(高清版)GB/T 39590.1-2020 機器人可靠性 第1部分：通 用導則

ICS25.040.30GB/T39590.1—2020機器人可靠性第1部分：通用導則Robotreliability—Part1:Generalguidelines國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會IGB/T39590.1—2020 12規(guī)范性引用文件 13術語、定義和縮略語 13.1術語和定義 13.2縮略語 24設計開發(fā) 34.1概述 34.2可靠性指標體系 34.3可靠性分配 34.4可靠性建模和預計 44.5可靠性設計準則 44.6失效模式和影響分析 54.7故障樹分析 64.8有限元分析 64.9耐久性分析 64.10可靠性設計評審 6 6 65.2物料管理要點 65.3物料管理程序或要求 7 76.1過程管控 76.2生產(chǎn)測試 7 8 87.2運行監(jiān)測系統(tǒng)建設 87.3運行故障改進 87.4失效模式庫構建 98可靠性試驗 9 98.2可靠性研制試驗 ⅡGB/T39590.1—20208.3壽命試驗 8.4可靠性驗證試驗 8.5環(huán)境應力篩選 9軟件可靠性 9.1概述 9.2軟件可靠性需求分配與分析 9.3軟件可靠性設計與實現(xiàn) 9.4軟件可靠性測試 9.5軟件可靠性維護 ⅢGB/T39590.1—2020GB/T39590《機器人可靠性》已發(fā)布了以下部分：本部分為GB/T39590的第1部分。本部分按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本部分由國家機器人標準化總體組提出并歸口。本部分起草單位：上海機器人產(chǎn)業(yè)技術研究院有限公司、上海電器科學研究院、安徽亙鼎智能科技機器人(蘇州)有限公司、上海節(jié)卡機器人科技有限公司、工業(yè)和信息化部電子第五研究所、昆山企運網(wǎng)信息技術有限公司、揚州天苗科技有限公司、配天機器人技術有限公司、重慶德新機器人檢測中心有限件集成有限公司、墨魯智能科技(昆山)有限公司、青島海德馬克智能裝備有限公司、上海電器科學研究所(集團)有限公司、上海電器設備檢測所有限公司、上海添唯認證技術有限公司。GB/T39590.1—2020為助力機器人產(chǎn)業(yè)和企業(yè)可靠性工程能力的提升，結合當前機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展和標準化現(xiàn)狀，GB/T39590提供了機器人領域開展可靠性工作的通用方法和流程、測試評估方法以及指標的確定1GB/T39590.1—20201范圍GB/T39590的本部分規(guī)定了機器人生命周期內(nèi)開展可靠性工作的設計開發(fā)、物料管理、運行監(jiān)本部分適用于GB/T12643—2013中定義的所有機器人。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文GB/T7826系統(tǒng)可靠性分析技術失效模式和影響分析(FMEA)程序GB/T7827可靠性預計程序GB/T7829故障樹分析程序GB/T12642工業(yè)機器人性能規(guī)范及其試驗方法GB/T12643—2013機器人與機器人裝備詞匯GB/T29309電工電子產(chǎn)品加速應力試驗規(guī)程高加速壽命試驗導則GB/T32466電工電子產(chǎn)品加速應力試驗規(guī)程高加速應力篩選導則GB/T34986產(chǎn)品加速試驗方法JB/T10825工業(yè)機器人產(chǎn)品驗收實施規(guī)范GB/T12643—2013界定的以及下列術語和定義適用于本文件。為了便于使用，以下重復列出了GB/T12643—2013中的某些術語和定義。3.1.1執(zhí)行機構。注1:機器人包括控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)接口。[GB/T12643—2013,定義2.6]3.1.2可靠性reliability注：可靠性的概率度量稱可靠度。2GB/T39590.1—20203.1.33.1.4給定的可靠度所對應的壽命單位數(shù)。3.1.5任務可靠性的概率度量。3.1.63.1.73.1.83.1.9產(chǎn)品的故障總數(shù)之比。3.1.10下列縮略語適用于本文件。FMEA:失效模式和影響分析(FailureModeandEffectAnalysis)FTA:故障樹分析(FaultTreeAnalysis)HALT:高加速壽命試驗(HighlyAcceleratedLifeTest)HASS:高加速應力篩選(HighlyAcceleratedStressScreening)SFMEA:軟件失效模式和影響分析(SoftwareFailureModeandEffectAnalysis)SFTA:軟件故障樹分析(SoftwareFaultTreeAnalysis)SIP:標準檢驗程序(StandardInspectionProcedure)SOP:標準作業(yè)程序(StandardOperationProcedure)3GB/T39590.1—2020TAAF:試驗-分析-改進(Test,AnalyzeAndFix)4設計開發(fā)機器人可靠性的設計開發(fā)包含一系列的工作項目。機器人研發(fā)過程中可選擇對機器人設計有效的可靠性工作項目，發(fā)現(xiàn)機器人的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進，滿足產(chǎn)品可靠性設計要求。4.2可靠性指標體系機器人可靠性指標主要有可靠度、失效率、平均故障間隔時間(MTBF)、平均修復時間(MTTR)、平均故障前時間(MTTF)、平均嚴重故障間隔時間(MTBCF)、可用度、使用壽命、可靠壽命、任務可靠度等。機器人及零部件的故障特點不同，選取考核的可靠性指標有：b)考核機器人的早期故障，宜選用MTTF;d)考核機器人及其零部件的耐久性，宜選用使用壽命、可靠壽命。機器人可靠性指標水平的確定應基于以下因素或原則：a)依據(jù)機器人的壽命剖面和任務剖面；b)基于機器人研制企業(yè)的研發(fā)能力；c)參考以往機器人產(chǎn)品的可靠性水平；d)參考行業(yè)同類機器人產(chǎn)品的可靠性水平；e)可靠性指標水平的選取宜高于使用方的要求值；f)機器人零部件的可靠性指標水平可單獨提出，但應滿足機器人的總體可靠性水平；g)對于相互關聯(lián)的可靠性指標，所確定的可靠性指標水平應相互匹配。4.3可靠性分配可靠性分配的對象是可靠性指標，分為兩類：b)描述機器人任務可靠性的指標，如任務可靠度、MTBCF等。可靠性分配的主要原則有：a)可靠性指標分配在機器人研制階段的早期進行；4GB/T39590.1—2020b)根據(jù)各模塊能夠達到的可靠性量值進行分配，可靠性分配宜與可靠性預計工作結合進行；c)對復雜度較高的模塊，分配較低的可靠性指標；d)對在惡劣環(huán)境條件下工作的模塊，分配較低的可靠性指標；e)對失效率高的模塊，分配較低的可靠性指標；g)對不易版本升級與迭代的軟件模塊，分配較高的可靠性指標；h)對故障致命性高的模塊，分配較高的可靠性指標；i)對已有可靠性指標或使用成熟的模塊，不再單獨分配。a)等分配法默認機器人各組成模塊單元重要度、復雜度等情況相同，將機器人的可靠性定量要求平均分配到規(guī)定層次。該方法簡單，適用于粗略分配。b)評分分配法是由有經(jīng)驗的技術專家對相關因素進行評分，根據(jù)評分結果給每個單元分配可靠性指標。當缺乏有關機器人的可靠性數(shù)據(jù)時，可選用該方法。c)比例組合分配法是將機器人的可靠性定量要求按機器人和各模塊失效率數(shù)據(jù)的比例進行可靠性指標分配。該方法適用于新研、歷史機器人結構相似，而且有歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)或者新研機器人各模塊預計數(shù)據(jù)的串聯(lián)系統(tǒng)。4.4可靠性建模和預計機器人可靠性建模和預計應在研制階段的早期進行。當產(chǎn)品的設計條件、環(huán)境要求、應力數(shù)據(jù)、失效率數(shù)據(jù)、工作模式發(fā)生重要變更時，應及時修正模型并重新預計。機器人可預計的可靠性指標，常見的有失效率、MTBF等。機器人可靠性模型的建立和可靠性預計按照GB/T7827規(guī)定的程序和方法進行。4.5可靠性設計準則可靠性準則的制定宜符合以下程序：a)收集機器人的可靠性要求、相似產(chǎn)品的可靠性設計準則、歷史項目的可靠性設計經(jīng)驗等，歸納形成準則草案；b)逐條審查可靠性設計準則草案的適用性與可行性；c)確定可靠性設計準則。存和運輸設計等。在保證性能要求及便于制造裝配維修的前提下，可簡化產(chǎn)品的零部件尺寸精度、形位要求、結構或整個模塊、系統(tǒng)的要求。主要簡化原則有：5GB/T39590.1—2020a)對機器人功能進行分析權衡，合并相同或相似功能，消除不必要的功能；b)在滿足規(guī)定功能要求的條件下，盡可能減少產(chǎn)品層次和零部件的數(shù)量；c)最大限度地采用通用的零部件，在合理范圍內(nèi)盡量減少其供應商數(shù)量；d)盡量使用成熟的模塊或單元。機器人電氣模塊的降額設計工作，主要是確定降額等級、降額參數(shù)和降額因子(工作應力與額定應力之比)等。機器人機械模塊的降額設計工作，通常是采用提高強度均值、降低應力均值、降低應力和強度方差等基本方法，找出應力與強度的最佳匹配。機器人的冗余設計主要原則有：a)當簡化設計、降額設計及選用高可靠性的模塊仍不能滿足任務可靠性要求時，采用冗余設計；b)在質(zhì)量、體積、成本允許的條件下，冗余設計比其他設計方法更能滿足任務可靠性要求；c)對于影響任務成功的關鍵模塊，如有單點故障模式，可考慮采用冗余設計；d)冗余設計中宜重視冗余轉(zhuǎn)換的設計，盡量選擇高可靠的轉(zhuǎn)換模塊。合理的散熱設計可降低產(chǎn)品的工作溫度及產(chǎn)品的失效率。熱設計主要原則有：a)通過控制散熱量來控制溫升；b)選擇合理的熱傳遞方式(傳導、對流、輻射);c)盡量減小傳熱路徑的熱阻；d)選擇合理的冷卻方式(自然、強迫);e)熱設計宜與其他設計(電氣設計、結構設計、材料選型等)同時進行，當出現(xiàn)矛盾時進行權衡分防護作用。機器人產(chǎn)品的電磁兼容設計宜從組件、模塊、系統(tǒng)等層級考慮。例如，工業(yè)機器人的電卸與運輸方式提出約束要求。4.6失效模式和影響分析FMEA(包括SFMEA)宜在研制早期與設計過程同步進行，機器人的FMEA分析按照GB/T78266GB/T39590.1—2020的程序進行。運用演繹法逐級分析，尋找導致某故障事件(頂事件)的可能原因，直到最基本的原因，并通過邏輯機器人的故障樹分析(FTA)按照GB/T7829的程序進行。4.8有限元分析在設計過程中對產(chǎn)品的機械強度和熱特性等進行分析與評價，盡早發(fā)現(xiàn)承載結構和材料的薄弱環(huán)節(jié)及產(chǎn)品的過熱部分，以便及時采取設計改進措施。有限元分析要點有：a)在產(chǎn)品研制進展到設計和材料基本確定時進行有限元分析；b)進行有限元分析的關鍵是要正確建立產(chǎn)品結構和材料對負載或環(huán)境響應的模型；c)對有安全要求和任務關鍵的機械結構件與產(chǎn)品，盡量實施有限元分析。4.9耐久性分析現(xiàn)的與損耗故障有關的設計問題，以便采取改進措施。機器人耐久性分析的程序有：a)確定機器人工作與非工作壽命要求；c)識別材料特性，通常參考相關行業(yè)手冊；d)確定機器人可能發(fā)生的故障部位；e)計算零部件或產(chǎn)品的壽命，確定預期的時間(或周期)內(nèi)是否發(fā)生故障。4.10可靠性設計評審組織非直接參加設計的各有關方面專家參見GB/T7828進行可靠性設計評審，評審結果宜達到的a)對設計進行及時詳細的論證；b)發(fā)現(xiàn)和糾正潛在的設計缺陷；c)為改進設計提供信息；d)加速設計的成熟。5物料管理對機器人各元器件零部件物料進行可靠性管理，保證機器人產(chǎn)品的基礎可靠性水平及穩(wěn)定批量生產(chǎn)。5.2物料管理要點物料管理要點包括：a)根據(jù)機器人產(chǎn)品的規(guī)格和額定使用環(huán)境，制定物料的選擇、認證和使用要求；7GB/T39590.1—2020b)機器人設計開發(fā)過程宜包括物料的工程驗證，并形成項目管控文件；c)編制合格供應商名錄和選用指南；d)嚴格控制合格供應商名錄之外的物料選用；e)制定批量生產(chǎn)階段機器人的物料替代供應商選擇、工程驗證等項目管控要求。5.3物料管理程序或要求機器人物料管理宜建立以下管理程序或要求：a)合格供應商名錄的確認程序；b)選用指南外物料的確認程序；c)物料的驗收程序，包括必要時的元器件篩選要求；據(jù)實際情況執(zhí)行。6生產(chǎn)制造6.1過程管控宜對機器人的生產(chǎn)制造過程進行有效的監(jiān)管和管控，以保障機器人生產(chǎn)制造與設計要求的一致性，包括：a)建立機器人生產(chǎn)制造過程的SOP制定與評審機制，SOP流程宜重點管控機器人設計開發(fā)過b)建立機器人生產(chǎn)制造過程的工藝與操作參數(shù)記錄機制，保障參數(shù)記錄的完整性和有效性。c)建立機器人生產(chǎn)制造過程中SIP產(chǎn)品檢驗規(guī)范的制定與評審機制，包括各機器人的功能檢查、性能檢測項。SIP中的各檢測項目宜根據(jù)實際情況確定。試與檢驗規(guī)范變更等。6.2生產(chǎn)測試機器人生產(chǎn)測試的目的是識別批量生產(chǎn)階段產(chǎn)品來料、組裝、工藝等制程的變異。常見的機器人生產(chǎn)測試分為兩類：a)抽檢類測試；b)全檢類測試。定較為嚴酷的測試項目。測試樣品的抽樣方案參見GB/T2828.1。通過抽樣測試與研發(fā)階段測試結果的對比，實現(xiàn)監(jiān)測批量生產(chǎn)可靠性水平穩(wěn)定與否。全檢類測試，也可稱為廣義環(huán)境應力篩選，一般采用接近用戶環(huán)境與工況的測試條件，全批次方式8GB/T39590.1—2020進行可靠性測試。了工業(yè)機器人連續(xù)運行測試的一般條件，工況條件為額定負載下關節(jié)100%額定速度動作，連續(xù)運行時7運行監(jiān)測運行監(jiān)測主要包括三個階段活動：a)運行監(jiān)測系統(tǒng)建設；b)運行故障改進；c)失效模式庫構建。能與性能運行的監(jiān)測，以識別機器人故障異?；蛐阅艹鰹榛疽?。對于機器人運行信息與數(shù)據(jù)的監(jiān)測應注意：c)考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性要求和時延性特點；統(tǒng)建設原則有：MTBF作為系統(tǒng)建設指標；b)低干擾性：數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測不能影響機器人的實際作業(yè)，不能影響和修改機器人的控制運行監(jiān)測系統(tǒng)識別到關鍵故障與風險后宜進行如下改進活動：9GB/T39590.1—2020a)故障快速定位；c)復現(xiàn)性測試；d)問題改進與驗證；e)解決措施落地。機器人運行故障的維修和維修保障計劃的制定與執(zhí)行活動，參見GB/T9414.9。運行故障改進流程：故障的信號特征進行報警；b)報警提示顯示在監(jiān)測系統(tǒng)的人機進行記錄處理；各問題的解決措施并落實責任人和目標日期。等。機器人失效模式庫包含如下信息：圖1。各試驗的目的、適用對象和適用時機見表1。GB/T39590.1—2020壽壽命試驗可靠性驗證試驗環(huán)境應力篩選可靠性研制試驗可靠性試驗圖1可靠性試驗分類圖表1各類試驗項目的目的、使用對象和適用時機試驗類型適用對象適用時機可靠性研制試驗對產(chǎn)品施加適當?shù)沫h(huán)境應力、工作載荷，暴露產(chǎn)品中的潛在缺陷適用于機器人及各零部件產(chǎn)品的研制階段壽命試驗驗證產(chǎn)品在規(guī)定的條件下的使用壽命、儲存壽命是否達到規(guī)定的要求適用于有使用壽命、儲存壽命要求的機器人及各零部件產(chǎn)品的研制早期和中期可靠性驗證試驗驗證產(chǎn)品可靠性是否達到規(guī)定的水平適用于機器人及各零部件產(chǎn)品的研制階段中期和后期、生產(chǎn)階段環(huán)境應力篩選在產(chǎn)品交付使用前發(fā)現(xiàn)和排除不良元器件、制造工藝和其他原因引入的缺陷造成的風險主要適用于機器人的電子零部件，也可用于機器人整機產(chǎn)品的生產(chǎn)階段8.2可靠性研制試驗可靠性水平。8.2.2可靠性研制試驗開展原則開展機器人可靠性研制試驗應遵從以下原則：a)在研制階段應盡早開展可靠性研制試驗，通過TAAF過程來提高機器人的可靠性。b)可靠性研制試驗是設計開發(fā)試驗的組成部分，盡可能與其他研制試驗結合進行。c)可靠性研制試驗可采用加速應力進行，誘發(fā)故障以識別薄弱環(huán)節(jié)，或驗證設計余量。工程較為常用的試驗方法，如HALT測試，具體測試方法按照GB/T34986或GB/T29309。GB/T39590.1—2020d)可靠性研制試驗的應力選擇應綜合考慮環(huán)境條件、工作載荷、薄弱環(huán)節(jié)、敏感應力等因素。e)可靠性研制試驗的時間選擇應以有效激發(fā)故障為出發(fā)點。例如，在機器人研制階段常開展的可靠性摸底試驗，一般測試時間為120h或者240h。對于小概率故障的激發(fā)，測試時間也可延長到機器人最低壽命要求的20%～30%。8.3壽命試驗發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中可能過早發(fā)生耗損的零部件，以確定影響產(chǎn)品壽命的根本原因和可能采取的糾正措施；驗證產(chǎn)品在規(guī)定條件下的使用壽命和儲存壽命是否達到規(guī)定的要求。試驗要點有：a)壽命試驗適用于產(chǎn)品的研制早期和中期。b)對有壽命要求的機器人及零部件，進行壽命試驗。c)為縮短試驗時間，在不改變失效機理的條件下可采用加速壽命試驗方法。加速壽命試驗一般在零部件級進行。加速壽命測試具體方法按照GB/T34986執(zhí)行。d)對于耐久性測試，主要考慮耗損性故障和可監(jiān)測的性能退化指標。耐久性測試可采用任務加速的方式實施。耐久性測試宜確定測試環(huán)境條件、應力載荷、運行程序與剖面、性能監(jiān)測指標般地，速度設置為最大值，加速度設置為額定值，各關節(jié)行程不小于75%。可監(jiān)測的性能退化執(zhí)行。e)壽命試驗方案與結論宜進行評審確定。8.4可靠性驗證試驗驗證產(chǎn)品的設計是否達到了規(guī)定的可靠性要求?？煽啃则炞C試驗的數(shù)據(jù)可用于產(chǎn)品可靠性評估工作，通常是評估產(chǎn)品的MTBF值，給出產(chǎn)品MTBF值的置信下限。試驗要點有：a)對有可靠性指標要求的機器人，特別是任務關鍵的或新技術含量較高的機器人，進行可靠性驗證試驗。試驗一般在第三方進行。b)可靠性驗證試驗盡可能在較高層次的模塊上進行，以充分考核接口的實際情況，提高試驗的真c)可靠性驗證試驗適合在機器人量產(chǎn)前的階段執(zhí)行。d)統(tǒng)計方案參見GB/T5080.7或IEC61124。e)可靠性驗證試驗前和試驗后進行評審。GB/T39590.1—20208.5環(huán)境應力篩選對產(chǎn)品施加規(guī)定的環(huán)境應力，以發(fā)現(xiàn)和剔除制造過程中的不良零部件、工藝缺陷等使用階段的早期故障。試驗要點有：a)機器人批量生產(chǎn)初期應進行環(huán)境應力篩選，在批量生產(chǎn)中、后期可根據(jù)批次數(shù)量及質(zhì)量穩(wěn)定情況進行全樣或抽樣篩選。b)環(huán)境應力篩選可以在機器人的任何裝配級上進行。對大型系統(tǒng)應優(yōu)先考慮在較低裝配級上進行篩選。c)機器人的環(huán)境應力篩選，可參見IEC61163-2。對于零部件、機器人模塊，一般根據(jù)缺陷類型確定篩選應力。除溫度循環(huán)和隨機振動以外，其他應力也可以作為環(huán)境應力。d)為縮短篩選的時間，可采用HASS法，快速發(fā)現(xiàn)機器人使用階段的早期缺陷。篩選程序按照GB/T32466進行。9軟件可靠性軟件可靠性工程活動貫穿機器人軟件全生命周期，機器人軟件包括機器人示教器軟件、機器人嵌入式軟件及機器人管理軟件。機器人軟件全生命周期可靠性工程活動主要包括：需求獲取、需求分析、軟周期軟件可靠性工可靠性需求分配分析可靠性計劃預計與分配可靠性驗收可靠性設訂可靠性實現(xiàn)可靠性測試可靠性設計與再分配可靠性評估圖2機器人軟件全生命周期可靠性工程活動圖9.2軟件可靠性需求分配與分析軟件可靠性的需求分配與分析是從使用角度提出機器人軟件開發(fā)的可靠性目標和需求，選取相關軟件可靠性指標體系選用原則見4.2。GB/T39590.1—20209.2.2軟件可靠性需求分配與分析要點機器人軟件的可靠性需求分配與分析要點如下：a)在需求獲取和識別的過程中，進行機器人軟件開發(fā)策劃，制定軟件可靠性計劃，明確軟件可靠b)基于機器人軟件的可靠性分配與預計，調(diào)整并確定軟件可靠性目標；c)將機器