數(shù)控機(jī)床全生命周期重要性測度分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)床可靠性分析領(lǐng)域，涉及一種數(shù)控機(jī)床重要性測度分析方法， 具體涉及數(shù)控機(jī)床全生命周期重要性測度分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控機(jī)床由多個子系統(tǒng)組成，不同的子系統(tǒng)對系統(tǒng)性能的影響也不盡相同。在可 靠性領(lǐng)域中，重要性測度用以評估單個零件或部件的相對重要性，通常認(rèn)為零部件的相對 排序比起絕對值更重要。
[0003] -個元件在一個系統(tǒng)具有它的位置和可靠性，針對此問題，Birnbaum在1969年 提出了"重要性測度"的概念。通過這個指標(biāo)可以確定哪些子系統(tǒng)是引起系統(tǒng)故障的關(guān)鍵 因素，確定系統(tǒng)可靠性改進(jìn)的目標(biāo)。根據(jù)重要性測度所需要的知識，Birnbaum將其分為三 類：結(jié)構(gòu)重要性測度、可靠性重要性測度和壽命重要性測度?？煽啃灾匾詼y度又可以分 為Birnbaum子系統(tǒng)重要性測度（Birnbaum Component Importance)、可靠性臨界重要度 (Reliability Criticality Importance)、和運(yùn)行臨界重要度（Operational Criticality Importance)。一般說來，可靠性重要性測度是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的函數(shù)、系統(tǒng)中所有子系統(tǒng)故 障和維修時(shí)間的函數(shù)，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的函數(shù)。如果某個子系統(tǒng)對整個系統(tǒng)可靠性的影響程 度越大，則其在整個系統(tǒng)中的重要度越高。
[0004] 回顧以往針對數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵子系統(tǒng)的確定方法主要有FMECA (Failure Mode, Effects and Criticality Analysis)、子系統(tǒng)的復(fù)雜程度、影響因素等。以上幾種方法主要 以分析每個子系統(tǒng)故障發(fā)生次數(shù)為依據(jù)的。然而子系統(tǒng)的重要度不能單純根據(jù)故障發(fā)生的 頻次計(jì)算，比如有些子系統(tǒng)即使頻繁發(fā)生故障，但是其對整個系統(tǒng)的干擾程度卻微乎其微， 易于維修；相反，另外一些子系統(tǒng)雖然極少發(fā)生故障，然而其一旦發(fā)生將會對整個系統(tǒng)帶來 致命的影響，導(dǎo)致維修周期過長，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的運(yùn)行。
[0005] 同時(shí)數(shù)控機(jī)床的可靠性是隨時(shí)間變化的，則每個子系統(tǒng)的重要性也會隨時(shí)間改 變。因此需要同時(shí)考慮子系統(tǒng)可靠性重要性的影響。數(shù)控機(jī)床從出廠使用會經(jīng)歷三個階段： 早期故障期，偶然故障期和耗損期。偶然故障期是設(shè)備使用的最佳階段，耗損期設(shè)備趨于淘 汰，而早期故障期是到達(dá)偶然故障期所必須經(jīng)歷的階段。因此，本文通過分段威布爾模型確 定機(jī)床的早期故障期和偶然故障期的分界點(diǎn)，探索分析在不同運(yùn)行階段的關(guān)鍵子系統(tǒng)。通 過綜合分析故障次數(shù)、故障同時(shí)和可靠性確定數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵子系統(tǒng)，準(zhǔn)確量化其對數(shù)控機(jī) 床可靠度影響貢獻(xiàn)的差異性，衡量其改進(jìn)潛力，為數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)、工藝可靠性設(shè) 計(jì)、可靠性分配和可靠性增長技術(shù)的開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明克服了傳統(tǒng)尋找數(shù)控機(jī)床重要子系統(tǒng)單純考慮故障次數(shù)的靜態(tài)問題，通過 引入數(shù)控機(jī)床可靠性重要性測度動態(tài)模型，能夠分析不同時(shí)刻的子系統(tǒng)相對系統(tǒng)的重要程 度問題。提供了一種數(shù)控機(jī)床全生命周期重要性測度分析方法。
[0007] 以往的研宄對象主要是不可修系統(tǒng)，本文則針對數(shù)控機(jī)床這一典型的可修系統(tǒng)， 首先針對故障數(shù)據(jù)和數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行子系統(tǒng)劃分；其次根據(jù)數(shù)控機(jī)床的故障數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù) 控機(jī)床在全生命周期內(nèi)的可靠度模型以及各子系統(tǒng)可靠度模型，并在此模型的基礎(chǔ)上建立 各子系統(tǒng)可靠性重要性測度動態(tài)模型；然后，基于數(shù)控機(jī)床的故障次數(shù)和故障停機(jī)時(shí)間建 立可修系統(tǒng)可靠性重要性測度的靜態(tài)模型一一子系統(tǒng)失效臨界重要性測度和子系統(tǒng)運(yùn)行 臨界重要性測度；最后，根據(jù)子系統(tǒng)失效臨界重要性測度、子系統(tǒng)運(yùn)行臨界重要性測度和可 靠性重要性測度綜合分析數(shù)控機(jī)床在早期故障期和偶然故障的關(guān)鍵子系統(tǒng)，為數(shù)控機(jī)床可 靠性設(shè)計(jì)、可靠性改進(jìn)、制定維修策略提供依據(jù)。
【附圖說明】
[0008] 圖1子系統(tǒng)可靠性動態(tài)重要性測度曲線圖。
[0009] 圖2早期故障期靜動態(tài)可靠性重要性測度排序類比圖。
[0010]圖3偶然故障期靜動態(tài)可靠性重要性測度排序類比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)的描述，數(shù)控機(jī)床全生命周期重要性測度分析方法 通常包括以下步驟。
[0012] 步驟1 :對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行子系統(tǒng)劃分。通過對某型號數(shù)控車床結(jié)構(gòu)和功能分析進(jìn) 行子系統(tǒng)分析，具體分為液壓系統(tǒng)（D)，橫梁（B)，伺服系統(tǒng)（F)，潤滑系統(tǒng)（L)，刀架（M)，CNC 系統(tǒng)（NC)，主傳動系統(tǒng)（S)，工作臺（T)和電氣系統(tǒng)（V)等9個子系統(tǒng)。
[0013] 步驟2 :由于該批故障數(shù)據(jù)在采集時(shí)從機(jī)床出廠交付用戶使用即開始記錄，所采 集的數(shù)據(jù)包括故障早期故障期和偶然故障期的數(shù)據(jù)，所以對獲得故障時(shí)刻數(shù)據(jù)采用兩階段 威布爾分布描述更為合理。分布函數(shù)的第一階段可以理解為數(shù)控機(jī)床早期故障期的分布模 型，第二階段可以理解為數(shù)控機(jī)床偶然故障期的分布模型。分段Weibull模型的可靠性函 數(shù)為：
通過對故障數(shù)據(jù)的模型初選，數(shù)據(jù)擬合以及假設(shè)檢驗(yàn)，得到該型號數(shù)控車床的故障數(shù) 據(jù)的兩階段威布爾分布模型為：
根據(jù)上面的分析可知，在0-706小時(shí)內(nèi)為此機(jī)床的早期故障期，在706小時(shí)開始為偶然 故障期。同時(shí)采用最小二乘法建立數(shù)控車床子系統(tǒng)可靠度函數(shù)如表1所示。
[0014] 表1子系統(tǒng)可靠度函數(shù)匯總表。
[0015] 步驟3 :分別考慮早期故障期和偶然故障期機(jī)床各子系統(tǒng)對整機(jī)的重要性測度， 建立數(shù)控車床子系統(tǒng)可靠性重要性測度動態(tài)模型。數(shù)控車床子系統(tǒng)重要性測度是一個隨時(shí) 間變化的量，這與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是相吻合的，隨著時(shí)間的發(fā)展，原來相對不重要的子系統(tǒng)可 能變成重要的子系統(tǒng)。對于一個子系統(tǒng)i對系統(tǒng)0正常的可靠性重要性測度表示為：
對于一個由獨(dú)立元件組成的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)則有：
根據(jù)上式可知，(i，/7)通過子系統(tǒng)i可靠性對于系統(tǒng)可靠性的增長速率來衡量子系 統(tǒng)i對系統(tǒng)可靠性的重要程度。即：
式中(i，/7)--子系統(tǒng)的可靠性重要性測度； Rsys一一系統(tǒng)可靠度函數(shù)； &一一子系統(tǒng)可靠度函數(shù)。
[0016] 由于可靠性重要性測度表示的是系統(tǒng)可靠度對子系統(tǒng)可靠度的變化率，上式的物 理意義為：對于系統(tǒng)中任意兩個子系統(tǒng)的可靠性重要性測度(i，/7)與( 乂 /7)，若 (i，W >/& (乂 P)，則說明提高子系統(tǒng)的可靠性水平對系統(tǒng)可靠性水平提高的貢獻(xiàn)更大，從 而間接表明子系統(tǒng)i比J更重要。即/&(i，/7)越大，部件可靠度的變化引起系統(tǒng)可靠度的 變化越大。因此，改進(jìn)可靠性重要性測度較大的子系統(tǒng)并提高其可靠度，可使系統(tǒng)的可靠度 有較大的改善。
[0017] 以液壓系統(tǒng)（D)為例，根據(jù)上式以及液壓系統(tǒng)（D)的可靠度函數(shù)和整機(jī)的可靠度 函數(shù)可得液壓系統(tǒng)（D)在早期故障期和偶然故障期的可靠性重要性測度動態(tài)模型為：
通過同樣的方式分別計(jì)算得到各子系統(tǒng)在早期故障期和偶然故障期動態(tài)重要性測度 模型。采用matlab畫出各子系統(tǒng)對整機(jī)的可靠性重要性測度曲線如附圖1所示。
[0018] 步驟4:對數(shù)控車床所有故障進(jìn)行分析，確定故障發(fā)生部位，統(tǒng)計(jì)數(shù)控機(jī)床子系統(tǒng) 和整機(jī)故障發(fā)生次數(shù)及每次故障的停機(jī)時(shí)間，進(jìn)而建立數(shù)控機(jī)床子系統(tǒng)失效臨界重要性測 度和子系統(tǒng)運(yùn)行臨界重要性測度，其表達(dá)式如下：
通過步驟1中的整機(jī)可靠性建?？梢园l(fā)現(xiàn)，在0-706小時(shí)內(nèi)為早期故障期，超過706小 時(shí)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行達(dá)到偶然故障期，因此需要對子系統(tǒng)失效臨界重要性測度和子系統(tǒng)運(yùn)行臨 界重要