文/鄒俊 周正華
焊接機(jī)器人屬于工業(yè)機(jī)器人的范疇內(nèi),最早應(yīng)用于電汽化生產(chǎn),隨著新時(shí)期人工智能技術(shù)、軟件編程及數(shù)字化信息處理的應(yīng)用成果,焊接機(jī)器人逐漸應(yīng)用在多個(gè)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)當(dāng)中,但是我國(guó)現(xiàn)存的實(shí)踐案例和理論體系不夠成熟,焊接機(jī)器人的使用性和功能性不足,可靠性有待完善,所以需要加以研發(fā)相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究與應(yīng)用。
焊接機(jī)器人相較于常規(guī)勞動(dòng)力來(lái)說(shuō)不受工作時(shí)間、高溫惡劣環(huán)境的影響,能夠完成高危險(xiǎn)性的復(fù)雜焊接任務(wù),作為工業(yè)自動(dòng)化控制與生產(chǎn)的象征,對(duì)于精密電子元件和機(jī)械零件的高精度加工焊接,需要提升相應(yīng)的可靠性,減少對(duì)產(chǎn)品的損耗,提升焊接機(jī)器人的質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn),創(chuàng)新技術(shù)功能,完善產(chǎn)品加工制造的完成度,只有不斷改進(jìn)與研發(fā)新技術(shù),才能提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,保障焊接機(jī)器人的可靠性、實(shí)用性與安全性。
焊接機(jī)器人的系統(tǒng)常規(guī)來(lái)說(shuō)包括機(jī)器人主體、控制系統(tǒng)中心、焊機(jī)等焊接工具以及必要附件,焊接機(jī)器人的本體部分分為控制處理系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng),要想提升可靠性,必須要雙管齊下,既要掌控焊接機(jī)器人的操作技術(shù)和機(jī)械臂動(dòng)作軌跡,也要重視信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、通訊、模擬、實(shí)踐等多種功能,具備一定的人機(jī)交互和傳感功能。在面對(duì)特殊情況和異常事件時(shí),要能夠區(qū)分差異并作出解決方案,決定即時(shí)停機(jī)暫停操作還是進(jìn)行合理補(bǔ)救。焊接機(jī)器人按照系統(tǒng)組成部件可以劃分為機(jī)器本體、控制柜、焊機(jī)及周邊附件,(附件具體包括示范教學(xué)機(jī)器、變壓器、焊槍、送絲機(jī)、保護(hù)器、焊絲、各類線纜等)。如果按照客觀實(shí)際來(lái)區(qū)分,焊接機(jī)器人主要以機(jī)器區(qū)域和電子區(qū)域。機(jī)器區(qū)域包括支撐機(jī)器人的必要機(jī)械結(jié)構(gòu)和在進(jìn)行焊接工作時(shí)的操作結(jié)構(gòu),機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與精細(xì)度也是決定焊接機(jī)器人系統(tǒng)可靠性的影響因素之一;電子區(qū)域則包括了焊接機(jī)器人的數(shù)據(jù)輸入裝置、邏輯控制器、傳感器、變壓器、集成電路、電源和線纜。
嚴(yán)格來(lái)說(shuō),焊接機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性主要是根據(jù)可靠度和故障率兩個(gè)硬性指標(biāo)來(lái)衡量的??煽慷仁侵负附訖C(jī)器人的工作效率,即在限定條件下完成工作并達(dá)到相關(guān)要求的概率;故障率是指焊接機(jī)器人的工作質(zhì)量,既在某一時(shí)間點(diǎn)之前的工作完成率和時(shí)間點(diǎn)之后的故障發(fā)生率。另外還包括平均故障間隔時(shí)間,平均故障間隔則是指機(jī)器人在每次修復(fù)完畢后,持續(xù)工作時(shí)間的平均值。焊接機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性在實(shí)際生產(chǎn)和加工過(guò)程中是具有相對(duì)性的,由于應(yīng)用范圍和實(shí)際的工作種類、工作內(nèi)容和工作要求來(lái)說(shuō),具體完成指標(biāo)也不一致。不同產(chǎn)品對(duì)焊接機(jī)器人的可靠性要求也有所差異。所以具體的可靠性內(nèi)容分析首先要基于客戶的需求,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行修改與調(diào)整,通過(guò)對(duì)具體參數(shù)和相關(guān)質(zhì)量規(guī)格進(jìn)行調(diào)整,并且可以進(jìn)行三維建模推演投入運(yùn)行的實(shí)際效果,通過(guò)對(duì)可靠度、故障率及其他指標(biāo)事項(xiàng)進(jìn)行核算,來(lái)假定焊接機(jī)器人的可靠性區(qū)間來(lái)確定其工作效率及工作質(zhì)量水平。
根據(jù)相關(guān)理論,焊接機(jī)器人的可靠性預(yù)計(jì)原理主要以系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)和單元可靠性預(yù)計(jì),常見(jiàn)的預(yù)計(jì)方法包括模型法、相似預(yù)計(jì)法、元件計(jì)數(shù)法、應(yīng)力分析法、專家評(píng)分法等。具體影響焊接機(jī)器人可靠性的因素較為復(fù)雜,在測(cè)算方法時(shí)需要進(jìn)行綜合考量。一般來(lái)說(shuō),基于機(jī)器設(shè)計(jì)人員的工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō),由于客觀因素的影響,限制范圍較多,諸如機(jī)器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,生產(chǎn)、加工、制造的環(huán)境條件,工作內(nèi)容、時(shí)間及要求,技術(shù)專業(yè)性質(zhì)等。焊接機(jī)器人的系統(tǒng)數(shù)據(jù)及外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越復(fù)雜,機(jī)械零件和電子元件越多,在實(shí)際投入運(yùn)行的難度就越大,可靠性就越難提升。就當(dāng)前技術(shù)水平來(lái)說(shuō),需要克服種種限制條件,不但要提升焊接機(jī)器人可靠性,還要就后續(xù)對(duì)焊接機(jī)器人的檢修和維護(hù)工作做好防護(hù)措施。
可靠性的有效性研究一般以焊接機(jī)器人系統(tǒng)在實(shí)際工作運(yùn)轉(zhuǎn)中采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的測(cè)算,基于相關(guān)數(shù)據(jù)的整合、處理與分析,來(lái)建立工作故障樹狀圖。通常來(lái)說(shuō),焊接機(jī)器人在投入生產(chǎn)加工制造工作時(shí)都需要進(jìn)行試運(yùn)行,數(shù)據(jù)信息錄入之后,通過(guò)軟件編程進(jìn)行模擬實(shí)際的工作效益,并對(duì)焊接機(jī)器人的各項(xiàng)功能進(jìn)行試運(yùn)行測(cè)試,收集數(shù)據(jù)對(duì)其可能會(huì)出現(xiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行分析,對(duì)于故障模式、故障影響、發(fā)生概率和具體原因一一進(jìn)行判別,將相關(guān)數(shù)據(jù)收集起來(lái)作為對(duì)后續(xù)焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)制作的參考依據(jù),一步步完善,逐漸消除相關(guān)問(wèn)題,提升可靠性。
焊接機(jī)器人的故障檢驗(yàn)分析必須要通過(guò)建立故障樹展開分析,在確認(rèn)目標(biāo)機(jī)器人后,需要了解對(duì)象,對(duì)其整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作性能和功能范疇進(jìn)行了解,合理選定故障樹的頂點(diǎn)事件,一般來(lái)說(shuō)頂事件大于等于兩個(gè)。其次要根據(jù)可能會(huì)發(fā)生的故障事件的邏輯關(guān)系建立故障樹,通過(guò)頂事件與其他事件的邏輯關(guān)系,研究其故障原因,分析并處理相關(guān)問(wèn)題,由上至下,層層深入,最后進(jìn)行描述。故障樹分析故障樹分析主要用于焊接機(jī)器人系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段的故障檢驗(yàn),而這一檢驗(yàn)過(guò)程則是通過(guò)建立故障樹并圍繞故障樹展開分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在故障樹的構(gòu)建階段,設(shè)計(jì)師首先需要收集盡可能多的焊接機(jī)器人故障資料,了解其可能出現(xiàn)的故障情況,比如機(jī)器人本體故障設(shè)定頂事件,子系統(tǒng)下的故障原因由敲定各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)轉(zhuǎn)故障,依次將手臂、肩部、肘部、底座、腰部、軸承、軸、齒輪、等等進(jìn)行設(shè)置為中間事件,在根據(jù)每個(gè)細(xì)節(jié)的零件問(wèn)題分為組件故障,在判定故障現(xiàn)象時(shí)計(jì)入概率數(shù)據(jù)以及因果關(guān)系,提供理論依據(jù)。
可靠性分配是指對(duì)焊接機(jī)器人的工作需求進(jìn)行合理的參數(shù)分配,首先根據(jù)其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行逐一管理,確定每一個(gè)部分的可靠性指標(biāo),設(shè)定相應(yīng)的區(qū)間閾值,定期對(duì)其進(jìn)行核算,確定焊接機(jī)器人的可靠值、故障率及平均故障間隔。對(duì)于客戶需求和工作要求明確相關(guān)編程和參數(shù)信息,同時(shí)設(shè)計(jì)人員也根據(jù)具體的指標(biāo)來(lái)尋找具體的設(shè)計(jì)方法,以保證子系統(tǒng)或組件能夠滿足可靠性指標(biāo)的要求。在實(shí)際應(yīng)用中,可靠性分配可分為等份分配法、評(píng)分分配法、比例組合閥等多種方法,不同方法所使用的算法不同,適用的情況也存在差異,因而還需根據(jù)焊接機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行選擇。
綜上所述,焊接機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)雖然較為復(fù)雜,流程繁瑣,但是只要層層深入,合理分析,剖析相關(guān)故障原因,收集參數(shù)和運(yùn)行信息進(jìn)行處理,能夠有效提升其可靠性,通過(guò)建立完善的故障樹圖來(lái)最大程度上減少故障幾率,加強(qiáng)相關(guān)維護(hù)檢測(cè)工作,能夠?qū)崟r(shí)了解到焊接機(jī)器人的故障問(wèn)題,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)體系。在實(shí)際設(shè)計(jì)中進(jìn)行靈活應(yīng)用,充分保障焊接機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性。從企業(yè)利益來(lái)看,提升焊接機(jī)器人的可靠性水平能夠有效降低后期生產(chǎn)加工制造成本,提升經(jīng)濟(jì)效益,收回成本。尤其是對(duì)于可靠性分配來(lái)說(shuō),需要注重物質(zhì)資源的合理配置,算入相應(yīng)的資金成本和投資效益。從我國(guó)焊接機(jī)器人事業(yè)發(fā)展來(lái)看,可靠性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)需要考慮到未來(lái)相關(guān)試驗(yàn)和實(shí)踐案例的數(shù)據(jù)信息收集,以提升企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量,塑造良好口碑和形象,提升經(jīng)濟(jì)效益,推動(dòng)焊接機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,促進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化、智能化高效生產(chǎn)加工制造為主。