張立華，吳宏圣

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

絕對(duì)式直線光柵尺可靠性預(yù)計(jì)*

張立華，吳宏圣

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

為了能夠準(zhǔn)確有效地評(píng)估現(xiàn)有絕對(duì)式光柵尺的可靠性，對(duì)當(dāng)前絕對(duì)式光柵尺的可靠度能夠有一個(gè)定量的分析，因此對(duì)目前某型號(hào)絕對(duì)式光柵尺進(jìn)行了研究。首先，建立了可靠性模型，然后，引入了相似比較法和國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中常用的元器件應(yīng)力法對(duì)該光柵尺進(jìn)行了詳細(xì)的預(yù)計(jì)，定量地預(yù)測(cè)其可靠性水平，最后，給出了預(yù)計(jì)結(jié)果，對(duì)預(yù)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行了分析，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，給出了提高可靠性的對(duì)策。結(jié)果表明：可靠性預(yù)計(jì)的結(jié)果表明該型號(hào)的的絕對(duì)式光柵尺的平均無(wú)故障間隔時(shí)間11987h達(dá)到了原目標(biāo)要求的10000h。該方法具有實(shí)用性，能夠利用此方法來(lái)對(duì)絕對(duì)式光柵尺的可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，而且評(píng)價(jià)出的可靠性水平可以指導(dǎo)該絕對(duì)式光柵尺的可靠性測(cè)試與試驗(yàn)。

可靠性預(yù)計(jì)；絕對(duì)式光柵；元器件應(yīng)力法

0 引言

可靠性預(yù)計(jì)在光柵尺可靠性設(shè)計(jì)過(guò)程中有重要的作用，通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)，可以審查可靠性指標(biāo)能否達(dá)到；可以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，選出性價(jià)比高的；還可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)采取改進(jìn)措施［1］。

在工程上可靠性預(yù)計(jì)的方法比較多，常用的方法有：元器件計(jì)數(shù)法、應(yīng)力分析法、相似比較法、功能預(yù)計(jì)法、相似復(fù)雜性法、故障物理分析法等［2-7］，這些方法大致可以將其歸納為三類：基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的傳統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)法、基于故障物理的可靠性分析法和基于相似產(chǎn)品的相似比較法。故障物理分析法［8］結(jié)合了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息和相應(yīng)的預(yù)期環(huán)境條件，需要確定零部件的材料特性以及所受應(yīng)力的類型，另外還需要弄清不同類型故障之間的相互影響。這種方法計(jì)算量大，投入成本大，普遍適用性差，且必須同實(shí)際產(chǎn)品所采用的元器件、材料、工藝相結(jié)合，要量化整個(gè)系統(tǒng)的可靠性是困難的。相似比較法［8］需要了解相似產(chǎn)品的可靠性水平，并分析研制對(duì)象和相似產(chǎn)品在組成結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求、生產(chǎn)工藝、組織管理和使用環(huán)境等多方面的差異，從而預(yù)計(jì)出研制對(duì)象能夠達(dá)到的可靠性水平。該方法的適用條件是新設(shè)備與老設(shè)備是相似的，以及老設(shè)備的可靠性水平是已知的?；跀?shù)理統(tǒng)計(jì)的傳統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)法能反映失效率的統(tǒng)計(jì)平均值，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性，使用廣泛，適用于產(chǎn)品的可靠性快速評(píng)估。本文充分發(fā)揮傳統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)法和相似比較法的優(yōu)點(diǎn)，用二者結(jié)合的方法對(duì)該光柵尺進(jìn)行了詳細(xì)的預(yù)計(jì)。

1 絕對(duì)式光柵尺組成

絕對(duì)式光柵尺的組成框圖見(jiàn)圖1所示。絕對(duì)式光柵尺的基本組成是：尺殼和讀數(shù)頭，在尺殼裝有標(biāo)尺光柵，標(biāo)尺光柵是長(zhǎng)度測(cè)量的基準(zhǔn)元件；讀數(shù)頭由指示光柵滑架和滑架體組成，在指示光柵滑架上裝有五個(gè)軸承，在滑架體推動(dòng)下，指示光柵滑架作用于標(biāo)尺光柵，像一臺(tái)小車一樣在標(biāo)尺光柵測(cè)量方向上滑動(dòng)。指示光柵滑架上裝有指示光柵、ASIC光電器件和照明系統(tǒng)。在滑架體內(nèi)裝有信號(hào)采集與處理電路板。標(biāo)尺光柵上刻有兩條碼道圖案：絕對(duì)碼道和增量碼道，在絕對(duì)碼道上刻有不同寬度和不同間距的柵線表示絕對(duì)位置數(shù)據(jù)；增量碼道采用周期性的光柵刻線。ASIC光電器件獲得兩個(gè)碼道的光電編碼信號(hào)，AD采集，經(jīng)過(guò)FPGA處理，算出直線光柵尺的精確位置，通過(guò)高速通訊接口將位置值輸出。

圖1 絕對(duì)式光柵尺的組成框圖

2 絕對(duì)式光柵尺可靠性模型

可靠性模型［9］包括可靠性框圖和可靠性數(shù)學(xué)模型兩項(xiàng)內(nèi)容。絕對(duì)式光柵尺可靠性框圖是一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)框圖，見(jiàn)圖2，并設(shè)λ1、λ2、λ3、λ4分別為光電信號(hào)接收模塊、電源電路、光電信號(hào)處理模塊及光機(jī)部分的失效率，系統(tǒng)的總失效率為λ0：

圖2 絕對(duì)式光柵尺的可靠性框圖

3 可靠性預(yù)計(jì)

3.1 光機(jī)部分

絕對(duì)式光柵尺是一個(gè)光機(jī)電綜合系統(tǒng)，目前對(duì)光機(jī)部分的可靠性，采用相似比較的方法，依據(jù)長(zhǎng)光數(shù)顯公司20多年的生產(chǎn)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，光機(jī)零部件的可靠性優(yōu)于20000h，即失效率：λ=2 x 10-5。本文中基于光機(jī)零部件的可靠性已知的情況下，計(jì)算電子學(xué)部分的可靠性，最后推算出整機(jī)的可靠性。

3.2 電子學(xué)部分

電子可靠性預(yù)計(jì)有以下約束條件：

（1）電子元器件失效率恒定，可靠度服從指數(shù)分布；

（2）有詳細(xì)的光柵尺的性能要求和失效判據(jù)；

（3）功能性條件（如電源電壓）恒定，或可以預(yù)見(jiàn)；

（4）組成電路系統(tǒng)的各元器件（部件）的故障是相互獨(dú)立的；

（5）外部環(huán)境條件恒定，或可以預(yù)見(jiàn)；

（6）除老化外，光柵尺的特性不會(huì)發(fā)生變化。

電子學(xué)分為光電信號(hào)接收模塊、電源電路模塊、光電信號(hào)處理模塊三部分，各部分的可靠性模型均為串聯(lián)模型，結(jié)合GJB/Z299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》［10］進(jìn)行元器件失效率計(jì)算，以片式膜電阻器為例，工作失效率模型為：

式中：λp為工作失效率；λb為基本失效率，取值為0.007 x 10-6/h；πE為環(huán)境系數(shù)，環(huán)境類別對(duì)應(yīng)平穩(wěn)地面移動(dòng)GMI，取值為5.2；πQ為質(zhì)量系數(shù)，對(duì)應(yīng)B1級(jí)，取值0.6；πR為阻值系數(shù)，120k，取值1.6，光電信號(hào)接收模塊部分器件的失效率見(jiàn)表1。

表1 光電信號(hào)接收模塊部分元器件失效率統(tǒng)計(jì)表

4 預(yù)計(jì)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，整機(jī)各單元失效率見(jiàn)表2。

所以絕對(duì)式光柵尺的失效率為：

平均無(wú)故障時(shí)間如公式（4）：

表2 各單元失效率

各單元失效率分布見(jiàn)圖3，由圖看出，光電信號(hào)處理模塊的失效率所占比重較大，所以在元器件選材和光柵尺測(cè)試時(shí)，要更加注重此單元的元器件，同時(shí)著重對(duì)這些壽命相對(duì)較短的模塊進(jìn)行研究。

圖3 單元失效率分布

5 結(jié)論

本文根據(jù)光柵尺的特點(diǎn)，建立了可靠性模型，利用元器件應(yīng)力法和相似比較法對(duì)該光柵尺進(jìn)行了詳細(xì)的預(yù)計(jì)，結(jié)果表明：可靠性預(yù)計(jì)的結(jié)果表明該型號(hào)的的絕對(duì)式光柵尺的平均無(wú)故障間隔時(shí)間11987h達(dá)到了原目標(biāo)要求的10000h。該方法具有實(shí)用性，能夠利用此方法來(lái)對(duì)絕對(duì)式光柵尺的可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)出的結(jié)果可以作為光柵尺的可靠性水平的一個(gè)真實(shí)反映，而且評(píng)價(jià)出的可靠性水平可以指導(dǎo)該絕對(duì)式光柵尺的可靠性測(cè)試與試驗(yàn)。

［1］Isis Didier Lins，Marcio das Chagas Moura，Enrico Zio，et al.A particle swam-optimized support vector machine for reliability prediction［J］.Quality and Reliability Engineering International，2012，28（2）：141-158.

［2］陳云霞，謝汶妹，曾聲奎.功能分析與失效物理結(jié)合的可靠性預(yù)計(jì)方法［J］.航空學(xué)報(bào)，2008，29（5）：1133-1138.

［3］MIL-HDBK-217F，Notice 2.Military handbook：reliability prediction of electronic equipment［S］.Washington DC：Department of Defense，1995.

［4］Jin Yan，Huang Zhao-feng.Reliability prediction methods：a survey and selection for mechanical design-for-reliability［C］//Proceedings of ASME 2009 International Design Engineering Technical Conferences&Computers and Information in Engineering Conference，California，2010：759-771.

［5］Lee Seung-woo，Lee Hwa-ki.Reliability prediction system based on the failure rate model for electronic components［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2008，22（5）：957-964.

［6］張?jiān)稣?以可靠性為中心的質(zhì)量設(shè)計(jì)、分析和控制［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［7］NSWC-06.Handbook of reliability prediction procedures for mechanical equipment［S］.Maryland：Naval Surface Warfare Center，Department of Defense，2006.

［8］郝慶波.數(shù)控機(jī)床可靠性及維修性的模糊綜合分配與預(yù)計(jì)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

［9］Blischke W R，Murthy D N P.Reliability：Modeling，Prediction，and Optimization［M］.New York：Wiley，2000.

（編輯 趙蓉）

The Reliability Prediction of The Absolute Linear Encoder

ZHANG Li-hua，WU Hong-sheng
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

In order to assess the reliability of existing absolute linear encoder accurately，and have a quantitative analysis for the reliability of the absolute encoder，therefore the present certain type absolute encoder is studied.Firstly，reliability model was established，and then，the detailed prediction was given for the absolute linear encoder，the quantitative prediction of the reliability level was given by the similarity comparison method and the common components stress method of the national military standard GJB/Z299C electronic equipment reliability prediction Handbook.，F(xiàn)inally，the expected results was given，the expected results was analyzed，the weak links of system was found，the countermeasures to improve the reliability was given.The results showed that：the results of reliability prediction show that the MTBF 11987h of the model absolute linear coder achieved the original goal10000h.The method has the practicability，the reliability of absolute encoder can be predicted by using this method，and the reliability level of evaluation can guide the reliability test of the absolute encoder.

reliability prediction；absolute linear encoder；component stress method

TH711；TG65

A

1001-2265（2015）10-0098-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.027

2014-11-28；

2014-12-25

國(guó)家科技重大專項(xiàng)：高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備項(xiàng)目（92013ZX04007021）；長(zhǎng)春市科技計(jì)劃項(xiàng)目：高集成化單碼道絕對(duì)式光柵尺研發(fā)（2013254）

張立華（1984—），女，長(zhǎng)春人，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所助理研究員，碩士，研究方向?yàn)楣鈻啪€位移傳感器，（E-mail）zhanglihua8488@163.com。