淺談工業(yè)機器人柔性系統(tǒng)的故障診斷

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃 克

工業(yè)機器人作為柔性制造系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，在日常運行中易出故障，此種故障非常隱蔽不易被發(fā)現(xiàn)，這一特點導(dǎo)致柔性制造系統(tǒng)難以普及并廣泛應(yīng)用。本文采用了故障樹分析法和Petri網(wǎng)理論相結(jié)合的方式，并借助工業(yè)機器人故障的關(guān)聯(lián)矩陣，可以明確找出故障傳播路徑，發(fā)現(xiàn)工業(yè)機器人的故障位置，以便最大程度縮短尋找故障點的時間。

柔性制造系統(tǒng)，即“Flexible Manufacturing System”（FMS），將其應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，有助于提升生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期，最大程度上減少生產(chǎn)成本，同時保證產(chǎn)品質(zhì)量。因此，柔性制造系統(tǒng)在一定領(lǐng)域內(nèi)得到了使用。在柔性制造系統(tǒng)中包含了物料系統(tǒng)、加工系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等。在加工系統(tǒng)、物料系統(tǒng)中，工業(yè)機器人作為其中重要組成部分，如果發(fā)生故障，則會直接影響到柔性制造系統(tǒng)的正常運行，影響企業(yè)正常生產(chǎn)。所以，需要明確工業(yè)機器人故障位置并加以有效解決，從而全面提升工業(yè)機器人在柔性制造系統(tǒng)中的工作效率，促進生產(chǎn)。

圖1 故障樹部分元件圖

1 故障樹分析法與Petri網(wǎng)模型

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）屬于一種系統(tǒng)分析方法，其最大的特點就是邏輯性強，其主要針對系統(tǒng)中出現(xiàn)的不確定信息進行處理，圖1為故障樹部分元件。而建立在Petri網(wǎng)模型上的系統(tǒng)故障診斷方法，在診斷推理、表達邏輯關(guān)系方面展現(xiàn)出較強的能力。融合故障樹分析法、Petri網(wǎng)模型有助于提升故障診斷效率，進而實現(xiàn)降低成本的目的。本文融合了故障樹分析法和Petri網(wǎng)模型，全面分析工業(yè)機器人運行過程中容易出現(xiàn)的故障，在此基礎(chǔ)上，模擬出相應(yīng)的故障傳播路徑，希望通過運用此種方法，可以更加高效的找出工業(yè)機器人故障排除方法，為后續(xù)故障維修工作提供支持。

2 關(guān)聯(lián)矩陣

為有效解決故障傳播問題還可以運用關(guān)聯(lián)矩陣，從而有效診斷故障問題，圖2是故障診斷分析流程圖，本文按照此流程對工業(yè)機器人的故障進行分析。首要任務(wù)就是構(gòu)建出相應(yīng)的故障樹，這就需要搜集相關(guān)信息并查閱有關(guān)的資料，為構(gòu)建故障樹提供支持。與此同時，在目前故障樹模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建出工機器人故障的Petri網(wǎng)模型，通過故障關(guān)聯(lián)矩陣的作用模擬出一個故障傳播路徑；最后，計算并對該傳播路徑進行驗證。

圖2 故障診斷分析流程

Petri網(wǎng)在描述模型結(jié)構(gòu)時可以運用矩陣運算方法實施。Σ=（P，T，F(xiàn)，M0）將其設(shè)定為有限P/T網(wǎng)，而基網(wǎng)N=（P，T，F(xiàn)）是純網(wǎng)，P×T→C被稱為Σ的關(guān)聯(lián)矩陣。如果XT是T→P輸出矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，則Y是輸入矩陣，也就是P→T的矩陣，此時在XT和Y之間會出現(xiàn)差C，這就是關(guān)聯(lián)矩陣：C=XT-Y。在此關(guān)聯(lián)矩陣作用下，可以實現(xiàn)較好的遷移，并借助一個等式進行確定，即M=M0+CU。其中的U是Σ的T變遷導(dǎo)致的序列，而Petri網(wǎng)的狀態(tài)方程，則表示為Mn+1=Mn+CU，其中Mn+1和Mn處于非常接近時，會停止運算。

3 工業(yè)機器人的柔性系統(tǒng)的故障診斷

通過上述的分析結(jié)合實際生產(chǎn)過程，不難發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致工業(yè)機器人發(fā)生故障，其表現(xiàn)形式涉及到了控制系統(tǒng)故障、執(zhí)行系統(tǒng)故障等。此外，還包含了檢測傳感系統(tǒng)故障、氣動系統(tǒng)故障等。

3.1 構(gòu)建故障樹

（1）減壓閥、空氣壓縮機、管道出現(xiàn)的故障會導(dǎo)致氣動系統(tǒng)出現(xiàn)故障。其中，空氣壓縮機故障的原因是進排氣口堵塞、進口溫度過高等造成的。管道系統(tǒng)故障是受到了管道破裂、管道堵塞的影響不能正常運作。其中導(dǎo)致出現(xiàn)減壓閥故障的原因，與閥門破裂、閘閥未開均、螺釘螺母連接松動等存在直接關(guān)系。

圖3 工業(yè)機器人Petri網(wǎng)模型

（2）在執(zhí)行系統(tǒng)故障中，涵蓋了腕部回轉(zhuǎn)故障、手臂回轉(zhuǎn)故障等，還包含了腰部回轉(zhuǎn)故障、末端執(zhí)行器故障等。其中手臂回轉(zhuǎn)和腰部回轉(zhuǎn)故障的主要表現(xiàn)就是發(fā)生電機、諧波減速器的損壞，同時連桿機構(gòu)松動；造成腕部回轉(zhuǎn)故障是因為錐齒輪、傳動軸發(fā)生損壞、關(guān)節(jié)處螺栓發(fā)生松動等；末端執(zhí)行器故障則主要是因為齒條齒輪沒有準確嚙合、驅(qū)動桿難以運作、抓取物超出承受范圍導(dǎo)致的。

（3）在控制系統(tǒng)故障中，可以劃分為硬件、軟件兩個方面的故障。其中，導(dǎo)致硬件系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因是因為示教模塊、六軸運動控制模塊發(fā)生故障，導(dǎo)致阻值偏大而導(dǎo)致的。而軟件系統(tǒng)故障的發(fā)生，則主要是因為示教編程錯誤、參數(shù)設(shè)置錯誤、速度控制失效、位置控制失效造成的。

（4）速度檢測、位置檢測兩部分故障是導(dǎo)致檢測系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因。如果速度檢測系統(tǒng)無法正常運行，會出現(xiàn)靈敏度較差、偏置電壓不穩(wěn)的情況；位置檢測系統(tǒng)故障有電位器故障、旋轉(zhuǎn)變壓器故障等。

3.2 構(gòu)建故障Petri 網(wǎng)模型

結(jié)合工業(yè)機器人故障樹構(gòu)建出對應(yīng)的工業(yè)機器人故障的Petri網(wǎng)模型，如圖3所示。

3.3 故障關(guān)聯(lián)矩陣

根據(jù)上文分析出的C=XT-Y，得出關(guān)聯(lián)矩陣C。如果初始故障表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)變壓器阻值偏大，也就是庫所P4、含有托肯，可以得出初始標識向量為：M0=(0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0)T，P4能夠被觸發(fā)，進而明確了初始標識向量U0=(0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0)T。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Petri網(wǎng)狀態(tài)運用Matlab軟件編寫程序，可以實施后續(xù)計算，最終得出M1、M2、M3、M4、U1、U2、U3。

3.4 故障路徑驗證

結(jié)合上述計算結(jié)果，從M0到M4的過程，在P4、P23、P40等中都有托肯以及該庫對應(yīng)的故障。對于出現(xiàn)這一故障，工業(yè)機器人Petri網(wǎng)模型發(fā)生故障，則主要表現(xiàn)為P4、P23、P40、P46、P48。綜上可知，通過故障樹分析法和Petri網(wǎng)模型的綜合運用，實驗證明了故障傳播路徑與實際相符；同時，也說明了此種故障診斷技術(shù)可以應(yīng)用到實際中。結(jié)語：本文通過對工業(yè)機器人柔性系統(tǒng)的故障診斷分析可知，此種故障診斷方法能夠及時、準確的診斷、排查出工業(yè)系統(tǒng)故障問題。我們可以發(fā)揮關(guān)聯(lián)矩陣的優(yōu)勢，快速找出問題；同時，借助Matlab軟件的計算優(yōu)勢，運用對應(yīng)的擬仿真形式，對比模擬結(jié)果，進而找出相應(yīng)的故障問題。