基于異常數據的減速機性能及可靠性測試系統

張永杰 ， 李驍 ， 涂志健 ， 孫慶 ， 辛付豪

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.蕪湖賽寶機器人產業技術研究院有限公司，安徽 蕪湖 241003）

0 引言

減速機由傳動部件 （齒輪或蝸桿）、軸、軸承和外殼等部件組成。若將減速機看作為一個系統，則其零部件就可看作為子單元，各個子單元都具有自身的性能和可靠性，整個系統的可靠性的高低取決于系統中最薄弱的子單元的可靠性。因而要提高整個系統的可靠性，就需要對薄弱子單元進行改進，研究每個子單元的動靜態性能變化規律。

本文針對減速機的主要性能指標，開發出了一套測試系統，該測試系統由電氣協調系統、機械保障系統和自適應性反饋控制調節系統3個模塊組成，系統通過模擬來逼近真實的高低溫濕熱環境，以保證整個減速機性能變化監測及可靠性分析的準確性和合理性。

本文在進行減速機可靠性分析的過程中，所依據的故障模式數據來源主要是動態監測減速機在試驗過程中的性能變化的異常數據。綜上可知，減速機是由多個子單元通過機械配合組裝而成，因而，當某一個子單元受到磨損等損傷時，其不僅會在檢測過程中產生異常數據，還會對與其相接觸的子單元的性能產生間接的影響，這樣就會產生連鎖反應。因而，本文借鑒文獻 [1]中所闡述的可靠性分析思路，給出了一種基于減速機異常數據的可靠性分析模型，該分析方法相對于傳統的方法 （如：故障模式影響及危害性分析方法[2]）的優勢在于其可將故障模式之間的相關性對系統可靠性的影響考慮在內。

下文將對減速機的性能及可靠性測試系統的基本原理及所采用的可靠性分析方法等做詳細的闡述。

1 測試系統簡介

1.1 測試系統的基本原理

整套減速機測試平臺系統主要包括傳動臺架機械部分、模擬高低溫濕熱環境應力的環境試驗箱、系列傳感器和計算機集成控制數據處理系統等其他元器件。其中，高低溫試驗箱獨立可拆卸，可為減速機的動態試驗提供綜合的環境應力。整個系統的工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 減速機的性能及可靠性測試系統

由圖1可知，整個測試平臺包括：1）輸入端，其中有變頻器、伺服電機、聯軸器和扭矩傳感器1；2）輸出端，有扭矩傳感器2和磁粉制動器；3）中間被測試減速機試件和環境試驗箱；4）計算機系統，主要完成對傳動臺架傳感器、伺服電機等數據的測量、采集和處理，并可生成報表和曲線。

測試過程的原理為：驅動伺服電機輸出的動力（可通過變頻器根據需要進行調節）通過輸入端聯軸器、輸入端扭矩傳感器1和聯軸器傳遞給被測減速機試件輸入端，被測減速機輸出端通過聯軸器、輸出端扭矩傳感器2、聯軸器與磁粉制動器相連接，被測減速機試件輸出端輸出的動力克服制動器提供的負載，從而帶動制動器的輸入軸轉動。在測試過程中，安裝在各個部位的傳感器實時地采集相關性能參數的數據變化情況，并將其傳送到計算機終端進行處理。

整套測試系統的三維效果圖和測試臺架分別如圖2和圖3所示。

圖2 測試系統的三維效果圖

圖3 測試系統測試臺架實物圖

1.2 系統可完成的減速機性能測試功能

所設計的測試平臺系統既可單獨作為工業機器人減速機的性能檢測裝置，用于完成標準大氣壓下包括傳動比、傳動效率、扭轉剛度、剛度滯回曲線和傳動誤差等性能的測試。同時，還可增加環境應力來研究減速機在相關應力作用下相對標準環境其性能的變化情況，以此來確定不同的環境敏感因素對其性能的影響程度，從而確定環境敏感因素影響等級梯度。

2 環境試驗箱體設計

本次設計的高低溫試驗箱的主要作用是在減速機進行靜動態試驗過程中提供不同嚴酷度等級的環境敏感應力。同時，由于受到減速機性能測試臺架整體尺寸和被測減速機系列型號的限制，本次設計的環境試驗箱體的結構采用分離式設計形式 （如圖2所示），即一套為工作室箱體 （此箱體與測試臺架配合，減速機放在箱體中，通過箱體兩側開的軸孔與輸入輸出端相連）；另一套為控制柜。

其中，工作室箱體分為上下兩部分，工作室箱體中間位置用緊固拉手固定，箱體上下兩部分可拆卸；由于工作室箱體與控制柜 （電氣、冷機組）箱體為分離式構造，因而制冷與線路需通過加長設施連接；工作室上部開有可視玻璃窗。

在設計整個箱體的過程中，應對以下幾方面的技術予以重點考慮。

a）考慮到減速機要通過兩端的軸與箱體外部的工作電機相連，因而需要對箱體進行打孔處理。同時，考慮到減速機軸的對中精度，不適合多次調節減速機，因而設計過程中將孔在各個箱體上開半圓孔，孔的直徑大于軸的直徑，此時上下兩箱體合在一起并通過卡套實現軸的定位，并且只需要一次對中調節，直到試驗完成，換其他型號的減速機再重新對中。

b）為了阻止減速機試驗樣品在做高低溫試驗過程中，底部材料變形對減速機對中精度產生影響和底部連接處能量的流失，則需對減速機支架與減速機試驗臺架相連的部分做一定的處理，此處采用將減速機支架直接安裝在工作箱體的底部，通過螺釘將減速機支架和箱體一同固定在減速機測試臺架的減速機移動板上。

c）在做低溫試驗時，當試驗時間過長時，會出現低溫沿著材料向外緩慢傳導的現象，使得工作箱體的外表面出現凝露或結冰現象。為了避免此類現象發生，在設計工作箱體時，除了四周應有絕熱材料層以阻止能量向外傳導以外，還應在工作箱體的樣品工作室外側的上半部分增加電阻絲，這樣一來，當做低溫試驗時，加熱絲同時接通，便可以和工作室內傳導過來的冷氣相綜合。

d）減速機工作室箱體的兩側設計循環氣流的進、出風口，通過進氣風道將控制柜箱體內的溫度導入減速機工作箱中，再通過回風通道回到控制柜箱內，周而復始地運行，使得減速機試件箱體內的溫度按照相關國標[3-5]的要求來保持穩定。兩箱體通過3層保溫處理的軟管連接。

e）為了防止減速機在高低溫環境應力試驗過程中，箱體內的能量沿軸傳導，造成與之相連的測試元器件由于超過其工作溫度范圍而損壞，應采用帶阻熱材料的梅花聯軸器。

3 軟件控制系統設計

減速機測試系統軟件控制系統的核心是采用可擴充性的數據融合和冗余處理技術來對試驗采集的數據進行實時動態處理。其可在預先生成基線數據庫的前提下，對正式試驗過程中的異常數據進行自動篩選并形成點位矩陣。

軟件控制系統的功能根據需求，一方面可實現減速機的性能數據的實時監測與檢測，實時地生成性能變化趨勢曲線、整個試驗過程中的性能參數數據表，方便觀察和作為后期研究分析的判據；另一方面可實現減速機的可靠性檢測，系統通過預先導入減速機性能故障模式專家數據庫系統，在整個試驗過程中，將采集的數據實時地與專家庫中的數據進行對比，因而具備智能化功能，可判斷檢測結果，分析故障原因。

同時對于專家數據庫中未給出的故障模式，系統還會進一步地對采集的數據與基線數據庫進行對比，自動篩選出異常的數據，即系統采用二次篩選機制來保障整個可靠性檢測的準確度。通過上述措施最終形成減速機異常數據點位矩陣庫，用于后期減速機的可靠性定量化分析，以此來判斷減速機系統中最薄弱的部件，進而為改進設計提供理論依據。

整個減速機測試系統的軟件控制系統示意圖和軟件界面圖如圖4和圖5所示。

圖4 減速機測試系統的軟件控制系統示意圖

圖5 減速機測試系統軟件界面圖

4 可靠性分析模型

本系統在對減速機進行可靠性分析時，建立了基于減速機異常數據的可靠性分配屋模型，以使分析的結果更加合理。具體的建模思路如下所述。

a）首先，得出減速機試件在標準環境下的測試過程中的各項性能參數數據，進而組成基線數據庫。

b）其次，試驗完成后，通過目視觀察試驗后的減速機，初步判斷減速機的機械外觀上存在的故障；同時，根據試驗過程中實時采集的減速機各個組成部件性能參數變化的數據，與基線數據 （空白對照組）進行對比，進一步地查找出減速機的異常部件。

c）然后，通過比對專家數據庫和基線數據庫，以及結合減速機自身機械部件常見的故障模式，得到匯總的減速機異常數據，并通過分析各個異常數據的來源，確定相應異常數據所對應的減速機內部零部件的故障類型。

d）最后，根據c）中的分析結果，借鑒可靠性屋 （HOR：House of Reliability）的分析思路以及參考文獻 [6-8]，建立一種基于減速機異常數據的可靠性分配屋 （HORA：House of Reliability Allocation）模型。最終的分析模型如圖6所示。

圖6 基于減速機異常數據的HORA模型

上述減速機異常數據可靠性分析模型的結構組成與房屋的構造類似，因而被稱為分配屋。其中，根據文獻 [8]可知各個組成部分的含義分別為：1）自相關矩陣A中的數據反映的是某一異常數據的產生對另一個異常數據的影響程度；2）評價指標權重矩陣B表示各個異常數據帶來的嚴重程度，由專家打分獲得；3）互相關矩陣M中的元素反映的是異常數據對相應嚴酷度評價指標的影響大小，所給的數值越大說明對其影響越大，其也是由專家根據評分準則打分獲得；4）矩陣P、N是根據國家標準[2]中的相關規定獲得；5）其他矩陣則是根據下文的相關矩陣求解公式計算求得。

其中，嚴酷度矩陣S可由歸一化處理后的權重矩陣B與互相關矩陣M運算獲得，即：

異常數據危害度矩陣C按下式計算，即：

式（2）中：Ci——第i個異常數據形成的故障模式產生的危害度 （i=1，2，3，…，n）；

“*”——矩陣的Hadamard乘積，表示兩個矩陣對應元素的乘積[9]，下同。

式 （2）計算的C為異常數據獨立不相關的理想情況。但在實際的試驗過程中，如上文引言所述，需考慮異常數據之間的關聯性，同時還需考慮單個異常數據所產生的連鎖反應。例如：第i個異常數據的產生直接導致第j個異常數據的產生，而第j個異常數據的產生又直接導致第k個異常數據的產生。形如此類的傳播被稱為異常數據的連鎖效應，可將傳播的階數記為f，如f=1，稱為一階傳播。則式 （2）的異常數據危害度矩陣可修正為[1， 8]：

式（3）中：I——n×n全1矩陣；

E——n×n單位矩陣。

利用上述相關步驟計算求得的異常數據的危害度，其值越大，說明其對應的部件單元是減速機系統中最薄弱的環節，則在可靠性分配過程時，相應地所分配的失效率越大。

因此，在后續試驗采集性能響應數據之后，可依據上述模型分析方法建立對應的模型，進而分析計算得出減速機的整體可靠度。

5 結束語

本文從基本原理、系統構造、環境溫控箱和控制系統等方面闡述了減速機性能測試系統的主要組成部分，同時介紹了一種基于減速機異常數據的可靠性模型分析方法，后續可在依據專家打分得到減速機異常數據自相關矩陣、互相關矩陣和權重矩陣等經驗矩陣中的元素的基礎上，建立減速機系統的HORA。利用所建立的分配屋模型找出系統的薄弱環節，并在提高薄弱環節可靠性的基礎上，通過不斷地建立新的HORA來不斷地改進提升，從而使得減速機具有高可靠性。