CN102866669B

CN102866669B - 一种数控系统可靠性鉴定试验条件与方案的评估确定方法

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Publication number: CN102866669B
Application number: CN201210358649.1A
Authority: CN
Inventors: 姚金勇; 贾宇; 张坤
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: CN102866669A

Abstract

本发明公开了一种数控系统可靠性鉴定试验条件与方案的评估确定方法，该方法是基于数控系统的使用特点以及可靠性鉴定试验的相关理论，从温度、湿度、振动等环境条件和电应力、功能模式、输入信号、负载条件等方面提出了用于数控系统可靠性鉴定试验的条件确定流程和方法，同时可以在数控系统的实际可靠性鉴定试验中得以实施，试验的过程由试验剖面确定。它有四大步骤：步骤一：环境条件的确定；步骤二：工作条件的确定；步骤三：试验方案第一部分的确定；步骤四：试验方案第二部分的确定。本方法可以快速简单地给出针对数控系统可靠性试验的条件和方案，便于试验迅速展开，在数控系统监测及评估技术领域里具有实用价值。

Description

一种数控系统可靠性鉴定试验条件与方案的评估确定方法

技术领域

本发明涉及一种数控系统可靠性鉴定试验条件与方案的评估确定方法，具体是用于检验MTBF（平均故障间隔时间）和获取可靠性数据、故障信息等的可靠性鉴定试验中各试验条件的确定以及整体方案的评估与确定，该方案可以快速简单地给出针对数控系统可靠性试验的条件和方案，便于试验迅速展开。属于数控系统监测及评估技术领域。

背景技术

数控机床是现代制造技术的基础装备，其技术水平高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志，而数控机床的可靠性是机床质量的关键。数控系统作为各类数控机床的控制中枢，其结构主要包括控制系统、伺服系统和位置测量系统三大部分。数控系统在运行和使用过程中的可靠性，直接关系到数控机床的整体水平和运转效能，影响整个机床的可靠性。在实际的使用中，数控系统的故障往往会引起较严重的后果和经济损失。

数控系统的可靠性评定需要通过可靠性鉴定试验的方法来进行，可靠性鉴定试验可以检验数控系统的MTBF（平均故障间隔时间）和获取可靠性数据、故障信息等。目前，对于MTBF要求在10000h以上的高指标数控系统，其MTBF指标验证在实施上困难较大，试验时间周期长。当前数控系统可靠性鉴定试验的条件与方案并没有合适的评估和确定方法，需要从包括温度、湿度、振动等在内的各种条件细节指标与数控系统自身结合来进行试验条件与方案的确定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控系统可靠性鉴定试验条件与方案的评估确定方法，它可以在数控系统的实际可靠性鉴定试验中得以实施，同时可以快速简单地给出具体的条件指标和实施步骤，便于试验迅速展开。

实现本发明的技术解决方案是：一种数控系统可靠性鉴定试验条件与方案的评估确定方法，该方法充分反映其在实际使用中遇到的主要环境条件和工作条件。环境条件和工作条件的综合称为试验剖面。对大量典型数控系统现场工作环境和工作条件进行实测，再将实测数据按照有关标准进行分析和统计处理得到的试验剖面是最有针对性的可靠性试验条件。当无法按照这种方式得到数控系统运行的环境条件和工作条件时，可在分析数控系统、结构组成特点的基础上，采用有关标准给出的环境条件和工作条件来合成试验剖面。

本发明一种数控系统可靠性鉴定试验条件与方案的评估确定方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：环境条件的确定

数控系统的可靠性试验涉及的环境条件主要包括温度、湿度和振动3类。GB/T26220-2010的4.4.1节给出了数控系统的环境要求和标准，包括：其所属的机械电气设备安全类标准GB5226.1-2008、调速电气系统相关的GB/T12668.1-2002、GB/T12668.2-2002和用于可编程控制器的IEC61131-2:2007。由于这些标准的环境条件并不统一，当将这些标准涉及的产品组合起来作为单个系统进行试验时，需要对数控系统具体情况进行综合分析，对标准给出的条件进行剪裁确定试验条件，或参考一般性的用于固定使用在有气候防护场所设备的可靠性试验标准GB7288.2-87来确定环境条件。

以下是根据上述内容确定了三种不同的环境条件：

（1）温度：数控系统应能正常工作在预期使用环境空气温度为5℃～40℃范围内，考虑到中国气候带分布南北方差异，可放宽到0℃～55℃，对于非常热的环境（如热带气候、钢厂、造纸厂）及寒冷环境，则可能有额外的要求。

（2）湿度：当数控系统最高温度为40℃，相对湿度不超过50%时，其中电气设备应能正常工作。温度低则允许高的相对湿度（如20℃时为90%）。

（3）振动：GB5226.1-2002要求应通过选择合适的设备，将数控系统中的电气设备远离振源安装或采取附加措施，以防止（由机械及其有关设备产生或实际环境引起的）振动、冲击和碰撞的不良影响。

步骤二：工作条件的确定

工作条件包括产品现场工作中主要的电源环境（电应力）、功能模式、输入信号、负载条件的组合。其中电源环境的电压变化范围为额定值的-15%～10%。频率变化范围为49～51Hz。功能模式中应根据产品的技术条件或使用说明书所规定的全部功能确定功能模式。功能转换可以由操作者直接控制，也可以靠程序信号自动控制。对于输入信号，根据产品技术条件或使用说明书确定典型测试程序。程序应体现产品所规定的功能输入信号为典型零件的加工程序。对于负载条件，要按实际工作情况来确定，以最后输出到电气执行元件为止进行计算。电气执行元件也可采用模拟负载。

步骤三：试验方案第一部分的确定

可靠性鉴定试验首先实施可靠性组合环境应力试验。

由于试验的受试产品主要为采用内置型机箱并且机箱内包含LCD、磁盘驱动器等温度敏感器件的数控系统或装置，根据GB/T26220-2010，试验温度为-40～70℃，选择常温工作温度为30℃，其中工作温度下限为0℃；工作温度上限为55℃；工作温变低温为0℃，高温为55℃，温变率为1℃/min；贮存温度下限为-40℃；贮存温度上限为70℃。试验箱内的相对湿度控制在30%～95%。根据GB/T26220—2010，试验的振动条件选择为频率范围10Hz～55Hz，扫频速度1octave/min，振幅峰值0.15mm，的正弦扫频振动，x、y、z三轴各方向每轴各10次。为考核数控系统在严酷环境条件的可靠性，在工作低温时，对供电电压采取-15%的下拉偏；在工作高温时对供电电压采取10%的上拉偏。

步骤四：试验方案第二部分的确定

鉴定试验的第二部分为正式运行试验。第二阶段试验的综合应力包括：温度、湿度、电应力和工作应力等。温度和湿度应力采用试验现场的自然环境条件，试验过程中做实时监测和记录。第二阶段试验剖面为一个循环，整个剖面以数控系统运行的所有典型工况为依据制定，对主轴和进给轴各部分测试内容的顺序并无影响，同时也可以剪裁和拆分组合进行测试。其中，系统上电开机后，先人工对按键功能测试一遍，之后通过编程实现主轴和进给轴的不同工况，主轴和进给轴的测试又分为不加载和加载两种情况。空载测试时，不加负载，令所有输出轴在额定转速正反转各5min；主轴加速测试时，令主轴转速在10s内从0加速到极速的90%，正反向均测试；主轴极速测试时，令主轴在5秒内从极速的90%加速至极速，保持5秒，再从5秒内减速至极速的90%，保持5秒，正反向均测试；主轴减速测试时，令主轴转速在10秒内从极速的90%减速到0，正反向均测试；直线插补运动测试时，X、Y、Z轴两两组合分别在额定转速下同时从零位置运动到各自最大行程的90%，然后返回；圆弧插补运动测试时，X、Y、Z轴两两组合在额定转速下分别在XY、XZ、YZ平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周；过载测试时，令数控系统在功率或扭矩在110%额定载荷下持续运行5s；急停测试时，在数控系统运行过程中，随机选择急停来测试数控系统的反应。最后对系统进行断电，一个完整的循环结束。

本发明的优点在于非常详细和具体的提供了一整套用于数控系统可靠性鉴定试验的方法，其中的环境条件、工作条件都是相对最全面的，每一个数据指标都来自于实际测量和有关标准，可以对数控系统相关的所有可靠性试验条件和方案选择提供比较全面地依据。

附图说明

图1为组合环境应力试验剖面示意图；

图2为组合环境应力试验流程图；

图3为运行试验剖面示意图；

图4为运行测试循环流程示意图；

图5为本发明流程框图。

具体实施方式

见图5，本发明一种数控系统可靠性鉴定试验条件与方案的评估确定方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：环境条件的确定

以下是根据上述内容确定了三种不同的环境条件：

步骤二：工作条件的确定

步骤三：试验方案第一部分的确定

可靠性鉴定试验首先实施可靠性组合环境应力试验。

步骤四：试验方案第二部分的确定

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

结合附图1，可靠性鉴定试验首先实施可靠性组合环境应力试验。环境温度、湿度和振动都对数控机床的定位精度具有较大的影响。机床在正常使用时，由于温度的变化，导致机床导轨及工作台等产生热伸或冷缩变形，当滑体进行位移时，控制系统指令坐标和实际位移坐标会产生误差。如果湿度偏大，在数控机床关电后，空气中的水分子在数控系统或驱动装置的线路板上产生结露。当再次上电时，线路板上的结露产生短路，造成硬件模块的损坏。而在高速定位或是切削加工中，如果发生振动，控制系统指令坐标和实际行程坐标会产生—定的偏差，此时对于机床运转和定位精度也必然产生一定影响。由于试验的受试产品主要为采用内置型机箱并且机箱内包含LCD、磁盘驱动器等温度敏感器件的数控系统或装置，根据GB/T26220-2010，试验温度为-40～55℃，选择常温工作温度为30℃，其中工作温度下限为0℃；工作温度上限为55℃；工作温变低温为0℃，高温为55℃，温变率为1℃/min；贮存温度下限为-40℃；贮存温度上限为70℃。试验箱内的相对湿度控制在30%～95%。根据GB/T26220—2010，试验的振动条件选择为频率范围10Hz～55Hz，扫频速度1octave/min，振幅峰值0.15mm，的正弦扫频振动，x、y、z三轴各方向每轴各10次。电源是维持系统正常工作的能源支持部分。它失效或故障的直接结果是造成系统的停机或毁坏整个系统。另外，数控系统部分运行数据，设定教据以及加工程序等一般存贮在RAM存贮器内，系统断电后，靠电源的后备蓄电池或锂电池来保持。因而，停机时间比较长，拔插电源或存贮器都可能造成数据丢失，使系统不能运行。为考核数控系统在严酷环境条件的可靠性，在工作低温时，对供电电压采取-15%的下拉偏；在工作高温时对供电电压采取10%的上拉偏。

结合附图2，,组合环境应力试验的试验实施方法如下：

（1）将数控系统在室温下放入同处于室温的温度箱内并处于准备通电状态。

（2）将温度箱温度以1℃/min逐步升至试验温度（30℃），当温度箱内温度达到稳定后(至少30min)，对X轴方向进行频率范围10Hz～55Hz，扫频速度1octave/min，振幅峰值0.15mm的正弦扫频振动，振动10次，然后依次进行Y轴和Z轴的正弦扫频振动。

（3）继续运行2小时的常温试验。

（4）2小时常温试验后将数控系统断电，将温度箱内温度1℃/min逐步降至低温贮存温度（-40℃），并低温贮存状态保持2小时。

（5）低温贮存结束后，以1℃/min逐步升至低温（0℃）工作状态，同时对电网进行-15%的下拉偏，低温工作保持2小时。

（6）低温工作结束后，以1℃/min逐步升至高温（55℃）工作状态，同时对电网进行10%的上拉偏，高温工作保持2小时。

（7）高温工作结束后，将温度箱温度以1℃/min逐步降至0℃，同时对电网进行-15%的下拉偏，低温工作保持2小时。

（8）2小时低温试验后将数控系统断电，温度箱温度以1℃/min逐步升至高温贮存温度（70℃），同时对电网进行10%的下拉偏。当温度箱内温度达到稳定后(至少30min)，并保持高温贮存状态保持2小时。

（9）高温贮存结束后，以1℃/min逐步降至低温（0℃）工作状态，同时对电网进行-15%的下拉偏，低温工作保持2小时。

（10）低温工作结束后，以1℃/min逐步升至高温（55℃）工作状态，同时对电网进行10%的上拉偏，高温工作保持2小时。

（11）高温工作结束后，将温度箱温度以1℃/min逐步降至30℃，保持温度至第一天结束。

（12）重复循环3次，试验结束。

结合附图3，鉴定试验的第二部分为正式运行试验。第二阶段试验的综合应力包括：温度、湿度、电应力和工作应力等。温度和湿度应力采用试验现场的自然环境条件，试验过程中做实时监测和记录。第二阶段试验剖面为一个循环，整个剖面以数控系统运行的所有典型工况为依据制定，对主轴和进给轴各部分测试内容的顺序并无影响，同时也可以剪裁和拆分组合进行测试。

其中，系统上电开机后，先人工对按键功能测试一遍，之后通过编程实现主轴和进给轴的不同工况，主轴和进给轴的测试又分为不加载和加载两种情况。空载测试时，不加负载，令所有输出轴在额定转速正反转各5min；主轴加速测试时，令主轴转速在10s内从0加速到极速的90%，正反向均测试；主轴极速测试时，令主轴在5秒内从极速的90%加速至极速，保持5秒，再从5秒内减速至极速的90%，保持5秒，正反向均测试；主轴减速测试时，令主轴转速在10秒内从极速的90%减速到0，正反向均测试；直线插补运动测试时，X、Y、Z轴两两组合分别在额定转速下同时从零位置运动到各自最大行程的90%，然后返回；圆弧插补运动测试时，X、Y、Z轴两两组合在额定转速下分别在XY、XZ、YZ平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周；过载测试时，令数控系统在功率或扭矩在110%额定载荷下持续运行5s；急停测试时，在数控系统运行过程中，随机选择急停来测试数控系统的反应。最后对系统进行断电，一个完整的循环结束。

结合附图4，运行测试循环的实施方法如下：

（1）试验开始，对数控系统施加电应力，整个循环内保持通电。

（2）通电后对数控系统进行按键测试。在0～360s内，完成按键测试。

（3）360s后对数控系统进行空载测试。不加任何负载，从360s到365s，5s内主轴转速由零加速到正转的额定转速，在额定转速下运行300s，从665s到675s，10s内主轴转速由额定转速减速到零，再由零加速到反转的额定转速，在额定转速下运行300s，从975s到980s，5s内主轴转速由额定转速减速到零。

（4）980s后对数控系统进行主轴加速测试。从980s到990s，10s内主轴转速由零加速到正转极速的90%，在该速度下运行5s。

（5）995s后对数控系统进行主轴极速测试。从995s到1000s，5s内主轴转速由正转极速的90%加速到正转极速，在极速下运行5s，从1005s到1010s，5s内主轴转速由极速减速到极速的90%。

（6）1010s后对数控系统进行主轴减速测试。在90%极速下运行5s，从1015s到1025s，10s内主轴转速由极速的90%减速到零。

（7）1025s后对数控系统进行主轴加速测试。从1025s到1035s，10s内主轴转速由零加速到反转极速的90%，在该速度下运行5s。

（8）1040s后对数控系统进行主轴极速测试。从1040s到1045s，5s内主轴转速由反转极速的90%加速到反转极速，在极速下运行5s，从1050s到1055s，5s内主轴转速由极速减速到极速的90%。

（9）1055s后对数控系统进行主轴减速测试。在反转90%极速下运行5s，从1060s到1070s，10s内主轴转速由反转极速的90%减速到零。

（10）1070s后对数控系统进行XY面内的直线插补运动测试。从1070s到1670s，600s内X、Y两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。

（11）1670s后对数控系统进行XZ面内的直线插补运动测试。从1670s到2270s，600s内X、Z两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。

（12）2270s后对数控系统进行YZ面内的直线插补运动测试。从2270s到2870s，600s内Y、Z两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。

（13）2870s后对数控系统进行XY面内的圆弧插补运动测试。从2870s到3470s，600s内X、Y两轴在额定转速下，在XY平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。

（14）3470s后对数控系统进行ZX面内的圆弧插补运动测试。从3470s到4070s，600s内Z、X两轴在额定转速下，在ZX平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。

（15）4070s后对数控系统进行YZ面内的圆弧插补运动测试。从4070s到4670s，600s内Y、Z两轴在额定转速下，在YZ平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。

（16）4670s后对数控系统进行负载测试。在额定负载情况下，从4670s到5270s，600s内X、Y两轴做直线插补运动；从5270s到5870s，600s内X、Z两轴做直线插补运动；从5870s到6470s，600s内Y、Z两轴做直线插补运动；从6470s到7070s，600s内X、Y两轴做圆弧插补运动；从7070s到7670s，600s内Z、X两轴做圆弧插补运动；从7670s到8270s，600s内Y、Z两轴做圆弧插补运动。

Claims

1.一种数控系统可靠性鉴定试验条件与方案的评估确定方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：环境条件的确定

数控系统的可靠性试验涉及的环境条件包括温度、湿度和振动3类；GB/T26220-2010的4.4.1节给出了数控系统的环境要求和标准，包括：其所属的机械电气设备安全类标准GB5226.1-2008、调速电气系统相关的GB/T12668.1-2002、GB/T12668.2-2002和用于可编程控制器的IEC61131-2:2007；由于这些标准的环境条件并不统一，当将这些标准涉及的产品组合起来作为单个系统进行试验时，需要对数控系统具体情况进行综合分析，对标准给出的条件进行剪裁确定试验条件，或参考一般性的用于固定使用在有气候防护场所设备的可靠性试验标准GB7288.2-87来确定环境条件；

以下是根据上述内容确定了三种不同的环境条件：

（1）温度：数控系统应能正常工作在预期使用环境空气温度为5℃～40℃范围内；

（2）湿度：当数控系统最高温度为40℃，相对湿度不超过50%时，其中电气设备应能正常工作；

（3）振动：GB5226.1-2002要求应通过选择合适的设备，将数控系统中的电气设备远离振源安装或采取附加措施，以防止由机械及其有关设备产生或实际环境引起的振动、冲击和碰撞的不良影响；

步骤二：工作条件的确定

工作条件包括产品现场工作中的电源环境、功能模式、输入信号、负载条件的组合；其中电源环境的电压变化范围为额定值的-15%～10%，频率变化范围为49～51Hz；功能模式中应根据产品的技术条件或使用说明书所规定的全部功能确定功能模式，功能转换由操作者直接控制，或者靠程序信号自动控制；对于输入信号，根据产品技术条件或使用说明书确定典型测试程序，程序应体现产品所规定的功能输入信号为典型零件的加工程序；对于负载条件，要按实际工作情况来确定，以最后输出到电气执行元件为止进行计算；电气执行元件采用模拟负载；

步骤三：试验方案第一部分的确定

可靠性鉴定试验首先实施可靠性组合环境应力试验；

由于试验的受试产品为采用内置型机箱并且机箱内包含LCD、磁盘驱动器温度敏感器件的数控系统或装置，根据GB/T26220-2010，试验温度为-40～70℃，选择常温工作温度为30℃，其中工作温度下限为0℃；工作温度上限为55℃；工作温变低温为0℃，高温为55℃，温变率为1℃/min；贮存温度下限为-40℃；贮存温度上限为70℃；试验箱内的相对湿度控制在30%～95%，根据GB/T26220—2010，试验的振动条件选择为频率范围10Hz～55Hz，扫频速度1octave/min，振幅峰值0.15mm，的正弦扫频振动，x、y、z三轴各方向每轴各10次；为考核数控系统在严酷环境条件的可靠性，在工作低温时，对供电电压采取-15%的下拉偏；在工作高温时对供电电压采取10%的上拉偏；

步骤四：试验方案第二部分的确定

鉴定试验的第二部分为正式运行试验，第二阶段试验的综合应力包括：温度、湿度、电应力和工作应力；温度和湿度应力采用试验现场的自然环境条件，试验过程中做实时监测和记录；第二阶段试验剖面为一个循环，整个剖面以数控系统运行的所有典型工况为依据制定，对主轴和进给轴各部分测试内容的顺序并无影响，同时以剪裁和拆分组合进行测试；其中，系统上电开机后，先人工对按键功能测试一遍，之后通过编程实现主轴和进给轴的不同工况，主轴和进给轴的测试又分为不加载和加载两种情况；空载测试时，不加负载，令所有输出轴在额定转速正反转各5min；主轴加速测试时，令主轴转速在10s内从0加速到极速的90%，正反向均测试；主轴极速测试时，令主轴在5秒内从极速的90%加速至极速，保持5秒，再从5秒内减速至极速的90%，保持5秒，正反向均测试；主轴减速测试时，令主轴转速在10秒内从极速的90%减速到0，正反向均测试；直线插补运动测试时，X、Y、Z轴两两组合分别在额定转速下同时从零位置运动到各自最大行程的90%，然后返回；圆弧插补运动测试时，X、Y、Z轴两两组合在额定转速下分别在XY、XZ、YZ平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周；过载测试时，令数控系统在功率或扭矩在110%额定载荷下持续运行5s；急停测试时，在数控系统运行过程中，随机选择急停来测试数控系统的反应；最后对系统进行断电，一个完整的循环结束。