精密減速器使用壽命綜合評價方法研究*

黃創綿 董成舉,2 潘廣澤,2 劉文威,3 黃強,3

精密減速器使用壽命綜合評價方法研究*

黃創綿1董成舉1,2潘廣澤1,2劉文威1,3黃強1,3

（1.工業和信息化部電子第五研究所 2.廣東省工業機器人可靠性工程實驗室 3.廣東省智能機器人可靠性工程技術研究中心）

針對機器人用精密減速器使用壽命評價不準確且周期長等問題，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計數據、加速壽命試驗數據和現場運行數據等多源信息，并基于多源信息權重，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。

機器人；精密減速器；使用壽命；多源信息融合；綜合評價

0 引言

隨著我國制造業的轉型升級及智能制造的深入發展，機器人作為智能制造裝備行業最具代表性的裝備，近年也隨之蓬勃發展。我國工業機器人的市場規模約占全球的1/3以上，已連續6年成為全球最大的工業機器人市場[1]。精密減速器作為機器人的核心部件之一，約占整機成本的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、承載能力強場合；少齒差行星減速器可實現零側隙傳動[2]。目前，國產機器人應用的精密減速器多為國外進口，國內機器人用精密減速器在整體綜合性能上和國外同類產品還有一定差距。

使用壽命是機器人用精密減速器的重要性能參數，可靠性壽命是制約國內機器人用精密減速器發展的關鍵。對減速器進行使用壽命的綜合評價，有助于制定機器人維修計劃，保障機器人工作精度，提高機器人使用效率。目前，國內外學者對機器人減速器的可靠性壽命開展了相關研究[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）直接用設計壽命代替使用壽命，此方法存在較大誤差；2）通過現場應用壽命來判斷使用壽命，但現場應用壽命的獲取需要較長的使用周期；3）開發壽命測試試驗臺，進行壽命測試[7-8]。

本文利用多方信息來源研究一種機器人用精密減速器使用壽命綜合評價方法，實現對精密減速器的使用壽命預測。

1 評價信息來源

評價精密減速器使用壽命的信息數據來源于多個方面，包括精密減速器可靠性預計及仿真、加速壽命試驗和現場運行數據等過程的壽命與故障信息。在可靠性預計過程中，利用精密減速器生產廠家提供的減速器幾何模型、材料信息和采集的實際工況載荷情況，通過仿真分析或理論計算等方法，得到精密減速器初步的預計使用壽命分布。在加速壽命試驗過程中，利用專用的精密減速器加速壽命試驗臺分別施加單組或多組溫度、濕度、扭矩以及轉速等加速應力開展試驗，采集精密減速器測試過程動態退化性能參數，擬合分布函數，計算加速因子及可靠度函數，最終計算精密減速器的使用壽命分布。在精密減速器運行現場，定期采集精密減速器運行及退化信息，統計精密減速器的失效信息和故障機理，根據現場運行過程中出現的故障信息和壽命信息對精密減速器現場運行壽命分布進行擬合，計算精密減速器的使用壽命分布。

2 綜合評價模型

2.1 指標權重判斷矩陣構建

表1 評價指標重要程度的量化表

表2 判斷矩陣表格

2.2 計算指標權重

2.2.1 權重計算

1）計算矩陣中同一行各元素的乘積；

2.2.2 一致性檢驗

在獲得評價指標的權重后，需要進行一致性檢驗。當權重判斷矩陣具有完全一致性時，有

完全一致性是指對于權重判斷矩陣存在如下關系式：

權重判斷矩陣一致性檢驗的步驟如下：

1）計算矩陣最大特征值

表3 1-9階平均隨機一致性指標

3）計算一致性比例

2.2.3 計算組合權重

2.2.4 綜合評價模型

進一步可求融合精密減速器的可靠性預計、加速壽命試驗和現場運行試驗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

通過可靠性預計、加速壽命試驗和現場運行試驗得到減速器的壽命數據信息，利用層次分析法進行信息融合。首先通過對可靠性壽命信息進行預處理，獲得不同試驗條件下的壽命分布；然后根據所有壽命分布的重要程度確定權重因子，同時構造多源信息融合的綜合使用壽命分布；最后利用分布函數得到精密減速器使用壽命的綜合評價。

以下將進行基于多源信息融合的使用壽命綜合評價方法的驗證，數據不代表真實試驗數據，僅為驗證算法用。

3.1 數據預處理

3.1.1 可靠性建模預計數據信息

通過可靠性建模預計得到的數據信息，擬合使用壽命分布為

3.1.2 可靠性仿真預計數據信息

通過可靠性仿真預計得到數據信息，擬合使用壽命分布函為

3.1.3 加速壽命試驗實驗數據

通過加速壽命試驗得到的數據信息，擬合使用壽命分布為

3.1.4 加速退化實驗數據

通過加速退化試驗得到的數據信息，擬合使用壽命分布為

3.1.5 現場驗證試驗數據

通過現場驗證的數據信息，擬合使用壽命分布為

3.1.6 歷史故障數據

通過歷史故障的數據信息，擬合使用壽命分布為

3.2 權重確定

分別確定不同層次的壽命評價指標權重矩陣，判斷矩陣表如表4~表7所示。

表4 第一層判斷矩陣表

表5 可靠性預計判斷矩陣表

表6 加速壽命試驗判斷矩陣表

表7 現場運行試驗判斷矩陣表

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證。

4 結論

本文提出的基于多源信息融合的機器人用精密減速器使用壽命綜合評價方法，解決了傳統方法主要通過設計壽命或現場應用壽命進行使用壽命評價帶來的局限和弊端，研究結論如下：

1）提出的機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計及仿真、加速壽命試驗和現場運行試驗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確；

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

3）基于多源信息融合技術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備使用壽命評價，可解決利用設計壽命進行評價不精確或利用現場應用壽命進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

黃創綿，男，1982年生，碩士，高工，主要研究方向：質量可靠性技術。

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

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

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

黃強，男，1989年生，學士，助理工程師，主要研究方向：機器人測試與評價、可靠性技術。

廣東省自然科學基金(2018A030310667)；廣東省省級科技計劃項目應用型專項(2017B090914003)；國家智能制造綜合標準化與新模式應用項目“基于數字仿真的可靠性測試方法標準研究及試驗驗證”；國家重點研發計劃項目(2017YFB1300900)；廣州市科技計劃項目(201804010358)。