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機構(gòu)可靠性問題可劃分為與承載能力有關(guān)的可靠性問題和與運動功能相關(guān)的可靠性問題。前者可歸結(jié)為結(jié)構(gòu)可靠性問題，后者即機構(gòu)可靠性的重點關(guān)注。以往的機械可靠性較重視與承載能力有關(guān)的結(jié)構(gòu)可靠性問題，而針對機構(gòu)動作研究的較少。

機構(gòu)的工作過程一般可用下圖描述。如果機構(gòu)出現(xiàn)不能開鎖、或開鎖后不能按要求（例如啟動時間要求）啟動、或啟動后不能按規(guī)律運動，或能按規(guī)律運動但在運動到位后不能按要求鎖定在規(guī)定的位置等情況之一，該機構(gòu)的功能就沒有實現(xiàn)。因此，機構(gòu)的主要失效模式可以分為運動精度達不到和卡滯2類。

圖1  機構(gòu)失效模式分析

針對這2類失效模式，國內(nèi)外機構(gòu)可靠性研究主要體現(xiàn)在機構(gòu)運動可靠性研究、機構(gòu)多體動力學(xué)分析與可靠性仿真2方面。相關(guān)研究多數(shù)在不同程度上考慮了制造公差、運動副間隙、構(gòu)件變形、磨損、驅(qū)動力波動等隨機因素的影響。

1、機構(gòu)運動可靠性研究

在機構(gòu)運動可靠性研究方面，前蘇聯(lián)КузнецовА.А等人上世紀(jì)七十年代提出了機構(gòu)可靠性的概念，并探討了飛行器上各種可分離機構(gòu)和轉(zhuǎn)動機構(gòu)的可靠性分析方法。H.P.勃魯也維奇等人較全面地分析了機構(gòu)運動副中的原始誤差，提出了分析運動副間隙引起的機構(gòu)輸出誤差的轉(zhuǎn)換機構(gòu)法，為機構(gòu)運動可靠性的研究奠定了基礎(chǔ)。八十年代，以色列的Sandler應(yīng)用概率方法對齒輪、凸輪機構(gòu)的運動精度做了深入研究，采用非線性方法分析了間隙對機構(gòu)運動的影響。以色列學(xué)者Lee提出了考慮運動副間隙的有效長度模型，成為工程上考慮運動副間隙進行可靠性分析的依據(jù)。日本學(xué)者Misawa分析了衛(wèi)星天線進行展開動作時驅(qū)動力矩大于阻力矩的可靠度。Zhu、Ting研究了考慮尺寸公差和運動副間隙的平面和空間機器人進行可靠性分析的方法。Rao S、BhattiP、Kim J、Song等采用Denavit-Hartenberg變換矩陣建立位移誤差傳遞矩陣，計算了機構(gòu)運動可靠度。Wittwer、Choi、Yoo將線性回歸理論,均值一次二階矩法和蒙特卡羅模擬法等可靠性分析方法結(jié)合到機構(gòu)運動和動作可靠性分析中。Sandu等提出了考慮參數(shù)隨機性進行多體運動學(xué)建模的方法。Bowling將可靠性優(yōu)化設(shè)計理論應(yīng)用于機構(gòu)設(shè)計過程中。

在研究方法上，國外對機構(gòu)運動可靠性分析已提出了微分法、復(fù)數(shù)矢量法、矩陣法、環(huán)路增量法等機構(gòu)建模方法考慮制造公差、運動副間隙等因素的影響，采用結(jié)構(gòu)可靠性算法、模糊數(shù)學(xué)方法、區(qū)間分析法來分析評估機構(gòu)可靠性。微分法、復(fù)數(shù)矢量法、矩陣法和環(huán)路增量法均是根據(jù)機構(gòu)的幾何拓?fù)潢P(guān)系，建立機構(gòu)運動學(xué)解析模型，然后在此基礎(chǔ)上通過數(shù)學(xué)方法得到機構(gòu)的輸出誤差。微分法通過對機構(gòu)運動輸出方程在各參數(shù)的數(shù)學(xué)期望進行微分求得機構(gòu)的輸出誤差。復(fù)數(shù)矢量法通過矢量的加法和乘法來獲得誤差傳遞，但最終誤差函數(shù)式含有大量的偏導(dǎo)數(shù)。矩陣法對于復(fù)雜機構(gòu)需要計算高階矩陣的運算，特別是求逆運算。環(huán)路增量法通過分析相鄰構(gòu)件之間的作用力方位及輸出構(gòu)件上參考點的運動軌跡方式，建立機構(gòu)誤差傳遞的數(shù)學(xué)模型。總體來講，這幾類方法都只適用于建立簡單機構(gòu)的運動學(xué)模型，考慮的影響因素也只限于與運動學(xué)相關(guān)的影響因素，如尺寸誤差，運動副間隙，磨損等因素。當(dāng)需要分析機構(gòu)的動力學(xué)相關(guān)誤差時，這幾類方法的使用受到了限制。

在研究對象上，機構(gòu)運動可靠性的研究涉及簡單的平面連桿機構(gòu)并逐步向復(fù)雜的飛機起落架、空間機構(gòu)、機器人等機構(gòu)擴展，由剛體機構(gòu)向彈性機構(gòu)擴展。目前，考慮損傷累積因素的復(fù)雜機構(gòu)時變可靠性分析評估受到關(guān)注，同時尋求快速有效，精度較高，便于操作的機構(gòu)運動可靠性計算方法，依然是可靠性理論研究中值得關(guān)注的問題。

2、機構(gòu)多體動力學(xué)分析與可靠性仿真

前述研究側(cè)重在機構(gòu)運動可靠性，建立在多剛體運動學(xué)分析的基礎(chǔ)上,不考慮構(gòu)件受力之后發(fā)生的變形，適于機構(gòu)運動速度較低、構(gòu)件剛度較大的情況。隨著柔性機構(gòu)在航空、航天和機器人等裝備中的大量應(yīng)用，剛?cè)峄旌蠙C構(gòu)的可靠性設(shè)計理論和方法逐漸受到重視。剛?cè)峄旌蠙C構(gòu)工作中往往要承受多因素聯(lián)合作用，從而導(dǎo)致機構(gòu)可能產(chǎn)生多種故障模式，使機構(gòu)的性能和功能發(fā)生退化或劣化。這種情況下，基于多剛體動力學(xué)分析的機構(gòu)可靠性方法中不再適用，因此人們發(fā)展了一種稱為KED（Kineto-Elasto Dynamics 運動彈性動力學(xué)方法）的柔性機構(gòu)動力學(xué)分析技術(shù)。這種方法將機構(gòu)的真實運動近似地看成剛性運動和彈性變形疊加而成，機構(gòu)整個運動過程被離散化為一系列機構(gòu)位置，在每一位置上，機構(gòu)均被視為一瞬時結(jié)構(gòu)，從而可借用有限元法求出彈性位移。KED方法逐漸應(yīng)用在彈性機構(gòu)動力學(xué)分析和彈性機構(gòu)可靠性分析上，Zobairi等利用KED方法對機構(gòu)運動學(xué)參數(shù)進行分析，提供了構(gòu)建幾何尺寸的優(yōu)化設(shè)計方法；Surdilovic和Vukobratovic應(yīng)用KED方法建立了機械臂的模型，并提供了一種效率較高的可靠性計算方法。由于KED方法計算復(fù)雜，柔性構(gòu)件的動力學(xué)方程是時變微分方程，在運動過程中機構(gòu)動態(tài)響應(yīng)難以顯式表示，因此只適用于簡單機構(gòu)的可靠性分析，對于復(fù)雜機構(gòu)進行可靠性分析則未見到公開報道。

隨著多體運動學(xué)和動力學(xué)仿真軟件的成熟，如ADAMS、LMS-Motion、Simpack逐漸具備剛?cè)峄旌辖：头抡婺芰?，為借助這些軟件開展機構(gòu)可靠性仿真分析奠定了基礎(chǔ)。采用仿真模型能夠較完整的描述原機構(gòu)的輸入輸出關(guān)系，模型中既可以考慮機構(gòu)運動學(xué)相關(guān)的影響因素，又可考慮機構(gòu)動力學(xué)的相關(guān)影響因素，如速度、摩擦、載荷、變形等因素。通過建立機構(gòu)的參數(shù)化仿真模型，利用蒙特卡羅方法進行上百萬次的模擬計算，然后利用統(tǒng)計方法得到機構(gòu)可靠度。當(dāng)可靠度很高時，蒙特卡羅法需要的抽樣次數(shù)太多，導(dǎo)致計算效率很低。為了提高復(fù)雜機構(gòu)的計算效率，最普遍的方法是仍然是利用多項式響應(yīng)面法、Kriging模型、徑向基函數(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等多種方法進行復(fù)雜機構(gòu)的可靠性分析。

總的來看，機構(gòu)可靠性與結(jié)構(gòu)可靠性都通過建立功能函數(shù)進行可靠性分析計算，采用的可靠性計算方法基本是一致的，主要區(qū)別有2點：

1）故障表征參數(shù)不同，結(jié)構(gòu)可靠性一般用應(yīng)力、應(yīng)變、損傷等建立功能函數(shù)，機構(gòu)可靠性一般用運動精度、誤差、速度等建立功能函數(shù)。

2）故障表征參數(shù)計算方法不同，結(jié)構(gòu)可靠性一般采用有限元方法計算應(yīng)力、應(yīng)變等，機構(gòu)可靠性一般采用多體運動學(xué)、多體動力學(xué)方法計算運動精度、誤差等，甚至?xí)紤]構(gòu)件的結(jié)構(gòu)變形影響。

3、機構(gòu)可靠性分析應(yīng)用方式

圖2給出了機構(gòu)可靠性集成應(yīng)用的主要步驟：

圖2  機構(gòu)可靠性集成應(yīng)用方式

（1）根據(jù)任務(wù)剖面和設(shè)計要求，采用FMEA、FTA方法，確定機構(gòu)運動功能的關(guān)鍵失效模式，并依據(jù)歷史經(jīng)驗、試驗數(shù)據(jù)或已有故障信息，確定極限狀態(tài)失效判據(jù)（機構(gòu)運動精度達不到、運動卡滯、運動副磨損等）

（2）根據(jù)產(chǎn)品任務(wù)剖面和設(shè)計要求，并結(jié)合典型失效模式，確定主要失效模式的影響因素，并參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或歷史數(shù)據(jù)確定影響因素的隨機特征（分布類型和分布參數(shù)），在有可能的條件下也可通過試驗獲得影響因素的隨機特征量；

（3）依據(jù)導(dǎo)致機構(gòu)運動失效的判據(jù)，如運動精度、卡滯、運動副磨損等，考慮主要影響因素及其隨機特征，采用應(yīng)力強度干涉模型或極限狀態(tài)函數(shù)建立可靠性模型；其中對于代表機構(gòu)運動功能的表征量，如位移、速度、加速度、驅(qū)動力等，此處假設(shè)了能夠建立主要影響因素與特征量的顯式運動學(xué)公式，如果采用ADAMS等多體動力學(xué)軟件進行計算時，則應(yīng)按照集成CAE可靠性應(yīng)用方式，構(gòu)造表征量的近似響應(yīng)面模型來建立可靠性模型。

（4）應(yīng)用可靠性計算方法（一次可靠度法，二次可靠度法、抽樣法和響應(yīng)面法等）進行計算，確定可靠度的數(shù)值，并進行參數(shù)的靈敏度分析。

（5）當(dāng)計算的可靠性結(jié)果達不到設(shè)計要求時，可依據(jù)參數(shù)靈敏度結(jié)果對設(shè)計進行調(diào)整迭代，直到達到設(shè)計要求。