数控系统开关电源加速寿命试验方法研究

摘要

国产“数控系统”的可靠性水平低是造成国产数控机床故障率高的重要因素之一。采用日本FANUC或德国SIEMENS数控系统的高档型数控机床，其平均故障间隔时间(MTBF)普遍在3000小时以上;相同的数控机床，若仅把数控系统更换为同类型的国产系统，机床的MTBF便降至1500小时以下，不能满足飞机、船舶、火力发电和核电机组等装备制造业使用需求。国内高档数控机床使用的数控系统约有95％依赖进口，其中从日本进口的约占1/3。为全面提升我国装备制造业的自主创新能力和竞争力，亟需提升国产数控系统的可靠性水平。
　　数控系统是由开关电源、工业PC源等单元，键盘、进给按钮等操作部件，以及转换接口等元件组成的一个工作系统。对于数控系统，开关电源为其它单元和元器件提供电力，若发生故障，必将导致数控系统发生故障、停止工作。为此，数控系统的可靠性水平在很大程度上取决于开关电源的可靠性水平。以华中某型数控系统为例，由故障统计数据可知，45％～55％的故障是由开关电源的故障引起。因此，研究开关电源的失效规律，建立开关电源可靠性快速测评方法和规范，可为提升国产数控系统可靠性水平提供技术支撑。
　　对开关电源这类可靠性要求较高的系统级产品，利用现场统计试验和实验室模拟试验方法进行可靠性测评，会衍生试验周期长、效率低等问题，而采用加速寿命试验技术尚缺乏相应的试验理论和方法。在上述背景下，对开关电源加速寿命试验方法进行研究，不仅对建立数控系统可靠性快速测评的方法和规范具有重要工程价值，而且对完善加速寿命试验理论和方法也具有重要的意义。
　　本文以数控系统开关电源为对象，对其加速寿命试验方法进行研究，主要研究内容与结论如下:
　　第1章，阐述了论文的研究背景、目的和意义;综述了加速寿命试验技术的发展历史、国内外研究现状、存在的问题和发展趋势;概述了数控系统开关电源可靠性测评研究现状和存在的问题;给出了论文的研究思路和主要研究内容。
　　第2章，分析了数控系统开关电源的工作原理;总结了温度、湿度、电压、电流应力对数控系统开关电源可靠性的影响;揭示了数控系统开关电源的故障机理，为建立开关数控系统电源可靠性试验平台以及加速寿命试验方案奠定基础。
　　第3章，揭示了数控系统开关电源的故障模式特征;提出了数控系统开关电源加速寿命试验应力的选择准则;揭示了恒加、步加和序加试验方法不适用于开关电源的原因;建立了数控系统开关电源加速寿命试验方法。
　　第4章，基于累积失效模型，建立了数控系统开关电源加速寿命统计分析模型;基于区间试验数据的统计分析理论与方法，提出了数控系统开关电源寿命分布的推断方法;依据数控系统开关电源寿命特点，提出了可靠寿命的计算方法;利用递推和数学归纳法，提出了故障概率的计算方法。
　　第5章，依据实际工况，建立了数控系统开关电源可靠模拟试验平台;建立了数控系统开关电源加速寿命试验方案。
　　第6章，通过对数控系统开关电源加速寿命试验数据的统计分析，获得了数控系统开关电源的寿命分布模型和故障概率模型;综合考虑可靠寿命和故障概率指标，评定了数控系统开关电源的可靠性水平。
　　第7章，总结了全文的研究工作，提出了进一步研究工作的内容。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 加速寿命试验技术发展现状和趋势

1．2．1 加速寿命试验技术发展现状

1．2．2 加速寿命试验技术存在的问题和发展趋势

1．3 数控系统开关电源可靠性测评研究的现状与存在的问题

1．4 本文研究目标及内容

1．4．1 本文研究目标

1．4．2 本文研究内容

第2章 数控系统开关电源的环境效应与故障机理分析

2．1 引言

2．2 数控系统开关电源的工作原理和工作环境

2．2．1 数控系统开关电源的组成和工作原理

2．2．2 数控系统开关电源的工作环境

2．3 数控系统开关电源的环境效应分析

2．3．1 电容的环境效应分析

2．3．2 电阻的环境效应分析

2．3．3 电感的环境效应分析

2．3．4 PN结的环境效应分析

2．3．5 封装结构的环境效应分析

2．3．6 印刷电路板的环境效应分析

2．4 数控系统开关电源的故障机理分析

2．5 本章小结

第3章 数控系统开关电源加速寿命试验方法

3．1 引言

3．2 数控系统开关电源故障模式分析

3．3 数控系统开关电源加速试验应力选择

3．4 数控系统开关电源加速应力的施加方式

3．5 数控系统开关电源加速寿命试验技术

3．6 本章小结

第4章 数控系统开关电源加速寿命试验的统计分析方法

4．1 引言

4．2 数控系统开关电源加速寿命试验的统计分析模型

4．2．1 加速寿命试验的基本假设

4．2．2 加速寿命试验的统计分析模型

4．3 寿命分布的统计推断

4．3．1 加速系数的定义与计算

4．3．2 寿命分布的统计推断

4．4 可靠寿命的计算方法

4．5 故障概率的计算方法

4．6 本章小结

第5章 数控系统开关电源加速寿命试验方案设计

5．1 引言

5．2 数控系统开关电源可靠性试验平台的设计

5．3 数控系统开关电源工作性能摸底测试

5．4 数控系统开关电源加速寿命试验方案设计

5．4．1 试验剖面设计

5．4．2 实施方案设计

5．5 本章小结

第6章 数控系统开关电源加速寿命试验数据的统计分析

6．1 引言

6．2 数控系统开关电源加速寿命试验结果的分析

6．2．1 数控系统开关电源故障现象的分析

6．2．2 数控系统开关电源故障机理验证

6．3 数控系统加速寿命试验数据的统计推断

6．3．1 寿命分布的统计推断

6．3．2 寿命分布参数的估计

6．3．3 寿命分布的拟合优度检验

6．4 数控系统开关电源可靠寿命的估计

6．4．1 可靠寿命的点估计

6．4．2 可靠寿命的区间估计

6．5 数控系统开关电源故障概率的统计计算

6．6 数控系统开关电源可靠性的评价

6．7 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间获得的科研成果

致谢