张永杰 ， 李骁 ， 涂志健 ， 孙庆 ， 辛付豪

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.芜湖赛宝机器人产业技术研究院有限公司，安徽 芜湖 241003）

0 引言

减速机由传动部件 （齿轮或蜗杆）、轴、轴承和外壳等部件组成。若将减速机看作为一个系统，则其零部件就可看作为子单元，各个子单元都具有自身的性能和可靠性，整个系统的可靠性的高低取决于系统中最薄弱的子单元的可靠性。因而要提高整个系统的可靠性，就需要对薄弱子单元进行改进，研究每个子单元的动静态性能变化规律。

本文针对减速机的主要性能指标，开发出了一套测试系统，该测试系统由电气协调系统、机械保障系统和自适应性反馈控制调节系统3个模块组成，系统通过模拟来逼近真实的高低温湿热环境，以保证整个减速机性能变化监测及可靠性分析的准确性和合理性。

本文在进行减速机可靠性分析的过程中，所依据的故障模式数据来源主要是动态监测减速机在试验过程中的性能变化的异常数据。综上可知，减速机是由多个子单元通过机械配合组装而成，因而，当某一个子单元受到磨损等损伤时，其不仅会在检测过程中产生异常数据，还会对与其相接触的子单元的性能产生间接的影响，这样就会产生连锁反应。因而，本文借鉴文献 [1]中所阐述的可靠性分析思路，给出了一种基于减速机异常数据的可靠性分析模型，该分析方法相对于传统的方法 （如：故障模式影响及危害性分析方法[2]）的优势在于其可将故障模式之间的相关性对系统可靠性的影响考虑在内。

下文将对减速机的性能及可靠性测试系统的基本原理及所采用的可靠性分析方法等做详细的阐述。

1 测试系统简介

1.1 测试系统的基本原理

整套减速机测试平台系统主要包括传动台架机械部分、模拟高低温湿热环境应力的环境试验箱、系列传感器和计算机集成控制数据处理系统等其他元器件。其中，高低温试验箱独立可拆卸，可为减速机的动态试验提供综合的环境应力。整个系统的工作原理示意图如图1所示。

图1 减速机的性能及可靠性测试系统

由图1可知，整个测试平台包括：1）输入端，其中有变频器、伺服电机、联轴器和扭矩传感器1；2）输出端，有扭矩传感器2和磁粉制动器；3）中间被测试减速机试件和环境试验箱；4）计算机系统，主要完成对传动台架传感器、伺服电机等数据的测量、采集和处理，并可生成报表和曲线。

测试过程的原理为：驱动伺服电机输出的动力（可通过变频器根据需要进行调节）通过输入端联轴器、输入端扭矩传感器1和联轴器传递给被测减速机试件输入端，被测减速机输出端通过联轴器、输出端扭矩传感器2、联轴器与磁粉制动器相连接，被测减速机试件输出端输出的动力克服制动器提供的负载，从而带动制动器的输入轴转动。在测试过程中，安装在各个部位的传感器实时地采集相关性能参数的数据变化情况，并将其传送到计算机终端进行处理。

整套测试系统的三维效果图和测试台架分别如图2和图3所示。

图2 测试系统的三维效果图

图3 测试系统测试台架实物图

1.2 系统可完成的减速机性能测试功能

所设计的测试平台系统既可单独作为工业机器人减速机的性能检测装置，用于完成标准大气压下包括传动比、传动效率、扭转刚度、刚度滞回曲线和传动误差等性能的测试。同时，还可增加环境应力来研究减速机在相关应力作用下相对标准环境其性能的变化情况，以此来确定不同的环境敏感因素对其性能的影响程度，从而确定环境敏感因素影响等级梯度。

2 环境试验箱体设计

本次设计的高低温试验箱的主要作用是在减速机进行静动态试验过程中提供不同严酷度等级的环境敏感应力。同时，由于受到减速机性能测试台架整体尺寸和被测减速机系列型号的限制，本次设计的环境试验箱体的结构采用分离式设计形式 （如图2所示），即一套为工作室箱体 （此箱体与测试台架配合，减速机放在箱体中，通过箱体两侧开的轴孔与输入输出端相连）；另一套为控制柜。

其中，工作室箱体分为上下两部分，工作室箱体中间位置用紧固拉手固定，箱体上下两部分可拆卸；由于工作室箱体与控制柜 （电气、冷机组）箱体为分离式构造，因而制冷与线路需通过加长设施连接；工作室上部开有可视玻璃窗。

在设计整个箱体的过程中，应对以下几方面的技术予以重点考虑。

a）考虑到减速机要通过两端的轴与箱体外部的工作电机相连，因而需要对箱体进行打孔处理。同时，考虑到减速机轴的对中精度，不适合多次调节减速机，因而设计过程中将孔在各个箱体上开半圆孔，孔的直径大于轴的直径，此时上下两箱体合在一起并通过卡套实现轴的定位，并且只需要一次对中调节，直到试验完成，换其他型号的减速机再重新对中。

b）为了阻止减速机试验样品在做高低温试验过程中，底部材料变形对减速机对中精度产生影响和底部连接处能量的流失，则需对减速机支架与减速机试验台架相连的部分做一定的处理，此处采用将减速机支架直接安装在工作箱体的底部，通过螺钉将减速机支架和箱体一同固定在减速机测试台架的减速机移动板上。

c）在做低温试验时，当试验时间过长时，会出现低温沿着材料向外缓慢传导的现象，使得工作箱体的外表面出现凝露或结冰现象。为了避免此类现象发生，在设计工作箱体时，除了四周应有绝热材料层以阻止能量向外传导以外，还应在工作箱体的样品工作室外侧的上半部分增加电阻丝，这样一来，当做低温试验时，加热丝同时接通，便可以和工作室内传导过来的冷气相综合。

d）减速机工作室箱体的两侧设计循环气流的进、出风口，通过进气风道将控制柜箱体内的温度导入减速机工作箱中，再通过回风通道回到控制柜箱内，周而复始地运行，使得减速机试件箱体内的温度按照相关国标[3-5]的要求来保持稳定。两箱体通过3层保温处理的软管连接。

e）为了防止减速机在高低温环境应力试验过程中，箱体内的能量沿轴传导，造成与之相连的测试元器件由于超过其工作温度范围而损坏，应采用带阻热材料的梅花联轴器。

3 软件控制系统设计

减速机测试系统软件控制系统的核心是采用可扩充性的数据融合和冗余处理技术来对试验采集的数据进行实时动态处理。其可在预先生成基线数据库的前提下，对正式试验过程中的异常数据进行自动筛选并形成点位矩阵。

软件控制系统的功能根据需求，一方面可实现减速机的性能数据的实时监测与检测，实时地生成性能变化趋势曲线、整个试验过程中的性能参数数据表，方便观察和作为后期研究分析的判据；另一方面可实现减速机的可靠性检测，系统通过预先导入减速机性能故障模式专家数据库系统，在整个试验过程中，将采集的数据实时地与专家库中的数据进行对比，因而具备智能化功能，可判断检测结果，分析故障原因。

同时对于专家数据库中未给出的故障模式，系统还会进一步地对采集的数据与基线数据库进行对比，自动筛选出异常的数据，即系统采用二次筛选机制来保障整个可靠性检测的准确度。通过上述措施最终形成减速机异常数据点位矩阵库，用于后期减速机的可靠性定量化分析，以此来判断减速机系统中最薄弱的部件，进而为改进设计提供理论依据。

整个减速机测试系统的软件控制系统示意图和软件界面图如图4和图5所示。

图4 减速机测试系统的软件控制系统示意图

图5 减速机测试系统软件界面图

4 可靠性分析模型

本系统在对减速机进行可靠性分析时，建立了基于减速机异常数据的可靠性分配屋模型，以使分析的结果更加合理。具体的建模思路如下所述。

a）首先，得出减速机试件在标准环境下的测试过程中的各项性能参数数据，进而组成基线数据库。

b）其次，试验完成后，通过目视观察试验后的减速机，初步判断减速机的机械外观上存在的故障；同时，根据试验过程中实时采集的减速机各个组成部件性能参数变化的数据，与基线数据 （空白对照组）进行对比，进一步地查找出减速机的异常部件。

c）然后，通过比对专家数据库和基线数据库，以及结合减速机自身机械部件常见的故障模式，得到汇总的减速机异常数据，并通过分析各个异常数据的来源，确定相应异常数据所对应的减速机内部零部件的故障类型。

d）最后，根据c）中的分析结果，借鉴可靠性屋 （HOR：House of Reliability）的分析思路以及参考文献 [6-8]，建立一种基于减速机异常数据的可靠性分配屋 （HORA：House of Reliability Allocation）模型。最终的分析模型如图6所示。

图6 基于减速机异常数据的HORA模型

上述减速机异常数据可靠性分析模型的结构组成与房屋的构造类似，因而被称为分配屋。其中，根据文献 [8]可知各个组成部分的含义分别为：1）自相关矩阵A中的数据反映的是某一异常数据的产生对另一个异常数据的影响程度；2）评价指标权重矩阵B表示各个异常数据带来的严重程度，由专家打分获得；3）互相关矩阵M中的元素反映的是异常数据对相应严酷度评价指标的影响大小，所给的数值越大说明对其影响越大，其也是由专家根据评分准则打分获得；4）矩阵P、N是根据国家标准[2]中的相关规定获得；5）其他矩阵则是根据下文的相关矩阵求解公式计算求得。

其中，严酷度矩阵S可由归一化处理后的权重矩阵B与互相关矩阵M运算获得，即：

异常数据危害度矩阵C按下式计算，即：

式（2）中：Ci——第i个异常数据形成的故障模式产生的危害度 （i=1，2，3，…，n）；

“*”——矩阵的Hadamard乘积，表示两个矩阵对应元素的乘积[9]，下同。

式 （2）计算的C为异常数据独立不相关的理想情况。但在实际的试验过程中，如上文引言所述，需考虑异常数据之间的关联性，同时还需考虑单个异常数据所产生的连锁反应。例如：第i个异常数据的产生直接导致第j个异常数据的产生，而第j个异常数据的产生又直接导致第k个异常数据的产生。形如此类的传播被称为异常数据的连锁效应，可将传播的阶数记为f，如f=1，称为一阶传播。则式 （2）的异常数据危害度矩阵可修正为[1， 8]：

式（3）中：I——n×n全1矩阵；

E——n×n单位矩阵。

利用上述相关步骤计算求得的异常数据的危害度，其值越大，说明其对应的部件单元是减速机系统中最薄弱的环节，则在可靠性分配过程时，相应地所分配的失效率越大。

因此，在后续试验采集性能响应数据之后，可依据上述模型分析方法建立对应的模型，进而分析计算得出减速机的整体可靠度。

5 结束语

本文从基本原理、系统构造、环境温控箱和控制系统等方面阐述了减速机性能测试系统的主要组成部分，同时介绍了一种基于减速机异常数据的可靠性模型分析方法，后续可在依据专家打分得到减速机异常数据自相关矩阵、互相关矩阵和权重矩阵等经验矩阵中的元素的基础上，建立减速机系统的HORA。利用所建立的分配屋模型找出系统的薄弱环节，并在提高薄弱环节可靠性的基础上，通过不断地建立新的HORA来不断地改进提升，从而使得减速机具有高可靠性。