伺服驅(qū)動(dòng)器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)研究

王大號(hào)

（1.廣東省高性能伺服系統(tǒng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

伺服系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的核心零部件，伺服驅(qū)動(dòng)器作為伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)裝置，其可靠性的強(qiáng)弱直接影響到機(jī)器人整機(jī)的可靠性工作能力，將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用到伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)研發(fā)中，可有效解決產(chǎn)品高可靠性、低開(kāi)發(fā)成本和短研制周期之間的矛盾，因此對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)研究有重要意義。本文結(jié)合伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用環(huán)境，確定強(qiáng)化應(yīng)力施加方法，查找產(chǎn)品應(yīng)力極限，充分暴露產(chǎn)品的薄弱點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障模式與性能退化，通過(guò)“試驗(yàn)—改進(jìn)—再試驗(yàn)”的方式逐一改進(jìn)產(chǎn)品的潛在缺陷，最終達(dá)到提升伺服驅(qū)動(dòng)器的可靠性水平。

1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伺服系統(tǒng)主要包含伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)兩部分，其中伺服電機(jī)有執(zhí)行部件、反饋部件、制動(dòng)部件，具體各部分連接情況詳見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 伺服系統(tǒng)連接框圖

圖2 伺服驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備用于伺服驅(qū)動(dòng)器可靠性強(qiáng)化的試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備主要包括三大部分（如圖3）：液氮快速變溫高低溫箱、置于箱內(nèi)的氣動(dòng)式3軸6自由度（6DOF）振動(dòng)臺(tái)和試驗(yàn)系統(tǒng)、電器柜和控制系統(tǒng)。采用對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)地施加步進(jìn)應(yīng)力的方法，快速激發(fā)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷，暴露設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，確定產(chǎn)品的工作極限和破壞極限?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)?zāi)芰θ缦拢?/p>

圖3 伺服可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備

溫度范圍：-100～200 ℃，

溫變速率：60 ℃/min，

制冷方式：液氮制冷，

振動(dòng)方式：氣動(dòng)式三軸六自由度，

頻率范圍：5 Hz～10 kHz。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

參考伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用環(huán)境與實(shí)際工作情況，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、電壓循環(huán)應(yīng)力三種應(yīng)力類(lèi)型用于激發(fā)伺服驅(qū)動(dòng)器的故障模式和故障機(jī)理。以下簡(jiǎn)述三種應(yīng)力的激發(fā)故障的機(jī)理和模式：

3.1 溫度應(yīng)力

溫度應(yīng)力可通過(guò)低溫、高溫及溫度循環(huán)方式作用在伺服驅(qū)動(dòng)器上，可影響其機(jī)械、物理化學(xué)和電氣性能。溫度及循環(huán)激發(fā)的故障模式有：連線伸張或松弛，接觸不良、參數(shù)漂移與電路穩(wěn)定性差，電路板開(kāi)路、短路、元器件松動(dòng)等[1]。低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面如圖4。

圖4 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面

3.2 振動(dòng)應(yīng)力

振動(dòng)應(yīng)力是直接用外力激起伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部元器件及其結(jié)合部件的諧振，達(dá)到性能超差或失效、結(jié)構(gòu)引線松動(dòng)磨損或脫落、放大微小缺陷和損傷。振動(dòng)激發(fā)的故障模式有：電路板開(kāi)路短路、元器件松脫、虛焊、開(kāi)焊、粘接不良、機(jī)械缺陷等[1]。振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面如圖5。

圖5 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面

3.3 電壓循環(huán)應(yīng)力

電壓的高低循環(huán)可以激發(fā)伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)電壓變化比較敏感部件的故障，對(duì)穩(wěn)壓器件、二極管、晶體管、繼電器等有激發(fā)作用。電壓循環(huán)激發(fā)的故障模式有：間歇失效、性能減弱、電路誤動(dòng)作、短路、絕緣老化等[1]。

應(yīng)力的施加是采用步進(jìn)的方式進(jìn)行，步進(jìn)應(yīng)力極限值要達(dá)到設(shè)計(jì)值以上，并預(yù)留足夠的裕度，試驗(yàn)步長(zhǎng)可根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用靈活調(diào)整。另外在振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)中，各步進(jìn)應(yīng)力量級(jí)停留時(shí)間一般設(shè)置5～10 min來(lái)確定產(chǎn)品的破壞極限和工作極限；在溫度環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)中，斷電溫度停留時(shí)間要根據(jù)伺服器的溫度平衡來(lái)確定，如溫度循環(huán)試驗(yàn)中用極大應(yīng)力在激發(fā)故障，則在端點(diǎn)溫度停留時(shí)間不要等到伺服驅(qū)動(dòng)器完全達(dá)到溫度平衡（最多達(dá)到90 %）。

4 故障檢測(cè)

伺服驅(qū)動(dòng)器的功能、性能檢測(cè)依據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)檢測(cè)原理確定。試驗(yàn)前、中、后應(yīng)進(jìn)行功能與性能檢測(cè)。伺服驅(qū)動(dòng)器在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)期間出現(xiàn)如下情況，即可認(rèn)為其功能異常或發(fā)生故障：

1）伺服驅(qū)動(dòng)器喪失任一必備的功能。

2）伺服驅(qū)動(dòng)器的性能參數(shù)超差。

3）出現(xiàn)影響伺服驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)功能、性能和結(jié)構(gòu)完整性的機(jī)械部件、結(jié)構(gòu)件或元器件的破裂、斷裂或損壞狀態(tài)[2]。

4）伺服驅(qū)動(dòng)器具有故障預(yù)警與保護(hù)功能，在異常發(fā)生時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，使伺服電機(jī)停止工作。在故障報(bào)警與保護(hù)報(bào)警狀態(tài)時(shí)，前面板LED顯示報(bào)警代碼AL.XXX，伺服無(wú)法開(kāi)啟。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室，按照設(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)化試驗(yàn)方案，利用某品牌400 W驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在試驗(yàn)過(guò)程中共出現(xiàn)2次故障，確定產(chǎn)品工作極限，快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)，試驗(yàn)方案有效，具體的故障形式如下：

5.1 溫度應(yīng)力故障

故障現(xiàn)象1：伺服驅(qū)動(dòng)器的低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，溫度至-20 ℃，伺服驅(qū)動(dòng)器顯示故障代碼AL161，該代碼報(bào)警內(nèi)容為熱保護(hù)電路故障，將樣品恢復(fù)至常溫狀態(tài)，故障代碼解出，樣品工作恢復(fù)正常。

故障分析：伺服驅(qū)動(dòng)器觸發(fā)低溫保護(hù)電路。

故障解決方案：此故障由伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)特點(diǎn)導(dǎo)致，將伺服驅(qū)動(dòng)器低溫保護(hù)電路中感溫包增大電阻，更換為10 kΩ后，故障現(xiàn)象消失。

故障現(xiàn)象2：伺服驅(qū)動(dòng)器按照低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，溫度至-55 ℃，維持5 min，監(jiān)測(cè)IPM電源電壓超過(guò)上限值16.5 V，達(dá)到20.5 V，控制器電源-12VA電壓超過(guò)上限值10.8 V，達(dá)到16.7 V，驅(qū)動(dòng)器跳閘斷電。

故障分析：伺服驅(qū)動(dòng)器的IPM元器件（智能功率元器件）W相的下橋臂擊穿。

故障解決方案：伺服驅(qū)動(dòng)器IPM元器件來(lái)料缺陷，更換元器件后，樣品恢復(fù)正常工作。

5.2 振動(dòng)應(yīng)力故障

故障現(xiàn)象1：伺服驅(qū)動(dòng)器按照振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，振動(dòng)量級(jí)至40 g，伺服驅(qū)動(dòng)器顯示故障代碼AL 220，停止振動(dòng)，重啟樣品，伺服驅(qū)動(dòng)器顯示面板數(shù)碼管不亮，監(jiān)測(cè)到母線電壓值為305 V，IPM電源電壓為0 V，控制器電源+12VA為0 V。

故障分析：伺服驅(qū)動(dòng)電路中NTC熱敏電阻引腳斷裂（如圖6）。

圖6 伺服驅(qū)動(dòng)器NTC熱敏電阻故障圖

故障解決方案：更換NTC熱敏電阻，元器件焊接過(guò)程和生產(chǎn)運(yùn)輸中，避免相互碰撞及折彎。

6 結(jié)論

本文介紹伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及伺服驅(qū)動(dòng)器可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和不同試驗(yàn)應(yīng)力的選擇、故障診斷的方法，并通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)測(cè)驗(yàn)證，快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)，診斷故障，驗(yàn)證了伺服驅(qū)動(dòng)器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的有效性，通過(guò)以上驗(yàn)證得出如下結(jié)論：

1）本文對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2）本文提出針對(duì)伺服系統(tǒng)，設(shè)計(jì)不同應(yīng)力類(lèi)型用于激發(fā)伺服驅(qū)動(dòng)器的故障模式和故障機(jī)理。

3）通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的強(qiáng)化試驗(yàn)方案可以有效快速發(fā)現(xiàn)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)，同時(shí)可以為行業(yè)其它產(chǎn)品借鑒。