工业机器人可靠性设计与测试研究

工业机器人可靠性设计与测试研究

作者：柳贺李勋刘蕾

来源：《中国新技术新产品》2014年第14期

摘要：工业机器人作为一种工业现场应用设备，其可靠性往往在与人类交互过程中显得尤为重要，其可靠性受到设计、加工、装配以及调试等多方面因素的影响，对其研究比较复杂。本文主要介绍工业机器人的元器件选型、分析以及可靠性测试方面的保障，进一步提升产品的可靠性。

关键词：工业机器人；可靠性；测试

中图分类号：TP242 文献标识码：A

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。

由于工业机器人是元部件众多，是一复杂系统，它以多自由度方式运动，因而发生的故障可能造成难以预计的后果，具有潜在的人机风险。为此对机器人必须严格按照可靠性测试标准进行测试，目的在于：（1）在机器人的设计和整个寿命周期中进行有效的可靠性运行，特别在样机测试阶段，必须将潜在的风险暴露出来加以改进；（2）出现故障后的及时修复性，减少客户的停机损失；（3）工业机器人的安全性，避免出现人机事故，确保人员安装调试、编程示教、操作、维护过程的安全。我们以EFORT的工业机器人可靠性指标：MTBF不低于6000H。我们需要从设计、采购、加工制造、装配、测试等环节降低产品失效的因素。

1元器件可靠性设计要求

1.1电子元器件可靠性设计

电子器件的选取，必须经过100%环境筛选测试，测试合格的产品才允许采用，按照可靠性分配原则，筛选与元器件失效分析相结合，一旦发现失效，必须对同一类产品进行原因分析，按照5W1H方法进行纠正预防措施分析与整改。

电子元器件的选取按照以下规则：

a.电子元器件决不允许超核运行，应按照降额设计，一般达到85%；

b.线路设计尽量进行动力、信号隔离处理，防止电磁干扰，进行干扰试验；

c.功能部件进行热分析，高温拷机测试；

d.振动测试，一般按照5-200HZ，振幅2mm的扫频振动测试。

1.2机电产品的可靠性设计

机电产品的设计与验证，必须100%验证，在断路器、线缆、继电器、接插件等必须进行电流、温度、频次等验证分析，主要为：

a.线路的选取考虑电流、温度等其它要求；

b.电气元器件的参数除符合国家标准外，机器人的额外要求不许满足，比如继电器的动作次数要求等；

c.接插件的接触电阻、电流、耐热等，同时考虑其防错、易维修性等。

1.3机加部件的可靠性设计

机械加工部件的设计，考虑其材质、加工难度、安全系数等，装配前必须100%检查，全部合格后才能安装，主要包括：

a.设计时用机械专用软件进行应力分析，确保安全系数在2以上；

b.设计时考虑加工工艺，确保机加的尺寸、行位公差以及粗糙度等；

c.对部分特殊要求的，要控制其材质与工艺，比如：发黑、耐腐蚀等特殊处理。

2关键部件可靠性验证

机器人的关键部件测试必须严格按照测试大纲进行测试，详细记录测试数据并进行分析。

2.1运动控制器与伺服驱动器

运动控制器与伺服驱动器为机器人主要运动控制部件，除电子元器件的可靠性测试外，额外需要进行功能测试，包括：加减速测试、响应测试、正反向运转电流冲击测试、CPU负载率测试等。

2.2伺服电机

机器人伺服电机除一般的电机要求外，还要求电机具备高过载能力，同时由于其特殊的安装与应用环境，需要对其电机油封、制动器都提出很高要求，表现为：

a.电机的油封本身动密封要求很高，尽量采用高质量的双唇油封，一般测试3000H后进行拆解，分析密封情况；

b.制动器对于机器人为安全部件，其可靠次数必须达到万级以上，测试为制动器扭力确认，不能出现跌失。

2.3 减速器

在选取减速器的时，考虑电机转速、设计指标等来选取减速器的减速比、额定扭矩，并降额选取，同时考虑减速器的输入齿轮配合、油路润滑等，在重要关节考虑设计走线方式与装配方便性。

2.4管线包

工业机器人本体管线包包括电机驱动线缆，外围IO线缆，总线线缆等组成，由于机器人的现场应用需求，线缆必须满足耐扭拉、高揉要求，最少满足：1000万次以上的耐弯曲指标。

3 整机可靠性分析与验证

3.1整机可靠性测试

各部件测试完成后，需要对样机进行整机测试，按照国家与企业标准对机器人的功能测试外，必须要进行可靠性测试，其中包括控制柜的振动测试、温控测试、本体振动监视等。

图1与图2是我们用加速度传感器检测的各轴电机在机器人高速运行时的XYZ三方向的振动情况。

由图1的测试结果，可以分析原因，进行运动参数调整，减小机器人的本体振动，从图2中可以看出振动从修改前的5G降到修改后的2G。

3.1.1整机120H功能测试

机器人的120H测试，包括机器人功能测试与拷机测试。功能测试包括：机器人3大坐标系的运动测试、零点复位、IO功能测试、各轴运动范围与运动空间测试、各轴最大速度、重复精度测试，特殊要求的轨迹精度与D-H参数补偿测试等。如图3所示。

3.1.2整机1000H可靠性测试

在120H测试结束正常后，进入1000H满载100%速度各空间可达程序运行测试，在测试过程中会监视各轴的运行情况，包括各轴电流、速度等曲线，测试结束后需要再次测试机器人的重复定位精度，分析机械本体与控制系统的精度偏移。同时对电柜整体的温度、各电机部件温度，机械传动部件温度以及本体噪声均监控，规定噪声不大于75分贝。

图4与图5表示测试过程中出现的异常与正常电流、速度曲线对比，从图3中明显可以看出机器人处于异常状态，这时需要排查机械本体传动与电机等原因。

3.1.3整机500H超载加速测试

在完成1000H测试后，还需要对机器人进行130%负载，100%速度下运行，主要进行加速超额检测，测试过程中，同样监视各轴的运行情况，包括各轴电流、速度等曲线，测试结束后需要再次测试机器人的重复定位精度，分析机械本体与控制系统的精度偏移。

4 结论

从可靠性工程角度分析，在工业机器人的设计、采购、生产制造、测试等阶段都应进行相应的可靠性工作，在设计阶段进行可靠性预计与设计；采购、加工阶段对质量的薄弱环节进行过程控制与试验；在样机阶段必须进行可靠性测试与加速，甚至破坏性测试；在应用现场进行故障记录与搜集，这样才能提高我们自主机器人的可靠性。

参考文献

[1]蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]霍伟. 机器人动力学与控制[M].高等教育出版社，2004..

[3]R.P.Paul.“Robot manipulators：mathematics，programming，and control”The MIT press 1981：160-168..

[4]陆佑方. 柔性多体系统动力学[M]. 高等教育出版社， 1996..

[5]陈胜军.机器人系统的可靠性理论研究[J] .机器人 robot 第25卷， 2003（07）.

[6]（美）克来格（Craig J.J）.机器人学导论[M].机械工业出版社，2006.

[7] SPONG M W，VIDYASAGAR M.Robot Dynamics And Control [M].Wiley India

Pvt.Ltd.，2008.