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機器人MTBF值的評定方式

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隨著機器人在制造、服務等行業(yè)的快速推廣與應用,機器人產(chǎn)品的運行可靠性水平,逐漸受到機器人研制方與使用方的關注。如何評價機器人的運行可靠性水平,當前業(yè)界普遍以MTBF來表征,如ABB機器人早年(2014年)公開材料中MTBF50,000hrs;KUKA新型KRQUANTEC機器人MTBF400,000個運行小時。對于各型機器人MTBF值的評定方式較多,業(yè)界暫無統(tǒng)一標準,下文將逐一揭曉。1、何為MTBFMTBF(MeanTImebetweenfailures平均故障間隔時間)其度量方法為:在規(guī)定的條件下和規(guī)定的期間內,產(chǎn)品壽命單位總數(shù)與故障總次數(shù)之比。一般用來表征可修復產(chǎn)品。計算公式:式中,MTBF——該型/批次產(chǎn)品的平均故障間隔時間,h;T_i——第i臺產(chǎn)品的累計工作時間,h;r_n——參與統(tǒng)計的n臺該型/批次產(chǎn)品的工作時間內的故障總數(shù)。2、MTBF工程邊界對于MTBF這個概念,可靠性領域在上個世紀50年代已開始用于預計相關軍用設備的可靠性水平,到現(xiàn)在近70年。當然對于這個概念,在各行業(yè)產(chǎn)品的應用,還存在些“非議”,如很多人將MTBF與一般意義壽命混為一談;MTBF達近百萬小時的芯片或者電子設備如何評定。為解決這些工程界困惑,我們還須引入可靠性領域另外一個概念“Bathtubcurve”?!霸∨枨€”定義最早出現(xiàn)在上個世紀60年代,它將失效率曲線在產(chǎn)品壽命周期內分成三個階段:早期失效期(“Burn-in”Period)、偶然失效期(NormalOperaTIngPeriod)、耗損失效期(Wear-outPeriod)。失效率,工程上通常定義為:工作到某時刻尚未發(fā)生失效的產(chǎn)品,在該時刻后單位時間內發(fā)生失效的概率,一般用下式進行計算:式中,?r(t)為t時刻后,?t時間內發(fā)生失效的產(chǎn)品數(shù);?t為所取時間間隔;N_s(t)為在t時刻沒有發(fā)生失效的產(chǎn)品數(shù)。通過上述定義可知,在?t時間內發(fā)生失效的產(chǎn)品比例較小時,工程上一般會簡化處理,將MTBF=1?λ,事實上MTBF略小于1?λ?;貧w到上圖浴盆曲線,可見MTBF表征的是縱坐標相關的FailureRate,而非橫坐標壽命(LifeExpectancy)。同時,鑒于偶然失效期的失效機理一致性高、失效率穩(wěn)定,工程上通常用MTBF表征此階段的產(chǎn)品可靠性水平。事實上,MTBF指標的工程優(yōu)勢,在于它對產(chǎn)品使用方的工程價值,遠高于產(chǎn)品研制方,因為更方便運用于管理設備運行時間管理、維修及備件成本控制。3、機器人MTBF的評定問題事實上,可靠性工程中對于MTBF定量計算主要有2類工作:一是產(chǎn)品早期設計階段的可靠性(MTBF)預計,二是產(chǎn)品后期樣品階段的可靠性(MTBF)評定。(1)MTBF預計機器人MTBF預計,國內在上個世紀90年代技術已較為成熟并開展行業(yè)應用[5]。在可靠性領域目前亦有通用的權威性標準,像MIL-HDBK-217、GJB/Z299B、Bellcore等。我們知道MTBF預計工作由于其依賴于歷史數(shù)據(jù)、計算的影響因素條件與的條件存在偏差,工程上更多用于架構方案間的對比以及產(chǎn)品基礎可靠性的預計,其預計值難以作為實際機器人的可靠性水平評定值。(2)MTBF評定機器人MTBF的評定工作,工程上還須依賴于產(chǎn)品實際運行數(shù)據(jù)或者試驗結果?;趯嶋H運行數(shù)據(jù)的MTBF評定,當前在B2B商業(yè)行為中存在較多,往往是雙方技術互信度高,評定多為大型復雜裝備,難以形成標準??煽啃怨こ讨懈嗟腗TBF評定工作是基于可靠性試驗的方式。我們知道針對基于可靠性試驗的MTBF評定,關鍵之一是要明確試驗剖面與條件,簡單說就是試驗剖面條件與實際工作運行條件之間的定量關系。軍用裝備的可靠性評定,全球各個大國均有獨立的試驗標準方法,像我國的GJB899、美國的MIL-STD-781。由于軍用裝備的特殊性,這些可靠性評定標準亦已規(guī)定了產(chǎn)品的試驗剖面與MTBF量化評定關系。但對于像機器人,這類大多數(shù)民用產(chǎn)品,很難形成統(tǒng)一用戶場景、使用條件、維修條件等。當前我國有些器件級或模塊級產(chǎn)品,亦制定了MTBF評定標準,并包含了試驗剖面,如GB/T29482.1-2013、GB/T32245-2015。機器人產(chǎn)品組成較為復雜,既包含了傳統(tǒng)金屬結構件為主的機械執(zhí)行機構,也有電子電氣等驅動控制系統(tǒng)。我們知道可靠性工程對上述系統(tǒng),包含了以偶發(fā)性失效為主的可靠性評定需求,也存在以耗損性失效為主的壽命評定需求。機器人行業(yè)當前處于孕育與成長期,經(jīng)濟與時間成本都十分寶貴。對于當前行業(yè)MTBF水平數(shù)萬小時的機器人產(chǎn)品,如何準確與快速評定MTBF值是整個行業(yè)急需突破的技術困境。責任編輯人:CC

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