害度，将Ⅰ类严酷度、Ⅱ类严酷度且故障模式危害度≥2 的故障模式定义为关键故障模式，包括：

严酷度类别Ⅰ：104（关节回转轴断裂）、105（连杆断裂）：因结构损伤引起的关节回转轴断裂和连杆断裂，机器人无法正常工作。设计时，可增加结构安全系数进行改进。

严酷度类别Ⅱ：1010（液压油缸内泄）：因密封不良和密封件损坏而引起的液压油缸内泄，造成机器人本体举升无力，最终吊物出现下沉。设计时可选择高质量油缸，控制系统增加吊物位置保护以进行改进；303（伺服驱动器过流）：因过载引起伺服驱动器过流造成机器人无法正常工作，设计时可选取额定载荷更大的驱动器进行改进，使用时降低负载、更换驱动器；304（编码器反馈码值异常）：因接线故障和自身故障而引起的编码器反馈码值异常而引起机器人工作无法正常进行，可改善线路布局并进行相应线缆保护，注意接线处连接牢固，编码器备份设计，一用一备。使用时定期线路排查、更换编码器；403（液压泵组失效）：针对因内部零件机械磨损、疲劳损坏引起的液压泵组失效，造成机器人失效，可采用双泵设计，并设计应急电机泵组；405（平衡阀失效）：因平衡阀故障或者油液污染引起的平衡阀失效，造成机器人无法正常工作。可增加液控单向阀手动锁定措施进行改进；407（比例伺服阀失效）：因阀组故障引起的比例伺服阀失效，造成机器人失效，可增加手动阀改进。同时使用过程中定期维护保养、加强润滑和检查状态。

3 结语

本文在对重载机器人的系统结构组成进行分析的基础上，通过FMECA 法对重载机器人整机系统进行了故障分析发现：（1）归纳了4 个子系统的各个关键子部件相应的故障模式以及潜在影响，并给出相对应的改进措施以及使用措施。（2）通过FMECA 分析，发现特种重载机器人对应的Ⅰ类严酷度有2 个，Ⅱ类严酷度故障有12 个，并定义关节回转轴断裂、连杆断裂、编码器反馈码值异常、液压油缸内泄、伺服驱动器过流、液压泵组失效、平衡阀失效、比例伺服阀失效为关键故障模式。（3）重载机器人故障模式分析可以促进重载机器人FMECA 工作的系统性和规范性，同时通过重载机器人整机系统上的FMECA 分析，为完善重载机器人的设计、提高重载机器人的可靠性提供重要依据。