可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用研究★

潘廣澤， 劉文威， 李小兵， 楊劍鋒， 袁婷， 袁澤譚

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東 廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心,廣東 廣州 510610；4.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,伺服系統(tǒng)不斷地采用新技術(shù)、新工藝,其功能越來越強(qiáng)大,系統(tǒng)越來越復(fù)雜,可靠性也越來越高。傳統(tǒng)的環(huán)境模擬試驗(yàn)的周期長、費(fèi)用高且不能完全暴露產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝缺陷與薄弱環(huán)節(jié)。為此需要研究或引入一種能夠快速、高效地激發(fā)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工藝缺陷與薄弱環(huán)節(jié)的試驗(yàn)技術(shù)。在此背景下,可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)通過施加一種高于產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的環(huán)境應(yīng)力來快速地激發(fā)產(chǎn)品的缺陷,以及暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),找到并提高產(chǎn)品的工作極限和破壞極限；同時,通過對試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障和失效的機(jī)理進(jìn)行分析,采取改進(jìn)措施,從而達(dá)到盡早地發(fā)現(xiàn)缺陷并改正缺陷的目的[1-2]。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)這一方法自在國外被提出之后,在各個工業(yè)部門中得到了廣泛的應(yīng)用,特別是在電子、機(jī)電和機(jī)械領(lǐng)域產(chǎn)品中的應(yīng)用,獲得了顯著的效果。目前,國外有許多機(jī)構(gòu)在從事可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)的研究,例如:Qual Mark、Dalse Engineering Solutions、 Hobbs Engineering、 IBM、Boreing和SONY等公司[3]。美國的Garwood Labratories公司提供給客戶的一項(xiàng)重要服務(wù)就是產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn),它把可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)作為全面提高用戶產(chǎn)品的質(zhì)量、根除產(chǎn)品保質(zhì)期召回率的一項(xiàng)重要的技術(shù)手段[4]；Dalse Engineering Solutions公司曾經(jīng)依靠可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)幫助有關(guān)工業(yè)設(shè)備公司改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量和加工能力,使其銷售額提高了35%[5]。

相對于國外,國內(nèi)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)的研究與應(yīng)用還處于起步階段,有著廣闊的發(fā)展前景。姜同敏等[6-7]對可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)定量評估方法開展了大量的研究,溫熙森等[8]對模塊級電子產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法開展了研究工作。雖然國內(nèi)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展迅速,不過相較于國外而言,仍缺乏系統(tǒng)的理論和指導(dǎo)方法,在實(shí)際應(yīng)用方面,其數(shù)據(jù)積累更是匱乏。在伺服系統(tǒng)領(lǐng)域,可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)研究的相關(guān)文獻(xiàn)資料很少。因此,本文結(jié)合伺服系統(tǒng)的特點(diǎn),研究了基于復(fù)雜系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法。

1 伺服系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

伺服系統(tǒng)包括控制器、伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)3部分。其組成結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下所述[9]。

a）伺服系統(tǒng)的不同部件經(jīng)受不同的應(yīng)力環(huán)境

由于伺服系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)較為特殊,因而其不同的部件具有不同的使用環(huán)境。伺服電機(jī)除了要經(jīng)受溫度、振動和濕度等環(huán)境應(yīng)力之外,還要經(jīng)受負(fù)載力、轉(zhuǎn)速、壓力和行程等多種工作應(yīng)力的作用,并且其經(jīng)受的工作應(yīng)力的量值通常較大；而控制器和伺服驅(qū)動器則主要承受溫度、振動和濕度等環(huán)境應(yīng)力的作用,幾乎沒有承受工作應(yīng)力。

b）伺服系統(tǒng)的失效模式具有多樣性和復(fù)雜性

伺服系統(tǒng)的失效模式與材料、具體的結(jié)構(gòu)形狀、環(huán)境應(yīng)力條件和載荷性質(zhì)及其大小等有密切的關(guān)系,并且各種失效模式之間還存在著極強(qiáng)的耦合性。其中,伺服電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,各種零部件所承受的應(yīng)力不同,其失效形式可以是損壞、失調(diào)、松脫及其組合等多種表現(xiàn)形式；同一個零部件可能有多種失效模式,同一種失效模式又可能發(fā)生在不同的部位,從而大大地增加了失效模式分析的難度和復(fù)雜性。相比而言,控制器和伺服驅(qū)動器的失效模式較為簡單,主要有開路、短路、擊穿、器件損壞和接觸不良等,各種失效模式之間比較獨(dú)立,耦合性不強(qiáng)。

2 伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)研究

2.1 總體思路

根據(jù)伺服系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),為了更充分地激發(fā)伺服系統(tǒng)的缺陷和薄弱環(huán)節(jié),首先,分別針對伺服系統(tǒng)的電子部分和機(jī)械部分設(shè)計(jì)強(qiáng)化試驗(yàn)方案,并據(jù)此分別開展試驗(yàn)；然后,再將電子部分和機(jī)械部分組裝在一起開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。具體的過程如下所述:

1）對伺服系統(tǒng)的控制器和伺服驅(qū)動器開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn),利用極嚴(yán)酷的環(huán)境應(yīng)力充分地暴露其設(shè)計(jì)和工藝缺陷,以及薄弱環(huán)節(jié)；

2）對伺服電機(jī)開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn),利用極嚴(yán)酷的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力,充分地暴露其設(shè)計(jì)和工藝缺陷,以及薄弱環(huán)節(jié)；

3）根據(jù)上述試驗(yàn)來確定伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的條件并開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn), 充分地暴露其電子部分和機(jī)械部分交互作用時的設(shè)計(jì)和工藝缺陷,以及薄弱環(huán)節(jié)。

其中,對于伺服系統(tǒng)整機(jī)的強(qiáng)化試驗(yàn),需要充分地考慮控制器和伺服驅(qū)動器所能承受的環(huán)境應(yīng)力極限,即環(huán)境應(yīng)力的截止條件一般以控制器和伺服驅(qū)動器耐受環(huán)境條件來設(shè)定。 同時,對伺服電機(jī)施加工作應(yīng)力,工作應(yīng)力的截止條件根據(jù)伺服電機(jī)耐受工作條件來設(shè)定。

2.2 控制器和伺服驅(qū)動器的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程

控制器和伺服驅(qū)動器的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)按照以下5個項(xiàng)目的順序完成試驗(yàn):

1）低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)；

2）高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)；

3）快速溫度循環(huán)試驗(yàn)；

4）振動步進(jìn)試驗(yàn)；

5）綜合環(huán)境試驗(yàn)。各個試驗(yàn)項(xiàng)目之間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 控制器和伺服驅(qū)動器的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程

在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)前,需采用紅外熱成像儀對控制器和伺服驅(qū)動器進(jìn)行非接觸式溫度調(diào)查,以便了解受試產(chǎn)品的熱分布和溫升情況；同時,也應(yīng)對其開展振動響應(yīng)調(diào)查分析,以便獲取其振動響應(yīng)量值,為試驗(yàn)中的故障排除提供參考。

2.2.1 低溫步進(jìn)試驗(yàn)

低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力施加如圖2所示。

圖2 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面

低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力施加流程如下所述。

a）以常溫或相關(guān)規(guī)范規(guī)定的溫度點(diǎn)作為低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的起始溫度。

b）在溫度達(dá)到產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的工作溫度之前,以-10℃為步長；之后,以-5℃為步長。

c）每個溫度臺階上停留時間為樣品達(dá)到溫度穩(wěn)定所需的時間+10 min+測試時間。

d）樣品測試前應(yīng)進(jìn)行3次起動檢測,以考核樣品在極端溫度下的起動能力；3次起動后進(jìn)行樣品功能和性能檢測,測試完畢后斷電。

e）低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件:α為低溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束溫度,或者已經(jīng)找到樣品的低溫工作極限。

2.2.2 高溫步進(jìn)試驗(yàn)高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力施加如圖3所示。高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力施加流程如下所述。a）以常溫或相關(guān)規(guī)范規(guī)定的溫度點(diǎn)作為高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的起始溫度。

b）在溫度達(dá)到產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的工作溫度之前,以-10℃為步長；之后,以-5℃為步長。

c）每個溫度臺階上停留時間為樣品達(dá)到溫度穩(wěn)定的時間+10 min+測試時間。

圖3 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面

d）樣品測試前應(yīng)進(jìn)行3次起動檢測,以考核樣品在極端溫度下的起動能力；3次起動后進(jìn)行樣品功能和性能檢測,測試完畢后斷電。

e）高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件是β為高溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束溫度,或者已經(jīng)找到樣品的高溫工作極限。

2.2.3 快速溫度循環(huán)試驗(yàn)

快速溫度循環(huán)試驗(yàn)的應(yīng)力施加如圖4所示。

圖4 快速溫度循環(huán)試驗(yàn)剖面

快速溫度循環(huán)試驗(yàn)的應(yīng)力施加流程如下所述。

a）快速溫度循環(huán)試驗(yàn)從低溫階段開始。

b）溫度范圍為低溫工作極限溫度+5℃～高溫工作極限溫度-5℃。

c）循環(huán)次數(shù)為5個完整的循環(huán)周期。

d）溫度變化速率為40℃/min。

e）每個循環(huán)中低溫和高溫階段的停留時間為樣品達(dá)到溫度穩(wěn)定的時間+10 min+測試時間。

f）每個循環(huán)低、高溫溫度臺階測試前應(yīng)進(jìn)行3次起動檢測,以考核樣品在極端溫度下的起動能力；3次起動檢測后對樣品連續(xù)通電、測試,直至升溫 （降溫）結(jié)束后斷電。

2.2.4 振動步進(jìn)試驗(yàn)

振動步進(jìn)試驗(yàn)的應(yīng)力施加如圖5所示。

圖5 振動步進(jìn)試驗(yàn)剖面

振動步進(jìn)試驗(yàn)的應(yīng)力施加流程如下所述。

a）振動頻率范圍為5～10 000 Hz。

b）振動形式為三軸六自由度超高斯隨機(jī)振動。

c）起始振動量級為5 g。

d）振動步進(jìn)步長為5 g。

e）每個振動量級保持10 min,在每個振動步進(jìn)臺階都需要進(jìn)行測試。

f）樣品施加標(biāo)稱電壓。

g）振動步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件為以60 g作為振動步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束量級,或者已經(jīng)找到樣品的工作極限。

2.2.5 綜合環(huán)境試驗(yàn)

綜合環(huán)境試驗(yàn)的應(yīng)力施加如圖6所示。

綜合環(huán)境試驗(yàn)的應(yīng)力施加流程如下所述。

a）溫度應(yīng)力的施加方法與快速溫度循環(huán)的應(yīng)力施加方法相同。

b）循環(huán)次數(shù)為5個完整的循環(huán)周期。

c）樣品的振動工作極限 （若工作極限超過60 g,以60 g作為工作極限）除以5所得到的值作為振動步進(jìn)的起始振動量級,每次增加該值作為下一循環(huán)的振動量級,第五循環(huán)振動量級為振動工作極限減5 g。

d）每個振動量級對應(yīng)一個溫度循環(huán)周期。

e）施加振動時機(jī)與持續(xù)時間為在每個循環(huán)的升溫段開始前5 min施加相應(yīng)的振動量級直至升溫段結(jié)束后5 min；在每個循環(huán)的降溫段開始前5 min施加相應(yīng)的振動量級直至降溫段結(jié)束,然后將振動量級降至5 g并維持5 min。

f）在振動應(yīng)力施加期間對樣品進(jìn)行通電測試。

g）每個循環(huán)中低溫和高溫階段的停留時間為樣品達(dá)到溫度穩(wěn)定的時間+10 min+測試時間。

圖6 綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面

2.3 伺服電機(jī)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程

伺服電機(jī)除了經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力外,同時還要經(jīng)受工作載荷。這些工作載荷對伺服電機(jī)零部件可靠性的高低有很大的影響。在對伺服電機(jī)開展強(qiáng)化試驗(yàn)時,需要對其開展故障模式、故障機(jī)理和敏感應(yīng)力分析,并根據(jù)工作載荷對伺服電機(jī)的損傷影響程度的大小進(jìn)行排序,同時考慮可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力施加的可行性,以確定伺服電機(jī)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中需要施加的應(yīng)力類型。

相關(guān)研究表明,環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力對機(jī)電產(chǎn)品的累計(jì)損傷作用的特性基本上是一致的,兩種應(yīng)力耦合作用的效果在一般情況下是加速產(chǎn)品累計(jì)損傷的[10-12]。因此,制定可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案時需要考慮兩種應(yīng)力的施加方式應(yīng)該是加速產(chǎn)品缺陷部位的損傷速率的。在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備允許的條件下,一般要求對伺服電機(jī)同時施加環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力,施加方式需要考慮加速缺陷部位轉(zhuǎn)換成故障的速率,環(huán)境應(yīng)力施加試驗(yàn)實(shí)施流程及應(yīng)力施加方式參照控制器和伺服驅(qū)動器。

2.4 伺服系統(tǒng)整機(jī)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程

結(jié)合控制器和伺服驅(qū)動器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)和伺服電機(jī)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的結(jié)果,設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)整機(jī)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的剖面,其環(huán)境應(yīng)力的施加流程和方式參照控制器和伺服驅(qū)動器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的流程和方式；其工作應(yīng)力的施加流程和方式參照伺服電機(jī)強(qiáng)化試驗(yàn)的應(yīng)力施加的流程和方式。試驗(yàn)應(yīng)力的截止條件可根據(jù)上述兩類組成部分分別試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行確定。

3 案例應(yīng)用

3.1 受試產(chǎn)品信息

某型機(jī)器人伺服系統(tǒng)由控制器、伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)組成,采用EtherCAT總線進(jìn)行高速通信,控制器將發(fā)出控制指令,經(jīng)伺服驅(qū)動器信號處理,驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)運(yùn)動控制。該型機(jī)器人伺服系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于6關(guān)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人、SCARA、DELTA、多軸直角坐標(biāo)機(jī)器人和多臺機(jī)器人聯(lián)動等。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 某型機(jī)器人伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 試驗(yàn)實(shí)施方案

根據(jù)該型機(jī)器人伺服系統(tǒng)提供組成結(jié)構(gòu)和實(shí)際場合的應(yīng)力情況,針對控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)和伺服系統(tǒng)整機(jī)分別進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)方案如圖8所示。

圖8 機(jī)器人伺服系統(tǒng)分組強(qiáng)化試驗(yàn)方案圖

根據(jù)伺服電機(jī)用于機(jī)器人的實(shí)際負(fù)載情況,設(shè)計(jì)負(fù)載慣量盤,重0.22 kg,設(shè)計(jì)圖紙如圖9所示。

圖9 伺服電機(jī)負(fù)載慣量盤設(shè)計(jì)尺寸

根據(jù)機(jī)器人伺服系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài),設(shè)計(jì)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)過程中伺服電機(jī)的工作速度,如圖10所示。

圖10 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

該型機(jī)器人伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)過程中共發(fā)生5次故障,故障的情況如表1所述。

表1 故障情況匯總表

通過可靠性強(qiáng)化試驗(yàn),得到了該型機(jī)器人伺服系統(tǒng)的工作極限,如下所示。

a） 低溫:控制器和伺服驅(qū)動器為-35℃,伺服電機(jī)為-60℃。

b） 高溫:控制器和伺服驅(qū)動器為90℃,伺服電機(jī)為105℃。

c） 振動:控制器和伺服驅(qū)動器為50 g,伺服電機(jī)為60 g（振動形式為三軸六自由度氣錘式隨機(jī)振動,頻率范圍為5～10 000 Hz）。

4 結(jié)束語

本文提出了基于復(fù)雜系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法。針對伺服系統(tǒng)的不同組成部件,以及整機(jī)采用的不同的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案,更為高效地暴露了伺服系統(tǒng)的缺陷和薄弱環(huán)節(jié),縮短了試驗(yàn)周期,節(jié)省了試驗(yàn)費(fèi)用,提高了試驗(yàn)的效率和效費(fèi)比。通過對某型機(jī)器人伺服系統(tǒng)開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn),一方面發(fā)現(xiàn)了該型機(jī)器人伺服系統(tǒng)的5個潛在缺陷和工作極限應(yīng)力,另一方面也驗(yàn)證了本文提出的伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的有效性,對于開展其他類型的伺服系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

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