机构运动精度可靠性研究现状
机构运动精度可靠性是影响产品质量、寿命的关键因素且已成为衡量机构运动性能的重要指标，文章对机构运动精度可靠性的研究现状进行了分析，并介绍了目前求解机构可靠度新方法及其应用。
标签：机构运动精度；可靠性；现状
1 概述
机构是传递运动和动力的可动装置，它是機械装备的特征骨架和执行器[1]。
机构的运动和动力性能直接关联着整个机械装备的品质和功能，提高机构的运动于动力性能一直是学者们的研究重点。
传统机构学将机构的概念局限于仅含刚性构件、理想运动副（无间隙或柔性）、构件尺寸绝对精确的机构系统。
然而，真实机构系统具有多种内外部不确定性（如几何公差、运动副间隙与磨损、构件物理参数如密度与弹性模量、工作载荷等的随机性）[2]，这些不确定性对机构运动学与动力学性能有着不可忽视的影响，传统的以确定性参数为基础的机构学研究不能描述上述特征。
技术发展对机构的高精度、可靠性等提出了更高的要求。
机构运动精度可靠性研究是在特定的工作条件和时间内，真实机构的运动输出与理想机构运动输出之间的偏差落在期望误差限范围内的概率。
受不确定性影响，真实机构与理想机构的运动必然存在不确定性或随机偏差，即使这些内外部不确定性很小，但在机构设计时如果不加以考虑或考虑不充分，也可能会造成很大的机构输出的不确定性，进而导致机构运动精度下降、动作不可靠、定位不准确以及动力性能不佳，从而使整个机械装备的功能丧失、性能下降、故障率上升、寿命缩短和用户满意度下降等。
如1978年美国发射的陆地卫星2号由于偏航飞轮失效而导致整星失效，1987年德国发射的TVSAT卫星进入轨道后一翼展开而另一翼卡主而导致整星灾难。
因此，在机构系统设计中必须考虑内外部的不确定性具有相当的必要性和重要性。
但这是确定性设计方法难以胜任的，因此须采用不确定性工程设计理论与方法研究机构的运动输出与不确定性之间的内在联系和规律以及对应的机构设计与分析理论。
2 可靠性方法
可靠性方法是处理不确定性因素最为有效的途径[3]。
通常，不确定性分为随机性、模糊性和有界不确定性，其建模与分析方法分为概率和非概率两大类，与之对应的可靠性分为概率可靠性和非概率可靠性。
研究前者的数学方法主要有概率论、数理统计和随机过程。
对于后者，处理模糊性的数学工具是模糊数学，研究有界不确定性的数学方法和理论是非概率集合理论。
概率方法发展比较成熟，能够得到高精度的不确定性预估。
对机构系统而言，其不确定性主要为随机不确定性，因此，概率设计方法是机构运动不确定性分析与设计最为有效且十分重要的方法，目前已被学术界和工程界广泛认可并采用。
特别是对于有运动精度要求的机构，概率方法可以从概率统计角度对机构运动精度进行解释并赋予概率
精度的含义。
通过概率方法对机构运动精度可靠性研究目前可分为点（瞬时）可靠性方法和时变（区间）可靠性方法，下面将分别介绍。
2.1 点（瞬时）可靠性
在现有的机构可靠性理论中，机构运动精度可靠性大多局限于研究机构运动在其预定工作范围内某特定位置（或特定点）真实机构的运动输出与理想机构运动输出之间的偏差落在期望误差限范围内的概率，我们将这种基于时间点的可靠性称为点可靠性或瞬时可靠性。
机构运动输出误差由机构本身固有的结构误差和由于制造误差、运动副间隙等不确定性因素产生的机械误差两部分组成。
许多学者在此方面做了大量的研究，提出了诸如转换机构法、直接微分法、微分位移合成法、环路增量法、矩阵法等误差建模方法以及最坏情况分析、概率分析和区间分析等误差分析处理方法。
机构运动精度可靠性借助结构工程领域的极限状态模型建立其分析模型，并采用一次二阶矩方法（First Order and Second Moment，FOSM）和蒙特卡洛分析方法（Mento Carlo Simulation，MCS）分析机构在其预定工作范围内某点的实际输出满足期望运动输出的概率。
但是，点可靠性仅研究了机构在预定工作范围内每一给定位置或时间点的可靠度问题，而没有涉及到机构在整个工作范围内的可靠性问题，所以它只反映了机构在给定位置处的局部信息而不能反映机构在该点之前或之后的机构运动情况，不能描述出机构在整个运动范围内的全局信息和特征。
因此，有学者提出了时变（区间）可靠性概念并致力于这方面的研究。
2.2 时变（区间）可靠性
时变可靠性指与时间相关的一种动态可靠度，它不仅反映了所研究的当前时间点的信息而且包括该时间以前系统的全部信息，其最大特点是在其分析模型中引入了时间变量并考虑了两时间点之间的相关性。
时变可靠性研究源于结构工程领域，所涉及的可靠性分析模型中包含随机变量随时间变化和材料强度随时间下降。
目前，时变可靠性分析方法主要有极值法和基于Poison假设的首次穿越理论。
极值法的思想是通过获得所考察对象的性能指标的全局极大或极小值概率分布而将时变可靠度问题转换为点可靠度问题求解。
基于Poison假设的首次穿越理论归结为计算穿越率的问题，穿越率求解是这类问题的核心和难点。
针对该问题，Rice提出著名的Rice公式，随后Middleton对其进行了改进。
但是除对特殊的随机过程如平稳高斯过程可以求得解析穿越公式外，对于一般随机过程其穿越率是难以获得的，为此，张均富提出了基于一次二阶矩（FOSM）和首次穿越理论的均值首穿方法（Mean Value First Passage Method，MVFP）并推导了穿越率的解析表达式[4]。
为了解决均值首穿法在某些情况下求解精度不高和为了避免求解穿越率时在数学处理上的困难，张均富提出联合极值点法（Joint Extreme Point Method，JEP）对球面函数机构的运动精度可靠度进行了高精度求解[5]。
3 结束语
文章介绍了机构运动精度可靠性研究现状，目前研究得最多且较为成熟的为点的（瞬时）非时变可靠性，但是点可靠性仅仅反映系统在某一时间点的局部信
息而非全局信息。
时变（区间）可靠性包含了系统某时间段内的全部信息，所以它较之点可靠性更具有实际意义，但是目前为止在国内外的研究不是很多。
机构可靠性理论的发展对机构的设计、综合有着重大的实际意义，能够预测工程系统的剩余可靠度和寿命，能为为设备或系统的维修、维护提供理论数据并做到事前维护而避免灾难性事故的发生。
参考文献
[1]杨廷力.机器人机构拓扑结构学[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2]孟宪举，张策，詹梅晶，等.含间隙连杆机构精度概率分析模型[J].机械设计，2004，21（9）：35-37.
[3]乔心州.不确定结构可靠性分析与优化设计研究[D].西安：西安电子科技大学，2008，12.
[4]Zhang J F，Du X P. Time-Dependent Reliability Analysis for Function Generator Mechanisms[J].Journal of Mechanical Design，2011，133（3）.
[5]Zhang J f. Reliability analysis of spherical function generating mechanisms[J].Journal of Advanced Mechanical Design，Systems，and Manufacturing，2014.
作者简介：李晓松（1990-），四川达州人，研究方向为设备可靠性与维护改造。