精密減速器使用壽命綜合評價方法研究*

黃創(chuàng)綿 董成舉,2 潘廣澤,2 劉文威,3 黃強(qiáng),3

精密減速器使用壽命綜合評價方法研究*

黃創(chuàng)綿1董成舉1,2潘廣澤1,2劉文威1,3黃強(qiáng)1,3

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 2.廣東省工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室 3.廣東省智能機(jī)器人可靠性工程技術(shù)研究中心）

針對機(jī)器人用精密減速器使用壽命評價不準(zhǔn)確且周期長等問題，提出一種基于層次分析法的精密減速器使用壽命綜合評價方法。分析精密減速器可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)、加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)等多源信息，并基于多源信息權(quán)重，建立綜合評價模型，給出評價流程圖，為精密減速器使用壽命有效評價提供理論依據(jù)。

機(jī)器人；精密減速器；使用壽命；多源信息融合；綜合評價

0 引言

隨著我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級及智能制造的深入發(fā)展，機(jī)器人作為智能制造裝備行業(yè)最具代表性的裝備，近年也隨之蓬勃發(fā)展。我國工業(yè)機(jī)器人的市場規(guī)模約占全球的1/3以上，已連續(xù)6年成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場[1]。精密減速器作為機(jī)器人的核心部件之一，約占整機(jī)成本的35%，包括行星擺線針輪減速器、諧波減速器和少齒差行星減速器等類型。行星擺線針輪減速器主要用于大慣量、高扭矩場合；諧波減速器主要用于傳動精度高、承載能力強(qiáng)場合；少齒差行星減速器可實(shí)現(xiàn)零側(cè)隙傳動[2]。目前，國產(chǎn)機(jī)器人應(yīng)用的精密減速器多為國外進(jìn)口，國內(nèi)機(jī)器人用精密減速器在整體綜合性能上和國外同類產(chǎn)品還有一定差距。

使用壽命是機(jī)器人用精密減速器的重要性能參數(shù)，可靠性壽命是制約國內(nèi)機(jī)器人用精密減速器發(fā)展的關(guān)鍵。對減速器進(jìn)行使用壽命的綜合評價，有助于制定機(jī)器人維修計(jì)劃，保障機(jī)器人工作精度，提高機(jī)器人使用效率。目前，國內(nèi)外學(xué)者對機(jī)器人減速器的可靠性壽命開展了相關(guān)研究[3-6]，但對使用壽命評價方面的研究相對較少。目前減速器的使用壽命獲取主要有3種途徑：1）直接用設(shè)計(jì)壽命代替使用壽命，此方法存在較大誤差；2）通過現(xiàn)場應(yīng)用壽命來判斷使用壽命，但現(xiàn)場應(yīng)用壽命的獲取需要較長的使用周期；3）開發(fā)壽命測試試驗(yàn)臺，進(jìn)行壽命測試[7-8]。

本文利用多方信息來源研究一種機(jī)器人用精密減速器使用壽命綜合評價方法，實(shí)現(xiàn)對精密減速器的使用壽命預(yù)測。

1 評價信息來源

評價精密減速器使用壽命的信息數(shù)據(jù)來源于多個方面，包括精密減速器可靠性預(yù)計(jì)及仿真、加速壽命試驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)等過程的壽命與故障信息。在可靠性預(yù)計(jì)過程中，利用精密減速器生產(chǎn)廠家提供的減速器幾何模型、材料信息和采集的實(shí)際工況載荷情況，通過仿真分析或理論計(jì)算等方法，得到精密減速器初步的預(yù)計(jì)使用壽命分布。在加速壽命試驗(yàn)過程中，利用專用的精密減速器加速壽命試驗(yàn)臺分別施加單組或多組溫度、濕度、扭矩以及轉(zhuǎn)速等加速應(yīng)力開展試驗(yàn)，采集精密減速器測試過程動態(tài)退化性能參數(shù)，擬合分布函數(shù)，計(jì)算加速因子及可靠度函數(shù)，最終計(jì)算精密減速器的使用壽命分布。在精密減速器運(yùn)行現(xiàn)場，定期采集精密減速器運(yùn)行及退化信息，統(tǒng)計(jì)精密減速器的失效信息和故障機(jī)理，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障信息和壽命信息對精密減速器現(xiàn)場運(yùn)行壽命分布進(jìn)行擬合，計(jì)算精密減速器的使用壽命分布。

2 綜合評價模型

2.1 指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣構(gòu)建

表1 評價指標(biāo)重要程度的量化表

表2 判斷矩陣表格

2.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

2.2.1 權(quán)重計(jì)算

1）計(jì)算矩陣中同一行各元素的乘積；

2.2.2 一致性檢驗(yàn)

在獲得評價指標(biāo)的權(quán)重后，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。當(dāng)權(quán)重判斷矩陣具有完全一致性時，有

完全一致性是指對于權(quán)重判斷矩陣存在如下關(guān)系式：

權(quán)重判斷矩陣一致性檢驗(yàn)的步驟如下：

1）計(jì)算矩陣最大特征值

表3 1-9階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

3）計(jì)算一致性比例

2.2.3 計(jì)算組合權(quán)重

2.2.4 綜合評價模型

進(jìn)一步可求融合精密減速器的可靠性預(yù)計(jì)、加速壽命試驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)等多源信息的壽命分布為

精密減速器的使用壽命綜合評價可由式(15)求得

精密減速器使用壽命綜合評價流程如圖1所示。

圖1 精密減速器使用壽命綜合評價流程圖

3 綜合評價案例分析

通過可靠性預(yù)計(jì)、加速壽命試驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)得到減速器的壽命數(shù)據(jù)信息，利用層次分析法進(jìn)行信息融合。首先通過對可靠性壽命信息進(jìn)行預(yù)處理，獲得不同試驗(yàn)條件下的壽命分布；然后根據(jù)所有壽命分布的重要程度確定權(quán)重因子，同時構(gòu)造多源信息融合的綜合使用壽命分布；最后利用分布函數(shù)得到精密減速器使用壽命的綜合評價。

以下將進(jìn)行基于多源信息融合的使用壽命綜合評價方法的驗(yàn)證，數(shù)據(jù)不代表真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅為驗(yàn)證算法用。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1.1 可靠性建模預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)信息

通過可靠性建模預(yù)計(jì)得到的數(shù)據(jù)信息，擬合使用壽命分布為

3.1.2 可靠性仿真預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)信息

通過可靠性仿真預(yù)計(jì)得到數(shù)據(jù)信息，擬合使用壽命分布函為

3.1.3 加速壽命試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過加速壽命試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)信息，擬合使用壽命分布為

3.1.4 加速退化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過加速退化試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)信息，擬合使用壽命分布為

3.1.5 現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場驗(yàn)證的數(shù)據(jù)信息，擬合使用壽命分布為

3.1.6 歷史故障數(shù)據(jù)

通過歷史故障的數(shù)據(jù)信息，擬合使用壽命分布為

3.2 權(quán)重確定

分別確定不同層次的壽命評價指標(biāo)權(quán)重矩陣，判斷矩陣表如表4~表7所示。

表4 第一層判斷矩陣表

表5 可靠性預(yù)計(jì)判斷矩陣表

表6 加速壽命試驗(yàn)判斷矩陣表

表7 現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)判斷矩陣表

由式(4)~式(7)及式(13)可得各信息來源獲取的壽命分布權(quán)重分別為

使用壽命的綜合評價由式(15)可得

至此，通過綜合評價方法得到精密減速器使用壽命為9142 h，基于多源信息融合的精密減速器綜合評價方法得到驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文提出的基于多源信息融合的機(jī)器人用精密減速器使用壽命綜合評價方法，解決了傳統(tǒng)方法主要通過設(shè)計(jì)壽命或現(xiàn)場應(yīng)用壽命進(jìn)行使用壽命評價帶來的局限和弊端，研究結(jié)論如下：

1）提出的機(jī)器人用精密減速器使用壽命綜合評價方法融合了可靠性預(yù)計(jì)及仿真、加速壽命試驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)等減速器全壽命周期多源信息，而非單一信息源評價，對使用壽命的評價更全面更準(zhǔn)確；

2）在多信息源融合確定權(quán)重時，采用了定性與定量結(jié)合、客觀與主觀結(jié)合的層次分析法，對專家判斷進(jìn)行量化，在各指標(biāo)之間進(jìn)行分析，可按不同指標(biāo)重要度確定權(quán)重值，為選擇最佳指標(biāo)提供了方法依據(jù)；

3）基于多源信息融合技術(shù)的精密減速器使用壽命綜合評價方法，可推廣至類似多源信息來源的設(shè)備使用壽命評價，可解決利用設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行評價不精確或利用現(xiàn)場應(yīng)用壽命進(jìn)行評價周期長等問題。

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Research on Comprehensive Evaluation Method of Service Life for Precision Reducer

Huang Chuangmian1Dong Chengju1,2Pan Guangze1,2Liu Wenwei1,3Huang Qiang1,3

(1.China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute 2.Guangdong Industrial Robot Reliability Engineering Laboratory 3.Guangdong Intelligent Robot Reliability Engineering Research Center)

In order to solve the problems of the service life assessment of the precision reducer for robots, a comprehensive service life assessment method of the reducer based on analytic hierarchy process is proposed. To provide a theoretical basis for the effective life evaluation of precision reducer, a multiple information sources such as reliability prediction data, accelerated life test data and operation data of precision reducer are analyzes, and the weight of multi-source information based on analytic hierarchy process is determined, a comprehensive evaluation model is also established, and the evaluation flow chart is gave.

Robot; Precision Reducer; Service Life; Multi-Source Information Fusion; Comprehensive Assessment

黃創(chuàng)綿，男，1982年生，碩士，高工，主要研究方向：質(zhì)量可靠性技術(shù)。

董成舉，男，1991年生，碩士，助理工程師，主要研究方向：機(jī)器人測試與評價技術(shù)。

潘廣澤，男，1989年生，碩士，工程師，主要研究方向：智能裝備質(zhì)量可靠性技術(shù)。

劉文威（通信作者），男，1987年生，博士，高工，主要研究方向：機(jī)器人及智能裝備質(zhì)量可靠性技術(shù)。E-mail：wenwei2009@163.com

黃強(qiáng)，男，1989年生，學(xué)士，助理工程師，主要研究方向：機(jī)器人測試與評價、可靠性技術(shù)。

廣東省自然科學(xué)基金(2018A030310667)；廣東省省級科技計(jì)劃項(xiàng)目應(yīng)用型專項(xiàng)(2017B090914003)；國家智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目“基于數(shù)字仿真的可靠性測試方法標(biāo)準(zhǔn)研究及試驗(yàn)驗(yàn)證”；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB1300900)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201804010358)。