浅析激光跟踪仪的可靠性预计

浅析激光跟踪仪的可靠性预计

张军 陈伟

贵州航天计量测试技术研究所 贵州 贵阳 550009

摘要：激光跟踪仪是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器，它取代了大型固定式三坐标测量机、经纬仪、全站仪等传统测量工具，在设备校准、部件检测、制造与装配集成和逆向工程等应用领域具有较高的测量效率。激光跟踪仪具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点。本文拟通过对国产化的激光跟踪仪可靠性预计，分析激光跟踪仪的平均无故障间隔时间（MTBF），保证国产化激光跟踪仪的可靠性满足预期要求。

关键词：激光跟踪仪、可靠性、MTBF

1 预计方法

采用器件应力分析法对激光跟踪仪各模块作详细的可靠性预计。运用应力分析法须具备以下4方面的数据、信息：

a)各模块器件的种类、型号规格、数量及其性能额定值、工艺、结构等参数；

b)各模块器件所承受的电、热应力及应用状态等；

c)各模块器件的生产标准、附加的质量要求、质量等级；

d)各模块器件使用环境类别。

各类器件的失效率模型及其主要系数详见GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》，由于激光跟踪仪采用了降额设计、热设计、器件选用控制等可靠性设计方法，线路设计能较好地满足器件的使用要求，因此在用应力分析法进行可靠性预计时可近似认为同一类器件具有相同的应力。激光跟踪仪各模块失效率的计算公式如下：

=

式中：

——激光跟踪仪总失效率；

——激光跟踪仪中第i个模块的失效率总和；

i=1,2,………,n n为激光跟踪仪各模块的种类数。

最后，将激光跟踪仪中各模块的失效率相加，从而得到激光跟踪仪的总失效率。

2 失效率预计

预计前已先假设产品寿命分布服从指数分布规律，失效率为恒定值。用国军标GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》进行预计，用于预计的器件数据信息来源于器件清单、电路图及有关产品手册、目录和相关厂商提供的器件资料、同类产品的相关数据等。

各模块的可靠性模型为串联结构模型，失效密度分布规律服从指数分布。预计时先计算出各类器件的工作失效率，再将各类器件的失效率相加得到激光跟踪仪各模块的失效率。

2.1 激光测距模块

激光跟踪仪激光测距模块主要包括激光器、恒温晶振、分光镜、分色镜、反射镜、光楔透镜、十字分划板、直角反射棱镜、消色差玻片、滤光片、电光调制晶体、棱镜、波片、角锥、隔离器、准直器、窗口片等器件，其中分光镜、分色镜、反射镜、光楔透镜、十字分划板、直角反射棱镜等器件通过查阅资料得到其可靠度较高，其失效率可不考虑。其余器件的失效率按下式计算。

式中： 为基本失效率， 为环境系数， 为质量系数，温度 为应力系数, 为器件数量，将各参数代入计算后得到各器件的失效率见下表：

表1 激光测距模块各器件失效率

激光跟踪仪激光测距模块的总失效率为：

= =0.00004513/h

根据公式 ，得到激光跟踪仪激光测距模块的MTBF预计值为：

2.2 角度测量模块

激光跟踪仪角度测量模块主要包括圆光栅编码器、读数头、细分盒、接口卡、FPGA信号处理板等器件。其中细分盒、接口卡等器件通过查阅产品手册资料得到其可靠度较高，其失效率可不考虑。其余器件的失效率按下式计算。

式中： 为基本失效率， 为环境系数， 为质量系数，温度 为应力系数, 为器件数量，将各参数代入计算后得到各器件的失效率见下表：

表2 角度测量模块各器件失效率

激光跟踪仪角度测量模块的总失效率为：

= =0.00004204/h

根据公式 ， 得到激光跟踪仪角度测量模块的MTBF预计值为：

2.3 跟踪控制模块

激光跟踪仪跟踪控制模块主要包括PSD、力矩电机及驱动器、图像捕获相机、光电探测器等器件，其中力矩电机及驱动器、图像捕捉电机参照使用手册及相关文献资料得出其失效率，PSD和光电探测器等电子元器件失效率按下式计算。

式中： 为基本失效率， 为环境系数， 为质量系数，温度 为应力系数, 为器件数量，将各参数代入计算后得到各器件的失效率见下表：

表3 跟踪控制模块各器件失效率

激光跟踪仪跟踪控制模块的总失效率为：

= =0.00009239/h

根据公式 ，得到激光跟踪仪跟踪控制模块的MTBF预计值为：

2.4 主控电路模块

激光跟踪仪主控电路模块主要包括高性能线性电源、PSD探测器放大电路、图像处理与分析电路、信号采集处理电路、随动跟踪控制电路等。其中高性能线性电源属于电源集成电路模块，数量 =1，根据生产厂提供的可靠性预计数据，失效率为 =6.06×10^-6/h。其余器件失效率按下式计算。

式中： 为基本失效率， 为环境系数， 为质量系数，温度 为应力系数, 为器件数量，将各参数代入计算后得到各器件的失效率见下表：

表4 主控电路模块各器件失效率

激光跟踪仪主控电路模块的总失效率为：

= =0.00007295/h

根据公式 ，得到激光跟踪仪主控电路模块的MTBF预计值为：

3 激光跟踪仪总失效率

= =（45.13+42.04+92.39+72.95）×10^-6/h

=252.51×10^-6/h

3 可靠性预计

根据所建立的可靠性数学模型得到激光跟踪仪可靠度预计值为：

≈0.9990

5 MTBF预计

根据公式 ，得到激光跟踪仪的MTBF预计值为：

6 结果分析

从激光跟踪仪可靠性预计结果可知：激光跟踪仪可靠度预计值为0.9990，MTBF预计值为3960h，满足可靠性指标的要求。

参考文献

[1] 王为农，苏永昌，任国营. 激光跟踪仪的动态特性研究[J]. 计量学报，2007，28（1）：34-36，92.

[2] JJF 1242-2010，激光跟踪三维坐标测量系统校准规范[S].

[3] GJB 6201-2008 大尺寸测量系统——激光跟踪仪校准规范[S].

[4] 郭宗文，周真.电子产品可靠性预计方法的研究[J].黑龙江电子技术，1999，（4）.

[5] 曾声奎，赵廷弟，张建国等.系统可靠性分析教程[M]，北京，北京航空航天大学出版社，2001.