工业机器人伺服系统可靠性加速试验规范(T-GDCKCJH 016—2020).pdf

ICS 03.120L 05团体标准T/GDCKCJH 0162020工业机器人伺服系统可靠性加速试验规范Reliability acceleration test specification for industrial robot servo system2020-04-28 发布2020-05-15 实施广东省测量控制技术与装备应用促进会发 布T/GDCKCJH 0162020I目次前言.II1范围.12规范性引用文件.13术语和定义.14样品状态要求.25试验组织管理.26试验条件保障.27试验流程.28试验方法.39试验数据处理方法.9T/GDCKCJH 0162020II前言本标准按照GB/T 1.1-2009标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则给出的规则起草。本标准由广东省测量控制技术与装备应用促进会提出。本标准由广东省测量控制技术与装备应用促进会归口。本标准起草单位：工业和信息化部电子第五研究所、华南理工大学、广州智能装备研究院有限公司、佛山赛宝信息产业技术研究院有限公司。本标准主要起草人：潘广泽、时钟、李小兵、刘桂雄、刘文威、李丹、蔡茗茜、黄强、郭广廓、尚斌、王春辉、李劲、邝志礼、王忠、黄创绵、石雄毅、刘佳。本标准为首次发布。T/GDCKCJH 01620201工业机器人伺服系统可靠性加速试验规范1范围本标准规定了工业机器人伺服系统可靠性加速试验的术语和定义、试验组织管理、样品状态要求、试验条件保障、试验流程、试验方法以及试验数据处理方法等。本标准适用于工业机器人伺服系统(以下简称伺服系统)的可靠性加速试验实施与评价。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修订版)适用于本文件。GB/T 2900.99-2016 电工术语 可信性GB/T 12643-2013 机器人与机器人装备 词汇GB/T 34986-2017 产品加速试验方法GJB 451A-2005 可靠性维修性保障性术语GJB 899A-2009 可靠性鉴定和验收试验3术语和定义GB/T 2900.99-2016、GB/T 12643-2013、GB/T 34986-2017和GJB 451A-2005中确立的，以及下列术语和定义适用于本文件。3.1.1可靠性 reliability在给定条件、给定时间区间，能无故障地执行要求的能力。3.1.2故障 fault/failure产品不能完成要求的功能状态，通常指功能故障，因预防性维修，或其他计划行动，或缺乏外部资源造成不能执行规定功能情况除外。3.1.3加速因子加速因子 acceleration factor产品在预期使用应力条件下失效分布特征(或可靠性水平)，与高应力条件下的失效分布特征(或可靠性水平)的比值。4试验组织管理T/GDCKCJH 01620202伺服系统可靠性加速试验组织管理包括如下内容：a)伺服系统可靠性加速试验前成立试验工作组；b)试验工作组负责对试验的实施、管理和监控，包括制定有关规章制度，全面安排试验实施，开展伺服系统功能性能测试，进行故障验证与定位分析等；c)试验工作组按批准的试验大纲要求执行试验、处理试验日常事务。5样品状态要求伺服系统的状态对试验结果具有重要影响，甚至直接影响到试验效果、试验结果的有效性。在加速试验中，应高度重视样品状态的把关，试验样品状态应满足如下要求：a)试验样品技术状态应尽可能保持一致性，特别是关注批次间是否存在差异；b)同型的多个试验样品出厂年份尽可能相同或接近，避免初始性能状态差异；c)对于后续批次经过了改进的、接近型号的伺服系统，着重选择改进前型号的伺服系统。在进行加速试验前，应对试验样品进行适当的预处理和测试工作，确定投入试验的样品处于安全和完好状态，并对样品进行唯一性标识。在进行加速试验过程中，应对试验样品试验和测试情况进行记录，确保试验样品状态清晰。6试验条件保障6.1试验设备要求试验设备应满足伺服系统可靠性加速试验剖面和应力施加的要求：a)试验设备应能保证产生和保持加速试验所需的应力条件，且必须经过计量校准检定合格并在有效期内，温度稳定后容差在2范围内；b)试验箱应有自动控温、自动记录、报警、切断电源装置，以及照明和观察装置；c)各组伺服系统所用试验箱尽可能采用体积相近、制热方式相同的试验箱，以消除试验箱对伺服系统加速效果的影响，箱内应有空气循环装置，保证箱内温度均匀一致。6.2试验检测仪器要求试验测试仪器应满足如下要求：a)试验中所用的测试仪器仪表应满足伺服系统所有检测项目的要求。b)通用测试仪器仪表应经过校准和计量，并在计量合格有效期内，其精度允差应在被测参数容差的三分之一范围内；专用测试设备应经质检部门确认可以使用；7试验流程7.1试验前准备工作a)确定伺服系统可靠性加速试验方案，包括试验分组数、每组样品数、试验应力大小、检测项目、检测周期、试验时间、故障分析和处理方法等因素；b)完成伺服系统试验设备准备，根据每组样品大小和组数确定试验设备，应保证容积足够；c)完成伺服系统检测仪器准备，根据样品检测需要确定检测仪器，应保证处于可用状态；d)完成伺服系统试验和检测所需辅助、配套保障设施和设备准备，保障试验和检测顺利进行；e)应逐一确认伺服系统试验、检测、保障仪器设备的计量校准有效期涵盖计划的试验周期；T/GDCKCJH 01620203f)完成试验样品准备，包括试验样品获取、分解、检查、试验前测试以及故障处理；g)制定试验工作计划，确定每个试验周期开始、结束的时间，试验值班安排、检测工作安排以及相关人员名单，保证试验工作能够按照计划有条不紊的进行。7.2试验中检测分析a)每次进箱前，对所有伺服系统进行标识和检查，保证伺服系统投放的正确性；b)试验值班人员按照试验计划施加规定时间长度和规定大小的应力，每天应记录试验设备运行状态以及应力量值大小；c)每个周期完成后，将伺服系统进行冷却后，进行出箱及运送到规定检测地点；d)检验人员对伺服系统按照规定的项目、顺序、方法、夹具和仪器进行检测，记录检测结果，确保同类样品两次检测之间间隔时间相同；e)每个周期完成检验并确认检测结果后，应将样品送至试验间指定的位置，完成样品进箱；f)在试验中，应及时整理各个周期的检测数据，判断每个周期检测是否合格，必要时对检测周期进行调整；g)对于试验中因发生故障需要进行排故修理的样品，应及时进行故障分析和修理，尽快将样品投入后续试验。7.3试验后结束工作a)对试验中故障定位的伺服系统失效元器件开展失效分析，必要时对比开展寿命特征检测分析；b)汇总试验数据，进行数据处理，给出寿命结论，编制加速试验报告。8试验方法8.1试验应力确定8.1.1应力类型的选取试验应力类型的选择应考虑如下因素：a)伺服系统的实际环境；b)引起主要失效机理对应的环境应力类型；c)所采用的加速模型中包含的应力类型。8.1.2应力水平数的选取应力水平数应满足如下要求：a)加速应力模型确定的、最少的应力水平数；b)单温度恒定应力模型中包含 2 个参数，为了采用最小二乘法或极大似然估计方法求解模型参数，至少需要 3 个应力水平的测试数据，至少选取 3 个温度应力水平；c)为了提高模型预测精度和降低试验失败风险，在样品数量充足时，可以增加应力水平数。8.1.3最大应力量值确定8.1.3.1理论分析确定方法T/GDCKCJH 01620204温度应力量值选取应综合考虑伺服系统的设计特点、元器件的温度范围和原材料的耐温范围等因素。确定的最高试验应力应不超过各个因素的最大允许值，以避免试验温度超过某部分产品耐受温度极限。在制定试验方案时应对试验温度进行调研。试验应力量值的选取不宜过低或过高，试验应力量值过低将导致试验样品的性能退化趋势不明显；反之，则会使试验样品失效机理发生变化，甚至损坏试验样品，这种情况都达不到加速退化试验的目的。8.1.3.2步进应力试验确定可通过步进应力试验确定最大应力量值，其实施步骤如下：a)获得伺服系统的极限温度值，起始步进温度从伺服系统极限温度低 1015开始；b)步进应力试验的步长为样品温度稳定时间，每经过一步后，应将伺服系统恢复到常温下，进行全面检测，确认质量状态良好，当质量状态良好时继续升高温度进行下一个台阶试验；c)步进应力试验台阶可前长后短，当步进温度低于极限温度前，采用较长步长，可以确定为1510；当步进温度超过极限温度后，同时低于伺服系统内部各组成部分极限温度前，采用较短步长，可以确定为 105；d)当有样品发生故障后，步进应力温度不再升高，再降低 1015进行试验确认该温度作为最高试验温度的合适性。8.1.3.3注意事项当仅采取理论方法确定最大应力量值时，应充分进行调研以获得伺服系统的完整组成和耐受环境条件的信息，尽可能避免调研的不足和考虑不充分造成的疏漏。同时，在确定最高应力时应留有更多的余量，避免疏漏可能造成的不良影响。当采取理论方法和步进试验确定最大应力量值时，则应采取理论分析方法初步确定最大应力量值，由于有后续步进试验验证，因此，在初步确定最大应力时不必留太大余量，使试验能够更加充分挖掘伺服系统最大应力量值。8.1.4各组温度应力的确定在确定了最大应力量值后，其他各组温度应力的确定，应考虑如下因素：a)确定最低应力水平组的温度应力，最低应力不应过低，否则将导致该组加速效应过小，所需试验时间可能会加长；b)根据应力水平组数，依据等分布原则确定其他各组温度应力量值；c)检查各组温度梯度大小，相邻组间的温度梯度应不低于 10，当温度梯队过小时，可适当调整最低温度和最高温度，重新计算其他各组温度应力。根据加速试验温度梯度的设计经验，为提高加速模型参数解算的准确性，应适当选择应力水平的间隔，各组之间的温度遵循下面公式。1111(-)-111-(-1)2,3.lkTTlkkTT 8.2样品数量确定样品数量的选择应考虑精度和成本因素、模型求解检验需要、降低风险需要和样品状态因素等。T/GDCKCJH 016202058.2.1精度和成本因素从精度因素考虑，样品数量越多，模型参数求解精度越高，模型预测结果精度越高。然而，样品数量越多，意味着成本增加。因此，选择样品数量时优先考虑成本，尽可能降低样品数量。通常地，推荐每组样品投样数量为35个，在必要时可以剔除个别异常样品或各个样品的异常测试数据，这样可以减少个别样品性能参数差异性对整个预测结果造成影响。最低要求是每组投入样品数量应不低于1个，才可以应用加速试验方法进行寿命预测。8.2.2模型求解检验需要试验样品数量应多于加速模型所需的最少的应力水平数量，以保证在各组应力水平试验条件下至少投入一个试验样品进行加速试验。从模型参数解算和模型符合性检验角度考虑，在加速退化试验中，通常采用最小二乘法求解加速模型参数，满足如下要求：a)当采用单温度应力模型时，典型模型具有 2 个模型参数，至少应有 3 个应力水平；b)当采用温度循环疲劳模型时，典型模型具有 2 个模型参数，至少应有 3 个应力水平；c)当采用温湿度双应力模型时，典型模型具有 3 个模型参数，至少应有 4 个应力水平。根据将采用的单温度应力模型至少需要3个温度应力水平，每个温度段至少需要3个试验样品。因此，当采用单温度应力开展加速试验时，至少应有3个样品投入试验。8.2.3降低风险需要在加速试验方案设计时，应考虑试验失败的风险，其通常表现在如下方面：a)不符合退化模型，即某组样品的性能参数根本没有任何退化规律；b)不符合加速模型，即某组样品的加速效应异常，导致各组样品应力和加速效应之间不呈匹配关系时，即不能构成应力越大加速效应越大的关系。加速试验方案设计中，产生这两种风险的原因主要有：a)个别样品性能参数有差异；b)样本本身没有可加速特性。加速试验方案设计中，降低风险的措施主要有：a)试验前充分调研和了解样品性能参数、敏感参数及其变化初步规律，避免选择没有退化可能的伺服系统进行加速退化试验；b)通过试验方案优化设计，降低上述情况发生的可能性，如增加一组应力或增加各组应力下的样品数量。因此，为了降低试验失败风险，需要考虑增加一定数量的样品，如通过增加试验分组或通过增加组下的样品数。8.3试验时间8.3.1建模分析确定在获得伺服系统组成部分的加速模型及其模型经验参数的情况下，采取对伺服系统进行可靠性建模，按照模型关系递推伺服系统的加速模型，利用模型检验参数和实验条件获得伺服系统的加速因子，根据目标等效时间确定试验时间。8.3.2视情确定和调整T/GDCKCJH 01620206采取初步确定一个试验时间用于试验计划管理，具体试验截止时间应根据数据处理结果而定，可提前结束试验或适当延长试验时间。在以下三种情况下，经试验工作组分析和决定，相应样品可提前结束试验：a)伺服系统试验数据足以得到预测结果时；b)伺服系统因受现场条件限制，无法对可修复的故障实施修理时；c)伺服系统出现的故障无法修复或修复没有价值时。当经过数据处理无法得到寿命评价结果时，经试验工作组决定相应样品可适当延长试验时间。8.4检测要求8.4.1检测时机在试验前、后，在实验室环境条件下对试验样品进行全面的功能检查和性能测试。在试验中，将整个加速试验分成若干个周期，在每个周期结束后，将样品恢复到常温状态下进行检测。在加速试验中应保证从加速应力状态到正常应力状态的恢复时间足以使样品恢复到测试环境温度，同时，每次测试工作应尽量在24h内完成，以保证检测结果的时效性。8.4.2检测周期检测周期的确定需考虑如下因素：a)检测周期的确定应保证检测工作有效性，即性能参数应有一定的变化；b)检测周期的确定应考虑检测工作量和检测成本，过小的检测周期将增加检测工作量，检测有效性不高；c)检测周期的确定应考虑是否满足数据处理的需要，过大的检测周期将导致检测次数不足，不满足加速试验数据处理要求；d)在试验间隔合理的前提下，为了简化试验数据的处理，各个应力水平下所有样品的检测周期应保持一致；e)在通常情况下，检测周期依据工程经验来确定，根据试验计划时间，按照所需检测次数，初步确定检测周期，当检测周期过长时，适当调整；f)当可以通过其他技术方法评估伺服系统整体的加速效应时，检测周期可根据伺服系统定检周期所对应的该温度下的试验时间来确定。根据以上情况，在加速试验中，由于伺服系统性能是否发生退化、退化程度如何无法事先确定，因此，检测间隔往往初步确定，并通过试验摸索，根据性能参数的变化，适当进行调整，以保证检测工作的有效性和合理性。8.4.3检测次数检测次数的确定可依据试验时间和检测周期计算得出。然而，在试验方案设计时，应考虑加速试验数据处理所需要的最少检测次数：a)考虑退化模型参数解算和符合性检验所需的检测次数，当需要考虑正态分布相关检验时，建议检测次数不小于 20 次；当需要考虑寿命分布相关检验时，建议检测次数不小于 10 次；b)考虑检测数据中可能存在的数据异点，应适当增加检测次数，增加数据异点剔除后仍能够满足第 a)条的要求。8.4.4检测项目检测项目应满足如下要求：T/GDCKCJH 01620207a)通过分析，选择代表伺服系统性能的关键参数；b)根据长期检测检验经验，选择具有随时间退化特性的参数；c)在缺乏经验的情况下，在可能的检测时间和检测工作量内，尽可能多地检测伺服系统性能参数；d)结合检测方式，对于手动检测考虑时间和工作量的限制，对于自动测试方法尽可能多地考虑监控参数。在试验前和试验后，应对伺服系统进行全面的检测，在试验中，可根据参数重要性和检测所需时间确定检测参数。8.4.5检测要求a)性能参数测试应在规定的测试环境和测试条件下进行，以消除测试环境和测试条件波动引起的参数测量误差；b)测试时应采用同一夹具设备和测试设备，并由专人负责测试，以消除装夹、仪器和人员引起的性能参数测量误差；c)为消除测试误差，采用“21”测试方案，即每个试验周期后对样品必要的参数进行 2 次测试，如果 2 次测试结果出现较大波动，则补充 1 次测试，剔除测试波动较大一次的测试结果；当参数测试结果处于临界状态和出现超差时，可视情况进行复测，以免误判；d)样品进行性能参数测试前，应保证从加速应力状态到正常应力状态的恢复时间足以使样品恢复到测试环境温度，且每次测试工作应在 24h 内完成；e)测试设备不但要计量合格，而且测试精度应满足要求，测试应具有稳定性，测试设备反映的测试结果应具有逻辑性，即在测试的性能参数超差的情况下，其测试结果仍然具有意义和可比性。8.5故障和故障点的处理8.5.1故障的现场处理在现场处理故障时，根据如下原则确定排故时机：a)若出现功能故障，或无法继续测试，应立即采取排故措施；b)性能参数超差，已经确认故障的，在有把握定位故障且能够采取修复措施情况下，可立即采取排故措施，也可再经过 12 周期试验再次确认故障后采取排故措施；c)性能参数超差，能够继续测试，但测试结果没有数值意义，在有把握故障定位和采取修复措施情况下，可立即采取排故措施，也可再经过 12 周期试验再次确认超差后采取排故措施；在没有把握故障定位或采取修复措施情况下，则继续进行试验（观察其它部分），直至故障影响变大或有把握故障定位，且能够采取修复措施时再进行排故；d)性能参数超差，能够继续测试，且测试结果具有数值意义的，建议继续进行试验，暂不采取修理措施，观察参数的变化趋势。8.5.2故障件的处理故障件的处理满足如下：a)确保做到故障定位到最小分解单元（元器件或不能测试和分解的封装组件），尽量做到不更换板级以上单元，即降低样机组成变化对寿命评估结果和范围的影响。b)故障元器件应进行电参数复测，当没有直接检测设备且有必要时可利用辅助电路进行复测，以确认更换件是否存在功能故障（如无输出、断开、短路）或参数超差（性能参数超出合格判据）。如样品测量合格，应进行进一步的故障原因分析，继续放入试验箱陪试；如样品参数超差，样品不进行失效分析，继续放入试验箱陪试；如样品功能故障，则后续进行失效分析。T/GDCKCJH 01620208c)放入试验箱陪试时，应定期对更换件进行电参数测量，当发现样品出现功能故障时，应提交进行失效分析，更换件的测试可以随试验周期每周期进行一次或 23 个周期进行一次。d)提交进行失效分析时，应提供样品的合格品和失效背景资料。8.5.3故障点数据的处置在没有采取修理措施情况下：a)如果故障数据为单点，即该点之前和之后数据均合格且正常，无论其变化具有连续性还是突变，均作奇异点处理，并对该点数据进行替换；b)如果故障数据为连续，即该点之后数据均不合格，则剔除故障数据和不计入出现故障周期的试验时间，对故障前的试验数据进行处理。在预测伺服系统寿命时，按照故障时间服从均匀分布的原则，在试验时间上增加半个周期试验时间，确定伺服系统的等效寿命。在采取修理措施情况下：a)应对修理前测试数据与修理后的测试数据进行对比，确定数据是否发生明显变化；b)如果数据趋势没有明显变化，则只考虑故障属性本身而不考虑修理措施而对寿命预测结果的影响，不区分故障前后对数据进行直接处理；c)如果数据趋势发生明显变化，则应考虑故障属性本身和修理措施对寿命预测结果的影响，可区分故障前后对数据进行分段处理，然后对各段的等效时间求和。8.6故障分类和统计原则8.6.1故障判据伺服系统满足如下条件之一即为故障：a)在规定的条件下，一个或多个功能丧失；b)在规定的条件下，一个或多个性能参数超出允许范围；c)在规定的条件下，出现影响样品功能、性能和结构完整性的机械部件、结构件或元器件的破损、断裂或损坏状态。8.6.2故障分类根据GJB899A的故障分类，试验期间出现的所有故障，分为关联故障和非关联故障。非关联故障：已经证实是未按规定的条件使用而引起的故障，或预期在现场使用中不会发生的故障。关联故障：在现场使用中预期会出现的所有故障，关联故障又分为责任故障与非责任故障。8.6.2.1责任故障试验过程中因样品本身缺陷而引发的关联独立故障以及由此引起的从属故障计为一次责任故障，责任故障是判决样品试验通过与否的依据。责任故障包括：a)由于设计、工艺等引起的故障；b)零部件和材料设计、制造、选用不当引起的故障；c)软件错误引发的故障；d)由于提供的操作、维护和维修程序不当引起的故障；e)未证实的故障（指无法重现或尚未查清原因的故障）。对于已划定的责任故障，不应因为采取纠正措施进行纠正而列入非责任故障。8.6.2.2非责任故障T/GDCKCJH 01620209不是由样品或某个单元本身引发的故障为非责任故障。非责任故障不作为判决样品试验通过与否的依据。非责任故障包括：a)由独立故障引起的从属故障；b)故障未修复而再发生的故障；c)由试验设备、测试仪器引起的受试样机的故障；d)操作、维护和修理不当引起的故障；e)施加了不符合本大纲规定的试验应力而引起的故障。8.6.3故障统计原则伺服系统可靠性加速试验中只统计关联故障。关联故障应按以下原则进行统计：a)可证实是由于同一原因引起的间歇故障只计为一次故障；b)当可证实多个故障现象由同一原因引起时，可计为一次故障；c)有多个元器件在试验过程中同时失效时，当不能证明是一个元器件失效引起另一些元器件失效时，每个元器件的失效计为一次独立的故障；若可证明是一个元器件失效引起另一些元器件失效时，则所有元器件合计为一次故障；d)已经报告过的、由同一原因引起的同一部位发生的独立故障，由于未能真正排除而再次出现时，应和原来报告过的故障合计为一次故障，其间试验时间无效；e)若不能确定故障发生的准确时刻，则有效试验时间的统计追溯到上一检测点时间，即上一检测点至发现故障检测点之间的试验时间无效；f)在试验后的常温功能检查和性能测试中若出现故障，则对故障的判定、统计等与试验中出现故障作相同处理；g)在故障检测和修理期间，若发现受试产品还存在其它故障而不能确定为是由原有故障引起的，则应将其视为单独的责任故障进行统计；h)在现场试验中，对于零部件的轻微缺陷，若不丧失规定功能，并且能够按照维修规程通过日常检查予以原位修复（不引起拆卸）的事件，经确认后，不计入关联故障。9试验数据处理方法9.1加速寿命模型9.1.1温度加速模型温度应力下的加速模型为阿伦尼斯（Arrhenius）模型，如下所示：/()lEa KTlTAe式中：()lT在lT温度应力水平下的退化速度；lT第l组样品的加速应力，绝对温度，K；A加速因子；Ea激活能，以eV为单位；K玻尔兹曼常数，8.617110-5V/K。T/GDCKCJH 0162020109.1.2温湿度加速模型典型的温湿度加速模型为艾琳模型，如下所示：lEaBKTRHluAe式中：B为常数。9.2加速退化模型9.2.1布朗漂移运动退化模型伺服系统内部发生缓慢的物理化学变化，这些变化会使伺服系统各种功能特性变化，也是造成伺服系统非工作期间失效的主要原因。随着这些物理化学变化程度的增大，伺服系统的性能会呈现退化，当性能退化到一定程度时，伺服系统就会发生失效。这种性能退化符合布朗漂移运动规律。如下所示：()()()Y ttY ttB t 式中：()Y t在t（初始）时刻时，伺服系统的性能（初始）值；()Y tt在ttt时刻时，伺服系统的性能值；漂移系数，0；扩散系数，0，在整个加速退化试验中，不随应力而改变；()B t标准布朗运动，()B t(0,)Nt。由于布朗运动本身属于一种正态过程，因此退化增量1()iiYY服从均值为t，方差为2t的正态分布，因此，得到性能参数退化模型如下：(+)()(0,1)Y ttY ttt N 9.2.2灰色系统理论退化模型将试验数据作为灰色量，利用序列方法进行数据生成和拟合，用灰色GM（1,1）模型阿伦尼斯模型来处理加速退化试验数据。灰色GM（1，1）模型如下：101101111akkkkkbbxxeaaxxx式中：01x表示原始序列中的第1个测试数据；11kx表示1阶累加生成的预测值；T/GDCKCJH 016202011,a b表示模型参数；01kx表示原始序列的预测值。其中，当2,2a，且当0.3a 时，GM（1,1）模型可用于中长期预测。性能参数预测模型为：(0)(0)(1)(1)(1)aakbxkexea_