TCIE 125-2021 工业机器人故障诊断与预测性维护 第5部分：预测性维护

ICS25.040.30CCSJ28团 体 标 准T/CIE125—20215Faultdiagnosisandpredictivemaintenanceforindustrialrobot-Part5:Predictivemaintenance2021-11-22发布 2022-02-01实施中国电学会 发布T/CIE125T/CIE125—2021II目 次前 言 II1范围 12规性用件 13术和义 14预性护程 25维方确定 36预方法 3于型方法 3据动方法 47寿预测 5测法择 5测果价 58维计和理 5附录 A（范）减速和服机的验模型 6附录 B（料）基于验型寿预示例 7附录 C（料）基于真型寿预方法 9附录 D（料）“负/载—命线构建 10附录 E（料）基于据动预方法 11参 考 文 献 13T/CIE125T/CIE125—2021鏈鏈鏈鏈前 言T/CIEXXX《工业机器人故障诊断和预测性维护》分为以下5个部分：——第1部分：故障分类和编码2——第4部分：健康状态评估——第5部分：预测性维护本文件为T/CIEXXX《工业机器人故障诊断和预测性维护》的第5部分。本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件主要起草人：王远航、丁小健、刘文威、杨云帆、吴军、周健、王春辉、纪春阳、雷亚国、王国锋、梁超、王吉、唐敬、陆树汉、莫文安、潘广泽、黄创绵、杨剑锋、李小兵、董成举、郭广廓、陈勃琛、赵常均、张建华、彭湘涛、张锋、陶建峰、孟苓辉、龙璞。II工业机器人故障诊断与预测性维护第5部分：预测性维护范围本文件适用于工业机器人预测性维护方案制定。（GB/T12642-2013工业机器人性能规范及其试验方法GB/T37718-2019机器人用精密行星摆线减速器GB/T35089-2018机器人用精密齿轮传动装置试验方法GB/T24607-2009滚动轴承寿命与可靠性试验及评定GB/T6391-2010滚动轴承额定动载荷和额定寿命GB/T3187-1994、GB/T12643-2013和GB/T20921-2007中确立的以及下列术语和定义适用于本文件。维修/维护maintenance为保持和恢复产品处于能执行规定功能状态所进行的所有技术和管理活动。事后维护correctivemaintenance故障发生后采取的维修。注：也称为修复性维修。预防性维护preventivemaintenance预测性维护predictivemaintenance强调对失效的预测，并依据设备的状态采取行动，以预防失效或劣化的维修。退化degradation工业机器人/部件随着持续工作，从状态良好到逐渐无法满足工作要求的过程，表现为相关性能参数的持续下降。1寿命servicelife工业机器人/部件从投入使用到故障时刻的时间长度。剩余使用寿命remainingusefullife工业机器人当前时刻到故障时刻的时间间隔。预测prognostics对故障症状和退化趋势进行分析和建模，以预估未来的状态退化趋势和剩余使用寿命。预测时机timeofprediction触发执行寿命预测的时间点。预测方法methodofprediction工业机器人的预测性维护宜按照图1所示的流程开展。123部分健康状态评估》的基线测试等；2数据积累数据积累否达到预测时机？是调用通过预测结果评估？否是是剩余使用寿命足够？否维护计划制定和维护实施管理寿命预测预测方法持续在线监测和定期测试预测性维护方式确定结果修正及方法优化图1 工业器预性护程工业机器人的维护方式包括事后维护、预防性维护和预测性维护。——对于减速器和伺服电机等部件，宜建立经验模型；根据GB/T37718-2019和GB/T35089-2018，在输出转速nm和负载转矩Tm下减速器寿命经验模型如式(1)，详细模型参数见附录A：m000mm000i iittnTenTetnTet tnTe式(1)m000mm000i iiGB/T24607-2009GB/T6391-2010A：3ff Cetm500nTfmfd基于经验模型的伺服电机寿命预测参考附录B。

式(2)i——C。Li下对应的负载寿命tiLi通过式(3)Li和ti—D。nPe nTeL=ii100%=ii100% 式(3)i nCe nTe0 00——监测统计部件在负载率Li下的累积工作时间Di，T时刻的损耗度FT为：NTFT=Dkk1NT为T

tk式（4）——T时刻，在负载率Li下的剩余使用寿命SRi,T为：式（5）监测和跟踪预测监测和跟踪预测寿命预测剩余寿命t寿命期望时间期测试指标T图2 数据动寿预方示意图——定位精度、部件温升、减速器背隙等关键参数的设计阈值；——参数与故障类别、故障程度的相关性；——工业机器人不同场景和工况；——现场干扰。4预测方法选择预测方法可选择基于模型的方法、数据驱动的方法和混合方法中的任何一种或多种。IGBTGB/T12642-20133部分在线监测》获取部分故障诊断》获取数据驱动的方法案例参见附录E。预测结果评价如5附录A（规范性）减速器和伺服电机等的经验模型工业机器人用减速器，包括谐波齿轮减速器、行星摆线减速器、摆线针轮减速器等，寿命薄弱环节为齿和轴承等易损件。根据GB/T37718-2019和GB/T35089-2018，减速器在输出转速nm和负载转矩Tm下的寿命模型建议按照式（1）建立：m000mm000i iittnTenTetnTet tnTe式（A.1）m000mm000i ii式中，tm——减速器寿命；t0——额定转矩下的设计寿命，单位为小时（h）；n0——输出端额定转速，单位为转每分（r/min）；T0——输出端额定转矩，单位为牛顿米（N·m）；nm（，mii

i；Tm——（N.m），TtnTetn；1em iii iie——（（A.1）e=3。伺服电机通过带传动时，其寿命薄弱环节为轴承和转子等易损件。伺服电机轴承为深沟球轴承的，基于滚动轴承球轴承寿命基本额定寿命计算方法，建议采用GB/T24607-2009和GB/T6391-2010中对轴承寿命的评估算法，得到伺服电机的寿命tm：ff Ce式中，

tm——电机寿命；

tm500nTfmfd

式（A.2）inf0n1e——nfm——力矩载荷因数；fd——冲击载荷因数；fT——温度因数；C——基本额定动载荷，N；Pi——当量动载荷，N。6附录B（资料性）基于经验模型的寿命预测示例电机寿命经验模型可采用式(A.1)和式(A.2)，分别称为经验模型1和经验模型2。（1.1）伺服电机转速剖面确定根据电机实际运行工况，确定电机在一个大周期内转速剖面，即转速-时间运行曲线。（1.2）伺服电机平均转速nm确定

图B.1某伺服电机转速剖面伺服电机平均转速由以下公式计算：ntnt m ii i 0 0（1.3）伺服电机轴承周期性负载转矩确定惯量盘加载方式时，存在油封摩擦力矩Tf条件下，轴承输出端负载转矩等于轴承输入端转矩（电（1.4）输出端平均负载转矩Tm确定由加速匀速Tm e 1

1emii（1.5）疲劳寿命计算

tini

i

0it伺服电机的最薄弱环节为滚动轴承，以滚动轴承的寿命代替伺服电机的寿命进行计算，基于疲劳累计损伤原理，轴承疲劳寿命计算公式为：000mmtnTet nTe000mm（2.1）伺服电机转速剖面确定（同模型1）（2.2）伺服电机平均转速nm确定（同模型1）（2.3）伺服电机轴承负载确定首先，确定伺服电机轴承的预紧方式；其次，在电机轴输出端承受径向力和轴向力时，建立电机轴的受力平衡方程，根据力平衡和力矩平衡方程，联合轴承的刚度曲线，结算出每个轴承所承受的径向力Fr和轴向力Fa。7T/CIE125T/CIE125—2021PAGEPAGE10最后，计算轴承的当量动载荷：

PXFrYFa式中P——当量动载荷，N；Fr——径向载荷，N；Fa——轴向载荷，N；X——径向动载荷系数；Y——轴向动载荷系数。（2.4）疲劳寿命计算L10（106Ce L10h60nP 为了简化计算，取500h作为额定寿命的基准，引入速度系数

f0n1e，寿命系数nfh0n

01eff Cet500nT fmfd i附录C（资料性）基于仿真模型的寿命预测方法包括几何建模和有限元建模两个步骤。1）几何建模CADCAD几何模型应包含详细的材料属性，包括材料密度、泊松比、弹性模量、SN曲线等。2）有限元建模：有限元建模包括材料属性设置、网格划分、约束施加、载荷施加等步骤。——材料属性设置，优先采用经过试验验证过的材料参数，可采用软件中材料数据库。GB/T33582-2017机械——约束施加，约束施加应符合实际安装条件，选择合适的约束施加方式。根据选择的应力分析类型，完成求解设置，并进行力及热分析，获得应力和应变分布、热分布。//附录D（资料性）“负载/负载率—寿命”曲线构建1的负载寿命曲线采用式（A.1）的寿命评估模型，此时的“负载/负载率—寿命”曲线的经验公式如下Li t1t100%Li i的/寿命曲线采用式（A.2）的寿命评估模型，此时的“负载/负载率—寿命”曲线的经验公式如下1106

式（D.1）LtiLi

60n0

100%

式（D.1）“/”采用附录C中仿真模型，可以获得特定工况（如电机和减速器的转速及负载）下的寿命，通过仿真不同负载下的寿命，得到一系列寿命值，拟合曲线即可得到“负载/负载率—寿命”曲线。负载率-寿命曲线5.00E+064.50E+064.00E+063.50E+063.00E+062.50E+062.00E+061.50E+061.00E+065.00E+050.00E+0000.511.5负载率22.533.5寿命h负载率-寿命曲线5.00E+064.50E+064.00E+063.50E+063.00E+062.50E+062.00E+061.50E+061.00E+065.00E+050.00E+0000.511.5负载率22.533.5寿命h图D.1负载/负载率—寿命曲线示意图附录E（资料性）基于数据驱动的预测方法图E.1某工业机器人的位姿重复性退化曲线图E.2某工业机器人运行过程的位置偏差跟踪和预测（间隔30分钟采样）图E.3某固定工况工业机器人转矩跟踪和预测（间隔3小时采样）图E.4伺服电机寿命周期下振动加速度均值(间隔