TCIE 125-2021 工業(yè)機(jī)器人故障診斷與預(yù)測性維護(hù) 第5部分：預(yù)測性維護(hù)

ICS25.040.30CCSJ28團(tuán) 體 標(biāo) 準(zhǔn)T/CIE125—20215Faultdiagnosisandpredictivemaintenanceforindustrialrobot-Part5:Predictivemaintenance2021-11-22發(fā)布 2022-02-01實施中國電學(xué)會 發(fā)布T/CIE125T/CIE125—2021II目 次前 言 II1范圍 12規(guī)性用件 13術(shù)和義 14預(yù)性護(hù)程 25維方確定 36預(yù)方法 3于型方法 3據(jù)動方法 47壽預(yù)測 5測法擇 5測果價 58維計和理 5附錄 A（范）減速和服機(jī)的驗?zāi)Ｐ?6附錄 B（料）基于驗型壽預(yù)示例 7附錄 C（料）基于真型壽預(yù)方法 9附錄 D（料）“負(fù)/載—命線構(gòu)建 10附錄 E（料）基于據(jù)動預(yù)方法 11參 考 文 獻(xiàn) 13T/CIE125T/CIE125—2021鏈鏈鏈鏈前 言T/CIEXXX《工業(yè)機(jī)器人故障診斷和預(yù)測性維護(hù)》分為以下5個部分：——第1部分：故障分類和編碼2——第4部分：健康狀態(tài)評估——第5部分：預(yù)測性維護(hù)本文件為T/CIEXXX《工業(yè)機(jī)器人故障診斷和預(yù)測性維護(hù)》的第5部分。本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件主要起草人：王遠(yuǎn)航、丁小健、劉文威、楊云帆、吳軍、周健、王春輝、紀(jì)春陽、雷亞國、王國鋒、梁超、王吉、唐敬、陸樹漢、莫文安、潘廣澤、黃創(chuàng)綿、楊劍鋒、李小兵、董成舉、郭廣廓、陳勃琛、趙常均、張建華、彭湘濤、張鋒、陶建峰、孟苓輝、龍璞。II工業(yè)機(jī)器人故障診斷與預(yù)測性維護(hù)第5部分：預(yù)測性維護(hù)范圍本文件適用于工業(yè)機(jī)器人預(yù)測性維護(hù)方案制定。（GB/T12642-2013工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗方法GB/T37718-2019機(jī)器人用精密行星擺線減速器GB/T35089-2018機(jī)器人用精密齒輪傳動裝置試驗方法GB/T24607-2009滾動軸承壽命與可靠性試驗及評定GB/T6391-2010滾動軸承額定動載荷和額定壽命GB/T3187-1994、GB/T12643-2013和GB/T20921-2007中確立的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。維修/維護(hù)maintenance為保持和恢復(fù)產(chǎn)品處于能執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)所進(jìn)行的所有技術(shù)和管理活動。事后維護(hù)correctivemaintenance故障發(fā)生后采取的維修。注：也稱為修復(fù)性維修。預(yù)防性維護(hù)preventivemaintenance預(yù)測性維護(hù)predictivemaintenance強(qiáng)調(diào)對失效的預(yù)測，并依據(jù)設(shè)備的狀態(tài)采取行動，以預(yù)防失效或劣化的維修。退化degradation工業(yè)機(jī)器人/部件隨著持續(xù)工作，從狀態(tài)良好到逐漸無法滿足工作要求的過程，表現(xiàn)為相關(guān)性能參數(shù)的持續(xù)下降。1壽命servicelife工業(yè)機(jī)器人/部件從投入使用到故障時刻的時間長度。剩余使用壽命remainingusefullife工業(yè)機(jī)器人當(dāng)前時刻到故障時刻的時間間隔。預(yù)測prognostics對故障癥狀和退化趨勢進(jìn)行分析和建模，以預(yù)估未來的狀態(tài)退化趨勢和剩余使用壽命。預(yù)測時機(jī)timeofprediction觸發(fā)執(zhí)行壽命預(yù)測的時間點。預(yù)測方法methodofprediction工業(yè)機(jī)器人的預(yù)測性維護(hù)宜按照圖1所示的流程開展。123部分健康狀態(tài)評估》的基線測試等；2數(shù)據(jù)積累數(shù)據(jù)積累否達(dá)到預(yù)測時機(jī)？是調(diào)用通過預(yù)測結(jié)果評估？否是是剩余使用壽命足夠？否維護(hù)計劃制定和維護(hù)實施管理壽命預(yù)測預(yù)測方法持續(xù)在線監(jiān)測和定期測試預(yù)測性維護(hù)方式確定結(jié)果修正及方法優(yōu)化圖1 工業(yè)器預(yù)性護(hù)程工業(yè)機(jī)器人的維護(hù)方式包括事后維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)和預(yù)測性維護(hù)。——對于減速器和伺服電機(jī)等部件，宜建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ?；根?jù)GB/T37718-2019和GB/T35089-2018，在輸出轉(zhuǎn)速nm和負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm下減速器壽命經(jīng)驗?zāi)Ｐ腿缡?1)，詳細(xì)模型參數(shù)見附錄A：m000mm000i iittnTenTetnTet tnTe式(1)m000mm000i iiGB/T24607-2009GB/T6391-2010A：3ff Cetm500nTfmfd基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷乃欧姍C(jī)壽命預(yù)測參考附錄B。

式(2)i——C。Li下對應(yīng)的負(fù)載壽命tiLi通過式(3)Li和ti—D。nPe nTeL=ii100%=ii100% 式(3)i nCe nTe0 00——監(jiān)測統(tǒng)計部件在負(fù)載率Li下的累積工作時間Di，T時刻的損耗度FT為：NTFT=Dkk1NT為T

tk式（4）——T時刻，在負(fù)載率Li下的剩余使用壽命SRi,T為：式（5）監(jiān)測和跟蹤預(yù)測監(jiān)測和跟蹤預(yù)測壽命預(yù)測剩余壽命t壽命期望時間期測試指標(biāo)T圖2 數(shù)據(jù)動壽預(yù)方示意圖——定位精度、部件溫升、減速器背隙等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計閾值；——參數(shù)與故障類別、故障程度的相關(guān)性；——工業(yè)機(jī)器人不同場景和工況；——現(xiàn)場干擾。4預(yù)測方法選擇預(yù)測方法可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。IGBTGB/T12642-20133部分在線監(jiān)測》獲取部分故障診斷》獲取數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法案例參見附錄E。預(yù)測結(jié)果評價如5附錄A（規(guī)范性）減速器和伺服電機(jī)等的經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸I(yè)機(jī)器人用減速器，包括諧波齒輪減速器、行星擺線減速器、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。根據(jù)GB/T37718-2019和GB/T35089-2018，減速器在輸出轉(zhuǎn)速nm和負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm下的壽命模型建議按照式（1）建立：m000mm000i iittnTenTetnTet tnTe式（A.1）m000mm000i ii式中，tm——減速器壽命；t0——額定轉(zhuǎn)矩下的設(shè)計壽命，單位為小時（h）；n0——輸出端額定轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分（r/min）；T0——輸出端額定轉(zhuǎn)矩，單位為牛頓米（N·m）；nm（，mii

i；Tm——（N.m），TtnTetn；1em iii iie——（（A.1）e=3。伺服電機(jī)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。伺服電機(jī)軸承為深溝球軸承的，基于滾動軸承球軸承壽命基本額定壽命計算方法，建議采用GB/T24607-2009和GB/T6391-2010中對軸承壽命的評估算法，得到伺服電機(jī)的壽命tm：ff Ce式中，

tm——電機(jī)壽命；

tm500nTfmfd

式（A.2）inf0n1e——nfm——力矩載荷因數(shù)；fd——沖擊載荷因數(shù)；fT——溫度因數(shù)；C——基本額定動載荷，N；Pi——當(dāng)量動載荷，N。6附錄B（資料性）基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膲勖A(yù)測示例電機(jī)壽命經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂刹捎檬?A.1)和式(A.2)，分別稱為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。（1.1）伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速剖面確定根據(jù)電機(jī)實際運行工況，確定電機(jī)在一個大周期內(nèi)轉(zhuǎn)速剖面，即轉(zhuǎn)速-時間運行曲線。（1.2）伺服電機(jī)平均轉(zhuǎn)速nm確定

圖B.1某伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速剖面伺服電機(jī)平均轉(zhuǎn)速由以下公式計算：ntnt m ii i 0 0（1.3）伺服電機(jī)軸承周期性負(fù)載轉(zhuǎn)矩確定慣量盤加載方式時，存在油封摩擦力矩Tf條件下，軸承輸出端負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于軸承輸入端轉(zhuǎn)矩（電（1.4）輸出端平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm確定由加速勻速Tm e 1

1emii（1.5）疲勞壽命計算

tini

i

0it伺服電機(jī)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(jī)的壽命進(jìn)行計算，基于疲勞累計損傷原理，軸承疲勞壽命計算公式為：000mmtnTet nTe000mm（2.1）伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速剖面確定（同模型1）（2.2）伺服電機(jī)平均轉(zhuǎn)速nm確定（同模型1）（2.3）伺服電機(jī)軸承負(fù)載確定首先，確定伺服電機(jī)軸承的預(yù)緊方式；其次，在電機(jī)軸輸出端承受徑向力和軸向力時，建立電機(jī)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，結(jié)算出每個軸承所承受的徑向力Fr和軸向力Fa。7T/CIE125T/CIE125—2021PAGEPAGE10最后，計算軸承的當(dāng)量動載荷：

PXFrYFa式中P——當(dāng)量動載荷，N；Fr——徑向載荷，N；Fa——軸向載荷，N；X——徑向動載荷系數(shù)；Y——軸向動載荷系數(shù)。（2.4）疲勞壽命計算L10（106Ce L10h60nP 為了簡化計算，取500h作為額定壽命的基準(zhǔn)，引入速度系數(shù)

f0n1e，壽命系數(shù)nfh0n

01eff Cet500nT fmfd i附錄C（資料性）基于仿真模型的壽命預(yù)測方法包括幾何建模和有限元建模兩個步驟。1）幾何建模CADCAD幾何模型應(yīng)包含詳細(xì)的材料屬性，包括材料密度、泊松比、彈性模量、SN曲線等。2）有限元建模：有限元建模包括材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、約束施加、載荷施加等步驟?！牧蠈傩栽O(shè)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。GB/T33582-2017機(jī)械——約束施加，約束施加應(yīng)符合實際安裝條件，選擇合適的約束施加方式。根據(jù)選擇的應(yīng)力分析類型，完成求解設(shè)置，并進(jìn)行力及熱分析，獲得應(yīng)力和應(yīng)變分布、熱分布。//附錄D（資料性）“負(fù)載/負(fù)載率—壽命”曲線構(gòu)建1的負(fù)載壽命曲線采用式（A.1）的壽命評估模型，此時的“負(fù)載/負(fù)載率—壽命”曲線的經(jīng)驗公式如下Li t1t100%Li i的/壽命曲線采用式（A.2）的壽命評估模型，此時的“負(fù)載/負(fù)載率—壽命”曲線的經(jīng)驗公式如下1106

式（D.1）LtiLi

60n0

100%

式（D.1）“/”采用附錄C中仿真模型，可以獲得特定工況（如電機(jī)和減速器的轉(zhuǎn)速及負(fù)載）下的壽命，通過仿真不同負(fù)載下的壽命，得到一系列壽命值，擬合曲線即可得到“負(fù)載/負(fù)載率—壽命”曲線。負(fù)載率-壽命曲線5.00E+064.50E+064.00E+063.50E+063.00E+062.50E+062.00E+061.50E+061.00E+065.00E+050.00E+0000.511.5負(fù)載率22.533.5壽命h負(fù)載率-壽命曲線5.00E+064.50E+064.00E+063.50E+063.00E+062.50E+062.00E+061.50E+061.00E+065.00E+050.00E+0000.511.5負(fù)載率22.533.5壽命h圖D.1負(fù)載/負(fù)載率—壽命曲線示意圖附錄E（資料性）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測方法圖E.1某工業(yè)機(jī)器人的位姿重復(fù)性退化曲線圖E.2某工業(yè)機(jī)器人運行過程的位置偏差跟蹤和預(yù)測（間隔30分鐘采樣）圖E.3某固定工況工業(yè)機(jī)器人轉(zhuǎn)矩跟蹤和預(yù)測（間隔3小時采樣）圖E.4伺服電機(jī)壽命周期下振動加速度均值(間隔