工業(yè)機(jī)器人可靠性標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀分析

□王清忠

21世紀(jì)的今天，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展使其已經(jīng)成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。而作為智能制造的重要標(biāo)志之一，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)逐步滲透到人類生活的各個方面以及現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)等各個領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008～2017年，我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)不斷突破，銷量不斷攀升，已連續(xù)三年保持全球第一，并成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)、消費(fèi)市場[1]。然而，我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展起步較晚，積累不足，在產(chǎn)品性能方面與世界發(fā)達(dá)國家相比尚存在一定距離。本文就工業(yè)機(jī)器人可靠性性能進(jìn)行闡述，著重介紹了工業(yè)機(jī)器人可靠性的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀，并對其進(jìn)行了分析。

一、可靠性對工業(yè)機(jī)器人的意義

可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[2]。可靠性的研究起源于武器系統(tǒng)，經(jīng)過多年的發(fā)展，其領(lǐng)域已從最初的電子產(chǎn)品、硬件系統(tǒng)延伸到機(jī)械電氣設(shè)備、軟件系統(tǒng)，已形成一門獨(dú)立的系統(tǒng)工程科學(xué)。

工業(yè)機(jī)器人綜合了機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)，是一個多學(xué)科跨領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)。其多自由度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜與柔性生產(chǎn)的特點(diǎn)，使其存在很大的危險(xiǎn)性，如果某一部件發(fā)生失效，很可能造成不可預(yù)知的后果，釀成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人可靠性質(zhì)量參差不齊，與世界發(fā)達(dá)國家存在顯著差距，統(tǒng)一工業(yè)機(jī)器人可靠性標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)可靠性提升，已成為迫切需求。

二、工業(yè)機(jī)器人可靠性標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

(一)國際標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀。與工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的國際化標(biāo)準(zhǔn)組織主要有ISO與IEC。ISO/TC 299工作范圍包括除了軍用和玩具之外的所有機(jī)器人，工作重心一直在機(jī)器人本體方面，工作重點(diǎn)在于安全與性能測試標(biāo)準(zhǔn)，而IEC主要涉及工業(yè)機(jī)器人的功能安全[3]。目前發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)都沒有針對工業(yè)機(jī)器人可靠性指標(biāo)的具體要求。

(二)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀。全國自動化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會機(jī)器人與機(jī)器人裝備分技術(shù)委員會(SAC/TC 159/SC2)主要負(fù)責(zé)國際標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化工作，目前工業(yè)機(jī)器人相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)已大部分轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布并實(shí)施。另外，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)標(biāo)委會在國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上根據(jù)國內(nèi)實(shí)際狀況制定了相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，主要標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 工業(yè)機(jī)器人相關(guān)主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

在工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，均涉及到工業(yè)機(jī)器人可靠性指標(biāo)，比如GB/T 37392-2019沖壓機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中要求“沖壓機(jī)器人的可靠性用平均無故障時間和平均修復(fù)時間來衡量。平均無故障時間一般應(yīng)不小于50,000h，平均修復(fù)時間不大于30min”，然而在測試方法上所有標(biāo)準(zhǔn)未給出具體的參考方法。

(三)國內(nèi)外差異。國外可靠性研究最早起始于20世紀(jì)40年代，而國內(nèi)要晚二十年左右，在可靠性積累方面存在較大的差距。目前國際上將可靠性作為一門系統(tǒng)性工程針對產(chǎn)品進(jìn)行研究分析，國內(nèi)可靠性測試主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品，對整機(jī)可靠性重視不足，造成工業(yè)機(jī)器人行業(yè)內(nèi)可靠性標(biāo)準(zhǔn)缺失。

三、工業(yè)機(jī)器人可靠性分析

(一)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析。工業(yè)機(jī)器人是一個包括機(jī)械、電子、電氣以及液壓氣動、計(jì)算機(jī)等多種類型的元器件和控制軟件在內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)，所以其可靠性的研究就比較復(fù)雜[4]。由于工業(yè)機(jī)器人的復(fù)雜性，國內(nèi)研究工業(yè)機(jī)器人時一般將其劃分為控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)外設(shè)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、本體等各個子系統(tǒng)進(jìn)行研究，如圖1所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

可靠性活動貫穿于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、定型、制造及使用的各個階段，為保證整機(jī)的可靠性，需預(yù)先根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行可靠性分配，但因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人的復(fù)雜性，國內(nèi)制造企業(yè)缺少相應(yīng)零部件的可靠性數(shù)據(jù)庫，無疑對開展可靠性活動增加了巨大的難度。

(二)工業(yè)機(jī)器人可靠性參考標(biāo)準(zhǔn)。因缺失可靠性測試的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在研究工業(yè)機(jī)器人可靠性的時候，一般參考較為成熟的國家/軍用標(biāo)準(zhǔn)及類似產(chǎn)品的機(jī)床可靠性標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。國家/軍用品可靠性研究開展時間較早，標(biāo)準(zhǔn)已相對成熟，已形成一系列規(guī)范程序，是國內(nèi)開展可靠性活動的主要依據(jù)。機(jī)床產(chǎn)品與工業(yè)機(jī)器人有一定程度的相似性，目前已制定不少可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)，為工業(yè)機(jī)器人開展可靠性活動提供了參考依據(jù)。

圖2 工業(yè)機(jī)器人可靠性參考標(biāo)準(zhǔn)

(三)工業(yè)機(jī)器人可靠性發(fā)展動態(tài)。隨著工業(yè)機(jī)器人的普遍使用，其可靠性越來越引起重視，原參考國家/軍用標(biāo)準(zhǔn)或機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)開展可靠性活動，產(chǎn)品的針對性較差，無法保證測試的一致性。為促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的安全發(fā)展，目前國家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化總體組正在起草針對機(jī)器人可靠性的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括通用導(dǎo)則、可靠性指標(biāo)體系、軟件測試方法、可靠性評估方法、控制部件可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法、電子零部件生產(chǎn)商質(zhì)量能力要求、電子零部件物料選型評價(jià)規(guī)范、控制器生產(chǎn)可靠性評估方法等系列標(biāo)準(zhǔn)，該系列標(biāo)準(zhǔn)將填補(bǔ)國內(nèi)機(jī)器人可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系的空白，并在為機(jī)器人企業(yè)提供相關(guān)準(zhǔn)則的同時提升產(chǎn)品的可靠性水平。

四、結(jié)語

目前，國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人可靠性標(biāo)準(zhǔn)的缺失，造成了工業(yè)機(jī)器人可靠性良莠不齊，行業(yè)對工業(yè)機(jī)器人可靠性標(biāo)準(zhǔn)提出了迫切需求，以便提高產(chǎn)品可靠性水平，增強(qiáng)市場競爭力。

隨著工業(yè)機(jī)器人的快速起量及多領(lǐng)域應(yīng)用，可靠性越來越受到人們的重視，參與可靠性研究的人員逐年增多，國家層面也將積極制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)機(jī)器人企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量，相信不久之后，可靠性將成為工業(yè)機(jī)器人的重要質(zhì)量指標(biāo)之一。