GB∕T 42983.4-2023 工業(yè)機器人 運行維護 第4部分：預測性維護（正式版）

工業(yè)機器人運行維護第4部分：預測性維護I 1范圍 l2規(guī)范性引用文件 13術語和定義 14預測性維護流程 25預測性維護對象的確定 36預測方法 36.1基于模型的方法 36.2數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法 46.3混合方法 57壽命預測 57.1預測方法選擇 57.2預測結果評價 58維護計劃和管理 6附錄A(規(guī)范性)減速器和伺服電機等的經(jīng)驗模型 7附錄B(資料性)基于經(jīng)驗模型的壽命預測 8附錄C(資料性)基于仿真模型的壽命預測方法 附錄D(資料性)“負載/負載率-壽命”曲線構建 參考文獻 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件是GB/T42983《工業(yè)機器人運行維護》的第4部分。GB/T42983已經(jīng)發(fā)布了以下部分：——第1部分：在線監(jiān)測；——第2部分：故障診斷；——第3部分：健康評估；——第4部分：預測性維護。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。本文件由全國機器人標準化技術委員會(SAC/TC591)歸口。本文件起草單位：工業(yè)和信息化部電子第五研究所、北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司、天津大學、西安交通大學、華中科技大學、佛山智能裝備技術研究院、上海交通大學、佛山華數(shù)機器人有限公司、遨博(江蘇)機器人有限公司、北京化工大學、北京工業(yè)大學、中國五洲工程設計集團有限公司、蕪湖瑞思機器人有限公司、天津市泰森數(shù)控科技有限公司、廣州智能裝備研究院有限公司、埃夫特智能裝備股份有限公司、吉林大學、昆明理工大學、廣州數(shù)控設備有限公司、重慶固高科技長江研究院有限公司、浙江錢江機器人有限公司、佛山隆深機器人有限公司、清華大學、哈工大機器人(合肥)國際創(chuàng)新研究院、杭州億恒科技有限公司、沈陽新松機器人自動化股份有限公司、機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所、東莞市李群自動化技術有限公司、三菱電機自動化(中國)有限公司、北京航空航天大學、珠海格力電器股份有限公司、廣州明珞裝備股份有限公司。本文件主要起草人：王遠航、王國鋒、雷亞國、周健、劉文威、孫立軍、尚斌、丁小健、梁超、唐敬、工業(yè)機器人是先進制造業(yè)中不可替代的重要裝備，在支撐智能制造和提升生產(chǎn)效率方面發(fā)揮著重要作用。工業(yè)機器人運維標準缺失、滯后和系統(tǒng)性不足等問題，會導致技術要求難以統(tǒng)一，產(chǎn)品質(zhì)量缺乏保證，影響產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。GB/T42983《工業(yè)機器人運行維護》通過監(jiān)測工業(yè)機器人狀態(tài)開展運行維護以提高工業(yè)機器人的運行可靠性，保障用戶利益，提升行業(yè)維保服務的價值，擬由四個部分組成?！?部分：在線監(jiān)測。目的是規(guī)范和確定工業(yè)機器人在線監(jiān)測的術語、監(jiān)測參數(shù)類型、監(jiān)測項目和監(jiān)測方式等。 第2部分：故障診斷。目的是規(guī)范和確定工業(yè)機器人故障診斷流程、在線故障報警和離線測試等?！?部分：健康評估。目的是規(guī)范和確定工業(yè)機器人健康評估流程、健康評估體系和健康評估方法等。 第4部分：預測性維護。目的是規(guī)范和確定工業(yè)機器人預測性維護的對象、預測方法、維護計劃和管理流程等。1工業(yè)機器人運行維護第4部分：預測性維護1范圍本文件規(guī)定了工業(yè)機器人預測性維護的流程、預測性維護對象的確定、預測方法、壽命預測、維護計劃和管理等。本文件適用于工業(yè)機器人的預測性維護。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T6391—2010滾動軸承額定動載荷和額定壽命GB/T12642工業(yè)機器人性能規(guī)范及其試驗方法GB/T12643機器人與機器人裝備詞匯GB/T20921機器狀態(tài)監(jiān)測與診斷詞匯GB/T22239信息安全技術網(wǎng)絡安全等級保護基本要求GB/T24607—2009滾動軸承壽命與可靠性試驗及評定GB/T35089—2018機器人用精密齒輪傳動裝置試驗方法GB/T37718—2019機器人用精密行星擺線減速器GB/T42983.1工業(yè)機器人運行維護第1部分：在線監(jiān)測GB/T42983.2工業(yè)機器人運行維護第2部分：故障診斷GB/T42983.3工業(yè)機器人運行維護第3部分：健康評估3術語和定義GB/T12643和GB/T20921界定的以及下列術語和定義適用于本文件。為保持和恢復產(chǎn)品處于能執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)所進行的所有技術和管理活動。故障發(fā)生后采取的維修。注：也稱為修復性維修。預防性維護preventivemaintenance按照固定的計劃表或規(guī)定的準則實施的維修，這些準則可檢測或預防功能性結構、系統(tǒng)或部件的劣2預測性維護predictivemaintenance強調(diào)對失效的預測，并依據(jù)設備的狀態(tài)采取行動，以預防失效或劣化的維修。工業(yè)機器人/部件隨著工作的持續(xù)，從狀態(tài)良好到逐漸無法滿足工作要求的過程。注：表現(xiàn)為相關性能參數(shù)的持續(xù)下降。工業(yè)機器人/部件從投入使用到故障時刻的時間長度。工業(yè)機器人當前時刻到故障時刻的時間間隔。對故障癥狀和退化趨勢進行分析和建模，以預估未來的狀態(tài)退化趨勢和剩余使用壽命。預測時機timeofprediction觸發(fā)執(zhí)行壽命預測的時間點。預測方法methodofpredict通過已有的監(jiān)測和測試數(shù)據(jù)，獲得工業(yè)機器人壽命或剩余使用壽命的算法或模型。4預測性維護流程工業(yè)機器人的預測性維護應按照圖1所示的流程進行：a)工業(yè)機器人不同部件可選擇不同維護方式，首先確定采用預測性維護的對象和范圍；b)分別按照GB/T42983.1、GB/T42983.2、GB/T42983.3的要求，開展在線監(jiān)測、定期測試和健c)若到達預測時機，調(diào)用預測方法進行壽命預測，預測方法包括基于模型的方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法和混合方法；d)對于預測結果評價不滿足的情況，則進行結果修正或預測方法優(yōu)化；e)對于預測結果評價滿足且剩余使用壽命不足的情況，則制定預測性維護計劃，開展維護活動；f)對于未達到預測時機，或預測的剩余使用壽命足夠的情況，則持續(xù)進行在線監(jiān)測或定期測試。3預測性維護預測性維護對象確定持續(xù)在線監(jiān)測和定期測試否達到預測時機?是通過預測結果評估?是剩余使用壽命足夠?否維護計劃制定和維護實施管理結果修正及方法優(yōu)化是圖1工業(yè)機器人預測性維護流程5預測性維護對象的確定工業(yè)機器人預測性維護對象應基于如下因素確定：——故障發(fā)生是否有安全隱患；——故障發(fā)生是否導致系統(tǒng)功能喪失；——故障發(fā)生是否引起明顯經(jīng)濟損失；——監(jiān)測或測試的成本能否接受；——預測效果能否滿足運行維護要求。6預測方法6.1基于模型的方法基于模型的方法包括建立壽命模型、獲得“負載率-壽命”曲線、計算剩余壽命三個步驟。a)宜建立工業(yè)機器人及其零部件的壽命模型，包括經(jīng)驗模型或仿真模型。——對于減速器和伺服電機等部件，建立經(jīng)驗模型；針對減速器，在輸出轉(zhuǎn)速nn和負載轉(zhuǎn)矩T。下，按照附錄A的規(guī)定，建立減速器壽命經(jīng)驗模型；針對伺服電機，當伺服電機直驅(qū)減速器或通過齒輪傳動時，其壽命模型可參考上述減速器的經(jīng)驗模型；當伺服電機連接帶傳動時，按照附錄A的規(guī)定，建立伺服電機的壽命經(jīng)驗模型；基于經(jīng)驗模型的伺服電機壽命預測見附錄B?！獙τ跊]有經(jīng)驗模型的部件，可采用仿真模型，基于仿真模型的預測方法見附錄C。4GB/T42983.4—2023b)宜通過經(jīng)驗模型或仿真模型，獲得不同負載率下的負載壽命，擬合負載率和負載壽命，獲得“負載/負載率-壽命”曲線，見附錄D。其中，減速器等機械部件的負載率可通過公式(1)計算： (1)式中：L,——第k種工況對應的負載率；nm——輸出端平均轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min);no——輸出端額定轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min);Pm——平均當量動載荷，單位為牛(N);C——基本額定動載荷，單位為牛(N);Tm——輸出端平均負載轉(zhuǎn)矩，單位為牛米(N·m)。T?——輸出端額定轉(zhuǎn)矩，單位為牛米(N·m);e——壽命指數(shù)。c)宜通過累積損傷理論，計算剩余使用壽命：——監(jiān)測統(tǒng)計部件在不同負載率下的累積工作時間，t時刻的損耗度可通過公式(2)計算：式中：F,——t時刻的損耗度；K,——t時刻之前的所有負載率等級數(shù)；D?——在負載率L。下的累積工作時間，單位為小時(h);tk——負載率L。對應的負載壽命，單位為小時(h)?！猼時刻，在負載率L,下的剩余使用壽命SR,可通過公式(3)計算：6.2數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法進行壽命預測，宜采用圖2所示的二級閾值機制。一級閾值為退化閾值，即監(jiān)測到退化進行預警；二級閾值為故障閾值，即需要停機維護。T圖2數(shù)據(jù)驅(qū)動的壽命預測方法示意圖5數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法包括設定閾值、選擇預測時機和采用合適的預測方法。a)閾值包括故障閾值和退化閾值，設定閾值宜綜合考慮如下因素：——定位精度、部件溫升、減速器背隙等關鍵參數(shù)的設計閾值；——參數(shù)與故障類別、故障程度的相關性；——工業(yè)機器人不同場景和工況；——現(xiàn)場干擾。b)關于預測時機，當達到退化閾值時，系統(tǒng)宜進行預警，并觸發(fā)壽命預測。c)數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法包括基于機器學習的方法和統(tǒng)計數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法：——當同類設備的失效樣本數(shù)據(jù)較為充足時，宜采用基于機器學習的方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量回歸等；——當同類設備的失效樣本數(shù)據(jù)量較少時，宜采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，如維納過程退化模6.3混合方法綜合采用基于模型的方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法進行壽命預測。7壽命預測7.1預測方法選擇預測方法宜選擇基于模型的方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法和混合方法中的任何一種或多種：模型的方法，所需參數(shù)為按照GB/T42983.1中的規(guī)定獲取的伺服電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；——針對以電容、電池和IGBT等電子器件為薄弱環(huán)節(jié)的控制器和伺服驅(qū)動器，采用基于模型的方法，所需參數(shù)為按照GB/T42983.1中的規(guī)定獲取的伺服驅(qū)動器直流母線電壓、直流母線電流、功率模塊溫度和控制器板卡溫度等；——針對工業(yè)機器人本體，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，所需參數(shù)為按照GB/T12642中的規(guī)定獲取的工業(yè)機器人性能參數(shù)、按照GB/T42983.3中的規(guī)定獲取的機器人整機和部件的健康分數(shù)；——針對工業(yè)機器人關節(jié)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，所需參數(shù)為按照GB/T42983.1中的規(guī)定獲取的各關節(jié)控制偏差和按照GB/T42983.2中的規(guī)定獲取的觀測器殘差；——針對附加傳感器監(jiān)測的部件，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，包括按照GB/T42983.2中的規(guī)定獲取的關鍵故障特征，如振動的均方根值、聲發(fā)射的能量和有效值、伺服電機繞組的三相不平衡度等。7.2預測結果評價壽命預測的結果分為概率分布和點估計兩種形式。——如果預測結果是壽命的概率分布，宜可直接根據(jù)概率分布計算得到其置信區(qū)間(如95%),若置信區(qū)間過大，說明工業(yè)機器人退化的隨機波動性大，退化趨勢暫不明顯，此時預測結果還無法指導維護，待退化趨勢逐漸明顯，預測結果置信區(qū)間將逐漸收斂到可接受范圍；若臨近故障的預測結果仍未收斂到可接受范圍，應修正預測方法?！绻A測結果是壽命的點估計，宜采用蒙特卡洛模擬等方法獲得一組壽命預測樣本，再對這些樣本進行統(tǒng)計得到其近似概率分布，再按照概率分布的形式進行結果評價。68維護計劃和管理結合預測結果和工業(yè)機器人作業(yè)要求、備品備件情況、維護成本等，制定預測性維護計劃，明確維護時機和資源。由實施人員開展維護活動，記錄維護過程；維護完成后，由評估人員進行維護效果確認和測試標定，記錄維護后的測試結果。宜搭建工業(yè)機器人預測性維護支持系統(tǒng)，為壽命預測提供在線監(jiān)測、預測方法等數(shù)據(jù)和工具支撐，并記錄預測和維護過程的相關信息，系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全防護能力應符合GB/T22239的規(guī)定。7GB/T42983.4—2023(規(guī)范性)減速器和伺服電機等的經(jīng)驗模型A.1減速器工業(yè)機器人用減速器，包括諧波齒輪減速器、行星擺線減速器和擺線針輪減速器等，壽命薄弱環(huán)節(jié)為齒和軸承等易損件。按照GB/T37718—2019中6.8和GB/T35089—2018中9.3的規(guī)定，減速器在輸出轉(zhuǎn)速nm和負載轉(zhuǎn)矩Tm下的壽命模型通過公式(A.1)建立?！?A.1)式中：rm——減速器在輸出轉(zhuǎn)速nm和負載轉(zhuǎn)矩T。下的經(jīng)驗壽命，單位為小時(h);ro——額定轉(zhuǎn)矩下的設計壽命，單位為小時(h);n?——輸出端額定轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min);T?——輸出端額定轉(zhuǎn)矩，單位為牛米(N·m);e——壽命指數(shù)，對擺線類減速器偏心滾子軸承，e=10/3;對諧波減速器柔性軸承，e=3;nm——輸出端平均轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min);Tm——輸出端平均負載轉(zhuǎn)矩，單位為牛米(N·m)。A.2伺服電機伺服電機直驅(qū)減速器或通過齒輪傳動時，宜采用公式(A.1)的壽命評估模型，其中，對于使用滾子軸承的電機，e=10/3;對于使用球軸承的電機，e=3。伺服電機通過帶傳動時，其壽命薄弱環(huán)節(jié)為軸承和轉(zhuǎn)子等易損件，按照GB/T24607—2009中6.4和GB/T6391—2010中5.3.1規(guī)定的壽命評估算法，伺服電機的經(jīng)驗壽命可通過公式(A.2)計算。式中：tm——電機經(jīng)驗壽命，單位為小時(h);C——基本額定動載荷，單位為牛(N);Pm——平均當量動載荷，單位為牛(N);;fm——力矩載荷因數(shù)；fa——沖擊載荷因數(shù)；fr——溫度因數(shù)，……8(資料性)基于經(jīng)驗模型的壽命預測B.1伺服電機經(jīng)驗模型1B.1.1經(jīng)驗模型1的建立過程結合公式(A.1),伺服電機的經(jīng)驗模型1包括轉(zhuǎn)速剖面確定、平均轉(zhuǎn)速/負載轉(zhuǎn)矩/平均負載轉(zhuǎn)矩的確定、疲勞壽命計算。B.1.2伺服電機轉(zhuǎn)速剖面確定根據(jù)電機實際運行工況，確定電機在一個大周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速剖面，即轉(zhuǎn)速-時間運行曲線，如圖B.1所示。圖B.1某伺服電機轉(zhuǎn)速剖面示例B.1.3伺服電機平均轉(zhuǎn)速nm確定伺服電機平均轉(zhuǎn)速由公式(B.1)計算。式中：t;——時間點；nm——一個周期內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min);n;——t;時刻的實時轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min);t?——一個周期時間，單位為分(min)。B.1.4伺服電機軸承周期性負載轉(zhuǎn)矩確定慣量盤加載方式時，存在油封摩擦力矩T;條件下，軸承輸出端負載轉(zhuǎn)矩等于軸承輸入端轉(zhuǎn)矩(電9GB/T42983.4—2023機內(nèi)部電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩),分別計算伺服電機在加速階段、勻速階段、減速階段的周期性負載轉(zhuǎn)矩。B.1.5輸出端平均負載轉(zhuǎn)矩T。確定由加速—勻速—減速半個小周期軸承負載轉(zhuǎn)矩公式以及加減速對稱曲線可知，積分過程中加速和減速的油封摩擦力矩可相互抵消，而只有勻速階段油封摩擦力矩可真正作用，則一個大周期內(nèi)輸出端平均負載轉(zhuǎn)矩Tm由公式(B.2)計算。式中：T;——n;對應的實時轉(zhuǎn)矩，單位為牛米(N·m)。B.1.6疲勞壽命計算……(B.2)伺服電機的最薄弱環(huán)節(jié)為滾動軸承，以滾動軸承的壽命代替伺服電機的壽命進行計算，基于疲勞累計損傷原理，軸承疲勞壽命由公式(B.3)計算?！?B.3)B.2伺服電機經(jīng)驗模型2B.2.1經(jīng)驗模型2的建立過程結合公式(A.2),伺服電機的經(jīng)驗模型2包括轉(zhuǎn)速剖面確定、平均轉(zhuǎn)速和軸承負載確定、疲勞壽命計算。B.2.2伺服電機轉(zhuǎn)速剖面確定同模型1。B.2.3伺服電機平均轉(zhuǎn)速nn確定同模型1。B.2.4伺服電機軸承負載確定首先，確定伺服電機軸承的預緊方式。其次，在電機軸輸出端承受徑向力和軸向力時，建立電機軸的受力平衡方程，根據(jù)力平衡和力矩平衡方程，聯(lián)合軸承的剛度曲線，計算出每個軸承所承受的徑向力F,和軸向力Fa。最后，計算軸承的當量動載荷由公式(B.4)計算。式中：P;——t;時刻的當量動載荷，單位為牛(N);F——t;時刻的徑向載荷，單位為牛(N);F——t;時刻的軸向載荷，單位為牛(N);X徑向動載荷系數(shù)；Y——軸向動載荷系數(shù)。平均當量動載荷Pn和當量動載荷P;的關系由公式(B.5)計算。GB/T42983.4—2023式中：N——一個周期內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)，單位為轉(zhuǎn)(r);N?,N?,N?——不同轉(zhuǎn)速等級下運行的轉(zhuǎn)數(shù)，單位為轉(zhuǎn)(r),2N;=N。B.2.5疲勞壽命計算疲勞壽命rm與基本額定動載荷C和平均當量動載荷P。間的關系由公式(B.6)計算?！?B.6)(資料性)基于仿真模型的壽命預測方法C.1概述基于仿真模型的壽命預測方法，包括機理分析、數(shù)字樣機建模、應力分析和壽命計算等步驟，構建給定工況條件下的壽命模型。C.2機理分析開展機理分析，進行結構分解，確定機理分析的最低約定層次單元，再根據(jù)給定的載荷譜或任務剖面分析確定每個最低層次單元在全壽命周期內(nèi)可能承受的載荷類型，進而分析確定每一個最低約定層次單元所有可能的失效機理。C.3數(shù)字樣機建模C.3.1建模過程數(shù)字樣機建模包括幾何建模和有限元建模兩個步驟。C.3.2幾何建模幾何建?？稍谌S計算機輔助設計軟件中直接建模，也可在有限元軟件中建模，幾何模型進行適當簡化。C.3.3有限元建模有限元建模包括材料屬性設置、網(wǎng)格劃分、約束施加、載荷施加等步驟。a)材料屬性設置，優(yōu)先采用經(jīng)過試驗驗證過的材料參數(shù)，可采用軟件中材料數(shù)據(jù)庫，材料屬性至b)網(wǎng)格劃分，進行有限元網(wǎng)格劃分及單元使用時，遵循相關原則，參見GB/T33582—2017的內(nèi)容。c)約束施加，約束施加應符合實際安裝條件，選擇合適的約束施加方式。d)載荷施加，按實際載荷選擇載荷類型，若有采集的載荷譜，可直接使用實際工況下的載荷譜進行載荷施加。C.3.4應力分析根據(jù)選擇的應力分析類型，完成求解設置，并進行力及熱分析，獲得應力和應變分布、熱分布。為提高仿真精度，宜通過試驗采集應力及試