本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)機器人早期故障的排除方法，更確切地說，本發(fā)明涉及一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法。
背景技術(shù)：
：當前我國大力發(fā)展工業(yè)機器人，在《中國制造2025》中工業(yè)機器人更是處于核心地位。隨著人力成本升高，人口紅利逐漸消失，機器換人愈演愈烈，因此機器人有著良好的應(yīng)用前景和廣闊的市場。然而我國工業(yè)機器人發(fā)展落后，其可靠性遠低于國外同類產(chǎn)品，隨著工業(yè)機器人自由度的增加和性能的提升，其早期故障也逐漸增多。一般來說，工業(yè)機器人的故障強度函數(shù)曲線符合“浴盆曲線”規(guī)律，在使用早期，其內(nèi)部往往隱藏著大量的設(shè)計制造缺陷和故障隱患，比如配套元器件的質(zhì)量差、失誤的設(shè)計或者制造工藝的不成熟等，這些問題需要在出廠以前加以解決。因此，工業(yè)機器人做好早期故障排除工作，對于機器人企業(yè)提供可靠性高的工業(yè)機器人就變得至關(guān)重要。我國關(guān)于機器人的早期故障排除試驗的研究起步較晚，目前雖然有一些關(guān)于機器人早期故障消除的方法，但是缺乏系統(tǒng)的、完善的、能夠讓機器人企業(yè)和用戶接受的早期故障排除試驗方案。因此在現(xiàn)有技術(shù)框架下，必須找到一種合適的，行之有效的機器人早期故障排除試驗方法技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的機器人早期故障排除試驗時間長、經(jīng)濟成本高的問題，提供了一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：所述的一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法的步驟如下：1)建立受試機器人的可靠性模型；2)計算受試機器人從早期故障期到偶然故障期的時間拐點；3)對受試機器人的試驗時間進行優(yōu)化；4)受試機器人整機早期故障排除試驗。技術(shù)方案中所述的建立受試機器人的可靠性模型是指：1)建立受試機器人的強度函數(shù)：(1)受試機器人故障強度函數(shù)由早期故障期和偶然故障期兩部分組成，并且每一階段都是一個威布爾過程，則該受試機器人故障強度函數(shù)為：(2)累積故障強度函數(shù)為：式中：α1、α2、β1、β2＞0，α1、α2是尺度參數(shù)，β1、β2是形狀參數(shù)，t是故障發(fā)生累積運行時間，由于該模型是兩重威布爾過程構(gòu)成，其強度函數(shù)具有非單調(diào)的浴盆曲線趨勢，因此該模型的兩個形狀參數(shù)具有如下關(guān)系：(β1-1)(β2-1)＜0(3)(3)強度函數(shù)為威布爾過程，當0＜β＜1，表示不斷改良的好系統(tǒng)；當β＞1，表示不斷惡化的壞系統(tǒng)，因此假設(shè)β1＜1，β2＞1。2)采用極大似然法對受試機器人強度函數(shù)中的未知參數(shù)進行估計：得受試機器人的故障強度函數(shù)即所建立的可靠性模型：式中：是對α1、α2的估計值，是對β1、β2的估計值。技術(shù)方案中所述的采用極大似然法對受試機器人強度函數(shù)中的未知參數(shù)進行估計是指：(1)受試機器人的故障發(fā)生累積運行時間數(shù)據(jù)來自K臺受試機器人或與受試機器人結(jié)構(gòu)類似、功能相同、工況相近的機器人故障數(shù)據(jù)，第i臺的故障觀測時間為[0，Ti]，Ti為現(xiàn)場試驗的截尾時間，t0≡0，采用極大似然估計法估計相應(yīng)參數(shù)，得相應(yīng)的似然函數(shù)為：式中：ni表示第i臺機器人在故障觀測時間中發(fā)生的故障總數(shù)，tij表示第i臺機器人發(fā)生第j個故障時的故障發(fā)生累積運行時間，α1、α2是尺度參數(shù)，β1、β2是形狀參數(shù)；(2)對式(4)求其對數(shù)函數(shù)，得表達式：(3)由累積故障函數(shù)可得：(4)由式(6)可得：(5)由式(7)將式(5)轉(zhuǎn)換為三參數(shù)的函數(shù)，即：(6)似然函數(shù)參數(shù)估計轉(zhuǎn)化為以下求最大化問題：maxl′K(9)(7)利用MATLAB工具箱，選擇初始值，迭代求解，根據(jù)經(jīng)驗在沒有合適的初始值情況下，可以假設(shè)：(8)由此求得受試機器人的故障強度函數(shù)。技術(shù)方案中所述的計算受試機器人從早期故障期到偶然故障期的時間拐點是指：采用聚類分析的方法來求解受試機器人從早期故障期到偶然故障期的時間拐點：1)計算經(jīng)驗失效函數(shù)；2)計算模式類別函數(shù)V1、V2：(1)找出rs中的最大值，記為rmax，將ri進行歸一化，如下式：式(19)中rs即為經(jīng)驗失效函數(shù)；(2)將ys分成兩組，第一組范圍為1≤s≤su，第二組范圍為su+1≤s≤q，1≤su≤q-1；(3)分別計算兩組數(shù)據(jù)ys的均值，第一組記為μ1(s)，第二組記為μ2(s)，則有如下表達式：式(20)與式(21)中e與f表示元素下標；(4)分別計算每組數(shù)據(jù)與均值的差的絕對值，第一組記為d1(s)，第二組記為d2(s)，則有如下表達式：d1(s)＝|ys-μ1(s)|s＝1，2，……，q(22)d2(s)＝|ys-μ2(s)|s＝1，2，……，q(23)(5)分別計算每組數(shù)據(jù)的模式類別函數(shù)，第一組數(shù)據(jù)記為V1(s)，第二組數(shù)據(jù)記為V1(s)，則有如下表達式：V1(s)＝1-d1(s)s＝1，2，……，q(24)V2(s)＝1-d2(s)s＝1，2，……，q(25)式(20)與式(21)，式(22)與式(23)，式(24)與式(25)均應(yīng)看作是聯(lián)立的方程組；3)求解時間拐點(1)繪制V1、V2的折線圖，V1、V2的第一個交點即受試機器人的時間拐點，記時間拐點為tg；存在如下條件：(2)利用線性插值計算tg，存在如下關(guān)系.得到：式(25)中，存在如下關(guān)系：通過以上方法即求得受試機器人的時間拐點tg。技術(shù)方案中所述的計算經(jīng)驗失效函數(shù)是指：(1)將K臺受試機器人或與受試機器人結(jié)構(gòu)類似、功能相同、工況相近的機器人的故障發(fā)生累積運行時間按從小到大的順序排序，記作t1、t2、……、tm，找出其中的最小值和最大值，分別記作tmin和tmax，選取略小于或等于tmin的數(shù)a，略大于或等于tmax的數(shù)b；(2)依據(jù)經(jīng)驗公式(11)確定組數(shù)q；q＝[1+3.32lgm](12)式(11)中，[]表示取整。(3)把區(qū)間(a,b)分成q個子區(qū)間，第s個子區(qū)間為(ts-1，ts]，ts處右連續(xù)，假設(shè)各子區(qū)間的長度相等，其組距為：(4)計算各子區(qū)間包含的故障發(fā)生累積運行時間次數(shù)，分別記作C1，C2，……，Cq；(5)取各子區(qū)間的中值代表該子區(qū)間，如下式：(6)計算間隔時間：Δtq＝tq-tq-1(17)(7)經(jīng)驗失效函數(shù)表達式如下：技術(shù)方案中所述的對受試機器人的試驗時間進行優(yōu)化是指：1)假設(shè)機器人銷售價格為H1，相應(yīng)的機器人的制造成本為H2，銷售成本為H3；機器人企業(yè)在自身企業(yè)進行早期故障排除試驗單位時間試驗成本為I1，主要包括機器人企業(yè)進行早期故障排除需要承擔水費、電費、材料耗損費、相關(guān)儀器費用和工人工資等；發(fā)生一次故障維修費用為Ew；機器人在用戶企業(yè)發(fā)生一次早期故障，機器人企業(yè)在用戶企業(yè)的一次維修時間為Tw1，相應(yīng)的維修費用為Ew1；用戶企業(yè)使用機器人在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的毛利潤為J1，單位時間內(nèi)機器人運轉(zhuǎn)的成本為J2。2)假設(shè)機器人企業(yè)在自身企業(yè)進行早期故障排除試驗時間為topt，即優(yōu)化后的時間。因為機器人每次發(fā)生的故障不盡相同，所以一次維修費用和維修時間都不盡相同，但是它們都滿足一定范圍，假設(shè)機器人企業(yè)在自身企業(yè)一次維修費用Ew∈[EwL，EwU]，由于機器人企業(yè)派人去用戶企業(yè)進行維修故障的費用和時間最高，因此假定機器人企業(yè)在用戶企業(yè)一次維修費用Ew1與Ew成比例，設(shè)Ew1＝AEw(A＞1)，假設(shè)機器人企業(yè)在用戶企業(yè)一次維修時間Tw1∈[Tw1L，Tw1U]。3)機器人企業(yè)早期故障期的成本：4)機器人企業(yè)早期故障期利潤：L1＝H1-N1(30)5)用戶企業(yè)在早期故障期的成本和損失：6)用戶企業(yè)的利潤：7)機器人企業(yè)和用戶企業(yè)在早期故障期單位成本效益：8)建立如下優(yōu)化模型：當Ew＝EwL，Tw1＝Tw1L時，Z具有最大值，記為ZU；當Ew＝EwU，Tw1＝Tw1U時，Z具有最小值，記為ZL；9)利用區(qū)間數(shù)學(xué)理論，令m(Z)為目標函數(shù)區(qū)間的中間值，ρ(Z)為目標區(qū)間的半徑，ZU和ZL分別為目標函數(shù)Z的最大值和最小值，則存在如下關(guān)系：10)通過線性加權(quán)組合法，將兩目標不確定優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題，如下所示：式(9)中，θ為權(quán)重系數(shù)，其取值范圍為θ∈[0，1]，θ的選取依靠對實際問題充分的了解。δ和γ為使為非負的常數(shù)，和Ψ為標準化因子，其表達式如下：Ψ＝min(ρ(Z)+γ)(39)11)采用現(xiàn)代智能算法，利用MATLAB提供的工具箱對(37)式進行求解，從而求得試驗優(yōu)化時間topt。技術(shù)方案中所述的受試機器人整機早期故障排除試驗是指：1)試驗之前的準備條件：(1)機器人應(yīng)安裝完畢并可全面操作；(2)機器人性能試驗和電磁兼容試驗均已完成；(3)機器人在進行早期故障排除試驗之前應(yīng)預(yù)熱運行；(4)測量設(shè)備應(yīng)能對機器人被測特性充分描述；(5)機器人和測量儀器在試驗前應(yīng)置于試驗環(huán)境足夠長時間，最好為一晝夜，以使機器人和測量儀器在試驗前處于熱穩(wěn)定狀態(tài)；(6)試驗環(huán)境應(yīng)有安全措施，保證試驗人員人身安全；2)功能性試驗：(1)手動功能性試驗；(2)自動功能性試驗；3)空運轉(zhuǎn)試驗：空運轉(zhuǎn)試驗指整機空運轉(zhuǎn)試驗，包括以下兩個步驟：(1)選擇機器人幾種典型運動軌跡，如矩形軌跡、圓形軌跡、空間樣條曲線軌跡及該機器人在用戶現(xiàn)場的工況軌跡，每種運動軌跡中試驗速度依次為額定速度的10％、50％和100％，編制相應(yīng)的程序；(2)機器人在步驟(1)中所選試驗軌跡和速度下做連續(xù)空運轉(zhuǎn)，各項功能循環(huán)時，每個循環(huán)之間的停止時間不得超過60s。每種軌跡連續(xù)運行至少10次；4)整機負荷性試驗；5)整機精度及性能檢驗試驗。技術(shù)方案中所述的整機負荷性試驗是指：整機負荷性試驗包括工況負載試驗和指定負載試驗；1)工況負載試驗：(1)選擇機器人在用戶企業(yè)工作現(xiàn)場夾持的工件，設(shè)定機器人的運動軌跡為用戶企業(yè)工作現(xiàn)場的運動軌跡，試驗速度依次為額定速度的10％、50％、100％，編制相應(yīng)程序；(2)機器人在步驟(1)中所選試驗軌跡和速度下循環(huán)運動，每次循環(huán)之間的停止時間不得超過30s，每種速度下軌跡循環(huán)運行30次；2)指定負載試驗：(1)依次選取20％、40％、……、100％額定負載，選擇典型運動軌跡如矩形軌跡、圓形軌跡或工況軌跡，分別以10％、50％、100％額定速度運動；(2)機器人在步驟(1)中所選運動軌跡和速度下循環(huán)運動，每次循環(huán)之間的停止時間不得超過30s，循環(huán)運行試驗次數(shù)根據(jù)每種負載，每種速度進行計算。9.按照權(quán)利要求8所述的一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法，其特征在于，所述的循環(huán)運行試驗次數(shù)根據(jù)每種負載，每種速度進行計算是指：a.假設(shè)機器人搬運物體的重量分布服從正態(tài)分布，正態(tài)分布模型如下：其中：μ表示均值，σ表示標準差，計算未知參數(shù)μ和σ的步驟如下：a)機器人企業(yè)調(diào)查用戶企業(yè)一年內(nèi)使用受試機器人或與受試機器人結(jié)構(gòu)類似、功能相同、工況相近的機器人搬運的物品的類型，以及每種物品對應(yīng)的重量和搬運的次數(shù)并記錄；b)計算正態(tài)分布的均值μ，正態(tài)分布的均值等于隨機變量X的數(shù)學(xué)期望：式中：G1、G2、……、Go表示物品的重量，N1、N2、……、No表示重量為G1、G2、……、Go的物品分別搬運的次數(shù)。c)計算正態(tài)分布的方差σ2，正態(tài)分布的方差等于隨機變量X的均方差：其中ph為隨機變量X對應(yīng)的概率，式(43)中h表示元素下標；b.計算0～20％、20％～40％、40％～60％、60％～80％、80％～100％額定負載中每段負載的概率值并記錄；c.20％、40％、……、100％額定負載中每種試驗循環(huán)次數(shù)：20％額定負載試驗次數(shù)：R1＝2040％額定負載試驗次數(shù)：60％額定負載試驗次數(shù)：80％額定負載試驗次數(shù)：100％額定負載試驗次數(shù)：技術(shù)方案中所述的整機精度及性能檢驗試驗是指：1)位姿準確度和位姿重復(fù)性試驗：(1)機器人夾持負載為工況負載或額定負載，其運動軌跡為工況運動軌跡，在工作軌跡上選取5個點，P1、P2、P3、P4、P5，這5個點應(yīng)平分整條軌跡；(2)試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，運動軌跡為P1—P2—P3—P4—P5循環(huán)運動，如此重復(fù)進行30次；(3)計算每個位姿的位姿準確度和姿態(tài)準確度并記錄；2)距離準確度和距離重復(fù)性試驗：(1)機器人夾持負載為工況負載或額定負載，選取工況運動軌跡首末兩個端點A1、A2；(2)試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在步驟(1)選取的軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為30次；(3)計算偏差并記錄；3)位置穩(wěn)定時間試驗：(1)機器人夾持負載為工況負載或額定負載，在其運動軌跡上任選一個點P1，試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在該運動軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為3次；(2)計算所用穩(wěn)定時間并記錄；4)軌跡準確度和軌跡重復(fù)性試驗：(1)機器人夾持負載為工況負載或額定負載，選擇工況運動軌跡為試驗軌跡；(2)試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在步驟(1)中選取的試驗軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為10次；(3)計算偏差值并記錄；5)拐角偏差試驗：(1)機器人夾持負載為工況負載或額定負載，選擇矩形軌跡E1-E2-E3-E4為試驗軌跡；(2)試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在步驟(1)中選取的試驗軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為3次；(3)計算圓角誤差和拐角超調(diào)量并記錄；6)軌跡速度特性試驗：(1)機器人夾持負載為工況負載或額定負載，試驗軌跡為該機器人工況運動軌跡；(2)試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在步驟(1)中選取的試驗軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為10次；(3)計算軌跡速度準確度AV，軌跡速度重復(fù)性RV，軌跡速度波動FV，并記錄；7)最小定位時間試驗：(1)機器人夾持負載為工況負載或額定負載，試驗軌跡是將該機器人工況運動軌跡的首末兩端點連接而成的直線軌跡，在該直線軌跡中選擇8個點Pii(ii＝1，2，...，8)，隨著ii增大，相鄰兩點之間的距離也增大；(2)試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在步驟(1)中選取的試驗軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為3次；(3)計算并記錄相應(yīng)值；8)靜態(tài)柔順性試驗：(1)試驗中力應(yīng)加在平行于機座坐標軸的三個方向上，既有正又有負；(2)力應(yīng)以10％額定負載逐步增加到100％額定負載，每次一個方向，在伺服系統(tǒng)通電，制動器脫開的情況下測量每個力和方向相應(yīng)的位移，每個方向重復(fù)測量3次；(3)記錄每次的測量值；9)擺動偏差試驗：擺動偏差分為擺幅誤差和擺頻誤差；以百分比表示的擺幅誤差應(yīng)由測得的實到擺幅平均值與指令擺幅之間的偏差計算而得，以百分比表示的擺頻誤差應(yīng)由測得的實際擺頻與指令擺頻之間的偏差來計算：(1)設(shè)計鋸齒狀擺動軌跡，由制造商提供的擺頻和擺幅進行試驗，循環(huán)試驗20次；(2)計算擺幅誤差和擺頻誤差并記錄。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是：1.本發(fā)明所述的一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法以機器人故障發(fā)生累積運行時間作為可靠性建模的樣本點，以隨機過程建立故障累積強度函數(shù)，以此建立的模型更準確；2.本發(fā)明所述的一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法采用聚類分析的方法求解時間拐點比通過故障函數(shù)求解計算量小，可行性更高；3.本發(fā)明所述的一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法以機器人企業(yè)和用戶企業(yè)在早期故障期單位成本效益最大為優(yōu)化目標，建立機器人企業(yè)早期故障排除試驗時間的優(yōu)化模型，能有效縮短試驗時間，節(jié)省試驗成本，經(jīng)濟效益明顯；4.本發(fā)明所述的一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法設(shè)計了機器人整機的早期故障排除試驗具體實施方案，有效的激發(fā)了機器人潛在缺陷，降低了出廠后使用過程中的故障率。附圖說明下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明：圖1是本發(fā)明所述的一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法的流程框圖；圖2是本發(fā)明所述的一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法中的受試機器人的一種矩形軌跡、圓形軌跡、空間樣條曲線軌跡圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細的描述：參閱圖1，本發(fā)明所述的一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法中包括建立受試機器人的可靠性模型、計算受試機器人從早期故障期到偶然故障期的時間拐點、在求得時間拐點的基礎(chǔ)上對受試機器人的試驗時間進行優(yōu)化和受試機器人整機早期故障排除試驗四項內(nèi)容。其中受試機器人的試驗時間進行優(yōu)化以單位收益最大為優(yōu)化目標。受試機器人是指即將進行早期故障排除試驗的機器人。本發(fā)明所述的一種搬運類工業(yè)機器人早期故障排除試驗方法的步驟如下：1.建立受試機器人的可靠性模型在受試機器人有相對充分的故障發(fā)生累積運行時間數(shù)據(jù)的情況下可直接對受試機器人進行可靠性建模，如果受試機器人沒有充分的故障發(fā)生累積運行時間數(shù)據(jù)，則可采用與受試機器人結(jié)構(gòu)類似、功能相同、工況相近即最理想情況是受試機器人的前代產(chǎn)品的故障發(fā)生累積運行時間數(shù)據(jù)。受試機器人的故障發(fā)生累積運行時間來自于早期故障期和偶然故障期。受試機器人故障分為關(guān)聯(lián)故障和非關(guān)聯(lián)故障。關(guān)聯(lián)故障是由于產(chǎn)品本身質(zhì)量缺陷引起的，在解釋試驗或者計算可靠性量值必須記入的故障；非關(guān)聯(lián)故障是由于誤用或者維修不當以及外界因素所引起的，在解釋試驗或者計算可靠性量值時應(yīng)予以排除的故障。因此，受試機器人可靠性建模時，只選取關(guān)聯(lián)故障，并將故障發(fā)生累積運行時間作為可靠性建模的樣本點。1)建立受試機器人的強度函數(shù)(1)受試機器人的故障過程具有浴盆曲線趨勢，假設(shè)其故障強度函數(shù)由早期故障期和偶然故障期兩部分組成，并且每一階段都是一個威布爾過程，則該受試機器人故障強度函數(shù)為：(2)累積故障強度函數(shù)為：式中：α1、α2、β1、β2＞0，α1、α2是尺度參數(shù)，β1、β2是形狀參數(shù)，t是故障發(fā)生累積運行時間，由于該模型是兩重威布爾過程構(gòu)成，其強度函數(shù)具有非單調(diào)的浴盆曲線趨勢，因此該模型的兩個形狀參數(shù)具有如下關(guān)系：(β1-1)(β2-1)＜0(3)(3)強度函數(shù)為威布爾過程，當0＜β＜1，表示不斷改良的好系統(tǒng)；當β＞1，表示不斷惡化的壞系統(tǒng)，因此假設(shè)β1＜1，β2＞1。2)采用極大似然法對受試機器人強度函數(shù)中的未知參數(shù)進行估計(1)受試機器人的故障發(fā)生累積運行時間數(shù)據(jù)來自K臺受試機器人或與受試機器人結(jié)構(gòu)類似、功能相同、工況相近的機器人故障數(shù)據(jù)，第i臺的故障觀測時間為[0，Ti]，Ti為現(xiàn)場試驗的截尾時間，t0≡0，采用極大似然估計法估計相應(yīng)參數(shù)，得相應(yīng)的似然函數(shù)為：式(4)中，ni表示第i臺機器人在故障觀測時間中發(fā)生的故障總數(shù)，tij表示第i臺機器人發(fā)生第j個故障時的故障發(fā)生累積運行時間。(2)對式(4)求其對數(shù)函數(shù)，得如下表達式：(3)由累積故障函數(shù)可得：式(6)中，是對α1、α2的估計值，是對β1、β2的估計值，是對W(Ti)估計值。(4)由式(6)可得：(5)由式(7)將式(5)轉(zhuǎn)換為三參數(shù)的函數(shù)，即：(6)似然函數(shù)參數(shù)估計轉(zhuǎn)化為以下求最大化問題：maxl′K(9)(7)利用MATLAB工具箱，選擇初始值，迭代求解，根據(jù)經(jīng)驗在沒有合適的初始值情況下，可以假設(shè)：(8)由此求得受試機器人的故障強度函數(shù)如式(11)，也即是建立的可靠性模型：式中：是對α1、α2的估計值，是對β1、β2的估計值。2.計算受試機器人從早期故障期到偶然故障期的時間拐點采用聚類分析的方法來求解受試機器人從早期故障期到偶然故障期的時間拐點。聚類分析求解參考機器人時間拐點包括計算經(jīng)驗失效函數(shù)rm，計算模式類別函數(shù)V1、V2，求解時間拐點三個步驟：1)計算經(jīng)驗失效函數(shù)(1)將K臺受試機器人或與受試機器人結(jié)構(gòu)類似、功能相同、工況相近的機器人的故障發(fā)生累積運行時間按從小到大的順序排序，記作t1、t2、……、tm，找出其中的最小值和最大值，分別記作tmin和tmax，選取略小于或等于tmin的數(shù)a，略大于或等于tmax的數(shù)b；(2)依據(jù)經(jīng)驗公式(11)確定組數(shù)q；q＝[1+3.32lgm](12)式(11)中，[]表示取整。(3)把區(qū)間(a,b)分成q個子區(qū)間，第s個子區(qū)間為(ts-1，ts]，ts處右連續(xù)，假設(shè)各子區(qū)間的長度相等，其組距為：(4)計算各子區(qū)間包含的故障發(fā)生累積運行時間次數(shù)，分別記作C1，C2，……，Cq。(5)取各子區(qū)間的中值代表該子區(qū)間，如下式：(6)計算間隔時間：Δtq＝tq一tq-1(17)(7)經(jīng)驗失效函數(shù)表達式如下：2)計算模式類別函數(shù)V1、V2(1)找出rs中的最大值，記為rmax，將ri進行歸一化，如下式：(2)將ys分成兩組，第一組范圍為1≤s≤su，第二組范圍為su+1≤s≤q，1≤su≤q-1。(3)分別計算兩組數(shù)據(jù)ys的均值，第一組記為μ1(s)，第二組記為μ2(s)，則有如下表達式：(4)分別計算每組數(shù)據(jù)與均值的差的絕對值，第一組記為d1(s)，第二組記為d2(s)，則有如下表達式:d1(s)＝|ys-μ1(s)|s＝1，2，......，q(22)d2(s)＝|ys-μ2(s)|s＝1，2，......，q(23)(5)分別計算每組數(shù)據(jù)的模式類別函數(shù)，第一組數(shù)據(jù)記為V1(s)，第二組數(shù)據(jù)記為V2(s)，則有如下表達式:V1(s)＝1-d1(s)s＝1，2，......，q(24)V2(s)＝1-d2(s)s＝1，2，......，q(25)式(19)與式(20)，式(21)與式(22)，式(23)與式(24)均應(yīng)看作是聯(lián)立的方程組。3)求解時間拐點(1)繪制V1、V2的折線圖，V1、V2的第一個交點即受試機器人的時間拐點，記時間拐點為tg；存在如下條件：(2)利用線性插值計算tg，存在如下關(guān)系：得到：式(25)中，存在如下關(guān)系：通過以上方法即可求得受試機器人的時間拐點tg。3.在求得時間拐點的基礎(chǔ)上對受試機器人的試驗時間進行優(yōu)化受試機器人從早期故障期到偶然故障期的時間拐點為tg。機器人早期故障期一般較長，若以tg作為早期故障排除試驗截止時間，無論機器人企業(yè)還是用戶企業(yè)都難以接受，但是機器人在出廠前若不進行早期故障排除，將在用戶企業(yè)頻繁發(fā)生故障，給用戶企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟損失。因此，根據(jù)實際情況，以機器人企業(yè)和用戶企業(yè)在早期故障期單位成本效益最大為優(yōu)化目標，建立機器人企業(yè)早期故障排除試驗時間的優(yōu)化模型。1)假設(shè)機器人銷售價格為H1，相應(yīng)的機器人的制造成本為H2，銷售成本為H3；機器人企業(yè)在自身企業(yè)進行早期故障排除試驗單位時間試驗成本為I1，主要包括機器人企業(yè)進行早期故障排除需要承擔水費、電費、材料耗損費、相關(guān)儀器費用和工人工資等；發(fā)生一次故障維修費用為Ew；機器人在用戶企業(yè)發(fā)生一次早期故障，機器人企業(yè)在用戶企業(yè)的一次維修時間為Tw1，相應(yīng)的維修費用為Ew1；用戶企業(yè)使用機器人在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的毛利潤為J1，單位時間內(nèi)機器人運轉(zhuǎn)的成本為J2。2)假設(shè)機器人企業(yè)在自身企業(yè)進行早期故障排除試驗時間為topt，即優(yōu)化后的時間。因為機器人每次發(fā)生的故障不盡相同，所以一次維修費用和維修時間都不盡相同，但是它們都滿足一定范圍，假設(shè)機器人企業(yè)在自身企業(yè)一次維修費用Ew∈[EwL，EwU]，由于機器人企業(yè)派人去用戶企業(yè)進行維修故障的費用和時間最高，因此假定機器人企業(yè)在用戶企業(yè)一次維修費用Ew1與Ew成比例，設(shè)Ew1＝AEw(A＞1)，假設(shè)機器人企業(yè)在用戶企業(yè)一次維修時間Tw1∈[Tw1L，Tw1U]。3)機器人企業(yè)早期故障期的成本：4)機器人企業(yè)早期故障期利潤：L1＝H1-N1(30)5)用戶企業(yè)在早期故障期的成本和損失：6)用戶企業(yè)的利潤：7)機器人企業(yè)和用戶企業(yè)在早期故障期單位成本效益：8)建立如下優(yōu)化模型：當Ew＝EwL，Tw1＝Tw1L時，Z具有最大值，記為ZU；當Ew＝EwU，Tw1＝Tw1U時，Z具有最小值，記為ZL；9)利用區(qū)間數(shù)學(xué)理論，令m(Z)為目標函數(shù)區(qū)間的中間值，ρ(Z)為目標區(qū)間的半徑，ZU和ZL分別為目標函數(shù)Z的最大值和最小值，則存在如下關(guān)系：10)通過線性加權(quán)組合法，將兩目標不確定優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題，如下所示：式(9)中，θ為權(quán)重系數(shù)，其取值范圍為θ∈[0，1]，θ的選取依靠對實際問題充分的了解。δ和γ為使(m(Z)+δ)和為非負的常數(shù)，和Ψ為標準化因子，其表達式如下：Ψ＝min(ρ(Z)+γ)(39)11)采用現(xiàn)代智能算法，利用MATLAB提供的工具箱對(37)式進行求解，從而求得試驗優(yōu)化時間topt。4.受試機器人整機早期故障排除試驗整機早期故障排除試驗包括四部分內(nèi)容，功能性試驗、空運轉(zhuǎn)試驗、負荷性試驗和精度及性能檢驗試驗。功能性試驗主要驗證機器人能否實現(xiàn)其預(yù)定功能，包括兩部分試驗內(nèi)容，即手動功能性試驗和自動功能性試驗；空運轉(zhuǎn)試驗是指機器人在預(yù)定軌跡下不帶任何負載連續(xù)運轉(zhuǎn)；負荷性試驗是指機器人在帶負載的情況下完成其預(yù)定功能的試驗；精度及性能檢驗試驗在進行空運轉(zhuǎn)試驗或負荷性試驗之后進行的試驗，其主要檢查機器人在運行一段時間后性能能否滿足規(guī)定要求。受試機器人在進行整機早期故障排除試驗時應(yīng)按照這一順序進行：功能性試驗、空運轉(zhuǎn)試驗、精度及性能檢驗試驗、負荷性試驗、精度及性能檢驗試驗。1)試驗之前的準備條件在進行整機早期故障排除試驗之前應(yīng)做好如下準備：(1)機器人應(yīng)安裝完畢并可全面操作；(2)機器人性能試驗和電磁兼容試驗均已完成；(3)機器人在進行早期故障排除試驗之前應(yīng)預(yù)熱運行；(4)測量設(shè)備應(yīng)能對機器人被測特性充分描述；(5)機器人和測量儀器在試驗前應(yīng)置于試驗環(huán)境足夠長時間(最好一晝夜)，以使機器人和測量儀器在試驗前處于熱穩(wěn)定狀態(tài)；(6)試驗環(huán)境應(yīng)有安全措施，保證試驗人員人身安全。2)功能性試驗功能性試驗主要驗證機器人能否實現(xiàn)其預(yù)定功能，包括手動功能性試驗和自動功能性試驗兩部分。(1)手動功能性試驗手動功能性試驗包括點動/步進試驗、連續(xù)移動試驗、單軸移動試驗、多軸協(xié)調(diào)試驗。按照以下步驟對機器人進行手動功能性試驗選擇示教模式——輕按【安全開關(guān)】接通伺服電源——選擇手動操作機器人——選擇點動/步進機器人動作模式(或連續(xù)移動/單軸移動/多軸協(xié)調(diào)動作模式)——設(shè)定機器人手動速度(手動速度依次為10％、50％、100％額定速度)——選擇合適的機器人坐標系——使用【軸操作鍵】選擇運動軸——移動機器人到目標位置。分別操作機器人在每種速度，即10％、50％、100％額定速度模式下，分別連續(xù)運動10次。(2)自動功能性試驗選擇再現(xiàn)模式，運行示教操作編制的程序，機器人自動由初位置運動到目標位置。機器人分別在10％、50％、100％額定速度下連續(xù)運動10次。3)空運轉(zhuǎn)試驗空運轉(zhuǎn)試驗指整機空運轉(zhuǎn)試驗，包括以下兩個步驟：(1)選擇機器人幾種典型運動軌跡(如圖2所示)，如矩形軌跡、圓形軌跡、空間樣條曲線軌跡及該機器人在用戶現(xiàn)場的工況軌跡，每種運動軌跡中試驗速度依次為額定速度的10％、50％和100％，編制相應(yīng)的程序；(2)機器人在步驟(1)中所選試驗軌跡和速度下做連續(xù)空運轉(zhuǎn)，各項功能循環(huán)時，每個循環(huán)之間的停止時間不得超過60s。每種軌跡連續(xù)運行至少10次?？者\轉(zhuǎn)試驗具體條件如表1所示：表1-空運轉(zhuǎn)試驗條件表4)整機負荷性試驗整機負荷性試驗包括兩種試驗方式：工況負載試驗和指定負載試驗。工況負載試驗指機器人夾持在用戶企業(yè)現(xiàn)場夾持的工件，沿著用戶企業(yè)現(xiàn)場的運動軌跡，以指定的速度進行的試驗；指定負載試驗指機器人夾持20％、40％、……、100％額定負載的零部件，在指定的軌跡下以指定的速度運動進行的試驗。(1)工況負載試驗工況負載試驗包括以下兩個步驟：A.選擇機器人在用戶企業(yè)工作現(xiàn)場夾持的工件，設(shè)定機器人的運動軌跡為用戶企業(yè)工作現(xiàn)場的運動軌跡，試驗速度依次為額定速度的10％、50％、100％；B.機器人在步驟A中所選試驗軌跡和速度下循環(huán)運動，每次循環(huán)之間的停止時間不得超過30s，每種速度下軌跡循環(huán)運行30次。工況負載試驗具體條件如表2所示：表2-工況負載試驗條件表(2)指定負載試驗指定負載試驗包括以下兩個步驟：A.依次選取20％、40％、……、100％額定負載，選擇典型運動軌跡(如矩形軌跡、圓形軌跡或工況軌跡)，分別以10％、50％、100％額定速度運動；B.機器人在步驟A中所選運動軌跡和速度下循環(huán)運動，每次循環(huán)之間的停止時間不得超過30s，每種負載，每種速度循環(huán)運行試驗次數(shù)計算如下：a.假設(shè)機器人搬運物體的重量分布服從正態(tài)分布，正態(tài)分布模型如下：其中計算未知參數(shù)μ和σ的步驟如下：a)機器人企業(yè)調(diào)查用戶企業(yè)(一年內(nèi))使用受試機器人或與受試機器人結(jié)構(gòu)類似、功能相同、工況相近的機器人搬運的物品的類型，以及每種物品對應(yīng)的重量和搬運的次數(shù)，記錄于表3：表3-機器人搬運物品記錄表物品類型物品重量搬運次數(shù)物品B1G1N1物品B2G2N2物品B3G3N3………………物品BoGoNob)計算正態(tài)分布的均值μ，正態(tài)分布的均值等于隨機變量X的數(shù)學(xué)期望：c)計算正態(tài)分布的方差σ2，正態(tài)分布的方差等于隨機變量X的均方差：其中ph為隨機變量X對應(yīng)的概率，式(43)中h表示元素下標。b.計算0～20％、20％～40％、40％～60％、60％～80％、80％～100％額定負載中每段負載的概率值：Ge表示額定負載，每段負載的概率計算如表4所示：表4-概率計算統(tǒng)計表c.20％、40％、……、100％額定負載中每種試驗循環(huán)次數(shù)：20％額定負載試驗次數(shù)：R1＝2040％額定負載試驗次數(shù)：60％額定負載試驗次數(shù)：80％額定負載試驗次數(shù)：100％額定負載試驗次數(shù)：指定負載試驗具體條件如表5所示：表5-指定負載試驗條件表5)整機精度及性能檢驗試驗完成機器人的功能性試驗和空運轉(zhuǎn)試驗后，需要進行精度及性能檢驗，完成機器人的負荷性試驗后，同樣需要對機器人的精度及性能進行檢驗。精度及性能檢驗即對機器人的各項精度及性能指標重新測定，檢驗其是否超出規(guī)定值，主要包括位姿準確度和位姿重復(fù)性檢驗、距離準確度和距離重復(fù)性檢驗、位置穩(wěn)定時間檢驗、軌跡準確度和軌跡重復(fù)性檢驗、拐角偏差檢驗、軌跡速度特性檢驗、最小定位時間檢驗、靜態(tài)柔順性檢驗以及擺動偏差檢驗。(1)位姿準確度和位姿重復(fù)性試驗位姿準確度表示指令位姿(以示教編程、人工數(shù)據(jù)輸入或離線編程所設(shè)定的位姿)和從同一方向接近該指令位姿時的實到位姿(機器人在自動方式下響應(yīng)指令位姿而實際達到的位姿)平均值之間的偏差；位姿重復(fù)性表示對同一指令位姿從同一方向重復(fù)響應(yīng)n次(循環(huán)次數(shù)取30次)后實到位姿的一致程度。位姿準確度和位姿重復(fù)性試驗方法包括如下三個步驟：A.機器人夾持負載為工況負載或額定負載，其運動軌跡為工況運動軌跡，在工作軌跡上選取5個點(這5個點應(yīng)平分整條軌跡)P1、P2、P3、P4、P5；B.試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，運動軌跡為P1——P2——P3——P4——P5循環(huán)運動，如此重復(fù)進行30次；C.計算每個位姿的位姿準確度和姿態(tài)準確度并記錄。位姿準確度試驗具體條件具體如表6所示表6-位姿準確度試驗條件表(2)距離準確度和距離重復(fù)性試驗距離準確度表示指令距離和實到距離平均值之間位姿和姿態(tài)的偏差，包括位置距離準確度和姿態(tài)距離準確度兩個因素。距離重復(fù)性表示在同一方向指令距離重復(fù)運動30次后距離的一致程度，包括位置距離重復(fù)性和姿態(tài)距離重復(fù)性。距離準確度和距離重復(fù)性檢驗包括以下三個步驟：A.機器人夾持負載為工況負載或額定負載，選取工況運動軌跡首末兩個端點A1、A2；B.試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在步驟A中選取的軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為30次；C.計算偏差并記錄距離準確度和距離重復(fù)性試驗具體條件如表7所示：表7-距離準確度和距離重復(fù)性試驗具體條件表(3)位置穩(wěn)定時間試驗位置穩(wěn)定時間是從機器人第一次進入門限帶的瞬間到不再超出門限帶的瞬間所經(jīng)歷的時間，用于衡量機器人停止在實到位姿快慢程度的性能。位置穩(wěn)定時間試驗包括以下兩個步驟：A.機器人夾持負載為工況負載或額定負載，在其運動軌跡上任選一個點P1，試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在該運動軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為3次；B.計算所用穩(wěn)定時間并記錄；位置穩(wěn)定時間試驗具體條件如表8所示：表8-位置穩(wěn)定時間試驗條件表(4)軌跡準確度和軌跡重復(fù)性試驗軌跡準確度表示機器人在同一方向上沿指令軌跡10次移動其機械接口的能力，其由兩個因素決定：一是指令軌跡的位置和各實到軌跡位置集群的中心線之間的偏差，二是指令姿態(tài)與實到姿態(tài)平均值之間的偏差；軌跡重復(fù)性表示機器人對同一指令軌跡重復(fù)10次時實到軌跡的一致程度。軌跡準確度和軌跡重復(fù)性試驗包括以下三個步驟：A.機器人夾持負載為工況負載或額定負載，選擇工況運動軌跡為試驗軌跡；B.試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在步驟A中選取的試驗軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為10次；C.計算偏差值并記錄軌跡準確度和軌跡重復(fù)性試驗具體條件如表9所示：表9-軌跡準確度和軌跡重復(fù)性試驗條件表(5)拐角偏差試驗方法拐角偏差分為尖銳拐角和圓滑拐角，當機器人按程序設(shè)定的恒定軌跡速度無延時地從第一條軌跡到與之垂直的第二條軌跡時，便會出現(xiàn)尖銳拐角；拐角偏差試驗包括以下三個步驟：A.機器人夾持負載為工況負載或額定負載，選擇矩形軌跡E1-E2-E3-E4為試驗軌跡；B.試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在步驟A中選取的試驗軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為3次；C.計算圓角誤差和拐角超調(diào)量并記錄表格。拐角偏差試驗具體條件如表10所示：表10-拐角偏差試驗試驗條件表(6)軌跡速度特性試驗軌跡速度特性包括軌跡速度準確度、軌跡速度重復(fù)性、軌跡速度波動三部分內(nèi)容。軌跡速度準確度是指指令速度與沿軌跡進行10次重復(fù)所獲得的實到速度平均值之差，軌跡速度重復(fù)性是對于同一指令速度所得實到速度的一致程度，軌跡速度波動為每次再現(xiàn)時速度波動的最大值。軌跡速度特性試驗方法包括以下三個步驟：A.機器人夾持負載為工況負載或額定負載，試驗軌跡為該機器人工況運動軌跡；B.試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在步驟A中選取的試驗軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為10次；C.計算軌跡速度準確度AV，軌跡速度重復(fù)性RV，軌跡速度波動FV，并記錄表格。軌跡速度特性試驗具體條件如表11所示：表11-軌跡速度特性試驗條件表(7)最小定位時間試驗定位時間是機器人在點位控制方式下從靜態(tài)開始移動一預(yù)定距離和/或擺動一預(yù)定角度到達穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的時間。最小定位時間試驗包括以下三個步驟：A.機器人夾持負載為工況負載或額定負載，試驗軌跡是將該機器人工況運動軌跡的首末兩端點連接而成的直線軌跡，在該直線軌跡中選擇8個點Pii(ii＝1，2，...，8)，隨著ii增大，相鄰兩點之間的距離也增大；B.試驗速度依次為100％、50％、10％額定速度，在步驟A中選取的試驗軌跡下循環(huán)運動，循環(huán)次數(shù)為3次；C.計算并記錄相應(yīng)值。最小定位時間試驗具體條件如表12所示：表12-最小定位時間條件表(8)靜態(tài)柔順性試驗靜態(tài)柔順性是在單位負載作用下最大的位移，應(yīng)在機械接口處加載并測量位移。靜態(tài)柔順性試驗包括以下三個步驟：A.試驗中力應(yīng)加在平行于機座坐標軸的三個方向上，既有正又有負；B.力應(yīng)以10％額定負載逐步增加到100％額定負載，每次一個方向，在伺服系統(tǒng)通電，制動器脫開的情況下測量每個力和方向相應(yīng)的位移，每個方向重復(fù)測量3次；C.記錄每次的測量值。(9)擺動偏差試驗擺動偏差特性分為兩個指標，即擺幅誤差和擺頻誤差。以百分比表示的擺幅誤差應(yīng)由測得的實到擺幅平均值與指令擺幅之間的偏差計算而得，以百分比表示的擺頻誤差應(yīng)由測得的實際擺頻與指令擺頻之間的偏差來計算。擺頻偏差試驗包括以下兩個步驟：A.設(shè)計鋸齒狀擺動軌跡，由制造商提供的擺頻和擺幅進行試驗，循環(huán)試驗20次，編制相應(yīng)程序；B.計算擺幅誤差和擺頻誤差并記錄。整機早期故障排除試驗中，首先進行功能性試驗，試驗時間為Tz1，其次進行空運轉(zhuǎn)試驗，試驗時間為Tz2，再進行精度及性能檢驗試驗，試驗時間為Tz3，再進行負荷性試驗，試驗時間為Tz4，最后再進行一次精度及性能檢驗試驗，試驗時間為Tz5，可得到：Tz5＝Tz3(44)Tz4＝topt-Tz1-Tz2-Tz3-Tz5(45)進行負荷性試驗時，建立工況負載試驗和指定負載試驗一個循環(huán)為任務(wù)剖面，循環(huán)執(zhí)行任務(wù)剖面，直到試驗時間達到Tz4后，方進入下一階段試驗——精度及性能檢驗試驗。在進行精度及性能檢驗試驗時，先進行位置穩(wěn)定時間檢驗，再進行其他試驗，其他試驗的試驗順序不做要求，位姿準確度和位姿重復(fù)性檢驗、距離準確度和距離重復(fù)性檢驗可同時進行。試驗中發(fā)生任何一種故障，例如機器人卡死，漏油、電機過熱、性能精度不滿足規(guī)定要求等，都應(yīng)停止試驗，查明原因，維修好后再重新進行早期故障排除試驗，對于每一次故障都應(yīng)詳細記錄，記錄內(nèi)容包括故障時間、維修時間、故障現(xiàn)象、故障部位、故障原因、故障處理等。當前第1頁1 2 3