ГОСТ Р 60.0.7.3-2020

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОБОТЫ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Метод математического моделирования показателей надежности и виртуализации испытаний на надежность базовых элементов робототехнических комплексов при проектировании

Robots and robotic devices. Method of mathematical modeling of reliability indicators and virtualization of reliability tests of basic elements of robotic complexes in design

ОКС 35.020

Дата введения 2021-03-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА" (ООО "НИИ "АСОНИКА")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 141 "Робототехника"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 декабря 2020 г. N 1402-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение

Целью стандартов комплекса "Роботы и робототехнические устройства" является повышение интероперабельности роботов и их компонентов, а также снижение затрат на их разработку, производство и обслуживание за счет стандартизации и унификации процессов, интерфейсов и параметров.

Стандарты комплекса "Роботы и робототехнические устройства" представляют собой совокупность отдельно издаваемых стандартов. Стандарты данного комплекса относятся к одной из следующих тематических групп: "Общие положения, основные понятия, термины и определения", "Технические и эксплуатационные характеристики", "Безопасность", "Виды и методы испытаний", "Механические интерфейсы", "Электрические интерфейсы", "Коммуникационные интерфейсы", "Методы моделирования и программирования", "Методы построения траектории движения (навигация)", "Конструктивные элементы". Стандарты любой тематической группы могут относиться как ко всем роботам и робототехническим устройствам, так и к отдельным группам объектов стандартизации: промышленным роботам в целом, промышленным манипуляционным роботам, промышленным транспортным роботам, сервисным роботам в целом, сервисным манипуляционным роботам и сервисным мобильным роботам.

Настоящий стандарт относится к тематической группе "Методы моделирования и программирования" и определяет метод математического моделирования показателей надежности и виртуализации испытаний на надежность базовых элементов робототехнических комплексов (БЭ РТК) при проектировании.

Применение моделирования БЭ РТК на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца позволит избежать отказов РТК или их значительно сократить на этапе испытаний опытного образца, сокращая тем самым количество испытаний опытного образца, возможные итерации по доработке схем и конструкций, затраты на разработку РТК при одновременном повышении качества и надежности, в том числе в критических режимах работы, делая РТК конкурентоспособными на отечественном и международном рынке.

Использование только натурных испытаний РТК на внешние воздействующие факторы (ВВФ) без применения моделирования малоинформативно и неэффективно, так как на этапе проектирования не отслеживается большинство возможных отказов РТК; при испытаниях не проверяются критические режимы (либо технически невозможно, либо дорого из-за возможных отказов испытуемых изделий); из-за недоработок проектирования РТК, вскрытых путем испытаний, возможно множество итераций: доработка проекта - испытания опытного образца - доработка проекта и т.д., что значительно увеличивает сроки и стоимость разработки; при натурных испытаниях практически невозможно воспроизвести комплексные (одновременно действующие) воздействия; невозможно установить датчики во всех точках конструкции РТК и контролировать их поведение, выбор контрольных точек при испытаниях субъективен и опирается в основном на опыт и интуицию.

     1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт распространяется на роботов и робототехнические устройства.

1.2 Настоящий стандарт устанавливает метод математического моделирования показателей надежности и виртуализации испытаний на надежность базовых элементов робототехнических комплексов (электронных блоков и узлов) на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца по результатам их моделирования на внешние воздействующие факторы с целью обеспечения требуемых показателей надежности.

1.3 Настоящий стандарт не распространяется на рассмотрение всех проблем проектирования и обеспечения надежности робототехнических комплексов.

     2 Термины, определения и сокращения

2.1 В настоящем стандарте применен следующий термин с соответствующим определением:

2.1.1 базовый элемент робототехнических комплексов: Электронный блок или узел.

2.2 В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

БЭ - базовые элементы;

ВВФ - внешние воздействующие факторы;

КРР - карты рабочих режимов;

ПУ - печатный узел;

РТК - робототехнические комплексы;

ТЗ - техническое задание;

ЭРИ - электрорадиоизделие.

     3 Общие положения

3.1 Целью настоящего стандарта является оказание методической помощи предприятиям промышленности и организациям в применении математического моделирования показателей надежности и виртуализации испытаний на надежность БЭ РТК на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца.

В настоящем стандарте определен метод математического моделирования показателей надежности и виртуализации испытаний на надежность БЭ РТК при проектировании по результатам их моделирования на ВВФ с целью обеспечения требуемых показателей надежности [1], [2] и приведен пример его программной реализации.

Установлен порядок применения данного метода на стадиях проектирования и изготовления, а также удостоверения заказчика в том, что на стадиях конструирования и производства выполнены оценки возможных вариантов конструктивного исполнения изделий с точки зрения достижения заданных ТЗ эксплуатационных характеристик.

3.2 Метод математического моделирования показателей надежности и виртуализации испытаний на надежность БЭ РТК предназначен для использования подразделениями предприятий, на которые возложены соответствующие задачи.

3.3 Замена испытаний БЭ РТК компьютерным моделированием надежности еще до изготовления. Это значительная экономия денежных средств и сокращение сроков создания БЭ РТК при одновременном повышении качества и надежности за счет сокращения количества испытаний.

3.4 Настоящий стандарт устанавливает принципы применения математического моделирования БЭ РТК в процессе их проектирования с целью анализа и оптимизации принимаемых конструктивно-технологических решений, а также с целью своевременного выявления возможных несоответствий разрабатываемого образца БЭ РТК требованиям ТЗ. Включенные в настоящий стандарт принципы применения математического моделирования (и реализующие их системы автоматизированного проектирования) изложены применительно к решению задачи обеспечения надежности БЭ РТК.

3.5 Рекомендации и методы, приведенные в настоящем стандарте, предназначены для пользования специалистами - разработчиками БЭ РТК в процессе проектирования с целью выбора и предварительной оценки эффективности конструкторских решений в части обеспечения требований по надежности, а также с целью оптимизации программ испытаний опытных и серийных образцов БЭ РТК.

     4 Метод математического моделирования показателей надежности и виртуализации испытаний на надежность БЭ РТК, основанный на комплексной модели надежности БЭ РТК

4.1 Цель испытаний

Конечной целью испытаний является обеспечение требуемых показателей надежности БЭ РТК в условиях внешних дестабилизирующих воздействий на основе комплексной модели надежности БЭ РТК.

4.2 Общие положения

4.2.1 Комплексную модель надежности БЭ РТК создают на основе сквозного автоматизированного моделирования физических процессов. Таким образом, предварительно обязательно проводят моделирование всех физических процессов в БЭ РТК, так как на надежность БЭ РТК оказывают влияние внешние дестабилизирующие факторы - электрические, тепловые, механические, климатические, биологические, радиационные, электромагнитные, специальных сред и термические.

4.2.2 Показатели надежности БЭ РТК определяют исключительно по результатам их моделирования на внешние дестабилизирующие воздействия.

4.2.3 Для оценки показателей надежности БЭ РТК необходимо создание единой комплексной модели, в которой были бы учтены основные, влияющие на технические показатели БЭ РТК, связи между протекающими физическими процессами.

4.3 Комплексная модель надежности БЭ РТК на основе сквозного автоматизированного моделирования физических процессов

Под комплексностью понимается учет при анализе надежности всего комплекса ВВФ, включающих прежде всего тепловые, механические, электромагнитные воздействия. В состав программного обеспечения виртуальных испытаний на надежность должны входить модули по анализу электрических, тепловых, механических, электромагнитных процессов в БЭ РТК, созданию КРР ЭРИ и анализу показателей безотказности и долговечности. На рисунке 4.1 приведена структура комплексной модели надежности, основанной на виртуальных испытаниях БЭ РТК на внешние тепловые, механические, электромагнитные воздействия.

В состав комплексной модели надежности входит интегрированная база данных ЭРИ и материалов по геометрическим, физико-механическим, усталостным, теплофизическим, электрическим, электромагнитным и надежностным параметрам.

Рисунок 4.1 - Структура комплексной модели надежности БЭ РТК на основе сквозного автоматизированного моделирования физических процессов

4.4 Оцениваемые характеристики и расчетные соотношения

4.4.1 На первом этапе оцениваемыми характеристиками являются электрические, тепловые, механические, электромагнитные характеристики БЭ РТК, которые не должны превышать максимально допустимые значения, заданные в нормативных документах и технической документации.

4.4.2 На втором этапе оцениваемыми характеристиками являются показатели безотказности и долговечности, полученные с учетом рассчитанных на первом этапе итоговых электрических, тепловых, механических, электромагнитных характеристик БЭ РТК.

4.4.3 Оценка электрических характеристик на первом этапе

4.4.3.1 Оцениваемыми электрическими характеристиками являются электрические характеристики, необходимые для теплового расчета, расчета показателей надежности и формирования КРР ЭРИ.

4.4.3.2 Интеграция модуля ввода электрической схемы системы и подсистемы анализа конструкций ПУ БЭ РТК на тепловые и механические воздействия.

Необходимо передать в подсистему анализа конструкций ПУ БЭ РТК на тепловые и механические воздействия файл с перечнем ЭРИ, имеющий расширение ilp и следующую структуру:

<Позиционное обозначение ЭРИ>:<Полная условная запись ЭРИ>

4.4.3.3 Интеграция модуля расчета электрической схемы и подсистемы анализа конструкций ПУ БЭ РТК на тепловые и механические воздействия:

- результаты расчета мощностей тепловыделения ЭРИ, в т.ч. для цифровых и аналоговых микросхем, в статическом и динамическом режимах, сохраняют в текстовом файле следующей структуры:

<Позиционное обозначение ЭРИ><Значение мощности в Вт>

- данный текстовый файл передают в подсистему анализа конструкций ПУ БЭ РТК на тепловые и механические воздействия;

- на основе полученных мощностей в подсистеме анализа конструкций ПУ БЭ РТК на тепловые и механические воздействия рассчитывают температуры в конструкции ПУ, в том числе на каждом ЭРИ.

4.4.3.4 Интеграция модуля расчета электрической схемы системы и подсистемы анализа показателей безотказности и долговечности с учетом реальных режимов работы ЭРИ:

- электрические характеристики (токи, напряжения, мощности и др.), полученные в результате расчета электрической схемы, сохраняют в текстовом файле следующей структуры:

<Позиционное обозначение ЭРИ><Сила тока в А><Напряжение в В><Мощность в Вт><др. возможные электрические характеристики>

- данный текстовый файл передают в подсистему анализа показателей безотказности и долговечности;

- на основе полученных электрических характеристик в подсистеме анализа показателей безотказности и долговечности рассчитывают показатели безотказности и долговечности БЭ РТК, в том числе каждого ЭРИ.

4.4.3.5 Интеграция модуля расчета электрической схемы и подсистемы автоматизированного заполнения КРР ЭРИ:

- электрические характеристики (токи, напряжения, мощности и др.), полученные в результате расчета электрической схемы, сохраняют в текстовом файле log.txt следующей структуры:

<Позиционное обозначение ЭРИ><Сила тока в А><Напряжение в В><Мощность в Вт><др. возможные электрические характеристики>

В приложении А приведены перечни параметров ЭРИ (в соответствии с [1]).

Данный текстовый файл передают в подсистему автоматизированного заполнения КРР ЭРИ.

На основе полученных электрических характеристик в подсистеме автоматизированного заполнения КРР ЭРИ формируются КРР ЭРИ.