機器人MTBF值的評定方式

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MTBF 50，000 hrs；KUKA新型 KR QUANTEC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MTBF

MTBF（Mean time between failures 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(nèi)，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(nèi)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“Bathtub curve”?！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(nèi)分成三個階段：早期失效期（“Burn-in” Period）、偶然失效期（Normal Operating Period）、耗損失效期（Wear-out Period）。

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(nèi)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(nèi)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(nèi)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Failure Rate，而非橫坐標壽命（Life Expectancy）。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(nèi)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(quán)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(gòu)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(jié)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/T 29482.1-2013、GB/T 32245-2015。

機器人產(chǎn)品組成較為復雜，既包含了傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)件為主的機械執(zhí)行機構(gòu)，也有電子電氣等驅(qū)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。
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