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应用于高加速寿命试验的电磁锤振动试验技术

应用于高加速寿命试验的电磁锤振动试验技术
 
作者
吳鴻材(工研院機械所 智慧系統技術組 監控系統技術部)、李昆達(金頓科技股份有限公司董事長)、施俊名(金頓科技股份有限公司總經理)、林中雄(金頓科技股份有限公司資深專案經理)、王俊傑(工研院機械所 智慧系統技術組 監控系統技術部經理)
 
关键词
高加速寿命试验  可靠度测试  电磁锤
 
摘要
振动试验做为高加速寿命试验(highly accelerated life test,HALT)最有效的手段之一,主要是使产品经历一连串可控制的高强度振动测试,希望能以较短的时间引发潜在的问题,以供产品的改良设计。目前市面上常见的振动试验机,多数是用气压锤来作为激振来源,然而气压锤所能产生的振动讯号有着强度不一的问题,且往复频率及强度会随着输入压力的增加而同步提高。与气压锤相比,电磁锤拥有振动讯号再现性高、频率及强度可控制高等优点。本文除介绍此两种不同技术外,并会从时域及频域上加以分析,以数据左证电磁锤之优点。
 
1. 前言
许多电子及各式工业产品,在其运输及使用过程中,常易受到振动、温湿度改变、不当操作等环境应力影响而劣化。为观察及预测产品在遭受各种程度之环境应力下,其基本功能、机构等是否有损坏情形,以作为未来改良的依据,可靠度测试(reliability test)现今已是产品设计与生产的标准流程之一。所谓的可靠度,其定义是产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的机率。因此,产品可靠度的评估与改善,对制造商及使用者来说都是至关重要。而为能快速掌握测试结果,缩短产品自开发至上市之时程以因应市场需求的快速变化,目前最长被采用的可靠度测试方法有高加速寿命试验(highly accelerated life test,HALT)、高加速应力筛选(highly accelerated stress screening,HASS)等技术0.其中高加速寿命试验的宗旨是在环境或时间上,应用较严苛的条件来加强产品的劣化,进而以较短的时间触发产品失败,藉此推定产品在正常使用条件下的寿命及可靠度变化。与传统的可靠度测试方法相比,高加速寿命试验之整体流程通常可在数天甚至数小时内即可完成。
一般而言,制造商若能在设计阶段发现产品未来可能出现的缺失,则进行修正所需额成本会较少;反之、若在量产后才发现并进行缺陷修正,其成本相对较高,如表1所示。因此,高加速寿命试验通常在新产品处于开发阶段时即会开始使用,目的在于找出设计及制程中的脆弱环节,并推估产品的操作及破坏极限,以做为后续研发的参考依据。此外,生产流程后期常用的高加速应力筛选过程亦需依据此产品操作极限来设计,以期能有效剔除因工艺不良、零件选用不当与制程良率等问题所产生的瑕疵品,却又不损及产品之正常使用寿命。综上所述,对产业而言,高加速寿命试验可带来如下许多应用效益;快速找出产品制程瑕疵、加速设计及制程成熟、加速产品上市、延长产品平均故障间隔(mean time between failures,MTBF)、减少保固成本等。
 
表1于产品各阶段进行缺失修正之成本节省比例(1)
成本节省比例 产品阶段
19,712 设计时
3,898 原料采购前
1,875 制造前
41 出货前
1 客户端使用时
 
高加速寿命试验通常会使用如振动/冲击应力步阶、快速冷热循环、复合式环境应力(振动与冷热)等不同测试应力种类并以渐进提升方式将应力施加于产品试件。而在各式应力中,又以高强度振动之测试效果最为显著,如图1由国外高加速寿命试验设备商Envirotronics(2)所统计的结果显示,使用振动应力共可触发65%的产品缺陷。此外,由于在执行高强度的振动试验时,常需透过外在的冲击锤产生连续冲击以做为振动试验机的激振来源,因此本文将以振动试验为出发点,介绍并比较两种用于高加速寿命试验,但采用不同冲击锤地振动试验机;基于气压锤(pneumatic hammer)的气锤式(air halt)及基于电磁锤(electro-dynamic hammer)的电磁式高加速连续振动试验机(ED-HALT)。于本文接下来的章节中,将依序介绍振动试验的程序与条件,接着叙述相关标准及应用现况,最后则会针对气压锤及3电磁锤之作动原理及特性做综合比较。

图1 各种测试应力下产品缺陷被触发的比例
 
2. 基于振动应力的高加速寿命试验
可靠度测试的结果除会影响到产品保固条件的订定,亦可做为产品后续改善设计的依据,例如可透过导角降低应力集中问题,或于产品上加入橡胶材料以增加耐振能力等。目前国内外皆已有针对振动/冲击试验而订立的标准,提供制造商/振动试验设备商在检验流程上的参与,或明列出产品在贩售前需符合的规范。
2.1 振动试验程序及条件简介
振动试验的目的是在实验室中对产品试件做一连串可控制的高强度振动模拟,并针对找出的不良品执行失效分析,藉以改善产品的设计以提高可靠度。一般典型的振动试验机之结构如图2所示,主要构造包含振动平台及其底部的冲击锤,其中振动平台可依需求设计为圆形或方形,而冲击锤之数量端视台面大小、负载重量、所需振动强度而定。在现行设计上,每根冲击锤与平台之夹角常设定为45度,而冲击锤之间可互为正交或有不同角度。另外,为降低机台支架对系统的影响,平台与支架间会由弹簧隔离,使平台可自由振荡。于试验过程中,振动平台在受到冲击锤之冲击波的作用后,会将动能经由夹治具间接传至产品试件上,激发试件的应变变化。为了使振动能量尽可能的传递到试件上,夹治具必须使用高刚性材料及构造通常会选用铝材、硬质塑胶、硬质木材等。而在执行试验前,试件的数量及取样方式也是需要考虑的重点:如表2所示,试件数量过少会导致试验信赖水准偏低;另外,试件的取样需平均落在不同产线及时间上,以避免取样技术的误差导致试验结果失去参考价值。
在试验条件方面,依施加于试件的振动形态,一般振动试验机所提供的测试功能可概分成正弦振动与随机振动测试。正弦振动主要是施加正弦波振动与试件,常用于确认产品经过简谐运动激振后是否发生损坏,其试件严苛度以加速度值g表示;而依试验目的不同,正弦振动可进一步细分成正弦扫描、共振寻找,共振驻留等试验(3)。至于随机振动,主要是施加一特定频域范围,特定强度之杂讯形态振动;由于其可模拟实际遭遇的环境条件,因此也较常被采用。随机振动的试验严苛度主要有三种表示方式,包含冲击响应谱(shock response spectrum,SRS)、疲劳破坏谱(fatigue damage spectrum,FDS)、功率频谱密度(power spectral density,PSD),其物理意义则分别在于不同系统受到同一个冲击应力激励下的结果、不同频率下的疲劳失效强度、以及各频率下的能量强度值,其中又以功率频谱密度最受重视。

图2常见振动试验机的3D结构示意图
 
 表2 试件数量试验信赖水准之关系
时间数量 1 3 5 10 15 20 25 30
试验信赖水准(%) 50.0 79.3 87.0 93.3 95.4 96.5 97.2 97.7
 
2.2振动试验标准
振动试验做为产品可靠度测试最重要也最有效的手段之一,其发展是源自于二次世界大战期间,许多武器设备常在送抵战场后才发现早已于运输过程中损坏,此后政府及业界注意到振动试验的重要性,也逐步建立起相关的测试标准。而由于不同产品于失效后所引发的问题轻重不一,如航太零组件产品与消费性电子产品相比,前者之失效带来的将是对生命财产的威胁,因此目前各制造业大国或产业委员会,皆已针对不同产品类别分别订定不同的振动试验标准,如表3所示。一般来说,各标准均会阐述对适用范围、实验条件、验收程序等项目规范。以联合电子装置工程协会(JEDEC)之JESD22-B103B 标准(4)为例,其主要是针对电子零组件因各种因素的振动/冲击,使得产品可能产生反覆应力所带来的破坏而制定的振动可靠度测试。图3是该规范中针对振动试验所提供共九种不同模拟状况的功率频谱密度输入设定,其中D-I是其建议电子零组件在使用时最有可能遭遇的状况。对制造商而言,在执行振动试验前除需确认其产品应遵循的标准,亦须了解振动试验之规格及流程,方能正确的选用振动试验机或服务提供者,进而快速并准确的完成测试。
 
表3 主要振动试验标准列表
协会/规格名称 主要类别 标准编号范例
国际电工委员会(IEC) 电子元件 IEC-60068
轨道列车设备 IEC-61373
国际标准化组织(ISO) 车辆电子设备 ISO-DIS16750-3:2001
美国军用规格(MIL) 军事设备 MIL-STD-810G
联合电子装置工程协会(JEDEC) 电子半导体产品 JESD22-B103B
经济部标准检验局(CNS) 运输载具设备 CNS 3629 C6016
工具机 CNS 4565 B7102

 
图3 (a)JESD22-B103B 规范;(b)规范设定值[4]

2.3应用现况
振动试验在国内外业界已行之有年,且几乎各式制造业之产品皆能从中获益。以国际上振动试验机的领导厂商Qualmark(5)为例,其服务领域及成功案例已遍及航空电子业,消费性电子产业、国防产业等,合作客户亦不乏Honeywell及Samsung等知名企业。至于国内之现况,虽有数间法人机构或民营之测试实验室具有振动测试之服务,亦有电子公司本身配备有振动试验机台,然而多数相关设备皆由Qualmark、Environics等国外大厂进口,而这些厂商的主力机种几乎皆是由气压锤所驱动。但由下一章节的说明可知,电磁锤在使用上与气压锤相较会有许多优势。以自主研发的角度而言,近年来国内已累积一定的研发能量,并已在电磁锤之开发上取得初步成果,目前仅需测试经验及资料的累积以验证及优化其整体测试流程。
 
3. 气压锤与电磁锤之作动原理及特性比较
目前市面上用于高加速寿命试验的振动试验机,多数皆使用气压锤来产生连续冲击讯号,主因在于早期学界及业界均认为气压锤所能提供的连续冲击,其部分特性与随机振动雷同,可模拟真实的环境压力(6)。然而,气压锤虽有能在短时间内连续产生高强度振动之优点,但其频谱响应之分布并不均匀,且振动强度的控制较为困难(7);相较之下,电磁锤之频谱响应分布较均匀,且在振动之强度及时间间隔上可控性高,能准确、准时的产生预期的振动力量,便于触发产品试件的失效模式。
 
3.1气压锤作动原理简介
冲击锤是振动试验机中最关键的部分,也是近年来学界及业界的研发重点(8)。现今常见由气压锤驱动的振动试验机如图4所示,另外通常会在机台旁安置一个稳压缸,并在气压锤上安装气阀开关,以避免输入气压锤地压力起伏太大。以下简单说明气压锤内部的作动原理;气压锤主要由活塞及其前后两端的气室所组成,而由于气室间有 压力差,此压力差将对活塞产生推力,造成活塞往前移动,并撞及气锤前端之缓冲材料而产生冲击波。另外,在活塞往前移动的过程中,前方气室内的气体将被压缩,形成一个类弹簧阻尼系统,因而累积了将活塞回弹的力量;但也因为前方气室额阻力,当活塞的冲量不够时,会无法到达缓冲材料并产生冲击,因此活塞后方之气室压力必须够大,通常需大于0.1MPa,方能使活塞有足够的能量来抵抗前方气室的阻力。如图5所示,当输入压力为0.08MPa时,由于冲量不足以支持活塞撞击缓冲材料,但会使活塞在气压锤内部往返运动,因此会使整体输出呈现一种低加速度值得振动状态。
基于气压锤的振动试验机,其在作动在过程中仅靠输入压力来控制输出冲击之加速度均方根值(grms)大小,当输入压力变大,活塞往复撞击的频率及强度将同步提高,grms也将随之改变;然而因气体的可压缩性相当高,因此压力通常较难控制 ,也导致冲击力值得不稳定。如图6之范例所示,输入压力为0.1MPa或0.3MPa时,后者之输出冲击强度虽明显较高,但两者皆无法维持固定的冲击强度;另外,两者之冲击过程皆伴随着振动讯号,对试件是否产生额外影响尚需评估。

图4 (a)由气压锤所驱动的振动试验机;(b)气压锤之实际安装图;(c)气压锤结构图[3]
 
图5输入压力为0.08MPa时的时域讯号[3]
 
图6气压锤于不同输入压力下的冲击强度比较[3]
 
3.2 电磁锤作动原理简介
由电磁锤所驱动的振动试验机,其设置与系统作动流程大致与使用气压锤时相同,仅冲击产生方式有异,如图7所示。相较于气压锤透过高压气体驱动活塞,电磁锤是利用电磁线圈来吸引活塞移动:在尚未作动前,活塞始终置于电磁锤之底部,而当线圈通入直流电产生磁力后,活塞将被吸引,产生向前移动的动量。根据电流磁效应及牛顿运动定律可知,线圈产生的磁力会使活塞产生加速运动:
Vbf=Vi+aED·t,
其中Vi及Vbf分别为活塞于初始位置及撞击前的速度,aED为活塞所受的加速度,dt为磁力作用于活塞的时间;
再搭配冲量方程式
JED=mED×(Vbf-Vi)
其中JED与mED分别是活塞之冲量与质量。
由以上两式可知,线圈的通电时间越长,活塞的加速时间就越长,冲量也越大,因此所产生的冲击强度越强。电磁锤之特性即是在于利用此线性的转换关系,调整线圈的通电时间来准确控制冲击力量的大小。如图8所示,在同样通电时间(亦即同样能量)下的连续冲击,其强度是非常一致的。另外,藉著控制通电时间的间隔,电磁锤也能控制冲击之间的间隔,也就是能控制活塞的往复频率,如图8(b)所示。值得注意的是,电磁锤內活塞是靠磁力的吸引而往前运动,过程中并会推挤前方的复归弹簧(regression spring),在撞击缓冲材料后,会由复归弹簧给予活塞往回运动的反力。但由于弹簧的回弹速度有限,因此活塞的往复频率亦有限,通常不大于20Hz. 然而因活塞大部分的移动参数都在控制之中,因此只要往复频率いやだよ设定的过高,电磁锤所产生冲击的力量与时序就能有效的被控制。图9(a)为一电磁锤控制器之范例,其中红色旋钮部分用于控制冲击力量,主要有五种力量大小可供选择,如图9(b)所示,白色旋钮则用于控制往复频率。

图7(a)由电磁锤所驱动的振动试验机;(b)电磁锤之实际安置图;(c)电磁锤结构图[3]
 
图8(a)电磁锤于同样能量下不同冲击次序(第1与第8次)的强度比较;(b)电磁锤于不同往复频率下的连续冲击讯号[3]
 
图9(a)电磁锤之控制器;(b)电磁锤输入与输出强度关系图[3]
 

3.3气压锤与电磁锤之综合比较
经由上述分析,已可初步归纳出气压锤及电磁锤之主要特性:
1.电磁锤内活塞往复撞击的频率及强度可分别控制,但对气压锤而言往复撞击频率及强度会随着输入压力而同时改变。
2.气压锤每次产生的冲击强度不一,电磁锤之冲击则有较高的再现性。
3.气压锤之最大冲击强度常受限于输入压力,电磁锤则普遍可产生强度较高的冲击。
4.电磁锤之往复频率较低。
5.气压錘的冲击过程会伴随振动讯号。
由以上几点可看出电磁锤之可控性明显优于气压锤,有助于加速振动试验的进行。然而,上述之分析皆是基于时域讯号,但振动试验的相关标准也常会著重于频域讯号的探讨。因此,本节将进一步比较气压锤及电磁锤于频谱上的表现。
如图10所示,本文以两台具有圆形振动台面、分别由气压锤及电磁锤驱动的振动试验机作为频谱量测标的。在讯号撷取方面,每个台面会安装9个B&K4371加速规[9],每个加速规仅会对应到X、Y、Z其中一个轴向,安装位置如图10所示,后端则连接Endevco电荷放大器[10]及Synergy讯号撷取系统[11]。完成撷取讯号后,本文选择呈现各测试标准中最常使用的功率频谱密度(PSD),结果则如图11所示。图中不同颜色的曲线代表不同加速规量测之结果。首先可发现在同样设定、不同次量测下,电磁锤所产生的功率频谱密度一致性较高,证明电磁锤之冲击的确具有较高的再现性。进一步观察频谱分布情形,可发现气压锤之功率频谱密度在频谱上有上下震荡的情形,波峰与波谷之差异甚至可达100倍,而电磁锤则呈现相对平稳的趋势,因此更易于精准调控振动强度。此外,电磁锤之功率频谱密度分布主要集中于在低于1000Hz的有效疲劳损害区域[3],因此较气压锤更适合用于触发试件劣化及失效。

图10 加速规的安装位置,(a)由气压锤驱动的振动台面;(b)由电磁锤驱动的振动台面[3]
 
图11 于两次量测下的功率频谱密度,(a)(b)气压锤;(c)(d)电磁锤[3]

4.结论
冲击锤是振动试验机中最关键的部分,其设计方式可对机台本身及试验流程之效率产生重大影响。市面上常用的气压锤主要是透过高压气体来驱动内部的活塞进行往复运动,而电磁锤则是利用电磁线圈来吸引活塞移动。藉由本文之分析可知,与气压锤相比,电磁锤拥有振动讯号再现性高、振动强度高、振动频率及强度可控性高、频谱响应均匀且集中在有效疲劳损害区域等优点。然而,本文目前仅针对振动试验机之台面进行直接量测,后续在加入产品试件后实际执行振动试验之结果尚需更深入的分析。至于产业应用方面,国外振动设备大厂于气压锤研发的经验及能力虽不容忽视,但国内亦已累积出电磁锤之研发能量,若能与国内本就实力雄厚的制造业相结合,将可发挥相辅相成的效果。

致谢
感谢工业技术研究院机械与系统研究所(技术编号F301AA7120)的支持,使本技术得以顺利进行,特此致上感谢之意。
 
参考文献:
(1)G.K. Hobbs,Accelerated Reliability Engineering HALT and HASS, John Wiley & Sons Ltd., Apr.2000
(2)Envirotronics,http://envirortronics.com/
(3)金顿科技,http//www.kdi.tw/
(4)JEDEC, JESD22-B103B: Vibration, variable Frequency, JEDEC Solid State Technology Association,June 2006
(5)Qualmark,http//www.qualmark.com/
(6)G.R. Henderson,and A.G. Piersol, “Evaluating vibration environments using the shock response spectrum, ” Sound and Vibration,pp.18-20,2003
(7)S.Jawaid and P.Rogers,“Accelerated reliability test results:importance of input vibration spectrum and mechanical response of test article,”Reliability and Maintainability Symposium,pp.248-253,2000
(8)Y.S.Chen and L.H.Chuong, “Responses of a highly accelerated life test system to impacts form different designs of hammers, ”Advances in Mechnical Engineering.vol.6,pp.1-12,Aug.2014
(9)Bruel&Kjaer,http://www.bksv.com/
(10)Endevco,https://www.endevco.com/
(11)Hi-Techniques,https://www.hi-techniques.com/products/synergy/