绝对式直线光栅尺可靠性预计*

张立华，吴宏圣

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

绝对式直线光栅尺可靠性预计*

张立华，吴宏圣

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

为了能够准确有效地评估现有绝对式光栅尺的可靠性，对当前绝对式光栅尺的可靠度能够有一个定量的分析，因此对目前某型号绝对式光栅尺进行了研究。首先，建立了可靠性模型，然后，引入了相似比较法和国家军用标准GJB/Z299C《电子设备可靠性预计手册》中常用的元器件应力法对该光栅尺进行了详细的预计，定量地预测其可靠性水平，最后，给出了预计结果，对预计的结果进行了分析，找出系统薄弱环节，给出了提高可靠性的对策。结果表明：可靠性预计的结果表明该型号的的绝对式光栅尺的平均无故障间隔时间11987h达到了原目标要求的10000h。该方法具有实用性，能够利用此方法来对绝对式光栅尺的可靠性进行预计，而且评价出的可靠性水平可以指导该绝对式光栅尺的可靠性测试与试验。

可靠性预计；绝对式光栅；元器件应力法

0 引言

可靠性预计在光栅尺可靠性设计过程中有重要的作用，通过可靠性预计，可以审查可靠性指标能否达到；可以对设计方案进行比较，选出性价比高的；还可以发现设计中的薄弱环节，及时采取改进措施［1］。

在工程上可靠性预计的方法比较多，常用的方法有：元器件计数法、应力分析法、相似比较法、功能预计法、相似复杂性法、故障物理分析法等［2-7］，这些方法大致可以将其归纳为三类：基于数理统计的传统可靠性预计法、基于故障物理的可靠性分析法和基于相似产品的相似比较法。故障物理分析法［8］结合了产品的设计信息和相应的预期环境条件，需要确定零部件的材料特性以及所受应力的类型，另外还需要弄清不同类型故障之间的相互影响。这种方法计算量大，投入成本大，普遍适用性差，且必须同实际产品所采用的元器件、材料、工艺相结合，要量化整个系统的可靠性是困难的。相似比较法［8］需要了解相似产品的可靠性水平，并分析研制对象和相似产品在组成结构、设计要求、生产工艺、组织管理和使用环境等多方面的差异，从而预计出研制对象能够达到的可靠性水平。该方法的适用条件是新设备与老设备是相似的，以及老设备的可靠性水平是已知的。基于数理统计的传统可靠性预计法能反映失效率的统计平均值，具有很强的工程实用性，使用广泛，适用于产品的可靠性快速评估。本文充分发挥传统可靠性预计法和相似比较法的优点，用二者结合的方法对该光栅尺进行了详细的预计。

1 绝对式光栅尺组成

绝对式光栅尺的组成框图见图1所示。绝对式光栅尺的基本组成是：尺壳和读数头，在尺壳装有标尺光栅，标尺光栅是长度测量的基准元件；读数头由指示光栅滑架和滑架体组成，在指示光栅滑架上装有五个轴承，在滑架体推动下，指示光栅滑架作用于标尺光栅，像一台小车一样在标尺光栅测量方向上滑动。指示光栅滑架上装有指示光栅、ASIC光电器件和照明系统。在滑架体内装有信号采集与处理电路板。标尺光栅上刻有两条码道图案：绝对码道和增量码道，在绝对码道上刻有不同宽度和不同间距的栅线表示绝对位置数据；增量码道采用周期性的光栅刻线。ASIC光电器件获得两个码道的光电编码信号，AD采集，经过FPGA处理，算出直线光栅尺的精确位置，通过高速通讯接口将位置值输出。

图1 绝对式光栅尺的组成框图

2 绝对式光栅尺可靠性模型

可靠性模型［9］包括可靠性框图和可靠性数学模型两项内容。绝对式光栅尺可靠性框图是一个串联系统框图，见图2，并设λ1、λ2、λ3、λ4分别为光电信号接收模块、电源电路、光电信号处理模块及光机部分的失效率，系统的总失效率为λ0：

图2 绝对式光栅尺的可靠性框图

3 可靠性预计

3.1 光机部分

绝对式光栅尺是一个光机电综合系统，目前对光机部分的可靠性，采用相似比较的方法，依据长光数显公司20多年的生产及应用经验，光机零部件的可靠性优于20000h，即失效率：λ=2 x 10-5。本文中基于光机零部件的可靠性已知的情况下，计算电子学部分的可靠性，最后推算出整机的可靠性。

3.2 电子学部分

电子可靠性预计有以下约束条件：

（1）电子元器件失效率恒定，可靠度服从指数分布；

（2）有详细的光栅尺的性能要求和失效判据；

（3）功能性条件（如电源电压）恒定，或可以预见；

（4）组成电路系统的各元器件（部件）的故障是相互独立的；

（5）外部环境条件恒定，或可以预见；

（6）除老化外，光栅尺的特性不会发生变化。

电子学分为光电信号接收模块、电源电路模块、光电信号处理模块三部分，各部分的可靠性模型均为串联模型，结合GJB/Z299C《电子设备可靠性预计手册》［10］进行元器件失效率计算，以片式膜电阻器为例，工作失效率模型为：

式中：λp为工作失效率；λb为基本失效率，取值为0.007 x 10-6/h；πE为环境系数，环境类别对应平稳地面移动GMI，取值为5.2；πQ为质量系数，对应B1级，取值0.6；πR为阻值系数，120k，取值1.6，光电信号接收模块部分器件的失效率见表1。

表1 光电信号接收模块部分元器件失效率统计表

4 预计结果与分析

经过计算，整机各单元失效率见表2。

所以绝对式光栅尺的失效率为：

平均无故障时间如公式（4）：

表2 各单元失效率

各单元失效率分布见图3，由图看出，光电信号处理模块的失效率所占比重较大，所以在元器件选材和光栅尺测试时，要更加注重此单元的元器件，同时着重对这些寿命相对较短的模块进行研究。

图3 单元失效率分布

5 结论

本文根据光栅尺的特点，建立了可靠性模型，利用元器件应力法和相似比较法对该光栅尺进行了详细的预计，结果表明：可靠性预计的结果表明该型号的的绝对式光栅尺的平均无故障间隔时间11987h达到了原目标要求的10000h。该方法具有实用性，能够利用此方法来对绝对式光栅尺的可靠性进行预计，预计出的结果可以作为光栅尺的可靠性水平的一个真实反映，而且评价出的可靠性水平可以指导该绝对式光栅尺的可靠性测试与试验。

［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］陈云霞，谢汶妹，曾声奎.功能分析与失效物理结合的可靠性预计方法［J］.航空学报，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］张增照.以可靠性为中心的质量设计、分析和控制［M］.北京：电子工业出版社，2010.

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

［8］郝庆波.数控机床可靠性及维修性的模糊综合分配与预计［D］.长春：吉林大学，2012.

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

（编辑 赵蓉）

The Reliability Prediction of The Absolute Linear Encoder

ZHANG Li-hua，WU Hong-sheng
（Changchun Institute of Optics，Fine 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.，Finally，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

国家科技重大专项：高档数控机床与基础制造装备项目（92013ZX04007021）；长春市科技计划项目：高集成化单码道绝对式光栅尺研发（2013254）

张立华（1984—），女，长春人，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所助理研究员，硕士，研究方向为光栅线位移传感器，（E-mail）zhanglihua8488@163.com。