某系統(tǒng)手控器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)用研究

劉意 高軍 劉洋 王紅濤 劉建南

摘? 要：本文以某系統(tǒng)的手控器為研究對(duì)象，制定了相應(yīng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案，并按照相應(yīng)的試驗(yàn)方案對(duì)手控器施加逐步增強(qiáng)的典型環(huán)境應(yīng)力，將手控器缺陷激發(fā)為可以被檢測(cè)到的故障，通過(guò)對(duì)故障模式、故障機(jī)理的分析，從設(shè)計(jì)上改進(jìn)和從生產(chǎn)中控制缺陷，提高手控器的環(huán)境適應(yīng)能力和技術(shù)成熟度水平，降低手控器在使用過(guò)程中發(fā)生故障的概率。同時(shí)在一定程度上能夠保障產(chǎn)品上市后的質(zhì)量與可靠性，減輕售后維修保障負(fù)擔(dān)，提高客戶滿意度。

關(guān)鍵詞：手控器;可靠性強(qiáng)化試驗(yàn);試驗(yàn)方案;故障模式;故障機(jī)理

中圖分類號(hào)：TJ06;TB114.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）19-0028-07

Abstract：In this paper，the hand controller of a system is taken as the research object，and the corresponding reliability intensification test plan is developed. According to the corresponding test plan，the gradually increasing typical environmental stress is applied to the opponent controller，and the hand controller defect is excited to be the detected faults，through the analysis of fault modes and fault mechanisms，improve the design and control defects from production，improve the environmental adaptability and technical maturity level of the hand controller，and reduce the failure probability of the manual controller during use. At the same time，it can guarantee the quality and reliability of the products after the market is released to a certain extent，reduce the burden of after-sales maintenance and improve customer satisfaction.

Keywords：hand controller;reliability enhancement test;test plan;failure mode;failure mechanism

0? 引? 言

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是指通過(guò)系統(tǒng)地施加逐步增大的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力，激發(fā)和暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進(jìn)設(shè)計(jì)和工藝，提高產(chǎn)品可靠性的試驗(yàn)[1-4]?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)的目的是使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為可靠?；痉椒ㄊ峭ㄟ^(guò)施加步進(jìn)應(yīng)力，不斷地加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，并進(jìn)行改進(jìn)和驗(yàn)證，使產(chǎn)品的可靠性不斷提高，使產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)能力也得到提高[5-8]?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)也是一種激發(fā)故障的試驗(yàn)，它將強(qiáng)化環(huán)境引入到試驗(yàn)中，能夠解決傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、效率低、費(fèi)用高等問(wèn)題[9，10]。如今，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在我國(guó)被廣泛運(yùn)用于航空航天、船舶、手機(jī)等電子行業(yè)，并取得了良好的效果[3，11，12]。

本文根據(jù)手控器的組成與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)制定了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案，并對(duì)手控器開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)分析。根據(jù)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)手控器進(jìn)行故障定位與故障機(jī)理分析，為后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)、消除缺陷來(lái)提高產(chǎn)品固有可靠性提供強(qiáng)有力的保障，同時(shí)在一定程度上能夠保障產(chǎn)品上市的進(jìn)度、縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品研發(fā)成本。

1? 受試產(chǎn)品介紹

1.1? 受試產(chǎn)品功能介紹

受試產(chǎn)品為某系統(tǒng)的手控器，該手控器的主要功能為：實(shí)現(xiàn)射野燈、測(cè)距燈、激光燈和室燈的乒乓操作;實(shí)現(xiàn)加速器各運(yùn)動(dòng)軸的速度控制;實(shí)現(xiàn)加速器各運(yùn)動(dòng)軸的雙向到位控制。受試樣機(jī)功能框圖如圖1所示。

1.2? 環(huán)境技術(shù)條件

根據(jù)廠家提供的手控器規(guī)范，其規(guī)定的環(huán)境技術(shù)條件為：工作溫度范圍：15℃～30℃;貯存溫度范圍：10℃～ 55℃。

1.3? 受試產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)

手控器按程序已完成聯(lián)調(diào)和檢驗(yàn)，并符合檢驗(yàn)技術(shù)條件要求。

1.4? 受試產(chǎn)品數(shù)量和組成

手控器具體由外殼、MCU板和控制板組成，產(chǎn)品組成清單如表1所示。試驗(yàn)投入1套樣機(jī)開展相關(guān)測(cè)試。樣品組成三維圖如圖2所示。

2? 手控器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)手控器內(nèi)部組成單元的分析，明確其工作溫度范圍，制定其可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的試驗(yàn)順序及各步驟間的相互關(guān)系如圖3所示。

2.1? 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：受試樣品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下穩(wěn)定后;通斷測(cè)試：3次，進(jìn)行功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù);溫變速率：10℃/min;起始溫度：5℃;低溫步進(jìn)溫度：5℃、 -5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃;每個(gè)溫度臺(tái)階包括手控器溫度穩(wěn)定時(shí)間與測(cè)試停留時(shí)間，共60min，具體包括在30min處開展通斷電測(cè)試：3次，開展功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù);通電時(shí)間：每個(gè)臺(tái)階后30min，其他狀態(tài)斷電;低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件：以-30℃為低溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束溫度，或者已經(jīng)找到手控器的低溫工作極限。低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力施加如圖4所示。

2.2? 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：受試樣品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下穩(wěn)定后，通斷測(cè)試：3次，進(jìn)行功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過(guò)程全程通電;溫變速率：10℃/min;起始溫度：35℃;高溫步進(jìn)溫度為：35℃、50℃、60℃、70℃、80℃、85℃;每個(gè)溫度臺(tái)階包括手控器溫度穩(wěn)定時(shí)間與測(cè)試停留時(shí)間，共60min，具體包括在30min處開展通斷電測(cè)試：3次，開展功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù);高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)以85℃為高溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束溫度，或者已經(jīng)找到電源系統(tǒng)的高溫工作極限。高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力施加如圖5所示。

2.3? 溫度循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：受試樣品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下穩(wěn)定后，通斷測(cè)試：3次，進(jìn)行功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù);高低溫極限溫度低一級(jí)，設(shè)定高溫80℃，低溫-25℃;暴露時(shí)間：30min;溫變速率：10℃/min;循環(huán)周期：5個(gè)循環(huán);測(cè)試狀態(tài)：高溫全過(guò)程通電，在15min處開展通斷電測(cè)試：3次，開展功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù)，高溫結(jié)束時(shí)斷電;低溫在20min處開始通電，進(jìn)行通斷電測(cè)試：3次，開展功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù);溫度循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力施加如圖6所示。

2.4? 濕熱步進(jìn)試驗(yàn)

濕熱步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力施加如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：在不影響受試樣機(jī)的功能及性能的情況

下，盡量將受試樣機(jī)的密封蓋板或外殼取下，受試樣品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下穩(wěn)定后，通斷測(cè)試：3次，進(jìn)行功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過(guò)程全程通電;起始溫度：50℃，起始濕度80%RH;步進(jìn)溫濕度：50℃，75%RH、50℃，85%RH、50℃，95%RH、60℃，75%RH、60℃，85%RH、60℃，95%RH;溫度變化速率不小于10℃/min，濕度變化速率以試驗(yàn)箱最快速率進(jìn)行。每個(gè)溫濕度臺(tái)階保持1小時(shí)。受試樣機(jī)達(dá)到溫濕度穩(wěn)定后，經(jīng)歷保持時(shí)間后，進(jìn)行3次啟動(dòng)檢測(cè)以考核其在高溫條件下的啟動(dòng)能力，然后對(duì)受試樣機(jī)進(jìn)行功能及性能檢測(cè)，測(cè)試完畢后斷電。溫濕度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件：研發(fā)方可根據(jù)自身要求確定高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件，或者找到產(chǎn)品的高溫工作極限（包括直接找到或者通過(guò)找到產(chǎn)品的高溫破壞極限間接確定產(chǎn)品的高溫工作極限）。

2.5? 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

2.5.1? 掃頻共振點(diǎn)搜索和駐頻

振動(dòng)頻率范圍：5～500Hz;振幅或加速度：0.5g;振動(dòng)形式：正弦掃頻振動(dòng);掃頻速率：≤1oct/min;軸向：X、Y、Z三個(gè)軸向;時(shí)間：1周期;駐頻：在掃頻結(jié)束后，并在共振點(diǎn)上經(jīng)歷30min振動(dòng);若有多個(gè)共振點(diǎn)，則在一階共振點(diǎn)上駐頻;若無(wú)共振點(diǎn)，則在30Hz處振動(dòng)30min。

2.5.2? 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力施加如圖8、圖9所示。振動(dòng)條件如下：

振動(dòng)頻率范圍：20～2000Hz;振動(dòng)形式：Z軸隨機(jī)振動(dòng);起始振動(dòng)量級(jí)：0.01g2/Hz;振動(dòng)步進(jìn)步長(zhǎng)：0.01g2/Hz;每個(gè)振動(dòng)量級(jí)保持10min，在每個(gè)振動(dòng)步進(jìn)臺(tái)階都需要進(jìn)行測(cè)試;手控器施加標(biāo)稱電壓;振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件：以8.577g作為振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束量級(jí)，或者已經(jīng)找到手控器的工作極限。

2.6? 功能和性能檢測(cè)

手控器的功能、性能檢測(cè)依據(jù)手控器產(chǎn)品規(guī)范確定。試驗(yàn)前、中、后都應(yīng)對(duì)其進(jìn)行功能與性能檢測(cè)。試驗(yàn)中測(cè)試連接圖如圖10所示。

3? 手控器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果

3.1? 低溫步進(jìn)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)手控器進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件為：（1）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：受試樣品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下穩(wěn)定后，通斷測(cè)試：3次，進(jìn)行功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù);（2）溫變速率：10℃/min;（3）起始溫度：5℃;（4）低溫步進(jìn)溫度：5℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃;（5）每個(gè)溫度臺(tái)階包括電控系統(tǒng)溫度穩(wěn)定時(shí)間與測(cè)試停留時(shí)間，共60min，具體包括在30min處開展通斷電測(cè)試：3次，開展功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù);（6）通電時(shí)間：每個(gè)臺(tái)階后30min，其他狀態(tài)斷電;低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件：以-30℃為低溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束溫度，或者已經(jīng)找到電控系統(tǒng)的低溫工作極限。其中手控器低溫步進(jìn)試驗(yàn)安裝如圖11所示，低溫步進(jìn)應(yīng)力實(shí)際應(yīng)力圖如圖12所示。在整個(gè)試驗(yàn)前、中、后過(guò)程中均未出現(xiàn)故障。

3.2? 高溫步進(jìn)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)手控器進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件為：（1）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：受試樣品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下穩(wěn)定后，通斷測(cè)試：3次，進(jìn)行功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過(guò)程全程通電;（2）溫變速率：10℃/min;（3）起始溫度：35℃;（4）高溫步進(jìn)溫度為：50℃、60℃、70℃、80℃、85℃;（5）每個(gè)溫度臺(tái)階包括電控系統(tǒng)溫度穩(wěn)定時(shí)間與測(cè)試停留時(shí)間，共60min，具體包括在15min處開展通斷電測(cè)試：3次，45min處開展功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù);高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件：以85℃為高溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束溫度，或者已經(jīng)找到電源系統(tǒng)的高溫工作極限。其中手控器高溫步進(jìn)應(yīng)力實(shí)際應(yīng)力圖如圖13所示。在整個(gè)試驗(yàn)前、中、后過(guò)程中均未出現(xiàn)故障。

3.3? 溫度循環(huán)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)手控器進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件為：（1）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：受試樣品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下穩(wěn)定后，通斷測(cè)試：3次，進(jìn)行功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù);（2）高低溫極限溫度低一級(jí)，設(shè)定高溫80℃，低溫-25℃;（3）暴露時(shí)間：30min;（4）溫變速率：10℃/min;（5）循環(huán)周期：10個(gè)循環(huán);測(cè)試狀態(tài)：高溫全過(guò)程通電，在15min處開展通斷電測(cè)試：3次，開展功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù)，高溫結(jié)束時(shí)斷電;低溫在20min處開始通電，進(jìn)行通斷電測(cè)試：3次，開展功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù)。其中手控器溫度循環(huán)實(shí)際應(yīng)力圖，如圖14所示。在整個(gè)試驗(yàn)前、中、后過(guò)程中均未出現(xiàn)故障。

3.4? 溫濕度步進(jìn)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)手控器進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件為：（1）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：在不影響受試樣機(jī)的功能及性能的情況下，盡量將受試樣機(jī)的密封蓋板或外殼取下，受試樣品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下穩(wěn)定后，通斷測(cè)試：3次，進(jìn)行功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過(guò)程全程通電;（2）起始溫度：50℃，起始濕度：75%RH;（3）步進(jìn)濕度：50℃，75%RH、50℃，85%RH、50℃，95%RH、60℃，75%RH、85℃，95%RH、60℃，95%RH;（4）溫變速率：10℃/min;（5）每個(gè)溫濕度臺(tái)階保持1小時(shí);每個(gè)溫濕度臺(tái)階包括控制臺(tái)溫度穩(wěn)定時(shí)間與測(cè)試停留時(shí)間，共60min，具體包括在30min處開展通斷電測(cè)試：3次，開展功能性能測(cè)試，并記錄原始數(shù)據(jù)。其中手控器濕熱步進(jìn)實(shí)際應(yīng)力圖，如圖15所示。在整個(gè)試驗(yàn)前、中、后過(guò)程中均未出現(xiàn)故障。

3.5? 正弦振動(dòng)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)手控器進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件為：（1）振動(dòng)頻率范圍：5～500Hz;（2）振幅或加速度：0.5g;（3）振動(dòng)形式：正弦掃頻振動(dòng);（4）掃頻速率：≤1Oct/min;（5）軸向：X、Y、Z三個(gè)軸向;（6）時(shí)間：1周期;（7）駐頻：在掃頻結(jié)束后，并在共振點(diǎn)上經(jīng)歷30min振動(dòng);若有多個(gè)共振點(diǎn)，則在一階共振點(diǎn)上駐頻;若無(wú)共振點(diǎn)，則在30Hz處振動(dòng)30min。其中手控器的掃頻監(jiān)測(cè)傳感器安裝位置、X軸向掃頻實(shí)際應(yīng)力圖、Y軸向掃頻實(shí)際應(yīng)力圖、Z軸向掃頻實(shí)際應(yīng)力圖，分別如圖16—19所示。在整個(gè)試驗(yàn)前、中、后過(guò)程中均未出現(xiàn)故障。

3.6? 隨機(jī)振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)手控器進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件為：（1）振動(dòng)頻率范圍：20～2000Hz;（2）振動(dòng)形式：Z軸隨機(jī)振動(dòng);（3）起始振動(dòng)量級(jí)：0.01g2/Hz;（4）振動(dòng)步進(jìn)步長(zhǎng)：0.01g2/Hz;（5）每個(gè)振動(dòng)量級(jí)保持10min，在每個(gè)振動(dòng)步進(jìn)臺(tái)階都需要進(jìn)行測(cè)試;（6）電控系統(tǒng)施加標(biāo)稱電壓;振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件：以8.577g作為振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束量級(jí)，或者已經(jīng)找到電控系統(tǒng)的工作極限。在試驗(yàn)過(guò)程中手控器的Z軸向定頻實(shí)際應(yīng)力圖和手控器出現(xiàn)故障位置圖，分別如圖20、21所示。

3.7? 故障分析

在隨機(jī)振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)一次故障，故障模式為手控器的面板顯示器不亮，出現(xiàn)故障時(shí)的故障應(yīng)力為功率譜密度0.07g2/Hz，有效值8.02g。為了找到故障原因立即停止試驗(yàn)，將手控器拆開觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)SB5板上的12V轉(zhuǎn)5V電源振壞并脫落;現(xiàn)場(chǎng)立即更換SB5板上的12V轉(zhuǎn)5V電源，更換后通電手控器面板顯示器正常顯示，說(shuō)明振動(dòng)導(dǎo)致板上的電源脫落引發(fā)故障。通過(guò)故障分析發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程中由于工藝的缺陷導(dǎo)致電容引腳虛焊，因此在振動(dòng)過(guò)程中容易出現(xiàn)電容引腳脫落。通過(guò)改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，對(duì)改進(jìn)后的手控器進(jìn)行回歸驗(yàn)證，在驗(yàn)證過(guò)程中未發(fā)生類似故障，說(shuō)明改進(jìn)有效。

4? 結(jié)? 論

本文通過(guò)對(duì)某系統(tǒng)的手控器進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，將產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、工藝、電子元器件選擇等方面引入的缺陷快速激發(fā)成故障。通過(guò)對(duì)已有的故障模式進(jìn)行詳細(xì)分析，找到其真正的失效機(jī)理，并針對(duì)故障模式提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，再通過(guò)回歸驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。因此，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中證明了其有效性，可以從本質(zhì)上提高產(chǎn)品固有可靠性、環(huán)境適應(yīng)能力和技術(shù)成熟度水平，降低手控器在使用過(guò)程中發(fā)生故障的概率。同時(shí)在一定程度上能夠縮短產(chǎn)品的研制時(shí)間，節(jié)約研制成本。

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作者簡(jiǎn)介：劉意（1973-），男，漢族，四川大竹人，項(xiàng)目經(jīng)理，本科，主要研究方向：電子產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性研究工作;通訊作者：高軍（1978-），男，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要研究方向：儀器設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性工作;劉洋（1991-）， 男，漢族，四川成都人，碩士研究生在讀，主要研究方向：儀器設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性工作;王紅濤（1990-），男，漢族，山東金鄉(xiāng)人，技術(shù)工程師，碩士研究生，主要研究方向：儀器設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性工作;劉建南（1989-），女，漢族，河南南陽(yáng)人，質(zhì)量與可靠性體系工程師，主要研究方向：產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性工作。