机器人行业：2022版中国机器人可靠性信息报告

2022版 中国机器人 可靠性信息报告 国家机器人检测与评定中心（总部）上海机器人研发与转化功能型平台 2022年9月 1 目录 前言1 1机器人可靠性指标2 2机器人可靠性技术及标准4 3机器人可靠性测评机构16 4机器人可靠性水平19 4.1工业机器人可靠性水平19 4.2AGV/AMR可靠性水平20 4.3服务机器人可靠性水平21 5机器人典型故障信息22 5.1工业机器人典型故障信息22 5.1.1整机典型故障信息22 5.1.2工业机器人零部件典型故障信息26 5.2AGV/AMR典型故障信息32 5.3服务机器人典型故障信息34 6机器人全寿命周期可靠性技术35 7结语37 2 前言 机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制诰业水平的重要标志，机器人是改善人类生活方式的重要切入点，对于经济发展和社会民生具有重要意义，机器人产业已成为全球关注重点。 机器人作为自动化技术高度发展的产物，具有以下特点：1）设计结构复杂：例如工业机器人由控制器、减速器、伺服系统等构成，融合了电子系统和精密机械零部件，对可靠性水平的提升提出了挑战；2）使用场景复杂：机器人根据其设计特点，使用场景可能包括室内或室外，移动类型的机器人还会受到各种复杂路面的影响；3）失效影响大：特别是工业领域的机器人已经是整个生产线的重要环节，一般是多个机器人协同作业，一旦功能丧失或性能偏差会造成产线无法正常进行，甚至存在安全隐患。因此基于机器人的设计结构、使用场景、使用工况，研究机器人的可靠性技术，并对机器人可靠性水平进行评价至关重要。在“十四五”机器人产业发展规划中也将机器人安全性与可靠性技术作为机器人核心技术攻关行动之一。可见随着我国机器人产业的发展，全社会和整个行业越来越重视机器人的可靠性。 1 1机器人可靠性指标 机器人可靠性是指机器人在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。 累 平 均 积失 失效 效 概率 率 故 障间隔时间 机器人可靠性指标 使用寿命 任务可靠度 从机器人的角度考虑，涉及到的可靠性指标如图1所示。其中平均故障间隔时间（MTBF）和使用寿命分别从产品的运行稳定性和耐久性进行考核，是目前机器人行业使用最多的两个指标。在产品寿命分布已知的情况下，任务可靠度、累积失效概率、失效率可以由平均故障间隔时间计算得到。具体来说，机器人可靠性指标的取值，要根据它的特性、复杂程度及使用特点来确定。 图1机器人可靠性指标 （1）平均故障间隔时间（MTBF） n 平均故障间隔时间是产品在相邻两次故障之间的平均工作时间，它是可修复产品的一种基本可靠性参数。 ti MTBFi1 rn 式中：ti—在规定的时间内，每个产品的累积工作时间； rn—产品在工作时间内出现的的故障总数。 在论证提出MTBF指标时，应明确指标的统计含义，说明该指标是均值还是用置信下限等。 （2）使用寿命 2 产品使用到无论从技术上还是经济上考虑都不宜再使用，而必须翻修或报废时的寿命单位数。 3 2机器人可靠性技术及标准 机器人可 靠性标准 作为指导机器人可靠性测评的依据，可靠性标准属于机器人标准体系框架中性能规范，是机器人标准体系的重要组成部分（如图2）。 可靠性标准 通用标准 工业机器人可靠性 服务机器人可靠性 AGV/AMR 可靠性 图2机器人可靠性标准体系 目前关于机器人可靠性的标准有工业机器人整机可靠性标准、工业机器人零部件可靠性标准、AGV/AMR可靠性标准、服务机器人可靠性标准等。 （1）工业机器人整机 之前，行业没有关于工业机器人MTBF测评的标准，企业没有MTBF测评的标准依据，随着GB/T39590.1-2020、20203803-T-604、T/CEEIA558-2021等 标准的推进，工业机器人MTBF测评有了标准依据。 目前关于工业机器人可靠性测评主要有两种方式，一种是现场统计的方式，该方式需要的样品量大、统计的时间较长，另一种是试验场试验的方式，通常采用加速试验，通过失效机理模型进行加速试验条件的计算，能够缩短试验时间，提高试验效率，快速地进行工业机器人可靠性评定。 工业机器人整机可靠性相关标准如表1所示。 4 表1工业机器人整机可靠性相关标准 序号 标准编号及名称 标准状态 1 GB/T39590.1-2020机器人可靠性第1部分：通用导则 已发布 2 GB/T39266-2020工业机器人机械环境可靠性要求和测试方法 已发布 3 20203803-T-604工业机器人平均无故障工作时间计算方法 正在审查 4 T/CEEIA558-2021工业机器人可靠性测试与评定 已发布 5 T/CEEIA593-2022工业机器人耐久性测试方法 已发布 6 T/GDEIIA4-2020工业机器人可靠性指标评价方法 已发布 7 T/GDEIIA3-2020工业机器人可靠性通用要求 已发布 8 T/FSAS23-2018工业机器人可靠性评定 已发布 9 20203801-T-604工业机器人运行维护第1部分：在线监测 正在审查 10 20203797-T-604工业机器人运行维护第2部分：故障诊断 正在审查 11 20203705-T-604工业机器人运行维护第3部分：健康评估 正在审查 12 20203710-T-604工业机器人运行维护第4部分：预测性维护 正在审查 （2）控制器 机器人控制器的可靠性分为硬件和软件两方面，硬件可靠性和软件可靠性对机器人的稳定运行都十分重要。 为了确保机器人控制器的硬件可靠性，利用图3所示的技术路线，针对机器人控制器硬件可靠性提升面临的瓶颈，研究高可靠性设计保证技术，定量评估产品研发阶段的可靠性，找出产品的薄弱环节，提高工业机器人控制器的可靠性水平。 5 验证阶段 样机阶段 HALT试验 设计阶段 MTBF指标预计 方案对比 可靠性预计 可靠性建模 MTBF指标验证 MTBF试验 提高控制器可靠性 故障激发识别敏感应力可靠性增长提高替代可靠性 图3工业机器人控制器硬件可靠性提升技术 加速MTBF试验 可靠性强化试验 1）试验样品 2）统计方案 3）试验时间 4）试验条件：温度、湿度、电应力 5）样品功能和性能检测 6）故障判据、分类及统计 7）故障处理 8）相关试验时间统计 9）试验的结束 找出控制器设备中的薄弱环节并改进，提高控制器可靠性 针对机器人控制器硬件设计缺陷不易发现的难题，研究故障激发与快速提升技术，通过施加步进应力激发产品的潜在缺陷，并研究控制器可靠性指标加速验证及增长技术，工业机器人的控制器进行MTBF的快速验证，对故障进行分析提出改进措施，使产品的可靠性水平得到快速提升，如图4所示。控制器部件可靠性强化试验有可能导致例如冷热变化导致电连接器接触不良、电连接件由于振动导致的接插件松动或脱落的典型故障。 图4工业机器人控制器硬件可靠性提升方法 基于机器人控制器软件可靠性测评缺乏依据的问题，研究控制器软件质量评价和软件安全测试技术，从控制器的功能性、兼容性、静态分析、单元测试、代码漏洞扫描等方面对控制器的软件可靠性进行测试和评价，如图5所示。 6 功能性 性能效率 兼容性易用性可靠性信息安全性维护性可移植性 软件安全 软件质量 软件可靠性测评 静态分析 单元测试 HIL-功能测试 HIL-性能测试 HIL-故障注入 代码漏洞扫描 渗透测试 应用漏洞扫描 图5工业机器人控制器硬件可靠性提升技术 控制器与机器人本体配套使用，进行MTBF试验的整机，其控制器也通过相应的MTBF值。 工业机器人控制器可靠性相关标准如表2所示。 表2工业机器人控制器可靠性相关标准 序号 标准编号及名称 标准状态 1 GB/T37414.1-2019工业机器人电气设备及系统第1部分：控制装置技术条件 已发布 2 T/CEEIA556-2021机器人控制部件可靠性强化试验方法 已发布 3 T/GQDA00005—2021机器人控制器加速试验与可靠性指标验证方法 已发布 4 CEEIA2022046工业机器人控制器通用规范 立项通过 （3）减速器 随着国产工业机器人销量不断上升，国产减速器企业获得了源源不断的发展助力，国产减速器伴随着工业机器人开始崛起之路。近两年，在有了相对的技术沉淀之后，国产减速器企业无论是在技术上，还是在成本控制上，都取得了一定的突破。虽然市场依旧由国外减速器主导，但是国产减速器也在不断进步。 7 绿的、来福、大族、昊志机电、中技克美、北京谐波等，其中绿的谐波发布的 N系列谐波减速器，具有精度高、承载高、温升小、效率高、运行平稳、抗冲 击能力强等特性，“精度保持寿命”超过2万小时；昊志机电谐波减速器，标称 传动精度可达25角秒，重复定位精度达5角秒，寿命L10可达10000小时以上， L50可达50000小时以上。RV减速器方面有：双环传动、南通振康、中大力德、 秦川发展、武汉精华等品牌。国产RV减速器在额定转速和额定负载下，通常运 转噪音低于80db，标称寿命长于6,000小时。 目前，国内涌现出一批机器人减速器研发生产企业，在谐波减速器方面如： 图6机器人用精密减速器（左图：谐波减速器右图：RV减速器） 工业机器人减速器可靠性相关标准如表3所示。 表3工业机器人减速器可靠性相关标准 序号 标准编号及名称 标准状态 1 GB/T30819-2014机器人用谐波齿轮减速器 已发布 2 GB∕T36491-2018机器人用摆线针轮行星齿轮传动装置通用技术条件 已发布 3 GB∕T37165-2018机器人用精密摆线针轮减速器 已发布 4 GB/T35089-2018机器人用精密齿轮传动装置试验方法 已发布 5 GB/T37718-2019机器人用精密行星摆线减速器 已发布 6 T/CEEIA595-2022机器人精密减速器温度适应性要求和测试方法 已发布 8 userid:497168,docid:145180,date:2023-11-08,sgpjbg.com （3）伺服系统 伺服电机作为工业机器人的核心零部件，其性能对于工业机器人的使用影响较大。伺服电机系统具有精度高、响应快、适应性强等特点，随着国内企业针对性地投入研发力量并在交流伺服电机核心技术上取得关键性突破，国内产品各项性能均有大幅提升，部分伺服产品速度波动率指标已经低于0.1%，国内外技术差距已经开始出现缩减趋势。目前，工业机器人伺服系统国产代表企业主要有台达、汇川、埃斯顿、大族电机等。同时，高精度编码器作为伺服电机中的核心部件，目前严重依赖进口，是我国伺服电机产品突破的重要瓶颈。 图7机器人用伺服电动机 工业机器人电机可靠性相关标准如表4所示。 表4工业机器人电机可靠性相关标准 序号 标准编号及名称 标准状态 1 GB/T39633-2020协作机器人用一体式伺服电动机系统通用规范 已发布 2 GB/T39553-2020直流伺服电动机通用技术条件 已发布 3 GB∕T37414.2-2020工业机器人电气设备及系统第2部分：交流伺服驱动装置技术条件 已发布 4 GB/T37414.3-2020工业机器人电气设备及系统第3部分：交流伺服电动机技术条件 已发布 5 GB/T16439-2009交流伺服系统通用技术条件 已发布 6 GB/T7344-2015交流伺服电动机通用技术条件 已发布 7 GB/T30549-2014永磁交流伺服电动机通用技术条件 已发布 9 序号 标准编号及名称 标准状态 8 JB/T11991-2014工业机械数字控制系统用交流伺服电动机 已发布 9 JB/T5867-2004空心杯电枢永磁直流伺服电动机通用技术条件 已发布 10 JB/T5866-2004宽调速永磁直流伺服电动机通用技术条件 已发布 11 JB/T5868-2004印制绕组直流伺服电动机通用技术条件 已发布