本發(fā)明涉及機(jī)器人安全控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于焊接機(jī)器人的模糊fmeca分析方法。

背景技術(shù)：

fmeca(failuremodeeffectandcriticalityanalysis)分析，即故障模式影響及危害性分析，是一種可靠性分析技術(shù)。它是故障模式分析、故障影響分析、故障危害性分析三種方法的總和。企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)過程中運用fmeca方法可以對一些潛在的故障影響進(jìn)行評估，提前預(yù)測某些故障對系統(tǒng)的功能、維修性、環(huán)境安全、人員安全的影響，使得產(chǎn)品設(shè)計人員能夠及時的調(diào)整設(shè)計方案，為盡可能早的防止故障發(fā)生、減輕故障影響的后果給出解決辦法。與此同時，fmeca分析的結(jié)果也可以為產(chǎn)品的可靠性、安全性、維修性、測試性工作提供依據(jù)。在市場競爭日益激烈的今天，fmeca可靠性分析方法的實施有助于企業(yè)生產(chǎn)出安全性好、可靠性高、競爭力強的產(chǎn)品。故障模式影響危害性分析的過程就是一個填表的過程，按照預(yù)先制定的fmea表、ca表、fmeca工作表逐欄分析，在基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，運用相應(yīng)的分析手段完成表格的填寫。在分析過程中它認(rèn)為故障與故障之間是相互獨立的，不考慮部件之間的相關(guān)失效對系統(tǒng)的影響，因此fmeca的分析具有一定的局限性。但是由于其分析結(jié)果確實能夠為減少潛在失效發(fā)生的機(jī)會提供指導(dǎo)作用，仍具有很高的實用價值，并且應(yīng)用簡單，所以該方法在許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的重要工業(yè)部門都有廣泛應(yīng)用。

利用fmeca方法對產(chǎn)品進(jìn)行故障分析會收到良好的效果，但也存在一些問題,主要表現(xiàn)在下面兩個方面：

(1)人在描述某種故障模式時，常用發(fā)生概率高低、嚴(yán)重程度大小、檢測及維修的難易等一些模糊語言，不同的人在描述這些模糊語言時有不同的判定標(biāo)準(zhǔn)，這就給復(fù)雜系統(tǒng)的fmeca分析帶來了很大困難。

(2)導(dǎo)致系統(tǒng)故障的因素眾多，此類因素相互制約、相互影響，很難綜合各方面因素做出一個更接近實際的綜合評價，難以定量地描述系統(tǒng)不同故障模式之間的主次關(guān)系。

模糊綜合評判方法是利用模糊理論處理不確定性信息，應(yīng)用定量的方法處理定性問題,對不易量化的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行評判的有用工具。用其對fmeca方法進(jìn)行改進(jìn)，是解決上述問題的有效方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于焊接機(jī)器人的模糊fmeca分析方法，能夠克服運用風(fēng)險優(yōu)先數(shù)的方法對機(jī)器人本體子系統(tǒng)進(jìn)行危害性分析時出現(xiàn)的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)(rpn)相同的情況以及結(jié)果具有主觀性的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于焊接機(jī)器人的模糊fmeca分析方法，包括如下步驟：

(1)對本體子系統(tǒng)故障發(fā)生可能性、嚴(yán)酷度以及故障檢測難度制定評分準(zhǔn)則；

(2)對焊接機(jī)器人的重要零部件進(jìn)行模糊綜合評價，建立因素集；

(3)對評價結(jié)果建立評價集；

(4)建立故障模式的模糊綜合評價矩陣；

(5)確定故障模式的因素權(quán)重集；

(6)一級模糊綜合評判。

優(yōu)選的，步驟(2)中，建立因素集具體為：對焊接機(jī)器人的重要零部件應(yīng)進(jìn)行模糊綜合評價，其中進(jìn)行評價選用的因素集最主要包含以下三個，分別為故障模式發(fā)生的概率、嚴(yán)酷度和檢驗復(fù)雜程度，那么因素集u＝{故障模式概率、嚴(yán)酷度、檢驗復(fù)雜程度}。

優(yōu)選的，步驟(3)中，建立評價集具體為：建立通過對評價對象可能做出的評價結(jié)果所組成的集合，通常用v表，即v＝{v1，v2，...，vm}，vm表示評價等級的第m個等級。

優(yōu)選的，步驟(4)中，建立故障模式的模糊綜合評價矩陣具體為：首先對各種故障模式的發(fā)生概率等級，嚴(yán)酷度等級、故障檢測的難易程度等級分別進(jìn)行評定；然后對評定結(jié)果進(jìn)行整理，對每個故障的危害度等級隸屬度進(jìn)行計算，最后對故障的危害度等級隸屬度分別使用歸一化處理，得出相應(yīng)結(jié)果；在對故障模式k進(jìn)行模糊綜合評價分析過程中，設(shè)第i因素ui在因素水平vj的評估集為評價各影響因素對其因素水平集的隸屬度，成立一個有n個人的專家評價組，每位成員對各影響因素評出一個評價等級vj,若n位組員中評定隸屬于vj的有人，則得到的評價集為：

第k個故障模式的各因素評價集寫成故障模式k模糊因素水平評價矩陣為：

優(yōu)選的，步驟(5)中，確定故障模式的因素權(quán)重集利用層次分析法求權(quán)重集，具體為包括如下步驟：

(51)用ai，j表示影響因素ui對uj的相對重要性數(shù)值，構(gòu)造判斷矩陣根據(jù)判斷矩陣a，計算它的最大特征根λmax及其所對應(yīng)的特征向量ξ＝[x1，x2，...，xn]；

(52)進(jìn)行一致性檢驗，計算一致性比率rc，得rc＝ic/ir，式中:ic為一致性指標(biāo)，即ic＝(λmax-n)/(n-1)；n表示矩陣的階數(shù)；ir表示判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；當(dāng)ec<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正，取xi作為因素ui的重要程度系數(shù)w1，設(shè)故障模式k的因素加權(quán)項為那么故障模式k的因素權(quán)重集為：

優(yōu)選的，步驟(6)中，一級模糊綜合評判具體為：

b代表故障模式的模糊評價集，則故障模式1的一級模糊綜合評價向量為

b1＝w1r1＝[0.224125,0.3895,0.3425,0.034875,0.009]，

即據(jù)隸屬度最大的原則可以得出故障模式1異常噪聲的危害度等級為2級；

同理其余故障模式的一級模糊綜合評價向量如下；

b2＝w2r2＝[0.261375,0.581125,0.07875,0.07875,0]

b3＝w3r3＝[0.135125,0.655625,0.104625,0.06975,0.034875]

b4＝w4r4＝[0.386375,0.474125,0.1395,0,0]

b5＝w5r5＝[0.30525,0.491，0.159875,0.043875,0]

b6＝w6r6＝[0.594875,0.186875，0.1485,0.06975,0]

b7＝w7r7＝[0.62075,0.177875，0.201375,0,0]

b8＝w8r8＝[0.359375,0.5090，0.122625,0.0090,0]

b9＝w9r9＝[0.441625,0.270375，0.113625,0.104625,0.06975]

b10＝w10r10＝[0.28725,0.55525，0.1575,0,0]

b11＝w11r11＝[0.51375,0.197125，0.1575,0.131625,0]

b12＝w12r12＝[0.117125,0.4585，0.275875,0.113625,0.034875]

b13＝w13r13＝[0.197125,0.5835，0.131625,0.07875,0.009]

b14＝w14r14＝[0.386375,0.3245，0.1755,0.07875,0.034875]

對計算結(jié)果進(jìn)行反模糊化處理，根據(jù)d＝bv^t得故障模式1的綜合危害度等級為

d1＝b1v^t＝2.218,d2＝b2v^t＝1.976,

d3＝b3v^t＝2.217,d4＝b4v^t＝1.746，d5＝b5v^t＝1.943,

d6＝b6v^t＝1.696，d7＝b7v^t＝1.58，d8＝b8v^t＝1.782，

d9＝b9v^t＝2.094,d10＝b10v^t＝1.871，d11＝b11v^t＝1.91,

d13＝b13v^t＝2.122,d14＝b14v^t＝2.055；

根據(jù)危害度的計算結(jié)果，將以上的故障模式按危害度從大到小進(jìn)行排序，結(jié)果為：

d12>d1>d3>d13>d9>d14>d2>d5>d11>d10>d8>d4>d6>d13>d7。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明克服了運用風(fēng)險優(yōu)先數(shù)的方法對機(jī)器人本體子系統(tǒng)進(jìn)行危害性分析時出現(xiàn)的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)(rpn)相同的情況以及結(jié)果具有主觀性的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法流程示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種基于焊接機(jī)器人的模糊fmeca分析方法，包括如下步驟：步驟一，對本體子系統(tǒng)統(tǒng)故障發(fā)生可能性、嚴(yán)酷度以及故障檢測難度制定相關(guān)評分準(zhǔn)則如下表1、2、3所示；

表1故障發(fā)生可能性評分準(zhǔn)則

表2嚴(yán)酷度評分準(zhǔn)則

表3檢驗難度評分準(zhǔn)則

步驟二，建立因素集。

對焊接機(jī)器人的重要零部件應(yīng)進(jìn)行模糊綜合評價，其中進(jìn)行評價選用的因素集最主要包含以下三個，分別為故障模式發(fā)生的概率、嚴(yán)酷度、檢驗復(fù)雜程度。那么u＝{故障模式概率、嚴(yán)酷度、檢驗復(fù)雜程度}；

步驟三，建立評價集。

評價集是對評價對象可能做出的評價結(jié)果所組成的集合,通常用v表,即v＝{v1，v2，...，vm},vm表示評價等級的第m個等級。在本發(fā)明中對焊接機(jī)器人的每一個因素的影響效果進(jìn)行等級劃分，可以劃分為五個等級，這五個不同等級即v＝{1，2，3，4，5}各因素等級劃分如下表4、5所示；

表4各影響因素等級劃分準(zhǔn)則

表5各影響因素等級劃分準(zhǔn)則

步驟四，建立故障模式的模糊綜合評價矩陣。

首先邀請設(shè)計部門的專家對如表6中所示的14種故障模式的發(fā)生概率等級，嚴(yán)酷度等級、故障檢測的難易程度等級分別進(jìn)行評定。然后對每位專家的評定結(jié)果進(jìn)行整理，對每個故障的危害度等級隸屬度進(jìn)行計算，最后對故障的危害度等級隸屬度分別使用歸一化處理，得出相應(yīng)結(jié)果。在對故障模式k進(jìn)行模糊綜合評價分析過程中，設(shè)第i因素ui在因素水平vj的評估集為評價各影響因素對其因素水平集的隸屬度。成立一個有n個人的專家評價組，每位成員對各影響因素評出一個評價等級vj,若n位組員中評定隸屬于vj的有人，則得到的評價集為：

第k個故障模式的各因素評價集寫成故障模式k模糊因素水平評價矩陣為:

表6pr1400焊接機(jī)器人本體子系統(tǒng)fmea表

本發(fā)明分別使用模糊理論與危害性分析相結(jié)合的方法對表6中的故障模式進(jìn)行綜合模糊評判，得出一級評判結(jié)果，同時對評判結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的解析。經(jīng)選定的專家評判組判定，通過統(tǒng)計計算得出故障模式1交流伺服電機(jī)異常噪聲的故障概率模糊集為嚴(yán)酷度模糊集為檢測難易程度模糊集為因此其模糊評價矩陣為：同理，可得其余故障模式的模糊評價矩陣。

步驟五，確定故障模式的因素權(quán)重集

利用層次分析法求權(quán)重集的具體步驟如下：

首先，用ai，j表示影響因素ui對uj的相對重要性數(shù)值，ai，j的值可以依據(jù)表7選取。構(gòu)造判斷矩陣

表7因素重要程度判斷值表

顯然,ai，i＝1,ai，j＝1/aj，i。根據(jù)判斷矩陣a,計算他的最大特征根λmax及其所對應(yīng)的特征向量ξ＝[x1，x2，…，xn]。

然后，進(jìn)行一致性檢驗，計算一致性比率rc，得rc＝ic/ir，式中：ic為一致性指標(biāo)，即ic＝(λmax-n)/(n-1)；n表示矩陣的階數(shù)；ir表示判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，對于1～13階判斷矩陣，ir的值見表8。當(dāng)rc<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正。取xi作為因素ui的重要程度系數(shù)wi。設(shè)故障模式k的因素加權(quán)項為那么故障模式k的因素權(quán)重集為：

表8判斷矩陣ir值

通過相關(guān)的專家認(rèn)真評定，得到故障模式1對各影響因素的判斷矩陣及權(quán)重，結(jié)果如下表9所示。

表9各影響因素相對重要度

由于rc＝0.032<0.1得出此分析矩陣的一致性能夠符合要求。所以，能夠得到故障模式1的因素集與之相對應(yīng)的權(quán)重向量是w1＝(0.649,0.279,0.072)。步驟六，一級模糊綜合評判。

b代表故障模式的模糊評價集，則故障模式1的一級模糊綜合評價向量為b1＝w1r1＝[0.224125,0.3895,0.3425,0.034875,0.009]

即據(jù)隸屬度最大的原則可以得出故障模式1異常噪聲的危害度等級為2級。

同理其余故障模式的一級模糊綜合評價向量如下。

b2＝w2r2＝[0.261375,0.581125,0.07875,0.07875,0]

b3＝w3r3＝[0.135125,0.655625,0.104625,0.06975,0.034875]

b4＝w4r4＝[0.386375,0.474125,0.1395,0,0]

b5＝w5r5＝[0.30525,0.491，0.159875,0.043875,0]

b6＝w6r6＝[0.594875,0.186875，0.1485,0.06975,0]

b7＝w7r7＝[0.62075,0.177875，0.201375,0,0]

b8＝w8r8＝[0.359375,0.5090，0.122625,0.0090,0]

b9＝w9r9＝[0.441625,0.270375，0.113625,0.104625,0.06975]

b10＝w10r10＝[0.28725,0.55525，0.1575,0,0]

b11＝w11r11＝[0.51375,0.197125，0.1575,0.131625,0]

b12＝w12r12＝[0.117125,0.4585，0.275875,0.113625,0.034875]

b13＝w13r13＝[0.197125,0.5835，0.131625,0.07875,0.009]

b14＝w14r14＝[0.386375,0.3245，0.1755,0.07875,0.034875]

為了達(dá)到對不同故障模式之間的相對危害度進(jìn)行快速比較目的，通過對計算

結(jié)果進(jìn)行反模糊化處理，根據(jù)d＝bv^t得故障模式1的綜合危害度等級為

d1＝b1v^t＝2.218,d2＝b2v^t＝1.976,

d3＝b3v^t＝2.217,d4＝b4v^t＝1.746，d5＝b5v^t＝1.943,

d6＝b6v^t＝1.696，d7＝b7v^t＝1.58，d8＝b8v^t＝1.782，

d9＝b9v^t＝2.094,d10＝b10v^t＝1.871，d11＝b11v^t＝1.91,

d13＝b13v^t＝2.122,d14＝b14v^t＝2.055。

根據(jù)危害度的計算結(jié)果，將以上的故障模式按危害度從大到小進(jìn)行排序，結(jié)果為：

d12>d1>d3>d13>d9>d14>d2>d5>d11>d10>d8>d4>d6>d13>d7

根據(jù)危害度的計算結(jié)果，將以上的故障模式按危害度從大到小進(jìn)行排序，結(jié)果為：

d12>d1>d3>d13>d9>d14>d2>d5>d11>d10>d8>d4>d6>d13>d7

根據(jù)以上分析進(jìn)行結(jié)果分析與關(guān)鍵件的確定。

由排序結(jié)果可知pr1400焊接機(jī)器人本體子系統(tǒng)的所有故障模式危害度排序分別是法蘭松動、依次是伺服電機(jī)異常噪聲、伺服電機(jī)不能啟動、軸承間隙大、同步齒形帶斷裂、軸承保持架破壞、電機(jī)振動較大、減速器振動異常、法蘭出現(xiàn)裂紋、同步齒形帶磨損、同步帶輪輪齒磨損、電機(jī)發(fā)熱量大、減速器輸入輸出軸不轉(zhuǎn)、最后是減速器發(fā)熱量過大。設(shè)計人員可以根據(jù)分析結(jié)果對故障模式危害度高的零部件進(jìn)行高度關(guān)注，以便于在設(shè)計時采取措施或盡量改進(jìn)設(shè)計以減小或消除該類故障模式，或者通過對裝配人員的嚴(yán)格培訓(xùn)以及管理來提高機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性，比如對于危害度最高的故障模式法蘭的松動，故障原因是螺栓松脫，可能導(dǎo)致的后果是機(jī)器人的手臂出現(xiàn)抖動影響焊接精度，針對這一較高危害度的故障模式，公司可以提前對裝配人員進(jìn)行嚴(yán)格培訓(xùn)，然后在裝配完成以后由相關(guān)的測試人員進(jìn)行檢測以保證機(jī)器人在出廠前的可靠性。

確定pr1400焊接機(jī)器人本體子系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的原則一般有以下四點：

(1)從產(chǎn)品的壽命周期來說費用昂貴的零部件；

(2)零部件發(fā)生故障時會導(dǎo)致人員傷亡、同時帶來嚴(yán)重財產(chǎn)損失的部件；

(3)需進(jìn)行特殊儲存、處理或防護(hù)的部件；

(4)嚴(yán)重影響系統(tǒng)可用性，增加維修費用和備用件數(shù)量的部件。

同時，在結(jié)合fmeca分析的基礎(chǔ)上通過計算可知pr1400焊接機(jī)器人本體子系統(tǒng)零部件的危害度分別為，交流伺服電機(jī)的危害度為8.157，減速器的危害度為5.219，齒形帶輪的危害度為1.782，同步齒形帶的危害度為3.965，軸承的危害度為4.177，法蘭的危害度為4.338。由此綜合分析可見pr1400焊接機(jī)器人本體子系統(tǒng)的關(guān)鍵件為伺服電機(jī)、減速器。因此如果關(guān)鍵件為自制件，則在以后關(guān)鍵件的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)過程中都要對這些關(guān)鍵件進(jìn)行可靠性改進(jìn)措施的設(shè)計。如果關(guān)鍵件是外購件，一定要保證外購件的可靠性水平，以滿足機(jī)器人可靠性的要求。

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。