竇文娟 龔 偉 王小平 吳曾萍 李本旺 黃云峰

（①中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；②成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川成都 610073；③重慶凱瑞機(jī)器人技術(shù)有限公司，重慶 400799；④重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044）

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)水平是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志[1]，然而目前整機(jī)性能檢測(cè)的核心技術(shù)、測(cè)試設(shè)備仍掌握在瑞士、德國(guó)和日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)手中[2-3]。我國(guó)參考標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)機(jī)器人末端精度和通用安全進(jìn)行規(guī)范，沒(méi)有涉及雙臂、移動(dòng)和復(fù)合型機(jī)器人等特種機(jī)器人的性能參數(shù)指標(biāo)，造成測(cè)評(píng)方式針對(duì)性不強(qiáng)、整機(jī)性能影響機(jī)理與評(píng)估方法缺失等問(wèn)題，從而導(dǎo)致難以全面真實(shí)地反映整機(jī)性能。探索機(jī)器人核心部件及其組合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，揭示核心部件對(duì)整機(jī)性能的影響機(jī)理[4]，是開(kāi)展整機(jī)性能測(cè)評(píng)的基礎(chǔ)。（1）研究減速器、伺服電機(jī)及控制器等核心部件的靜動(dòng)態(tài)特性、壽命測(cè)試方法和性能退化評(píng)估方法與測(cè)試技術(shù)。（2）研究工業(yè)機(jī)器人伺服傳動(dòng)系統(tǒng)多物理過(guò)程、多參數(shù)和多維機(jī)電耦合關(guān)系，建立動(dòng)力學(xué)運(yùn)行品質(zhì)模型。（3）提出核心部件及其組合系統(tǒng)參數(shù)-整機(jī)性能測(cè)試方案，驗(yàn)證核心部件之間機(jī)電耦合因素對(duì)整機(jī)性能的影響機(jī)理。

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科、多領(lǐng)域高度交叉集成的技術(shù)高地。工業(yè)機(jī)器人核心部件是支撐機(jī)器人技術(shù)向高端智能化發(fā)展的重要基礎(chǔ)，其性能和質(zhì)量直接影響對(duì)整機(jī)性能的可靠性評(píng)估[5]。評(píng)估工業(yè)機(jī)器人核心部件的性能參數(shù)及性能退化機(jī)理，建立一套完善的分析、測(cè)試及評(píng)價(jià)方法，對(duì)于研究核心部件對(duì)整機(jī)性能影響具有重要意義。

1 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合模型

伺服傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)多輸入、多輸出、非線性和強(qiáng)耦合的系統(tǒng)[6-7]，需要建立伺服-傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合模型分別研究各個(gè)子系統(tǒng)，再分析系統(tǒng)整體靜動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)的影響規(guī)律，并構(gòu)建伺服傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)模型。研究機(jī)器人核心部件（減速器、伺服電機(jī)）靜動(dòng)態(tài)特性，提出性能退化模型概念，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證伺服傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)整機(jī)性能的影響機(jī)理。

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

以高性能機(jī)器人常用的永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型給定機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)角度和負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)響應(yīng)，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型。永磁同步電機(jī)電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程為[8-9]

電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

式中：J為電機(jī)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωm為電機(jī)輸出軸機(jī)械轉(zhuǎn)速；Te為永磁同步電機(jī)輸出力矩；TL為負(fù)載力矩；B為電機(jī)阻尼系數(shù)。

伺服電機(jī)矢量控制原理模型如圖1[10]。

圖1 伺服電機(jī)矢量控制原理

永磁同步電機(jī)矢量控制原理[11]（以雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的矢量控制為例）：外環(huán)為速度環(huán)，輸入為電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值與電機(jī)反饋值的差值。反饋通過(guò)電機(jī)后端的光電編碼器輸出角位移和角速度，速度的差值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)控制器后輸出電流參考值，與反饋電流的差值輸入到電流環(huán)控制器，電流的反饋值通過(guò)電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器檢測(cè)。外環(huán)為電流環(huán)，其響應(yīng)速度最快，輸出兩相電壓的參考值，兩相電壓經(jīng)過(guò)逆變器輸出三相電壓到伺服電機(jī)。

基于傳遞函數(shù)和典型I、典型II系統(tǒng)[12]，以工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)法，簡(jiǎn)化伺服電機(jī)3個(gè)控制器的參數(shù)以此搭建Clark變換和Park變換模型，最終得到控制仿真模型如圖2。

圖2 伺服電機(jī)矢量控制仿真

整定伺服電機(jī)的三環(huán)PID參數(shù)，在Simulink環(huán)境下進(jìn)行雙閉環(huán)伺服電機(jī)的空載及加載仿真，矢量控制模型和仿真完全吻合，說(shuō)明建模和參數(shù)的選取滿足要求。

伺服傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)部分采用集中質(zhì)量建模，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)矢量控制建模，忽略齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，聯(lián)立機(jī)械傳動(dòng)與電氣驅(qū)動(dòng)部分，得到伺服電機(jī)-減速器-負(fù)載的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型[13]。采用三質(zhì)量?jī)奢S模型簡(jiǎn)化減速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3，并根據(jù)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程得到式（3）。

圖3 集中質(zhì)量法的機(jī)電耦合模型

式中：J、J2和J3分別為永磁同步電機(jī)、減速器和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；K2、K3分別為減速器和傳動(dòng)軸的剛度；ω、ω2和ω3分別為永磁同步電機(jī)、減速器和負(fù)載的轉(zhuǎn)速；θ 、θ2和θ3為 角位移；T1、T2和TL分別為減速器輸出力矩、輸出軸扭矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

由于系統(tǒng)輸入與輸出之間存在著力學(xué)、電磁以及調(diào)速控制系統(tǒng)PID參數(shù)的耦合，故將矢量控制模型、機(jī)械傳動(dòng)模型和負(fù)載模型統(tǒng)一由PMSM模型表示來(lái)搭建機(jī)電耦合仿真模型。搭建的機(jī)械部分和整個(gè)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 機(jī)械部分仿真模型

圖5 機(jī)電耦合系統(tǒng)仿真模型

1.2 運(yùn)行品質(zhì)模型

減速器靜動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)主要指減速器剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、回差以及傳遞誤差、傳遞效率。而定位誤差、跟隨誤差、穩(wěn)定性、跟隨性和電機(jī)振動(dòng)則為伺服系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，這些指標(biāo)反映了伺服系統(tǒng)的定位能力、定位響應(yīng)能力、抗負(fù)載波動(dòng)能力以及速度響應(yīng)能力。工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行品質(zhì)主要表現(xiàn)為位姿特性、軌跡特性、靜態(tài)柔順性和最小穩(wěn)定時(shí)間[14]。軌跡特性是一種動(dòng)態(tài)特性，表明機(jī)器人的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，伺服傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)模型則主要研究工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)時(shí)的軌跡跟蹤能力和瞬態(tài)響應(yīng)[15]。

建立如圖6所示的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合運(yùn)行品質(zhì)模型。分析機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化時(shí)間響應(yīng)以及減速器空程、回差和傳動(dòng)誤差等對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)穩(wěn)定性能的影響。通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析核心零部件對(duì)機(jī)器人整機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響，包括位姿準(zhǔn)確度、軌跡重復(fù)度、軌跡速度準(zhǔn)確性和軌跡速度波動(dòng)，核心零部件性能參數(shù)與整機(jī)性能參數(shù)間映射關(guān)系如圖7。

圖6 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)模型

圖7 運(yùn)行品質(zhì)參數(shù)與整機(jī)性能參數(shù)關(guān)系

2 減速器性能退化模型研究

2.1 減速器壽命影響機(jī)理研究

減速器本身是一種高精度、高扭矩的傳動(dòng)裝置，其內(nèi)部零件如齒輪、軸承和曲柄軸都具有極強(qiáng)的疲勞強(qiáng)度和剛度，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中很難出現(xiàn)破壞形式的失效，而導(dǎo)致其失效的原因往往是內(nèi)部軸承、齒輪等金屬零件表面的疲勞、磨損[16]。

以常用于工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)中的RV減速器為對(duì)象研究其壽命，其內(nèi)部軸承均為滾動(dòng)軸承，不存在金屬表面直接接觸和相對(duì)滑動(dòng)的情況。但在正常工作時(shí)，RV減速器兩個(gè)擺線齒輪交替旋轉(zhuǎn)，與滾針間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滾針在槽內(nèi)自轉(zhuǎn)，不僅受到旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的磨損，同時(shí)也要承受由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的持續(xù)不斷的剪切力。在工作一段時(shí)間后，可能會(huì)出現(xiàn)滾針斷裂的情況[17]，RV減速器失效如圖8所示。

圖8 RV減速器失效圖

偽失效壽命并不是產(chǎn)品真實(shí)的使用壽命，而是人為設(shè)定了一個(gè)壽命年限，當(dāng)產(chǎn)品的性能退化到此壽命年限時(shí)，即認(rèn)定該產(chǎn)品“失效”。通過(guò)借助偽失效壽命的概念，產(chǎn)品實(shí)際壽命較長(zhǎng)和不方便進(jìn)行加速試驗(yàn)的問(wèn)題迎刃而解。

2.2 減速器性能退化模型

減速器性能退化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是其傳動(dòng)效率降低的整個(gè)過(guò)程，可以用傳動(dòng)效率表征性能退化。目前已有的產(chǎn)品退化模型是基于5種基礎(chǔ)退化曲線變化而來(lái)。5種基礎(chǔ)的退化曲線如下

為更合理地描述RV減速器性能退化的完整過(guò)程，提出基于不同參數(shù)特性兩兩融合的基礎(chǔ)退化曲線，形成10種融合后的退化曲線模型。

2.3 減速器性能及壽命測(cè)試方法

2.3.1 加速退化試驗(yàn)

加速退化試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)減速器設(shè)定一個(gè)失效閾值，當(dāng)產(chǎn)品性能退化到設(shè)定閾值時(shí)，便認(rèn)定產(chǎn)品“失效”并停止試驗(yàn)。最終通過(guò)這段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品性能退化數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品在正常工況下的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)[18]。在加速退化試驗(yàn)過(guò)程中合理控制加速應(yīng)力的范圍，使減速器的失效機(jī)理在試驗(yàn)過(guò)程中保持不變。但實(shí)際上加速應(yīng)力越大，產(chǎn)品性能退化越快，應(yīng)用逆冪律模型表達(dá)整機(jī)性能與加速應(yīng)力關(guān)系[19-20]。

試驗(yàn)選擇國(guó)內(nèi)國(guó)外RV減速器各兩臺(tái)，測(cè)試用RV減速器參數(shù)如表1。加速退化工況根據(jù)GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》進(jìn)行定時(shí)截尾，具體加速退化試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如表2，每一階段的性能退化試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)減速器系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，并分別在0 h、50 h、100 h、200 h、300 h、500 h、700 h和1 000 h時(shí)刻記錄減速器的傳動(dòng)精度、效率、回差和空程。

表1 試驗(yàn)測(cè)試的RV減速器參數(shù)

表2 RV減速器加速退化試驗(yàn)單次循環(huán)參數(shù)表

2.3.2 退化模型準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)與試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證退化模型準(zhǔn)確度，需將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與退化模型進(jìn)行曲線擬合，如圖9所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示為(xi,yi)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到退化模型表示為y=f(x)，擬合后準(zhǔn)確度Pi定義為

圖9 退化模型準(zhǔn)確度驗(yàn)證

式中：Li=|f(xi)-yi|為測(cè)試點(diǎn)與退化曲線的差值。

利用式（19）評(píng)價(jià)模型中各點(diǎn)準(zhǔn)確性的平均值來(lái)衡量整個(gè)模型的準(zhǔn)確性為

RV減速器性能退化模型準(zhǔn)確度如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果表明：帝人RV40E的整體性能模型平均準(zhǔn)確度達(dá)到88.57%，單項(xiàng)性能模型平均準(zhǔn)確度最高達(dá)到99.37%，性能準(zhǔn)確度的中位數(shù)為85.45%；振康RV40E的整體性能模型平均準(zhǔn)確度達(dá)到90.21%，單項(xiàng)性能模型的平均準(zhǔn)確度最高達(dá)到98.17%，性能模型準(zhǔn)確度的中位數(shù)為90.95%。

表3 RV減速器退化模型準(zhǔn)確度

3 伺服系統(tǒng)性能退化模型研究

3.1 伺服電機(jī)系統(tǒng)壽命影響機(jī)理研究

將伺服電機(jī)系統(tǒng)按功能分為控制電路、功率器件、傳感器等機(jī)械部件，并建立伺服電機(jī)系統(tǒng)可靠性串聯(lián)模型如圖10。電機(jī)的失效90%以上來(lái)自于軸承失效和定子繞組絕緣失效。因此主要對(duì)交流伺服電機(jī)的軸承和定子繞組絕緣的可靠性及壽命進(jìn)行分析。

圖10 伺服電機(jī)系統(tǒng)可靠性框圖

建立永磁同步電機(jī)軸承和繞組的壽命模型?；谄鋽?shù)學(xué)模型，分析加速應(yīng)力對(duì)定子繞組、軸承壽命的影響，確定各部件的加速度壽命系數(shù)。

（1）軸承壽命

伺服電機(jī)中常用滾珠軸承壽命計(jì)算如下：

式中：LR為可靠度R時(shí)的軸承壽命，單位為 h；n為軸承的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；C為滾珠軸承額定動(dòng)載荷，單位為N；P為滾珠軸承承受的當(dāng)量動(dòng)載荷，單位為N；ε為壽命指數(shù)，球軸承為3。fp為載荷因素；fR為可靠度的壽命修正系數(shù)；fL為潤(rùn)滑的壽命修正系數(shù)；fR、fS為潤(rùn)滑油過(guò)濾精度、含水的壽命修正系數(shù)；fY為材料熔煉壽命修正系數(shù)；fH為表面硬度的壽命修正系數(shù)；fT為溫度的壽命修正系數(shù)；fE為軸向偏斜的壽命修正系數(shù)。溫度對(duì)軸承壽命修正系數(shù)可用式（22）計(jì)算。

（2）定子繞組絕緣壽命

絕緣材料電阻率隨溫度的升高而呈指數(shù)下降，但溫度對(duì)絕緣壽命影響很難用數(shù)學(xué)方法從絕緣材料失效機(jī)理進(jìn)行推導(dǎo)，一般通過(guò)大量試驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計(jì)方法得出其失效規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)公式為[21]

式中：L為平均絕緣壽命，單位為h；T為絕緣材料溫度，單位為K；k為玻爾茲曼常數(shù)8.617×10-5，單位為 eV/K；Ea、G為與絕緣材料有關(guān)的系數(shù)。

（3）加速壽命

設(shè)電機(jī)工作時(shí)環(huán)境溫度為TH1，當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷為P1，軸承溫度為TB1，繞組溫升為TI1。加速壽命試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為TH2，當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷P2，軸承溫度為TB2，繞組溫升為TI2，則此加速壽命試驗(yàn)條件對(duì)電機(jī)不同部分的加速系數(shù)如式（24）～（26）。

對(duì)軸承的加速壽命系數(shù)AB

式中：LB1、LB2分別為額定工作、加速壽命試驗(yàn)下的軸承壽命；fT1、fT2分別為額定工作、加速壽命試驗(yàn)下的軸承壽命溫度修正系數(shù)；ε為壽命指數(shù)，球軸承為3。

對(duì)繞組絕緣的加速壽命系數(shù)AI

式中：LI1、LI2分別為額定工作、加速壽命試驗(yàn)下的繞組絕緣壽命。

對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)裝置加速壽命系數(shù)A

試驗(yàn)結(jié)果乘以相應(yīng)的加速壽命系數(shù)得到正常試驗(yàn)條件下電機(jī)的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)。則伺服驅(qū)動(dòng)裝置的等效壽命可表示為

式中：Ai和Ti為第i種工況的加速壽命系數(shù)和加速試驗(yàn)時(shí)間。

3.2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能退化模型

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能退化模型是具有時(shí)變參數(shù)的多項(xiàng)式和Wiener過(guò)程，基于加速試驗(yàn)方法的性能退化模型原理如圖11。

圖11 基于加速試驗(yàn)方法的性能退化模型原理

通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，利用加速度傳感器采集電機(jī)振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩、電壓、電流以及溫度等狀態(tài)參數(shù)。在加速試驗(yàn)后，根據(jù)電流、轉(zhuǎn)速參數(shù)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行性能檢測(cè)，包括跟隨性、穩(wěn)定性和伺服軸定位試驗(yàn)。分析伺服驅(qū)動(dòng)裝置的上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量、動(dòng)態(tài)速升、動(dòng)態(tài)速降、伺服跟隨誤差和定位精度。通過(guò)趨勢(shì)分析判斷性能指標(biāo)是否有明顯的退化趨勢(shì)，并將退化特征不斷通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入性能退化模型中，預(yù)測(cè)伺服系統(tǒng)的性能變化。

振動(dòng)會(huì)使機(jī)器人的零部件產(chǎn)生附加磨損從而降低末端定位精度和增加定位時(shí)間。此外，振動(dòng)會(huì)對(duì)整機(jī)頻譜特性產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行軌跡出現(xiàn)不同程度的偏離[22]。研究振動(dòng)對(duì)機(jī)器人整機(jī)性能的影響，首先提取干擾噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并用傅里葉變換將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[23]。信號(hào)分解常用變換公式為

式 中：A0為 信 號(hào)的直流分量；AKcos(2πK f0t+φK)為信號(hào)的各階諧波分量；AK為信號(hào)諧波分量的振幅；φK為 信號(hào)諧波分量的相位角；f0為振動(dòng)基頻。

此處選用電機(jī)振動(dòng)加速度作為模型參數(shù)，形成如下兩種伺服電機(jī)退性能化模型。

（1）三次多項(xiàng)式退化模型

用多項(xiàng)式表示性能隨時(shí)間的變化

式中：Yt為伺服電機(jī)振動(dòng)加速度；t為電機(jī)運(yùn)行時(shí)間；個(gè)時(shí)變多項(xiàng)式系數(shù)；εt為誤差項(xiàng)。

（2）Wiener過(guò)程退化模型[24]

Wiener過(guò)程的電機(jī)振動(dòng)退化模型可以表示為

式中：Xt為 伺服電機(jī)振動(dòng)加速度；a為初始狀態(tài)；μ為漂移參數(shù)；σ為擴(kuò)散參數(shù)；W(t)為標(biāo)準(zhǔn)的Wiener過(guò)程，并且用 σW(t)～N(0,σ2t)來(lái)表示退化過(guò)程隨時(shí)間變化的概率分布。

3.3 伺服系統(tǒng)性能及壽命測(cè)試方法

伺服系統(tǒng)性能及壽命測(cè)試方法主要分為電機(jī)加速壽命試驗(yàn)和驅(qū)動(dòng)器性能試驗(yàn)。壽命試驗(yàn)可以了解伺服電機(jī)的壽命特征、失效規(guī)律，確保產(chǎn)品失效率和平均壽命等可靠性指標(biāo)。性能試驗(yàn)主要研究伺服驅(qū)動(dòng)裝置的性能隨時(shí)間的變化，試驗(yàn)項(xiàng)目如表4所示。

表4 伺服系統(tǒng)性能及壽命測(cè)試試驗(yàn)項(xiàng)目

3.3.1 加速退化試驗(yàn)及性能測(cè)試

試驗(yàn)選用多摩川、華大、邁信和松下，其產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如表5。伺服電機(jī)系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)以20 s一個(gè)循環(huán)周期，加載一個(gè)周期后改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，以100 h為一個(gè)周期對(duì)試驗(yàn)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)，并進(jìn)行性能試驗(yàn)，監(jiān)控主要性能參數(shù)變化，加速試驗(yàn)循環(huán)參數(shù)如表6。

表5 試驗(yàn)樣品參數(shù)及加速試驗(yàn)時(shí)間

表6 伺服電機(jī)系統(tǒng)加速試驗(yàn)循環(huán)參數(shù)表

3.3.2 退化模型準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)與試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)伺服系統(tǒng)的跟隨性、穩(wěn)定性、伺服軸定位性能參數(shù)進(jìn)行Daniel趨勢(shì)檢測(cè)法分析，其誤差均方根低于理論值（P＜0.01）驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程中各性能指標(biāo)參數(shù)無(wú)顯著變化，分析結(jié)果如圖12。進(jìn)行多次Wiener迭代優(yōu)化，最終得到伺服系統(tǒng)退化模型的100 h預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，其中松下準(zhǔn)確度最高91.90%，多摩川準(zhǔn)確度最低85.07%，華大準(zhǔn)確度為87.73%，邁信準(zhǔn)確度為89.56%，平均準(zhǔn)確度為88.41%。相比較Daniel趨勢(shì)檢測(cè)，Wiener退化模型精度最高且預(yù)測(cè)精度穩(wěn)定性相對(duì)較好，可確立最終退化模型為Wiener過(guò)程的性能退化模型，并以此來(lái)描述退化過(guò)程隨時(shí)間變化的不確定性。

圖12 基于Daniel趨勢(shì)檢測(cè)的參數(shù)誤差

4 結(jié)語(yǔ)

（1）分析工業(yè)機(jī)器人核心部件靜動(dòng)態(tài)特性，建立工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)、精密減速器等在內(nèi)的核心部件性能退化模型和、性能退化評(píng)估方法及測(cè)試技術(shù)。同時(shí)優(yōu)化性能退化模型，對(duì)伺服系統(tǒng)退化模型參數(shù)用Daniel趨勢(shì)檢測(cè)法進(jìn)行估計(jì)分析，并最終確立以Wiener過(guò)程的性能退化模型。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)器人伺服系統(tǒng)和精密減速器性能退化模型的準(zhǔn)確度均大于85%。鑒于時(shí)間和成本等因素的限制，目前僅針對(duì)主流品牌和型號(hào)的產(chǎn)品開(kāi)展了測(cè)試試驗(yàn)和模型迭代優(yōu)化，因此模型的普適性不強(qiáng)。隨著后期不斷開(kāi)展技術(shù)成果的應(yīng)用與推廣，樣本量逐漸增大，模型將不斷優(yōu)化迭代并逐步歸一，增強(qiáng)模型的通用性和普適性，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

（2）建立了運(yùn)行品質(zhì)參數(shù)與整機(jī)性能評(píng)價(jià)參數(shù)之間的映射關(guān)系。設(shè)置加速壽命退化試驗(yàn)確立減速器、伺服系統(tǒng)的性能退化模型中靜動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化趨勢(shì)，并通過(guò)試驗(yàn)評(píng)估方法得到減速器、伺服系統(tǒng)影響機(jī)器人整機(jī)性能的主要參數(shù)的準(zhǔn)確度。減速器主要通過(guò)剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、回差以及傳遞誤差和傳遞效率5個(gè)參數(shù)影響機(jī)器人的整機(jī)性能，伺服系統(tǒng)主要通過(guò)速度階躍下響應(yīng)上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間及超調(diào)量，抵抗轉(zhuǎn)矩負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)速降、速升，跟隨誤差，定位精度7項(xiàng)參數(shù)來(lái)影響機(jī)器人整機(jī)性能。