机床数控系统可靠性设计

机床数控系统可靠性设计

国家标准 GB/T29545一2013 机床数控系统可靠性设计 Numeriealcontrolsystemofmachinetools一RReliabilitydesign 2013-06-09发布 2014-01-01实施 中华人民共利国国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/T29545一2013 目 次 前言 引言 范围 规范性引用文件 术语和定义 可靠性设计 可靠性设计评审 附录A(资料性附录)可靠性分配方法 附录B规范性附录可靠性设计方法 8 附录c规范性附录)元器件的选择与筛选 26 附录D(规范性附录)可靠性框图 31 附录E(资料性附录常用可靠性模型 33 附录F资料性附录故障判据 36 附录G(资料性附录)可靠性预计方法 37 附录H(资料性附录)可靠性设计评审表 参考文献
GB/T29545一2013 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草 本标准由机械工业联合会提出. 本标准由全国机床数控系统标准化技术委员会(SsAC/TC367)归口 本标准主要起草单位:武汉华中数控股份有限公司、广州数控设备有限公司、华中科技大学 本标准主要起草人:金健、张航军、张玉洁、郝柳、郑小年、解传宁、王义强、邵国安、戴怡、贺青川 m
GB/T29545一2013 引 言 可靠性是机床数控系统的重要属性之一,本标准结合机床数控系统的结构及性能特点,给出了多种 可靠性设计方法,规范了可靠性设计的基本流程以及可靠性评审内容和程序 通过标准实施,将促进机 床数控系统可靠性水平的不断提升,使之更好地满足市场和用户需求
GB/I29545一2013 机床数控系统可靠性设计 范围 本标准规定了机床数控系统可靠性设计的基本流程、方法以及评审内容和程序 本标准适用于机床数控系统(以下简称“数控系统”) 其他工业机械设备数控系统的可靠性设计可 参照本标准 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件 凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 (GB/T7828一1987可靠性设计评审 GJB813一1990可靠性模型的建立和可靠性预计 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件 可靠性 reliability 数控系统在规定的条件下和规定的时间区间内完成规定功能的能力 注:改写GB/T2900.132008,定义191-02-06 通常认为数控系统在时间区间的始端处于能完成要求的功能的状 态 另外,可靠性的量值虽然在客观上是存在的,但实际上是未知的,只能利用有限的样本观测数据,经过一定 的统计计算得到其估计值 可靠性的量值也称为可靠度 3.2 可靠性设计reliabilitydesign 利用具体的设计方法来实现数控系统可靠性目标的做法或过程 3.3 ;MTB 平均故障间工作时间 ,taurs; meanoperatingtimehetween 相邻故障间工作时间的数学期望,也指相邻两次故障之间的平均工作时间或平均故障间隔时间 注:改写GB/T2900.132008,定义191-12-09 寿命剖面iepoie 数控系统从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述 数控系 统经历的事件一般有研发、生产,检验,测试,包装、运输、贮存、组装(安装),调试,运行(使用)、故障、停 放、维修(维护)、报废等 数控系统经历的环境可能有振动,冲击,电磁干扰,高温,低温、湿度(淋水)沙 尘(砂尘)、盐雾等 3.5 任务剖面missionprofile 数控系统在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述
GB/T29545一2013 3.6 rtingrtio 运行比oper 数控系统的组成模块的工作时间与数控系统工作时间之比,常用于确定非全时间工作的模块的失 效率的修正系数 注:为了避免理解上的歧义,本标准用“模块”代替“分系统”或“子系统” 若干模块构成整个数控系统 模块是一 个相对的概念 运行比有时也可指元器件的工作时间与其所构成的模块的工作时间之比 3.7 可靠性数据reliabilitydata 数控系统的元器件,模块等在可靠性属性方面的数据和信息(如失效率). 故障模式与影响分析faultmodesanderrectsanalysis;FMEA 研究数控系统每个组成模块或元器件可能存在的故障模式并确定各个故障模式对数控系统其他组 成模块或元器件和对数控系统要求功能的影响的一种定性的可靠性分析方法 注，改写GB/T2900.13一2008,定义191-16-03 应力stress 影响数控系统模块,元器件失效率的电、热、机械等负载 注:改写GJB/Z351993,定义3,4 数控系统承受的应力通常有很多种,如电应力,温度应力,机械应力等 电应力;指元器件外加的电压/电流及功率等， a b 温度应力:指元器件所处的工作环境的温度等; c 机械应力;指元器件所承受的直接负荷、压力、冲击、振动、碰撞和跌落等; 小 环境应力指元器件所处工作环境条件下除温度外的其他外界因素,如灰尘.湿度、气压、盐雾、腐蚀等 e 时间应力;指元器件承受应力时间的长短(承受应力时间越长,越易老化或失效). 可靠性设计 4.1概述 可靠性设计是数控系统可靠性工作的重要内容和关键环节,对于发现并剔除可靠性薄弱环节,改进 可靠性缺陷及实现可靠性目标等具有重要意义 可靠性设计基本流程 数控系统可靠性设计是一项系统工程,需要投人大量的人力、物力,同时需要采用必要的试验方法 进行验证,过程中还会出现反复 为提高数控系统可靠性设计的工作效率,需要确定可靠性设计基本流 程,设计各阶段工作的主要内容及任务重点 数控系统可靠性设计的基本流程如下(见图1) 确定产品定义,主要包括 功能体系构成; 工作任务 2) 37 功能 4) 工作过程 寿命剖面 5 b确定可靠性目标; 确定主要模块及硬件结构,主要包括: 1 主要模块清单;
GB/T29545一2013 硬件总体设计技术背景; 2) 3) 硬件结构原理图 4功能框图 d 进行可靠性分配; 采用具体的方法进行可靠性设计; f 模块及硬件结构的细化; g)建立可靠性模型; h 进行可靠性预计; 进行验证与评审 确定产品定义 确定可幕性 确定主要模块及硬件结构 进行可幕性分 可靠性设计 模块及硬件结构细化 建立可敢性模型 进行可靠性预计 验证及评审 通过 是 完成 注本流程仅为数控系统可靠性设计的开展提供基本参考,不是可靠性设计的惟一流程 图中判定结果为“否”时 箭头转向的"确定可靠性目标"“确定主要模块及硬件结构"“进行可靠性分配"“可靠性设计"“模块及硬件结构 细化"等环节是依次递进的 与转向“确定可靠性目标”环节对应的是“验证与评审”的结果为最坏的情况 即 在当前的结果上,通过重新细化模块及硬件结构、改进可靠性设计方法、重新进行可靠性分配、重新确定数控 系统主要模块及硬件结构都无法通过验证与评审 工程中,转向的具体环节视实际情况确定 图1数控系统可靠性设计基本流程图
GB/T29545一2013 4.3可靠性设计要求 4.3.1产品定义 产品定义是数控系统可靠性设计初期的工作,对后续工作开展具有重要的决定作用 产品定义环 节一般应满足下列要求 该阶段工作通常与数控系统的功能设计同步进行; a b)功能体系的构成可用图、表和(或)文字的形式进行描述; 工作任务包括主要任务和辅助任务; c D 功能包括主要功能和辅助功能; 工作过程可用图、表和(或)文字的形式进行描述; 寿命剖面内的事件和环境宜分别描述,可采用图、表和(或)文字等形式 示例: 某数控系统的寿命剖面如图2所示 看输 研发生产 检验测试 组装调试 运行使用 故障 停放 维修 报废 高温、低温、湿度淋水、沙尘、盐雾等 报动、冲击、电磁干扰等 图2某数控系统寿命剖面 4.3.2可靠性目标 4.3.2.1可靠性定性目标 可靠性定性目标通常是为保证产品可靠性而对产品设计提出技术要求和设计原则的描述 示例 某数控系统可靠性定性目标;电路板应选用标准件,硬件结构采用简化设计 4.3.2.2可靠性定量目标 可靠性定量目标是产品可靠性水平的度量,可靠性定量目标由可靠性参数及其指标两部分组成 可靠性参数分为使用参数和合同参数 使用参数是直接反映对产品的使用需求的可靠性参数,合 同参数是合同研制任务书中对产品可靠性要求的参数 这两类参数的定义,关系和区别如表1所示 表1可靠性使用参数与合同参数 可靠性使用参数 可靠性合同参数 合同和研制任务书中对产品的可靠性要求,且是承制方 直接反映对产品的使用需求的可靠性参数 在研制与生产过程中能够控制的参数 描述产品在计划环境中使用时的可靠性水平 用于度量和评价承制方的可靠性工作水平
GB/T29545一2013 表1(续 可靠性使用参数 可靠性合同参数 由使用需求导出 根据使用可靠性参数转换得出 包括产品设计、制造、安装质量、环境、使用、维修等的综 只考虑产品设计与制造的影响 合影响 注;常用的可靠性使用参数有平均维护间隔时间等,常用的可靠性合同参数有平均故障间工作时间邻 可靠性参数的量值称为可靠性指标 可靠性使用参数的量值称为可靠性使用指标,它可分为目标 值和门限值 可靠性合同参数的量值称为可靠性合同指标,它可分为规定值和最低可接受值 具体如 表2所示 表2可靠性使用指标与合同指标 使用指标 合同指标 目标值 门限值 规定值 最低可接受值 期望产品达到的使用指标 品应达到的使用指标,它 合同和研制任务书中规定合同和研制任务书中规 ， 它既能满足产品的使用需能满足产品的使用需求,是的期望产品达到的合同指定的、产品应达到的合同 求,又能使产品达到最佳效确定最低可接受值的依据，标,它是承制方进行可靠性指标,它是进行实验室鉴 费比,是确定规定值的依据也是现场验证的依据 设计的依据 定试验的依据 示例 某数控系统可靠性定量目标为;平均故障间工作时间(MTBF)规定值不小于10000h 4.3.2.3考虑的因素 确定数控系统可靠性目标时应重点考虑下列因素 a)行业同类产品可靠性现状; b)当前可靠性技术水平; e)历史产品的可靠性水平; 产品升级换代的预期要求等 d 主要模块及硬件结构 4.3.3 数控系统主要模块及硬件结构的确定应满足下列要求 推荐从产品的功能出发确定主要模块清单; a b)硬件总体设计技术背景应包含对不同品牌相关产品技术的比较分析 结构原理图应囊括已确定的所有主要模块; D 功能框图的建立应以结构原理图为基础 确定各主要模块的可靠性权重; f 描述产品预期的工作条件包括工况、环境等) 4.3.4 可靠性分配 4.3.4.1概述 可靠性分配是对数控系统的可靠性定量目标而言的,把数控系统的可靠性定量目标按一定的原则
GB/T29545一2013 分配到数控系统的各模块,变成各模块的可靠性目标 这是一个由整体到局部,由上到下的分解过程， 通过可靠性分配,把设计目标落实到相应层次的设计人员身上,使工作具体化 同时,通过可靠性分配 暴露数控系统设计中的薄弱环节及关键部位,为指标监控和改进措施提供依据,为数控系统管理提供所 需的人力、时间和资源等信息 可靠性分配(参见附录A)分为基本可靠性分配和任务可靠性分配 基本可靠性分配有多种方法， 如等分配法、比例组合分配法,评分分配法等 进行可靠性分配时,可根据需要采用不同的方法,或采用 不同的方法的组合 对于任务可靠性分配,可以采取先进行基本可靠性分配,再进行任务可靠性核算的 方式开展,以基本可靠性指标与任务可靠性指标同时得到满足为目标,形成最终可靠性分配方案的约束 条件 4.3.4.2基本原则 可靠性分配的基本原则如下 a)对复杂度较高的模块,应分配较低的可靠性指标; 对技术上不成熟的模块,应分配较低的可靠性指标; b 对在恶劣环境条件下工作的模块,应分配较低的可靠性指标; 当把可靠度作为分配参数时,对需要长期工作的模块应分配较低的可靠性指标; 对重要度较高的模块,应分配较高的可靠性指标; 不易维修,不易更换的模块应分配较高的可靠性指标 对故障频繁性高的模块,应分配较低的可靠性指标; 对故障致命性高的模块,应分配较高的可靠性指标; h 对费用敏感度高的模块,应分配较低的可靠性指标; i 对已有可靠性指标或使用成熟的模块等,应不再进行可靠性分配 4.3.4.3要求 可靠性分配要求如下 可靠性分配的要求值应是规定值 a -般选择可靠度、失效率,平均故障间工作时间等参数进行可靠性量值分配 b e)通常将可靠性分配与可靠性预计工作结合进行,根据各模块等能够达到的可靠性量值进行 分配; 可靠性指标分配宜在产品研制的早期进行,以便使设计人员尽早明确设计要求,提出设计措 施,同时为确定外购件及外协件可靠性指标提供依据,以及根据所分配的可靠性目标估算所需 人力和资源等信息; 可靠性分配可按数控系统的功能框图进行,以使各模块的可靠性指标分配值随着研制任务同 时下达,在获得较充分的信息后进行再分配 可靠性分配工作有时需反复多次进行; 注;可靠性分配工作反复多次进行一般有下列几个原因: ,分配是比较粗略的，经过粗略分配后,需要与经验数据进行比较权衡 在方案论证和初步设计工作中 随着设计工作的不断深人,可靠性模型逐步细化,可靠性分配亦随之反复进行; 产品研制的进展和设计过程发生变动 可靠性分配工作结束后没实现预期目标 -设计人员主观致力于改善分配结果 在产品设计初期,可靠性分配的结果应与经验数据进行比较、权衡,也可与可靠性预计结果相 比较,来确定分配的合理性,并根据需要重新进行分配;
GB/T29545一2013 h 为减少可靠性分配的重复次数并考虑到分配中存在忽略不计的其他因素项目,可在规定的可 靠性指标基础上留出一定的余量,这也为在设计过程中增加新的模块留下余地 推荐余量为 15%20%; i 如不能保证可靠性分配结果的准确性,应突出各模块的相对可靠程度 可靠性分配应考虑接口、电缆管线等不直接参加分配部分的可靠性影响 k进行可靠性指标分配时,应注重基本可靠性指标分配值与任务可靠性分配值的协调 可根据不同研制阶段的需求选择不同的分配方法 注:数控系统的可靠性分配的示例参见A.3.4 4.3.5可靠性设计及方法 可靠性设计的主要目的是实现预期的可靠性目标,保证或提高数控系统的可靠性水平 某些情况 下,仅通过元器件的选择就可以实现预期目标,但多数情况下还需借助于具体的技术手段和方法 不同的场合采取的技术手段和方法各不相同,这些在可靠性设计流程中所采用的方法和措施均属 于可靠性设计方法(见附录B) 4.3.6模块及硬件结构细化 模块及硬件结构细化是根据可靠性设计与可靠性分配的结果和要求,将模块及硬件结构进行细化 的具体过程 该过程应符合以下要求 a)细化过程可根据需要分阶段进行; b)细化过程可能需要一次或多次的反复 e)细化的最终结果应确定具体的元器件; 注随着制造业集成化程度的提高,模块及硬件结构细化的最终结果可能只到板卡(级)或模块(级》. d)元器件的选择应符合附录C的要求,板卡和模块的选择应符合相关标准或技术规范的规定 示例: 某数控装置硬件结构确定结果如表3所示 表3某数控装置硬件结构 序号 模块划分 硬件组成 备注 MCcP键盘,功能键盘,NC键盘,前面板 输人模块 多功能CPU卡、存储卡接口、视频接口,主板、串口,局域网接口,键 2 CPU模块 盘接口、USB接口、RS232接口 元器件清单略 功能模块 手持单元 显示模块 显示屏 总线模块 总线接口硬件电路 4.3.7 可靠性模型 4.3.7.1概述 可靠性模型是对数控系统及其模块或元器件等之间的可靠性(或故障)逻辑关系的描述,建立可靠 性模型的目的是用于定量分配、预计和评价产品的可靠性,建模方法应符合GJB813一1990中第4章的 规定 可靠性模型包括可靠性框图(见附录D)及其相应的数学模型
GB/T29545一2013 可靠性框图是由代表产品或功能的方框和连线组成,表示各模块或元器件的故障或它们的组 合如何导致产品故障的逻辑图; b)数学模型用于表达可靠性框图中各方框的可靠性与模型整体可靠性之间的函数关系 注:建立可靠性框图的基础是产品的原理图或功能框图 原理图或功能框图反映了产品各模块或元器件之间的物 理上的连接与组合关系,以及功能原理等,而可靠性框图则是反映产品各模块或元器件之间的故障逻辑关系 4.3.7.2可靠性模型分类 4.3.7.2.1按性质不同,可靠性模型分为基本可靠性模型和任务可靠性模型 基本可靠性指产品在规定条件下无故障的持续时间或概率,它反映产品及其模块或元器件等 a 故障所引起的维修及保障要求,因此可以作为度量维修保障人力与费用的一种模型,是一个全 串联模型,即使存在冗余,也都按串联处理 基本可靠性模型不能用来估计任务可靠性,只有 在无冗余或替代工作模式时,基本可靠性模型与任务可靠性模型才一致 任务可靠性指产品在规定的任务剖面内,完成规定功能的能力,它反映的是产品及其模块或 元器件在工作过程中的有效性,是一个复杂的串联、并联、表决、桥联等多种模型的组合 任务 可靠性模型应根据产品的任务剖面及任务故障判据建立,不同的任务剖面应确定各自的任务 可幕性模里 同一任务剖面的各阶段,也可能需要建立备自的任务可靠性模型 4.3.7.2.2按产品各模块或元器件之间可靠性逻辑关系的不同,可靠性模型分为串联模型,并联模型 表决模型、桥联模型和旁联模型(参见附录E). 4.3.7.3建立可靠性模型 4.3.7.3.1概述 在确定产品定义和模块及硬件结构细化的基础上,可靠性建模的程序还包括以下内容: a)确定故障判据(参见附录F); 确定各模块或元器件的运行比; b e)建立可靠性框图; d)建立相应的数学模型 4.3.7.3.2建立可靠性模型要求 可靠性建模要求如下 “故障判据”应结合数控系统的具体功能来确定; a 建立可靠性框图应先明确数控系统各模块或元器件的标志,建模任务及有关限制条件,然后 b 再依照系统定义,采用框图的形式表示出所有模块或元器件之间的关系,并标识每个方框， 可靠性框图可以由粗到细逐浙细化,以简化可靠性建模的难度; 在最终的可靠性框图中,通常一个方框应只对应一个模块或元器件; d 数控系统模块或元器件中的导线和连接装置在建模时应作为单独的方框或作为另一个方框的 -部分来处理,或根据具体情况的要求简化处理甚至忽略不计 对较为复杂的可靠性框图的各产品名称或功能标志可用代码进行标识,并在图后加专门的表 格进行说明 数控系统的任务可靠性框图与任务剖面相关,对系统的不同任务剖面,应分别绘制任务可靠 性框图: h)数学模型中各模块或元器件的可靠性数据应与其对应的任务阶段相匹配 应根据各模块或元器件的运行比,对可靠性模型加以修正 应注重可靠性建模工作的及时性
GB/T29545一2013 示例: 以某数控系统为例建立以下可靠性模型 数控系统定义 a 该数控系统采用双余度设计实现,由两套子系统组成 每套子系统的配置完全相同,包括比较输人模块、CPU模 块、输出接口模块和电源模块共四部分 该数控系统的功能框图如图3所示 电源模块 输出接口模块 比较输入模块 CPU模块 MI M3 M2 比较输入模块 CPU模块 输出接口模块 M7 M6 M5 电源模块 M8 图3某数控系统的功能框图 该数控系统的功能是实现对重要提示信息的排序、分类处理和报警,引起操作人员注意,从而采取适当处理措施 两套子系统中,只要有一套能正常工作,该数控系统就可以实现上述规定的功能 在数控系统的任务剖面的各个阶段,所有组成模块一直在工作 基本可靠性的故障判据为:任何模块发生故障,都影响数控系统的基本可靠性,都算作故障 任务可靠性的故障判据为;造成数控系统在任务期间不能实现提示信息的排序,分类处理和报警的故障 在可靠性建模中采用的假设条件 所有模块只有故障与正常两种状态,不存在第三种状态; 数控系统的所有输人在规定范围之内,即不考虑由于输人错误而引起的系统故障的情况 假设人员是完全可靠的,而且人员与系统之间没有相互作用问题; -假设所有模块的失效均服从指数分布,模块内的所有故障都导致模块功能故障 基本可靠性模型 c 该数控系统的基本可靠性框图如图4所示 电濒模块 比较输入模块 a模块 输出接口模块 M2 M3 M4 比较输入模块 CI模块 输出接口模块 电源模块 M5 M6 M M8 图4某数控系统的基本可靠性框图 根据该数控系统的基本可靠性框图可以得出其基本可靠性数学模型,基本可靠性数学模型见式(1)和式(2) 入
GB/T29545一2013 T =1习e 式中: 该数控系统的失效率,单位为每小时(h-l); 入 -该数控系统的平均故障间工作时间,单位为小时(h); Tw -该数控系统第i个模块的失效率,单位为每小时(hl 入M d)任务可靠性模型 该数控系统的任务可靠性框图如图5所示 a模块 电源模块 比较输入模块 输出接口模块 M1 M2 M3 M4 比较输入模块 C模块 电源模块 输出接口模块 M5 M6 M7 M8 图5某数控系统的任务可靠性框图 根据该数控系统的任务可靠性框图可以得出其任务可靠性数学模型,任务可靠性数学模型见式(3) R.o-!-|-Ra.o][-IAao] 3 式中 R,() 该数控系统的任务可靠度; RM -该数控系统第i个模块的任务可靠度,RM)=e-w'; 该数控系统的任务时间,单位为小时(h) 4.3.8可靠性预计 4.3.8.1概述 数控系统的可靠度的获得通常要以大量的试验和数据为基础,这种方法不仅需要较高的成本,而且 在很多场合下也缺乏可行性 可靠性预计可在数控系统制造之前了解其可靠性状况 它以数控系统的 可靠性数据为基础,借助具体的方法(参见附录G)统计推算出数控系统可靠性参数的量值 可靠性预 计根据数控系统的模块,元器件等的可靠性来推测产品整体的可靠性,是一个由局部到整体,由小到大、 由下到上的综合过程 可靠性预计通常达到以下目的: a)将可靠性指标的预计结果与可靠性目标相比较,审查提出的可靠性指标是否能达到 b)对预计结果的相对性进行方案比较,选择最优方案 c)发现设计中的薄弱环节,加以改进; d)为可靠性增长试验,验证试验及费用核算等方面的研究提供依据 4.3.8.2可靠性预计程序 可靠性预计一般按以下程序进行 a)明确产品的目的、用途、任务、性能参数及失效条件; 确定产品的模块、元器件等， b e)绘制可靠性框图 确定产品所处的环境; d 确定产品的应力; e 确定产品的失效分布; f g)确定产品的失效率; 10o
GB/T29545一2013 建立产品的可靠性模型; h 预计产品可靠性 编写可靠性预计报告 j 4.3.8.3预计要求 可靠性预计按下列要求进行 进行可靠性预计之前应先建立可靠性模型 aa b) 模块、元器件等的可靠性数据应通过正常公开的渠道获取,以确保真实性和可信性 e)为确定每个模块,元器件所经受的工作应力所采取的分析技术,应与定货单位(如果有),检验 单位和用户共同商定; 若无特殊规定,应按最坏的工作情况和环境条件进行预计并对可靠性数据进行修正 d e)对非指数分布的模块、元器件,预计报告中应列出其失效分布,失效分布的假设应给出必要的 依据; 可针对产品不同模块、不同元器件或不同的设计阶段,选择不同的预计方法; f g)可靠性预计工作的详细程度可根据需要灵活控制 应注重可靠性预计工作的及时性 h 4.3.9可靠性目标验证 可靠性目标验证是将预计的结果与可靠性目标进行比较,通过分析、计算、讨论等方法来确定可靠 性设计工作是否满足预期要求的过程 可靠性目标验证是一种技术手段,与产品的可靠性水平没有直接的关系 可靠性目标验证应满足下列要求 a)宜在设计过程中分阶段多次进行验证工作,以便将有关信息及时反馈到设计环节 b)每次验证的具体信息要如实记录、归档 e)可靠性验证至少应有研发、设计、使用、管理四方的技术人员参与 d)应做出是否满足预期要求的结论并出具验证结论报告; 如验证结论为“不满足预期要求”,则应在验证结论中给出改进(改善)的建议 e) 可靠性设计评审 5.1概述 可靠性设计评审是产品可靠性的重要环节,通过组织产品相关方专家对设计进行及时综合的详细 的论证,为认证和批准设计提供决策信息,有关原则应符合GB/T78281987中第3章的规定 5.2评审内容 设计评审主要针对以下几个方面 a)技术途径; D 新的设计特性; e)新采用的元器件和材料; 新的计算方法; d) 可靠性和维修性分析、计算结果; 设计试验方法 设计过程执行的标准和规范; g 形成的软件和硬件的图样,文件等; 当前可靠性预计值和已达到的可靠性水平 i 故障模式与影响分析; 11
GB/T29545一2013 设计和制造中的隐患; k) D 参数敏感度和最坏情况后果; m)影响可靠性的关键项目; n 试验计划、要求和试验结果 o) 研制计划进度的协调性; 存在的疑问或分歧 p) q 其他方面 5.3评审目标 设计评审的主要目标是通过对设计依据,设计构思,设计方法和设计结果的分析,审查,从而揭露可 靠性设计上的疑点和薄弱环节,以便提请管理者在做出决策时注意并为设计改进提示方向 评审的具体目标是: a)设计是否满足预期要求,是否符合设计规范、标准和有关规定; b发现和确定设计上有疑问的区域,研究并提出改进可靠性和维修性的建议和预防措施 对研制试验(检验)程序和维修资源分配进行预先考虑; d)检查和监督可靠性管理规划的实施; 减少设计更改,缩短研制周期,降低寿命周期费用 5 评审要求 设计阶段 5.4.1 -般把设计过程分为方案设计、初步设计、详细设计和定型设计四个阶段;在整个设计过程中应分 阶段进行评审,以便对设计质量进行及时控制 方案设计评审一般在方案设计完成之后进行 方案设计阶段重点评审设计方案,、技术途径的 正确性,数控系统参数、可靠性目标初步分配的合理性与实现的可能性,采用新技术、新元器件 和新材料的分析,试验计划,周期和费用的分析 初步设计评审一般在初步设计完成之后,样机试制之前进行 初步设计阶段重点评审数控系 统功能、结构设计结果、数控系统参数分配落实情况、接口设计、功能试验计划及要求、可靠性 模型建立情况及预计和分配的结果、失效模式和效应分析、关键项目清单及控制规划等 详细设计评审一般在完成样机设计之后,试生产开始之前进行 详细设计阶段重点评审功能、 性能,可靠性设计结果和初步试验结果,失效模式和效应分析,应力-强度分析、容差分析、关键 项目控制要求,元器件控制规划,其他影响可靠性和维修性的项目 定型设计评审重点审查数控系统功能、性能、可靠性鉴定试验结果、设计的成熟性,可生产性、 可操作性,生产试验中问题和故障分析处理的正确性与彻底性、批生产质量控制要求、关键件 和外协、外购件控制要求 5.4.2评审组 进行设计评审时应成立设计评审组 设计评审组应由各方面有经验的专家组成 一般由7人~15 人组成,设组长一名,秘书一名 评审组组长一般由工程主管技术领导或上一级设计师担任 组长不应 是被评审的设计项目的参加者 秘书一般由质量或可靠性部门的代表担任,对质量控制、可靠性设计和 可靠性管理技术比较熟悉,组织能力较强,能协助组长做好评审的组织,计划工作 成员包括与该设计 项目有关的其他部门的代表和同行专家 评审组的主要任务是: 对设计结果按专业分别进行分析、检查 a b对有分歧的问题进行集体研讨; 对设计是否满足合同和有关规范的要求,提出明确的评价意见和改进设计的具体建议 c 12
GB/T29545一2013 3 5.4. 检查清单 在评审前应制订一份检查清单,以便对设计工作和结果进行逐项核对和评价 审查清单中列出的 项目一般从5.2中选取,也可根据需要添加其他项目 5.4.4 评审程序 设计评审是由一系列活动组成的审查过程,并按一定的程序逐步展开和完成 设计评审周期通常 包括准备、预审,召开正式评审会议和追踪管理四个阶段 准备阶段 应确定评审要求,组织评审组,列出活动计划,明确分工,制定检查清单 同时,主 管设计师汇集设计,试验数据,编写设计质量分析报告,并于正式评审会议前两周印发给评审 组成员 b 预审阶段 预审工作由评审组成员根据检查清单按分工和职责进行 审查中发现的问题应 予以记录 评审组汇集.讨论预审中发现的问题,并向主管设计师反锁 正式评审阶段 正式评审会议按下列程序进行 主管设计师做设计质量分析报告 1 2)评审组提出并讨论有疑问或有分歧的问题; 3)研究和讨论评审结论 追踪管理阶段 当设计符合要求时,应编写设计评审报告;当设计不符合要求时,则应将存在 的问题反馈给设计环节,在进行设计改进或补做一定工作后,再次进行评审 评审报告 5.4.5 评审报告是评价产品可靠性设计质量的重要凭证,设计完成后应填写设计评审报告 评审报告至 少应包括下列内容 a)评审组名单及分工(格式参见附录H中的表H.1); b 设计目标及达到的水平; e评审的项目及检查结果(格式参见表H.2); d 重点问题审查结论(格式参见表H.3); e)不同意见处理表(格式参见表H.4) f 评审结论 报告完成及签署后,应按规定整理归档 13
GB/T29545一2013 附 录A 资料性附录 可靠性分配方法 A.1等分配法 A.1.1概述 等分配法又称平均分配法,它不考虑各个模块的重要程度,而是把产品总的可靠度平均分摊给各个 模块 在产品设计初期,当产品的定义并不十分清楚时,可采用等分配法进行粗略的可靠性分配 A.1.2示例 某产品由n个模块串联组成,若给定产品总可靠度指标为R,,则按等分配法分配给各模块的可靠 性指标R见式(A.1) A.1 R，=R!" A.2比例组合分配法 A.2.1概述 如果一个新设计的产品与旧产品在结构组成、使用环境等方面都很相似,只是根据新产品的任务需 求适当用一些新模块取代一些旧模块,那么就可以采用比例组合法,根据旧产品中各模块的失效率,按 新产品可靠性的要求,给新产品的各模块分配失效率 其数学表达式见式(A.2) Am A.2 入;新=入.新 =Ki 入,新 入m 式中: xn 新产品的失效率指标,单位为每小时(h'); 分配给新产品中第;个模块的失效率,单位为每小时(hl) 入,新 -旧产品的失效率,单位为每小时(h1) 入 旧产品中第i个模块的失效率,单位为每小时(h'); 入, K 旧产品中第i个模块的失效率与旧产品的失效率之比 本方法只适用于新、旧产品结构相似,而且有旧产品的可靠性数据,或者有各组成模块可靠性预计 数据的情况 A.2.2示例 要求设计某数控系统,MTBF规定值为10000h 我们有这种类型数控系统各模块故障数百分比 的统计资料(如表A.1所示),试把该指标分配给各模块 14
GB/T29545一2013 表A.1可靠性分配系数 按历史资料占数控系统故障数 新数控系统模块分配的失效率 模块序号 分配给各模块的MTBF指标/h 百分比K， /h" 入新 23 0.000023 43478.26087 15 0.000015 66666.666667 13 0.000013 76923.076923 125000 0.000008 1 0.000011 90909.090909 18 0.000018 55555.555556 0.000009 111111.11111 0.000003 333333.33333 假定该数控系统失效分布服从指数分布,则根据A.2.1的介绍可计算出分配给各模块的MTBF 指标 具体结果见表A.1的第三列、第四列 评分分配法 A.3.1概述 评分分配法是在缺少可靠性数据的情况下,通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因 素进行打分,并对评分值进行综合分析而获得各模块之间的可靠性相对值,根据相对比值对每个模块或 设备分配可靠性指标 评分分配法通常考虑的因素有复杂程度、技术水平、工作时间和环境条件等 在工程实际中可根据 产品的特点增加或减少评分因素 A.3.2评分原则 以产品失效率为分配参数说明评分原则 复杂程度:根据组成模块的元器件数量以及元器件组装的难易程度来评定 最复杂的评10 分,最简单的评1分 b)技术水平;根据模块目前的技术水平和成熟程度来评定 水平最低的评10分,水平最高的评 1分 工作时间;根据模块工作时间来评定 模块工作时间最长的评10分,最短的评1分 环境条件;根据模块所处的环境来评定 模块工作过程中会经受极其恶劣而严酷的环境条件 D 的评10分,环境条件最好的评1分 设数控系统的可靠性参数为失效率,其指标为x,分配给每个模块的失效率x见式(A.3)式(A. x=Cx A.3) 式中 模块数(i=1,2,,n); -第i个模块的评分系数 C=o/o 15
GB/T29545一2013 式中: 第i个模块评分数 w 数控系统的评分数 I，" (A.5 w 式中: -复杂程度 技术水平 工作时间 -环境条件 A.6 w o A.3.3步骤 可靠性分配按以下步骤进行 a)确定待分配数控系统的基本可靠性指标,研究待分配数控系统的特点,确定评分因素; b)确定该数控系统中已定型的模块或已单独给定可靠性指标的模块 聘请的评分专家不应少于五位; c d)设计人员向评分专家介绍产品及其构成、工作原理、功能流程、任务时间、工作环境条件、研制 生产水平等情况 各专家评分,处理得出专家综合评分值; e f计算各模块的基本可靠性指标 A.3.4示例 某数控系统共由八个模块组成,其中四个模块是采用已使用过的成品并已知其MTBF值(见表A.2) 该数控系统的MTBF规定值为15000h用评分分配法对其余四个模块进行分配 某数控系统的TBF 表A.2 模块序号 已知的MTBF/h 80000 120000 100000 150000 统计 26666.67 说明;假定该数控系统的失效分配服从指数分布 由于已知四个模块的MTBF值为26666.67h 则应在总目标中将其扣除掉,将剩余的值分给其余四个模块 剩余四个模块的MTBF值为 =34285.71(h) 'O 666.67 即应按34285.71h的目标,用评分法分给四个模块,其分配结果见表A.3 16
GB/T29545一2013 表A.3模块系数 各模块评分 各模块评 复杂程度 技术水平 工作时间 环境条件 分配给各模 系数 模块序号 分数 块的MTBF/A r" r r Te 192 0.1l09 309158.83 10 800 0.4619 74227.57 560 0.3233 106049,22 18o 329987.63 0.1039 统计 1732 34285.71 17
GB/T29545一2013 附 录 B 规范性附录 可靠性设计方法 B.1降额设计 B.1.1概述 电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括工作电压、反向电压、电流、功率、温度、振动、冲击、 频率,速度、,碰撞等) 除极少数低应力失效的元器件之外,大部分的电子元器件均表现为工作应力越 高,失效率越高的特性 降额设计就是使元器件工作时承受的工作应力适当低于元器件规定的额定值,从而达到降低失效 率,提高使用可靠性的目的 数控系统的电子模块和机械模块都应做适当的降额设计,因电子元器件的可靠性对其电应力和温 度应力敏感,故而降额设计技术对电子模块的设计显得尤为重要,本附录只介绍电子元器件的降额 设计 B.1.2基本原则 对于各类电子元器件,通常都有其最佳的降额范围,在此范围内工作应力的变化对其失效率有较明 细的影响,在设计上也较容易实现,并且不会在体积,重量和成本方面付出过大的代价 超出范围过度 的降额并无益处,会使元器件的特性发生变化,使设计发生困难或导致元器件数量不必要的增加,反而 导致可靠性下降 有时还会增加重量、体积和成本,甚至无法找到适合的元器件,对数控系统的正常工 作和可靠性非常不利 因此,应根据元器件的具体应用情况来确定适当的降额水平 注，有些元器件的负荷应力是不能减额或者对最大减额有限制的(如继电器),而有些元器件减额到一定程度时却 得不到预期的减额效果(如薄膜电阻器 降额设计的基本原则为 降额设计应以额定参数为参照; a b)每个单项指标都可考虑降额; 优先考虑功率降额; 降额设计时应重点考虑感性负载 温度降额应全面考虑,包括环境温度的影响 电阻器应通过降低功率比来实现降额; 电容器应通过降低工作电压来实现降额; g 半导体器件应通过将工作功耗保持在额定功耗之内来实现降额， h 数字集成电路通过降低周围环境温度和电负荷来降额 线性集成电路,大规模集成电路和半导体存储器通过降低周围环境温度来实现降额 B.1.3降额等级 根据实际承受应力与额定应力的比值(K),将降额分为三个等级(见表B.1) 18
GB/T29545一2013 表B.1应力分析 应力比值范围 降额等级 特 技术上最容易实现,降额效果也最 K50% 级 好,但存在成本过高的问题 技术上比较容易实现，降额效果较 二级 50%GB/T29545一2013 b应选择合理的热传递方式(传导、对流、辐射); 注:传导冷却可以解决许多热设计问题,对于中等发热的产品,合适采用对流冷却,辐射传热通常针对空间布局的 元器件 应注意控制热阻,以降低元器件的温度 c 注:热设计中可能遇到三种热阻;内热阻,外热阻和系统热阻 内热阻是指产生热量的点或者区域与器件表面指定 点(安装表面)之间的热阻;外热阻是指器件上任意参考点(安装表面)与换热器间,或与产品冷却流体和环境 交界面之间的热阻;系统热阻是指产品外表面与周围空气或冷却流体间的热阻 采用的冷却系统应注意与数控系统所在环境条件的适应性 应考虑尺寸和重量、耗热量、经济性、与失效率对应的元器件最高允许温度、电路布局、产品的 复杂程度等因素 fD 应与电气及机械设计同时进行; g不应有损于产品的电性能 h)应注意控制热设计中的误差 B.2.3热设计方法 热设计的设计方法主要包括下列几方面 传导散热设计 如;选用导热系数大的材料,加大与导热零件的接触面积,缩短热传导的路径 a 在传导路径中不应有绝热或隔热件等 b)对流散热设计 如;加大温差,即降低周围对流介质的温度;加大周围介质的流动速度,使之 带走更多的热量 辐射散热设计 如;在发热体表面涂上散热的涂层以增加黑度系数;加大辐射体的表面面 积等 耐热设计 如;接近高温区的所有操纵组件电线、线束和其他附件均应采取防护措施并用耐 d 高温绝缘材料 B.2.4主要内容 B.2.4.1简述 热设计主要从冷却方法的选择,元器件的安装与布局、印制电路板散热结构的设计、机箱散热结构 的设计四个方面进行 B.2.4.2冷却方法 按冷却剂与被冷却元器件之间的配置关系,冷却方法可分为直接冷却和间接冷却;按传递机理可分 为自然冷却,强迫风冷冷却,液体冷却、蒸发冷却、热电制冷(半导体制冷,热管传热和其他冷却方式(导 热模块、冷板技术、相变冷却等》 般情况下,冷却方法的优选顺序为自然冷却,强迫风冷冷却,液体冷却,蒸发冷却 B.2.4.3元器件的安装与布局 元器件的安装与布局的原则主要包括下列几点 元器件的安装位置应保证元器件工作时在允许的温度范围之内 a b元器件的安装位置应充分考虑自然对流的作用 元器件应优先安装在底座或地板上,以保证最佳的传导散热; d)热源应接近机架安装,以保证与机架有良好的热传导; 可通过增大元器件的引线腿的横截面、缩短引线腿长度的方式改善散热效果 e 2o0
GB/T29545一2013 温度敏感元器件应放在低温处,若附近有发热量的元器件,则需对温度敏感元件进行防护,可 在发热元件与温度敏感元件之间放置较为光洁的金属片来实现; g元器件的安装板应垂直安置,以利于热量散失 h)应注意控制元器件安装界面的热阻,元器件的排列与安装应有利于流体的对流 为降低从元器件壳体至印制板的热阻,可用导热绝缘胶直接将元器件粘到印制板或导热条 板)上; 安装大功率元器件时,如需用绝缘片,推荐采用导热硅橡胶片,为了减小界面热阻,可在界面涂 覆导热膏; 同 -块印制板上元器件,应按其发热量的大小及耐热程度分别安排,耐热性差的元器件优先 放在冷却气流的最上游(人日处),耐热性能好的无器件放在最下游(出口处》 有大,小规模集成电路混合安装的情况下,应优先把大规模集成电路放在冷却气流的上游,小 规模集成电路放在下游,以使印制板上的温升趋于均匀 由于电子设备工作范围较宽,元器件引线和印制板热膨胀系数不一致在温度循环变化及高 m 温条件下,应注意采取一些结构措施,以减小热应变 B.2.4.4印制电路板散热结构的设计 印制电路板散热结构的设计要点主要有下列几方面 a)应根据温度及散热要求选择不同类型的印制电路板; 可在印制电路板上敷设导热系数大的金属条(板),以提高其导热能力; b 对于插人式印制电路板,可通过增大(导向导热用的)导轨与印制板之间的接触压力和接触面 积等方式来降低热阻; 印制板组装件应有适当的导热措施,如采用导热印制板(导热条、导热板、金属夹心等); D 印制板组装件之间的间距,一般应控制在19mm21nmm之间 B.2.4.5机箱散热结构的设计 机箱热设计的任务是在保证数控系统承受外界各种环境和机械应力的前提下,采用各种必要的散 热手段,最大限度地把数控系统产生的热量散发出去,满足内电子元器件规定的温度要求 常用机箱的 形式主要有密封机箱、通风机箱、箱内强迫风冷机箱、冷板式强迫风冷机箱 四种机箱的特性及适用范 围如表B.2所示 表B.2机箱散热结构分析 机箱类型 主要散热途径 特点 适用范围 机箱表面散热和向桃座的 密封机箱 散热能力较差 功耗小,对散热要求不高 热传导 机箱表面散热和自然通风 功耗小,通过通风孔的散热 通风机箱 散热能力较好 散热 就可满足温度要求 有较强的散热能力,适用于 机箱表面散热和强迫通风 功耗较大的情况 对冷却 箱内强迫通风机箱 散热性能好 散热 空气的温度、湿度及质量有 严格的要求 机箱表面散热、冷板散热和散热性能好,可减少各种污传热效率高,无污染，结构 冷板式强迫风冷机箱 强迫风冷散热 染,结构紧凑 简单 21
GB/T29545一2013 机箱散热设计的实施要点主要包括下列几方面 应充分利用机箱结构作为散热体,通过传导,对流和辐射把机箱内部电子模块及电子元器件产 a 生的热量有效散发出去; b)可通过增大自然对流机箱表面的黑度的方式来增强辐射换热能力 c 应注意控制传导热量接触面的表面粗糙度(表面粗糙度越小,导热效果越好); 考虑到材料的密度因素,推荐选用铝合金等导热系数高的金属材料; d 增加需要散热元器件和模块的导热接触面面积 对高低不平的导热面可采用导热绝缘海绵橡胶板作为传热层; 缩短热传导的距离 g h)增大机箱的散热表面积; 增加导热接触面的压力; 对于非密封型机箱,应在机箱上合理开通风口,加强对流、换热作用 k3 功耗较大时,推荐采用强迫风冷机箱或液体冷却机箱等 B.2.5技术要求 热设计应满足下列要求 热设计应与电气设计、结构设计同时进行,使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾 a 在进行热设计时,应考虑相应的设计余量,以避免使用过程中因工况发生变化而引起的热耗 b 散及流动阻力的增加; e)热设计应考虑产品的经济性指标,在保证散热的前提下控制结构、体积和成本; 应注重控制热流通道的长度和横截面积 d 推荐采用金属机箱或底盘散热; e) 应力求使所有的接触面都能传热,必要时,可加一层导热硅胶提高传热性能,注重加大热传导 面积和传导零件之间的接触面积,提高接触面的加工精度,加大接触压力或垫人可展性导热 材料; 器件的方向及安装方式应考虑热对流的作用 g h)应将热敏部件装在热源下面,或将其隔离,或加上光滑的热屏蔽涂层; 安装元器件时,应充分考虑周围零件辐射出的热,以使每一元器件的温度都不超过其最大工作 温度; 若线路板不能充分散发所产生的热量,则应考虑加设散热网络和金属印制电路板 j 推荐选用导热系数大的材料制造热传导零件,如银,紫铜、铜、氧化皱陶瓷及铝等 k 通风孔及排气孔不应开在机箱顶部或面板上 注重控制气流噪声与振动的强度,包括风扇与设备箱之间的共振 m B.3电磁兼容设计 B.3.1概述 电磁兼容性是指产品所有的电气及电子模块在执行预定的任务时遇到的各种电磁环境(系统内部 的,外部的、人为的及天然的)中,其性能不降低、参数不超出容许的上下限,而仍能协调地、有效地工作 的能力,即抗干扰的能力 电磁兼容设计是可靠性设计中的一个重要环节 B.3.2设计思路 电磁兼容设计的思路一般有三种,即问题解决法、规范法和系统法 22
GB/T29545一2013 问题解决法,即在检测中发现产品出现问题后进行改进 a b 规范法,即在产品开发阶段就按照有关电磁兼容标准规范的要求进行设计,使产品可能出现 的问题得到早期解决 系统法,即在产品的初始设计阶段对产品的每一个可能影响产品电磁兼容性进行预测和控制 分配 B.3.3要求 数控系统电磁兼容设计应满足下列要求 a)应注重控制骚扰源的数量和种类; 选择元器件和线路的工作模式,使其工作在特性曲线的线性区域; b e应对有用的电磁发射或信号输出进行功率限制和频带控制; 推荐选用低电平工作的、有触点保护的开关或继电器,以控制电弧放电; d) 应将携带电磁噪声的元件和导线与连接敏感元件的连接线隔离 推荐对携带高频信号或噪声的导线加设屏蔽线或屏敲套， 应注意布线和结构件的天线效应 g 可根据需要采用滤波器、脉冲吸收器、隔离变压器和光电鹏合器等滤除或减少传导途径的电 磁骚扰 电气控制柜料推荐买用冷扎钥板,为了保证电气控制柜的电磁一致性,推荐买用一体式 结构 电气控制柜安装板推荐采用镀锌钢板,以提高系统的接地性能" 电气控制柜内强、弱电模块应分开安装、布线; 应对电气控制柜人口处各屏蔽电缆的屏蔽层进行接地处理， 各电机的动力线和反馈线应直接接人驱动单元,不宜经过端子转接; m 各位置反馈线,指令线,通讯线等弱电信号线推荐采用屏蔽电缆或双绞双屏蔽电缆; 开关量端子板、编码器反馈屏蔽电缆中电源线应采用多芯绞合共用,以提高信号电源与这些部 件的抗干扰能力 应避免信号电路与电源电路共用地线,并应对信号提供屏蔽 p 各部件外壳应可靠接地; 各结构件应可靠接地、共地; 高电压,强辐射部位,应重点进行防护或屏蔽,并配以明显的标志或说明 电源线和信号线的端头不应接在连接器相邻的插孔上,电路的输人输出也不应相邻 布线推荐采用母线板或薄脚电缆,以保证良好的重复性和一 一致性; 注意控制导热通道的长度,以减少电路的温度梯度,提高电路的电磁兼容性 B.4冗余设计 B.4.1概述 为了提高数控系统的可靠性,在设计制造时增补一些工作模块或后备模块 这样即使模块其中之 -发生故障,整个数控系统仍照样完成规定的任务,这就是冗余系统 通过冗余设计可以在一定程度上消除产品内部故障造成的后果,从而提高产品的任务可靠性,其前 提是需要在设计中投人超过常规设计所需的外加资源 因此,在采用冗余设计提高产品任务可靠性的 同时,往往伴随着增加产品复杂性,能源、体积,重量和成本等方面的代价,且不可避免地降低了产品的 基本可靠性 所以,不是产品中所有的组成模块和功能都需要采用冗余设计 23
GB/T29545一2013 冗余设计通常应用于下列场合 通过提高质量和基本可靠性的方法(如采用更好的元器件、降额设计、简化设计、软件纠错等)， a 仍不能满足任务可靠性目标的功能通道或产品组成模块; b由于采用新材料、新工艺或用于未知环境条件下,因而其任务可靠性难于准确估计; c) 影响任务成败的可靠性关键项目和薄弱环节 其故障可能会造成人员伤亡、财产损失、设施毁坏和环境破坏等严重后果的安全性关键项目 d 产品改进较采用冗余成本更高、实现更困难等 ee B.4.2冗余的类型 按照冗余的工作方式和各个模块的工作状态划分,可分为工作冗余和备用冗余 工作冗余冗余中各个模块同时工作,以保证原产品在有限个模块发生故障时,该冗余仍然 a) 能够完成预定任务,且不需要其他装置完成故障检测和通道转换 工作冗余通常采取适度降 级,并联,表决,动态等冗余方式来实现 b 备用冗余 -冗余中模块不工作,处于贮备或等待状态,只有当工作模块发生故障时,通过转 换装置切换至冗余模块接替工作,直至所有冗余模块都发生故障,该冗余系统才失效 备用冗 余通常采取冷贮备,热贮备,温贮备等冗余方式来实现 各种冗余形式具有不同的特点,在工程选用时应根据产品特点和可靠性目标,在成本、重量、体积和 资源消耗等方面进行权衡确定 B.4.3实施要点 进行冗余设计时,应注意下列几方面 a)可以采用相同(同一规格或同一工作原理)模块冗余,也可以采用不同模块冗余 b) 冗余虽然能够提高任务可靠性,但同时会降低基本可靠性; e)应全面考虑产品多重工作模式需要; d)应考虑共因或共模故障的影响 B.4.4 冗余设计要求 冗余设计应满足下列要求 当简化设计,降额设计及选用的高可靠性的零部件,元器件仍然不能满足可靠性目标时,则应 a 采用冗余设计; 在质量体积,成本允许的条件下,选用冗余设计比其他可靠性设计方法更能满足任务可靠性 b 目标; 影响任务成功的关健部件如果具有单点故障模式,则应考虑采用冗余设计技术 c 硬件的冗余设计一般在较低层次(如元器件级)使用,功能冗余设计一般在较高层次进行如 d 模块级); 冗余设计中应重点控制冗余转换装置的可靠性; e) 应考虑冗余的可检测性,即在任务开始之前能检测冗余模块是否有故障 f B.5简化设计 B.5.1基本原则 简化设计就是在满足预期功能、性能指标要求的前提下,通过简化产品硬件结构电路和功能模块 等方法,来达到简化产品(系统)构成,保证或提高产品可靠性的目的 24
GB/T29545一2013 简化设计不仅能减少设计的复杂性,将设计标准化、规范化,而且还有利于提高产品的可靠性,便于 后期的维修维护和跟踪管理 因此,如果条件允许,宜采用简化设计,简化电路和结构设计,使每个部件 都成为最简设计 B.5.2简化设计要求 在进行简化设计时,应满足下列要求 a)应对产品功能进行分析权衡,合并相同或相似功能,消除不必要的功能; b) 应注重控制产品的层次和组成模块的数量; e)应注重控制执行冗余功能的零部件,元器件数量 应选用通用的、标准化的元器件、零部件、紧固件与连接件、管线、缆线等,并控制其品种和 d 数量; e)采用不同工厂生产的相同型号元器件或成品件应具有可互换性 f 优先采用有可靠性有保证的元器件(如经过有关权威部门的检验、认证等) g推荐采用模块化设计,电路部分推荐采用集成电路; h)产品的修改,不应改变其安装和联接方式以及有关部位的尺寸,使新旧产品可以互换安装 B.6环境防护设计 B.6.1防潮湿设计 防潮湿设计应满是下列要求 a)优先采用具有防水、防霉、防锈蚀的材料; 防潮结构设计推荐采用密封机壳,内放干燥剂,或在密封结构中安放加热装置; b 可根据需要改善使用环境,如在环境中应用空调和加热去湿装置; e) 应配置除湿装置或排水疏流设施,以消除湿气聚集物 d 应根据需要对元器件进行喷涂、浸溃等处理; 可根据需要对元器件进行憎水处理,以降低其吸水性或改变其亲水性能 B.6.2防盐雾腐蚀设计 防盐雾腐蚀设计应满足下列要求: a)推荐采用密封机壳、机罩,使数控系统与盐雾环境相隔离; b根据需要对元器件外加密封装置或进行灌封处理; 推荐在金属表面与液体表面之间或不同金属表面之间涂抹油漆、防腐之类的物质,形成阻挡 层,以防止电化学腐蚀; 可采用退火或用喷丸强化的方法来减低金属或合金对于应力腐蚀裂纹或残余应力的敏感性， D 防止应力腐蚀; 可采用在金属表面上涂覆防护层、在重叠区(如紧固件周围)加密封材料等手段防止晶间腐蚀; 进行防盐雾腐蚀设计时,应同时考虑防潮设计 f B.6.3防霉菌设计 防霉菌设计应满足下列要求: 推荐使用无机矿物质材料,或采用防霉剂处理过的元器件; a b可根据需要进行密封处理; 密封前应对材料进行紫外线辐照,以防止和抑杀霉菌; c 25
GB/T29545一2013 d)可内置干燥剂,以保持内部空气干燥; 保持通风,控制环境温度在10C以下,以使霉菌失去生长繁殖的条件 B.7抗冲击、振动和噪声设计 B.7.1主要方法 抗冲击、振动和嗓声设计的主要方法有下列几方面 -通过对振源进行消振设计,降低其振动等级 D消源设计 b) 隔离设计 采用主动隔离或者被动隔离方法将设备与振源隔离开来 e)减振设计 采用阻尼减振,动力减振,摩擦减振、,冲击减振等方法消耗或者吸收振动能量 抗振设计 通过改变安装部位、提高零部件的安装刚性、安装紧固技术等提高抗振能力 d B.7.2要求 抗冲击、振动和噪声设计应满足下列要求 增强结构的刚性,提高数控系统及元器件的固有频率与激振频率的比值,以使其固有频率远离 共振区; b)应控制电子元器件的引线长度,以提高固有频率 电子元器件应固定在底盘上或板上,以防止由于疲劳或振动引起的断裂; c 焊接到同一端头的纹合导线应加以固定,使其在受振动时不致发生弯曲; D 接插头处应设有支撑物; e 在挠曲与振动环境条件下,推荐使用软导线; 不宜采用悬臂式安装元器件,如果采用,应经过仔细计算,使其强度能在使用的设备最恶劣的 环境条件下满足要求; 继电器安装应使触电的动作方向同衔铁的吸合方向,不应同振动方向一致; 通过金属孔或靠近金属零件的导线应另外套上防护套管， 小型电阻器,电容器等元器件宜进行卧装,并在元器件与底板间用硅橡胶封装,对大电阻器,大 电容器等元器件则宜采用附加紧固装置; 印制电路板应进行加固和紧锁,以免在振动时产生接触不良和脱开振坏 对有减振要求的元器件或模块应安装减振装置 B.8健壮设计 健壮设计应满足下列要求; 电路设计时,应有一定的功率裕量,推荐裕量为20%一30%,也可以根据需要留50%100% a 的裕量; 应避免电路的工作点处于临界状态 b 优先选用电参数稳定的元器件,避免电路产生漂移失效; 应对随温度变化其参数也随之变化的元器件进行温度补偿,使电路保持稳定; d 应根据需要规定输人及输出信号的范围; 接插件,开关、继电器的触点应增加冗余接点; 每个接线板应留有10%的接线柱或接线点作为备用 中 h)信息传递不允许中断时,应采取工作贮备; i 可使用反馈技术来补偿(或抑制)参数变化所带来的影响,以保证电路性能稳定 26

机床数控系统可靠性设计GB/T29545-2013

随着制造业的不断发展和进步，机床数控系统已经成为现代工业生产过程中必不可少的一项重要技术。在这种背景下，如何保证机床数控系统的可靠性，保证其能够稳定、高效地运行，已成为一个亟待解决的问题。

为此，中国国家标准化管理委员会于2013年发布了《机床数控系统可靠性设计》标准（GB/T29545-2013），该标准为机床数控系统可靠性设计提供了重要的参考依据。

标准内容

GB/T29545-2013的主要内容包括：可靠性设计的概念、原则、方法及其应用；可靠性评估的基本原理、方法和指标；以及可靠性设计过程中应遵循的规范、程序等。该标准的主要目的是在机床数控系统设计和制造过程中，确保系统能够满足可靠性要求，降低因故障而导致的生产成本和损失。

意义与应用

GB/T29545-2013标准的发布对于促进我国机床数控系统的发展具有重要的意义。通过执行该标准，可以提高机床数控系统的稳定性和可靠性，降低故障率，提高生产效率和品质。

在实际应用中，机床数控系统可靠性设计需要遵循一系列的步骤和方法，包括分析系统的使用环境、工作条件、故障模式等，制定相应的可靠性指标和标准，进行可靠性评估和验证等。同时还需要采用先进的技术手段和设备，不断优化设计方案，控制制造过程中的质量风险。

总之，机床数控系统可靠性设计是一个综合性、复杂性较高的工程，需要设计人员和制造企业的共同努力和探索。GB/T29545-2013为该领域的可靠性设计提供了重要的参考和指导，希望能够为相关企业和机构提供有益的借鉴和启示。

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