基于WQS軟件的伺服控制器可靠性預計

可靠性對伺服系統說是一個非常重要的指標。可靠性預計是可靠性設計的重要內容之一，在產品設計、研制的不同階段，要求進行不同深度的可靠性預計。注重專業基礎發展，本文闡述了利用WQS10.0可靠性綜合分析軟件首次對伺服控制器產品進行可靠性建模和預計工作，對產品的所有電子元器件、標準件和印制板等進行參數建模，擺脫了傳統的元器件計數法原始、粗略的設計模式，推動專業技術向深度發展。

【關鍵詞】可靠性預計 伺服控制 WQS10.0軟件

l 前言

隨著數字伺服控制技術的發展，數字伺服控制器廣泛應用于伺服系統中。雖數字伺服控制器已經歷12年的研制歷程但是在進行可靠性預計時依然采用傳統粗略的元器件計數法或依據以往研制經驗的近似法進行可靠性預計，預計準確性有限，對后續可靠性增長工作指導意義有限。

針對以往型號研制工作過程中，伺服控制器通常采用元器件計數法的可靠性預計模式，現建立伺服控制器可靠性工作平臺，基于Windchill Quality Solutions10.0（下文簡稱WQS10.0）可靠性平臺從元器件、機械零部件、結構等各類信息進行統計、預計和故障分析。該軟件對伺服控制器產品進行專業分析，促進電子產品廣度的推廣和伺服控制器專業的提升。WQS10.0軟件是全球可靠性綜合分析軟件的領導者，在國內被許多航天與國防研究機構采用。與現有型號研制進展相結合，選取了正在研制的某型號母板式伺服控制器為試點，基于WQS10.0軟件同步開展可靠性預計和故障分析工作。

2 平臺實施情況

根據工作策劃，開展了可靠性平臺軟件安裝、產品樹創立、可靠性模型建立、故障平臺搭建和可靠性預計數據庫創建等五個方面的工作。

2.1 WQS10.0可靠性平臺軟件應用

該平臺所內早已配置，但尚未完整應用于產品研制中。研制中，充分利用所內平臺，完成WQS10.0平臺的搭建及應用培訓及實踐，具備開展正式工作的能力。

2.2 建立產品樹

與以往純電子元器件計算的可靠性預計形式不同，采用WQS10.0軟件平臺進行可靠性工作，需建立詳盡的產品樹，產品樹的建立采用組件構成，每個組件包含結構、機械零部件和元器件。利用可靠性平臺進行的預計，不僅可以查看整個產品的失效率，而且還可以查看每個組件的失效率。

不同的數字伺服控制器具體需求不同，但其主要功能相近，伺服控制器產品也逐步向平臺化、模塊化和系列化發展，從基礎層、組件層、產品層開展了控制器分層產品化設計。因此，產品樹基于某型號的產品功能組成進行建立，并具備在后續工作中向其它型號拓展的能力。

2.2.1 產品功能組成

伺服控制器由五塊印制板組成：電源板，代號為1-0；CPU板，代號為2-0；A/D、D/A轉換電路，代號為3-0；功率放大電路及LVDT變換電路（功放板），代號為4-0；母板，代號為5-0。伺服控制器產品結構如圖1所示。

2.2.2 產品樹的建立

使用WQS10.0可靠性平臺軟件的Windchill可靠性預計模塊，建立伺服控制器的產品樹，如圖2所示。WQS10.0預計功能界面分為上下兩個窗體，上窗體為系統樹，下窗體為與系統樹對應的零件表、FMEA表、預計數據、事件樹圖和RBD等。

在建立系統樹時，需建立元器件的相關信息庫、確定環境參數、選擇預計模型、建立預計參數庫。WQS10.0軟件可對系統級、組件級和零件級產品分別選擇相應的預計模型。該軟件的預計標準、環境的設定具有“繼承”特性，即產品組件級（可以為最頂層）選擇了某一預計標準后，其下級單元若未選擇預計標準，則軟件將默認使用該組件的預計標準和工作溫度。如果子系統或者部件的預計模型和環境與頂級系統不同，我們就需要指定該子系統或者部件的模型與環境溫度。在WQS10.0系統樹中設置1000多個元器件的常規參數和預計參數，作為可靠性預計的基礎參數。常規數據中的數量和調整因子為可靠性預計的重要參數，見圖3所示；預計數據包括否為進口、質量級別、晶體管數和學習因子等，預計數據直接對預計的計算結果產生影響，見圖4所示。

2.3 建立可靠性模型

通過對伺服控制器的設計進行分析，無冗余的伺服控制器的可靠性模型為串聯模型，如圖5所示。

2.4 建立可靠性預計數據庫

2.4.1 零件的可靠性預計數據庫

使用WQS10.0產品樹中預計數據的【Pi因子】按鈕計算每種零件的失效率，并給出該零件失效率計算式子中的各種參數，如圖6所示Pi因子對話框。

完成了包括結構件、元器件、標準件及印制板在內的84種零件的1000多個失效率的計算，形成了伺服控制器零件的可靠性預計基礎數據庫。

2.4.2 組件的可靠性預計數據庫

在建立了零件可靠性預計數據庫的基礎上，使用WQS10.0軟件建立包括組件的失效率、MTBF、可靠度和可用度等參數的組件可靠性預計數據庫。通過主菜單中選擇系統→計算→預計→任務計算，得到如圖7所示組件的計算結果。該可靠性預計結果可導出至Excel 表格中，并打印預計結果。

2.5 產品可靠性預計

在零件和組件的可靠性預計數據庫的建立后，按照任務剖面對伺服控制器產品進行可靠性預計。WQS10.0可靠性預計模塊，可針對產品的多種任務剖面進行可靠性指標的綜合評估，建立關聯的任務剖面，確定不同任務階段的任務環境、工作溫度和時間比例，WQS10.0給出任務剖面的故障率、MTBF、可靠度和可用度等可靠性預計結果，見圖8和圖9所示。

產品樹建立采用組件構成，每個組件包含結構、標準件和元器件。利用可靠性平臺進行的預計，不僅可以查看整個產品的失效率，而且還可以查看每個組件的指標。這樣建立的產品樹不同于以往單一計算整個產品的失效率。

3 達到目標及取得效果

伺服控制器專業首次基于軟件工具開展可靠性工作，建立以產品樹形式的可靠性預計流程、掌握了基于WQS軟件工具的可靠性預計方法；通過該平臺，可以將設計師從以往的手工計算流程中解放出來，推進自動化可靠性預計流程，為信息化研制流程建設打下基礎。通過詳細分析、廣泛調研，全面收集、歸納整理，形成了伺服控制器專業通用的元器件、機械零部件等數據庫資源，建立了產品樹結構、可靠性預計數據庫，對元器件、機械零部件、印制板等1000多個部件建立了可靠性預計數據庫，目前已經涵蓋了在研產品中的主要元器件，為基礎數據的完整性提供保障；由于在可靠性模型中同時加入了元器件、機械零部件，實現了包含產品機械零部分和電子元器件在內的一套完整的機電一體的可靠性預計方案，相比較傳統的元器件計數可靠性預計法，大幅提高了可靠性預計的覆蓋性和真實性。可靠性預計工作的效率和準確率大大提升。根據傳統流程，在可靠性計算過程中，設計師需要從GJB299C的標準中找出每一個器件的失效參數，人工反復查閱大量元件可靠性數據，結合環境因子與工作時間計算出失效率，由于該標準中關于元器件失效參數的查詢完全需要通過手工來完成，費時費力。與手工計算來進行可靠性預計的方式相比，利用WQS軟件工具大大提高了可靠性預計的科學性和準確性可以進行資源數據庫的不斷積累，也將進一步提升新產品可靠性預計的效率。

伺服控制器是個可靠性要求高、復雜的電子產品，在使用WQS10軟件完成可靠性預計的基礎上，后續還將開展建立伺服控制器FMEA數據庫的技術攻關工作，不斷積累伺服控制器專業的可靠性數據，夯實專業基礎，使產品可靠性得到持續提高，并將該軟件平臺推廣應用到所有產品中，提高專業預計故障設計水平。

參考文獻

[1]曾利偉，呂川.可靠性預計方法及思考[J].可靠性分析與研究，2005（09）.

[2]Windchill Quality Solutions用戶手冊.

[3]GJB/Z 299C一2006電子設備可靠性手冊.

作者簡介

郭燕紅（1982-），北京精密機電控制設備研究所燃氣液壓事業部工程師。

作者單位

北京精密機電控制設備研究所燃氣液壓事業部 北京市 100076