郭廣廓 ， 陳勃琛 ， 劉文威 ， 潘廣澤 ， 黃創(chuàng)綿 董成舉

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 511370；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 511370；3.基礎(chǔ)軟硬件性能與可靠性測(cè)評(píng)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 511370）

0 引言

伺服系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、 汽車制造、 化工制造和電子信息制造等各類工業(yè)制造領(lǐng)域， 伺服系統(tǒng)的可靠性制約著工業(yè)制造裝備的可靠性水平。 隨著我國(guó)制造業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)，國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題也愈發(fā)突顯， 例如： 伺服電機(jī)中的軸承和編碼器故障， 伺服驅(qū)動(dòng)器功率元器件失效、 電流幅值波動(dòng)和波形畸變等故障問(wèn)題，因此國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)品牌必須在可靠性、 成本和性能方面增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。 國(guó)內(nèi)外在伺服系統(tǒng)可靠性方面均做了相關(guān)研究， 主要有以下兩個(gè)方面內(nèi)容。 1）在伺服系統(tǒng)的故障分析方面， 關(guān)金貴等[2]詳細(xì)地分析了數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)常見故障類型和現(xiàn)象； 徐非駿、 王賀[3]開展了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)伺服系統(tǒng)故障樹分析， 以查找影響雷達(dá)伺服系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素； Luo Min 等[4]提出了一種F-VMEA 的可靠性分析方法， 完善傳統(tǒng)的故障分析方法， 并在電液伺服閥上進(jìn)行了驗(yàn)證； Matteo D L Dalla Vedova 等[5]提出了一種電液伺服機(jī)構(gòu)故障檢測(cè)與識(shí)別方法， 通過(guò)算法模型預(yù)測(cè)故障， 提前維修保障可靠性。 2） 在伺服系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)方面， 張鐘文等[6]探索了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在伺服作動(dòng)器研制的適用性問(wèn)題； 郝子源等[7]設(shè)計(jì)了電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)可靠性試驗(yàn)載荷譜， 提出了累計(jì)失效率的貝葉斯評(píng)估方法， 解決了傳統(tǒng)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題； 胡湘洪等[8]對(duì)產(chǎn)品可靠性加速試驗(yàn)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究和經(jīng)驗(yàn)積累， 為該類試驗(yàn)的開展提供了指導(dǎo)依據(jù)。

目前這些研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)伺服系統(tǒng)可靠性的某一特定方面， 還沒有系統(tǒng)地形成一套完整的伺服系統(tǒng)可靠性提升技術(shù)。 因此， 為了解決當(dāng)前國(guó)內(nèi)伺服系統(tǒng)制造企業(yè)對(duì)產(chǎn)品快速更新迭代、 降低研發(fā)成本和可靠性提升的需求， 提出了一套長(zhǎng)壽命小樣本伺服系統(tǒng)研發(fā)的可靠性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)解決方案，分別在設(shè)計(jì)階段、 原型樣機(jī)階段和小批量試產(chǎn)階段提供可靠性技術(shù)支撐， 最終達(dá)到伺服系統(tǒng)可靠性快速提升的工程應(yīng)用目的。

1 總體思路

目前國(guó)內(nèi)伺服系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF： Mean Time Between Failure） 可達(dá)10 000 h以上[9]， 產(chǎn)品特性上呈現(xiàn)高可靠性、 長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。 在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上， 伺服系統(tǒng)分為伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)兩個(gè)部分， 其中伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)主要包括功率電路板、 控制電路板和顯示單元等， 屬于典型的電子類產(chǎn)品； 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括定子、 轉(zhuǎn)子和軸承等， 屬于典型的機(jī)械類產(chǎn)品； 對(duì)于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)在可靠性提升過(guò)程中需要分別考慮兩個(gè)部分的實(shí)際工況、 結(jié)構(gòu)特性、 敏感應(yīng)力和失效模式等可靠性影響因素。 同時(shí)為了兼顧現(xiàn)階段產(chǎn)品更新迭代的速度明顯地加快， 企業(yè)往往出于節(jié)約成本考慮， 試產(chǎn)階段僅生產(chǎn)少量的試驗(yàn)樣品， 而傳統(tǒng)可靠性研發(fā)的設(shè)計(jì)方法、 耐久試驗(yàn)驗(yàn)證和定型后補(bǔ)償?shù)确绞酱嬖跁r(shí)間長(zhǎng)、 成本高和效率低的問(wèn)題。 為了達(dá)到伺服系統(tǒng)可靠性水平快速提升的目的， 根據(jù)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)， 將可靠性設(shè)計(jì)和可靠性試驗(yàn)方法融入伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中， 在設(shè)計(jì)之初盡可能地掌握影響伺服系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素， 通過(guò)試驗(yàn)激發(fā)可靠性薄弱環(huán)節(jié)， 提前改進(jìn)設(shè)計(jì)研發(fā)， 然后加速驗(yàn)證可靠性水平， 最終提高伺服系統(tǒng)的可靠性水平。 具體的實(shí)施過(guò)程如下：

1） 在設(shè)計(jì)階段， 開展硬件功能的故障模式及影響分析（FMEA） 工作， 分析伺服系統(tǒng)的故障模式、 發(fā)生概率、 故障原因及影響， 并提出改進(jìn)設(shè)計(jì)和措施；

2） 在原型樣機(jī)測(cè)試階段， 開展伺服系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)， 通過(guò)施加嚴(yán)酷的環(huán)境應(yīng)力， 快速地暴露產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝缺陷， 發(fā)現(xiàn)可靠性薄弱環(huán)節(jié)， 進(jìn)一步地提高原型樣機(jī)的可靠性；

3） 在小批量試產(chǎn)階段， 開展伺服系統(tǒng)的可靠性加速壽命試驗(yàn)， 利用伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器在敏感應(yīng)力下的物理失效規(guī)律統(tǒng)計(jì)模型， 施加超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境應(yīng)力， 縮短試驗(yàn)時(shí)間， 獲得伺服系統(tǒng)在額定應(yīng)力水平下的使用壽命， 快速地驗(yàn)證伺服系統(tǒng)的可靠性水平。

2 伺服系統(tǒng)可靠性快速提升技術(shù)

2.1 伺服系統(tǒng)故障模式及影響分析方法

在伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)階段開展FMEA， 該分析方法是系統(tǒng)性分析識(shí)別伺服系統(tǒng)的子系統(tǒng)、 組件、 零部件和元器件在設(shè)計(jì)、 制造和使用過(guò)程中所有潛在的故障模式， 以及每個(gè)故障模式產(chǎn)生的原因和影響， 并按故障影響的后果對(duì)每一個(gè)潛在的故障模式劃分等級(jí)， 找出伺服系統(tǒng)潛在的故障問(wèn)題， 改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案， 達(dá)到提升可靠性的目的。 伺服系統(tǒng)的FMEA 方法流程如圖1 所示， 具體的步驟如下所述。

圖1 FMEA 步驟圖

2.1.1 系統(tǒng)定義

首先， 定義伺服系統(tǒng)各要素的特征、 性能、 功能及作用， 要素之間的邏輯關(guān)系， 系統(tǒng)的輸入和輸出， 系統(tǒng)的工作模式等內(nèi)容， 例如： 定義伺服電機(jī)的定子， 其主要功能為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 其結(jié)構(gòu)拆分為鐵芯和繞組； 其次， 根據(jù)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)確定分析的最高層次與最低層次， 可將伺服系統(tǒng)從系統(tǒng)、 子系統(tǒng)、 組件、 零部件、 元器件依次分層， 低一層次的失效往往會(huì)影響高一層次的失效， 如約定元器件為最低層次， 分析效果較好， 但工作量也會(huì)相應(yīng)地增加， 因此系統(tǒng)層次定義程度將直接影響整個(gè)FMECA 工作的成效性； 最后， 根據(jù)描述系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)和工作情況， 為各個(gè)系統(tǒng)要素制定編碼標(biāo)識(shí)， 繪制伺服系統(tǒng)的功能框圖和可靠性框圖。

2.1.2 故障分析

故障分析主要包括故障模式、 故障原因、 故障影響及嚴(yán)酷度、 檢測(cè)方法的分析。 首先， 根據(jù)伺服系統(tǒng)定義信息確定所有可能的功能故障模式， 可參考同類產(chǎn)品、 零部件、 組件和元器件等在過(guò)往使用中出現(xiàn)的故障模式為基礎(chǔ)， 采用預(yù)測(cè)、 統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)等方法進(jìn)一步地獲取該產(chǎn)品的故障模式； 其次， 對(duì)每個(gè)故障模式逐一地進(jìn)行故障原因分析， 導(dǎo)致故障模式有直接原因（如設(shè)計(jì)、 材料、 工藝） 和間接原因（如使用環(huán)境、 外部設(shè)備和人為因素）； 再次，對(duì)伺服系統(tǒng)的故障模式劃分嚴(yán)酷度等級(jí)和發(fā)生概率等級(jí)， 一般可將嚴(yán)酷度等級(jí)劃分為輕度、 中等、 致命和災(zāi)難， 將發(fā)生概率等級(jí)劃分為經(jīng)常發(fā)生、 有時(shí)發(fā)生、 偶然發(fā)生、 很少發(fā)生和極少發(fā)生； 最后， 確定每個(gè)故障模式可能的檢測(cè)方法， 可采用目視檢查、 噪聲監(jiān)測(cè)、 溫度監(jiān)測(cè)、 振動(dòng)監(jiān)測(cè)、 電壓電流監(jiān)測(cè)、 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)和報(bào)警裝置等方式。

2.1.3 改進(jìn)與補(bǔ)償措施分析

對(duì)所分析的故障模式在設(shè)計(jì)和使用方面進(jìn)行改進(jìn)與補(bǔ)償措施。 一方面可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)， 另一方面可在產(chǎn)品使用和維護(hù)過(guò)程中進(jìn)行外部補(bǔ)救措施。 最后， 將上述所有的分析結(jié)果整理輸出為FMEA 報(bào)告。

2.2 伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法

伺服系統(tǒng)的FMEA 工作屬于通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)識(shí)別產(chǎn)品“預(yù)期的” 故障模式， 那么可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)就是通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品真正的故障模式的過(guò)程， 在FMEA 工作中確定的故障模式往往可以在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中得到有效的確認(rèn)。 在原型樣機(jī)測(cè)試階段， 開展伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)可快速地激發(fā)設(shè)計(jì)、 工藝等缺陷， 獲得樣機(jī)的故障模式， 發(fā)現(xiàn)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)， 及時(shí)地更正設(shè)計(jì)方案和進(jìn)行改進(jìn)措施， 最終達(dá)到快速提高伺服系統(tǒng)可靠性、 降低研發(fā)成本和縮短研制周期的目的。 伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法遵循環(huán)境應(yīng)力分析、 施加應(yīng)力、 激發(fā)故障、 故障分析、 故障改進(jìn)、 再次驗(yàn)證和改進(jìn)措施落實(shí)推廣的方法原則。

2.2.1 環(huán)境應(yīng)力分析

開展伺服系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)力分析， 根據(jù)不同的使用環(huán)境， 選擇搭配最有效的應(yīng)力類型和應(yīng)力綜合方式， 例如： 數(shù)控機(jī)床中伺服驅(qū)動(dòng)器主要承受溫度、濕度和振動(dòng)的環(huán)境應(yīng)力， 以及電循環(huán)工作應(yīng)力， 而伺服電機(jī)不僅要承受以上環(huán)境應(yīng)力， 還需要承受扭矩和軸徑向力的工作應(yīng)力。

2.2.2 試驗(yàn)實(shí)施

為了充分地掌握伺服系統(tǒng)各個(gè)部分的全部應(yīng)力極限和薄弱環(huán)節(jié)， 考慮伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器具有不同的工作應(yīng)力極限， 避免這兩個(gè)部分在超應(yīng)力極限條件下試驗(yàn)， 同時(shí)兼顧伺服系統(tǒng)整體試驗(yàn)要求，將試驗(yàn)劃分為伺服驅(qū)動(dòng)器、 伺服電機(jī)和伺服系統(tǒng)共進(jìn)行3 個(gè)階段的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。 建議每個(gè)階段的受試樣品數(shù)量一般不少于3 臺(tái)（套）， 其中伺服電機(jī)加裝額定負(fù)載等效慣量盤。 在每個(gè)階段可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)前， 需要對(duì)受試樣品進(jìn)行溫度調(diào)查和振動(dòng)響應(yīng)調(diào)查， 以便了解受試樣品熱分布、 溫升和振動(dòng)響應(yīng)量值情況， 為試驗(yàn)中的故障排查提供參考。 每個(gè)階段可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)順序?yàn)榈蜏夭竭M(jìn)應(yīng)力階段、 高溫步進(jìn)應(yīng)力階段、 快速溫度變化循環(huán)階段、 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力階段和綜合環(huán)境應(yīng)力階段， 以及故障分析與處理， 具體的試驗(yàn)流程如圖2 所示。

圖2 伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程圖

2.2.3 故障分析與處理

伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一個(gè)產(chǎn)品改進(jìn)的過(guò)程， 不應(yīng)關(guān)注伺服系統(tǒng)是否通過(guò)了試驗(yàn)， 而需重點(diǎn)關(guān)注試驗(yàn)后產(chǎn)生的故障模式及故障處理， 只有采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)、 工藝改進(jìn)等措施才能提高伺服系統(tǒng)的固有可靠性。 對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)伺服系統(tǒng)缺陷和短板有如下建議： 首先， 徹底改進(jìn)伺服系統(tǒng)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力水平之內(nèi)發(fā)現(xiàn)的缺陷和短板； 其次， 超出規(guī)范規(guī)定應(yīng)力水平之外發(fā)現(xiàn)的缺陷和短板， 也存在改進(jìn)的必要性， 如果受原材料、 元器件等水平的限制而無(wú)法改進(jìn)的， 可以進(jìn)行論證存檔； 再次， 需要查明試驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的全部故障和失效產(chǎn)生的原因、機(jī)理， 進(jìn)行失效分析， 對(duì)于受技術(shù)水平限制短期無(wú)法改進(jìn)的缺陷和短板， 可開展長(zhǎng)期的技術(shù)攻關(guān)； 最后， 改進(jìn)措施完成后需要再次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證， 驗(yàn)證有效的改進(jìn)措施可在現(xiàn)有產(chǎn)品和后續(xù)新研發(fā)產(chǎn)品中進(jìn)行落實(shí)和推廣。

2.3 伺服系統(tǒng)可靠性加速壽命試驗(yàn)方法

在伺服系統(tǒng)原型樣機(jī)可靠性得到了有效的改進(jìn)提升后， 進(jìn)入伺服系統(tǒng)小批量試產(chǎn)階段， 需要進(jìn)一步地驗(yàn)證產(chǎn)品是否已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的可靠性目標(biāo)。 面對(duì)伺服系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命和高可靠的特點(diǎn)， 若采用傳統(tǒng)的可靠性耐久試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性水平， 試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)， 試驗(yàn)成本高， 短時(shí)間無(wú)法得到產(chǎn)品的可靠性水平， 勢(shì)必會(huì)影響產(chǎn)品推廣與迭代的速度。 為此引入伺服系統(tǒng)可靠性加速壽命試驗(yàn)可有效地解決這一矛盾， 通過(guò)對(duì)伺服系統(tǒng)施加不改變失效機(jī)理的加速應(yīng)力， 快速地定量評(píng)價(jià)伺服系統(tǒng)可靠性水平，不僅提高了試驗(yàn)效率， 而且降低了試驗(yàn)成本。 伺服系統(tǒng)可靠性加速壽命試驗(yàn)是在合理工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上， 利用伺服系統(tǒng)物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型， 對(duì)超出正常使用應(yīng)力水平的加速環(huán)境下獲得的可靠性信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 進(jìn)而得到伺服系統(tǒng)在額定應(yīng)力水平下可靠性特征的可復(fù)現(xiàn)數(shù)值。

2.3.1 加速應(yīng)力分析

分析可靠性加速試驗(yàn)應(yīng)力類型， 根據(jù)伺服系統(tǒng)的使用環(huán)境和產(chǎn)品特點(diǎn)， 將伺服系統(tǒng)拆分為伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)分別考慮。 其中伺服驅(qū)動(dòng)器屬于電子類產(chǎn)品， 影響伺服驅(qū)動(dòng)器壽命的環(huán)境因素有溫度、 濕度、 振動(dòng)和電應(yīng)力等， 伺服電機(jī)屬于機(jī)械類產(chǎn)品， 影響伺服電機(jī)壽命的環(huán)境因素為負(fù)載的慣量載荷、 振動(dòng)和電應(yīng)力等， 需要基于兩個(gè)部分的敏感應(yīng)力進(jìn)行可靠性加速壽命試驗(yàn)。

2.3.2 伺服驅(qū)動(dòng)器加速因子

采用高溫應(yīng)力作為伺服驅(qū)動(dòng)器的可靠性加速試驗(yàn)應(yīng)力， 計(jì)算伺服驅(qū)動(dòng)器的加速因子， 采用阿倫尼斯（Arrhenius） 模型作為伺服驅(qū)動(dòng)器的溫度應(yīng)力模型計(jì)算加速因子， 如下所示。

式（1） 中： AF1——伺服驅(qū)動(dòng)器在加速溫度相對(duì)于基準(zhǔn)溫度下的加速因子；

Ea——激活能， 單位為eV， 參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)或產(chǎn)品試驗(yàn)值獲取；

K——玻爾茲曼常數(shù)， 取值為8.617 3×10-5eV/K；

Tu——伺服驅(qū)動(dòng)器正常使用的基準(zhǔn)溫度；

Ta——伺服驅(qū)動(dòng)器加速試驗(yàn)的加速溫度。

2.3.3 伺服電機(jī)加速因子

采用負(fù)載的慣量載荷作為伺服電機(jī)的可靠性加速試驗(yàn)應(yīng)力， 計(jì)算伺服電機(jī)的加速因子， 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究表明， 伺服電機(jī)可靠性薄弱環(huán)節(jié)為滾動(dòng)軸承， 可將滾動(dòng)軸承的壽命等效為伺服電機(jī)的壽命， 并且伺服電機(jī)的前軸承和后軸承的主要受力方式相同， 可將兩個(gè)軸承受力分析按照同一個(gè)軸承簡(jiǎn)化計(jì)算， 因此采用軸承的疲勞壽命模型計(jì)算伺服電機(jī)的加速因子。 軸承的疲勞壽命模型計(jì)算公式如下所示。

式（2） 中： tm——加速試驗(yàn)條件下的加速壽命，單位為h；

t0——額定轉(zhuǎn)矩下的設(shè)計(jì)壽命， 單位為h；

n0——輸出端額定轉(zhuǎn)速， 單位為r/min；

T0——輸出端額定轉(zhuǎn)矩， 單位為N·m；

nm——加速試驗(yàn)條件下的輸出端平均負(fù)載轉(zhuǎn)速， 單位為r/min；

Tm——加速試驗(yàn)條件下的輸出端平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 單位為N·m。

得伺服電機(jī)的加速因子AF2：

2.3.4 伺服系統(tǒng)加速因子

確定伺服系統(tǒng)的加速因子AF。 將伺服驅(qū)動(dòng)器的加速因子AF1與伺服電機(jī)的加速因子AF2進(jìn)行匹配（兩個(gè)部分的加速因子相等）， 便得到伺服系統(tǒng)的加速因子AF， 通過(guò)將兩個(gè)部分加速試驗(yàn)的加速因子設(shè)置為相等后， 同步加速試驗(yàn)時(shí)間， 最后形成伺服系統(tǒng)的加速試驗(yàn)方案。

2.3.5 試驗(yàn)實(shí)施

伺服系統(tǒng)可靠性加速壽命試驗(yàn)實(shí)施。 首先， 確定需要鑒定的伺服系統(tǒng)可靠性目標(biāo)水平， 采用國(guó)軍標(biāo)GJB 899A—2009 《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》 中規(guī)定的定時(shí)截尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)[10]， 確定試驗(yàn)樣機(jī)數(shù)量， 確定總試驗(yàn)時(shí)間； 其次， 確定高溫試驗(yàn)溫度， 設(shè)計(jì)加工負(fù)載慣量盤， 以及故障判據(jù)與處理原則； 最后， 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算伺服系統(tǒng)的MTBF 的驗(yàn)證區(qū)間， 記錄全部試驗(yàn)過(guò)程， 輸出試驗(yàn)報(bào)告。

3 應(yīng)用案例

3.1 受試產(chǎn)品信息

某型伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成，采用EtherCAT 總線型控制方式， 23 bit 多圈絕對(duì)值編碼器， 電源為單相AC220 V， 50/60 Hz， 支持多種I/O 通信接口， 額定輸出轉(zhuǎn)速為3 000 rpm，廣泛地應(yīng)用于多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人、 SCARA 機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人等機(jī)器人產(chǎn)品。

3.2 伺服系統(tǒng)故障模式及影響分析案例

根據(jù)該型伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要， 約定分析的最高層次為伺服系統(tǒng)， 最低層次為部件級(jí)， 繪制該型伺服系統(tǒng)的功能框圖， 如圖3 所示。

圖3 某型伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次與功能框圖

根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)層次單元逐一地進(jìn)行故障模式、故障原因、 故障影響及嚴(yán)酷度、 檢測(cè)方法的分析，并給出具體的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施或使用補(bǔ)償措施。 列舉伺服電機(jī)部件的FMEA 案例， 如表1 所示。 分析結(jié)果得到伺服系統(tǒng)故障， 其中嚴(yán)酷度Ⅱ類故障模式6 種， Ⅲ類故障模式2 種， 分析結(jié)果表明定子和軸承為伺服電機(jī)的可靠性最關(guān)鍵部件。

表1 FMEA表

3.3 伺服系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)案例

通過(guò)對(duì)伺服系統(tǒng)開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)， 快速地暴露伺服系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)， 以第一階段伺服驅(qū)動(dòng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)為案例， 詳細(xì)說(shuō)明。 將伺服驅(qū)動(dòng)器安裝于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)箱內(nèi)， 連接箱體外部的伺服電機(jī)作為被受試樣品的試驗(yàn)負(fù)載， 并在伺服電機(jī)的輸出端安裝額定負(fù)載慣量盤， 模擬實(shí)際運(yùn)行工況控制伺服電機(jī)。

圖4 伺服驅(qū)動(dòng)器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)照片

試驗(yàn)結(jié)果顯示該型伺服驅(qū)動(dòng)的低溫工作極限為-50 ℃， 高溫工作極限為100 ℃， 振動(dòng)工作極限為35 g （振動(dòng)形式： 三軸六自由度氣錘式隨機(jī)振動(dòng)， 頻率范圍為： 5~10 000 Hz）； 試驗(yàn)過(guò)程中受試樣品共出現(xiàn)4 個(gè)故障， 具體的故障情況如表2 所示。 通過(guò)分析故障原因， 采取能提高智能功率元器件、 熱敏電阻產(chǎn)品質(zhì)量和加工工藝， 以及加固編碼器接頭等改進(jìn)措施， 達(dá)到提升伺服驅(qū)動(dòng)器可靠性的效果。

表2 故障情況匯總表

3.4 伺服系統(tǒng)可靠性加速壽命試驗(yàn)案例

根 據(jù) GJB 899A 中的要求，開展伺服系統(tǒng)可靠性加速壽命試驗(yàn)， 驗(yàn)證該型伺服系統(tǒng)的可靠性水平， 評(píng)估MTBF估計(jì)值是否滿足15 000 h。 已知該型伺服系統(tǒng)使用基準(zhǔn)溫度為25 ℃， 根據(jù)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果確定伺服驅(qū)動(dòng)器加速環(huán)境溫度為80 ℃， 計(jì)算得到伺服驅(qū)動(dòng)器加速因子為5.41， 以該加速因子作為伺服系統(tǒng)的總體加速因子， 通過(guò)軟件仿真計(jì)算伺服電機(jī)在該加速因子的加速條件下所需要的等效負(fù)載慣量盤。 共采用3 臺(tái)伺服系統(tǒng)樣機(jī)， 試驗(yàn)布設(shè)方式如圖5 所示。

圖5 伺服系統(tǒng)可靠性加速壽命試驗(yàn)連接圖

選用使用方風(fēng)險(xiǎn)β 為30%的定時(shí)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方案， 方案號(hào)30-1， 確定最終的試驗(yàn)時(shí)間及故障數(shù)判決， 具體的參數(shù)如表3 所示， 根據(jù)該方案， 計(jì)算得到試驗(yàn)的總試驗(yàn)時(shí)間約為1 113 h。

表3 使用方風(fēng)險(xiǎn)β 為30%的定時(shí)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方案

根據(jù)試驗(yàn)情況， 3 套伺服系統(tǒng)樣品在加速條件下的試驗(yàn)時(shí)間均為1 113 h， 未產(chǎn)生責(zé)任故障， 得到伺服系統(tǒng)在加速應(yīng)力下的MTBF 的置信下限為2 773.26 h （置信度為70%）， 根據(jù)所得加速因子為5.41， 則伺服系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)器在25 ℃、 伺服電機(jī)在單倍額定負(fù)載的應(yīng)力條件下的MTBF 的置信下限為15 003.34 h （置信度為70%）， 其可靠性水平達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了長(zhǎng)壽命小樣本伺服系統(tǒng)可靠性快速提升技術(shù)方法， 根據(jù)伺服系統(tǒng)產(chǎn)品的特點(diǎn)， 分別從設(shè)計(jì)階段、 原型樣機(jī)研發(fā)階段和小批量試產(chǎn)階段給出了具體的可靠性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法， 形成了一套完整的伺服系統(tǒng)可靠性快速提升解決方案， 并成功地應(yīng)用于一款伺服系統(tǒng)的研發(fā)生產(chǎn)中， 提升該款產(chǎn)品的MTBF 的置信下限為15 003.34 h （置信度為70%）。 該套技術(shù)方案不僅提高了產(chǎn)品研發(fā)效率，降低了試驗(yàn)成本， 而且使研發(fā)產(chǎn)品的可靠性水平得到了切實(shí)的提升， 對(duì)國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)質(zhì)量可靠性的提高具有參考意義。