基于可拓工程方法的加工中心可靠性研究

2003年11月系统工程理论与实践第11期　文章编号:100026788(2003)1020099206基于可拓工程方法的加工中心可靠性研究戴　怡1,周云飞1,贾亚洲2,韩爱国1(1.华中科技大学机械学院,湖北武汉430074;2.吉林大学机械学院,吉林长春130025)摘要:　在考虑传统可靠性方法局限的情况下,应用可拓工程方法的优度评价原理,定义并计算了加工中心各子系统及其故障模式对加工中心可靠性的影响度与影响因子Λ结合某加工中心故障实例,在综合考虑各故障因素的情况下,进行了详细计算,并且提出了可靠性改进措施Λ关键词:　可拓工程;可靠性;加工中心中图分类号:　T G659;TB114.3 文献标识码:　A M ach in ing Cen ter R eliab ility Study Based on Ex ten si on M ethod DA I Y i1,ZHOU Yun2fei1,J I A Ya2zhou2,HAN A i2guo1(1.Schoo l of M echan ical Engineering,H uazhong U n iversity of Science and T echno logy,W uhan430074,Ch ina;2.Schoo l of M echan ical Engineering,J ilin U n iversity,Changchun130025,Ch ina)Abstract:　T he paper takes accoun t of the li m it of conven ti onal m ethod of reliab ility.U tilizingop ti m izati on evaluati on p rinci p le of ex ten si on m ethod,the paper defines and calcu lates the effect degreeand effect facto r of sub system and its failu re mode to reliab ility of m ach in ing cen ter.U ndercon siderati on of vari ou s failu re item s,the paper gives the detailed calcu lati on fo r a m ach in ing cen ter andp rovides reliab ility i m p rovem en t m ean s.Key words:　ex ten si on engineering;reliab ility;m ach in ing cen ter1　引言加工中心是现代制造系统的基本单元,其可靠性研究具有重要意义Λ加工中心的故障是多种多样的,它们对加工中心可靠性的影响也是不一样的Λ例如:主轴与刀库相撞、地线接错等故障相对于刀夹损坏故障,对加工中心可靠性的影响要大得多Λ因此有效地区分这些故障,在设计、制造、安装调试和售后维修等方面对某些故障给予足够重视,并采取相应的改进措施,对提高加工中心可靠性是十分有效的Λ传统的可靠性方法用“危害度”来表示不同故障模式对产品的影响程度[1],它的前提是已知产品各部件或零件的失效率,否则危害度无法计算Λ然而加工中心是一个复杂的系统,要测一些部件的失效率耗资大、时间长,并且其结构和零件由于技术进步时常会变化或更新,因此这种方法用于加工中心是不适宜的Λ可拓工程方法[2]中的优度评价原理(也称优度评价法)在对各衡量条件加权的情况下,评价一个对象的优劣程度,用这种方法表示不同故障对加工中心可靠性的影响,有较好效果Λ本文应用优度评价法,在综合考虑故障频率、故障类别、故障维修难度和故障维修时间的情况下,结合某国产加工中心的实例,定义并计算了加工中心各子系统及其故障模式对加工中心可靠性的影响度与影响因子Λ进而提出了可靠性改进措施Λ收稿日期:2002210222资助项目:国家“九五”重点科技攻关资助项目(97-776-03-01 02) 作者简介:戴怡(1962-),男,华中科技大学机械学院博士后研究人员,主要从事数控技术与数控机床可靠性研究, Em ail:dym lx@2　确定衡量条件、权系数与关联函数通过对大量故障数据的统计分析可以得到这些故障的故障频率、故障类别、故障维修难易程度和维修时间的大致估计Ζ为了计算这些故障因素对加工中心可靠性的影响度与影响因子,这里首先定义衡量条件、权系数与关联函数Ζ1)确定衡量条件设衡量条件集为V =(V 1,V 2,V 3,V 4).V 1表示子系统或部件的故障频率;V 2表示故障类别:致命故障、严重故障、一般故障和轻微故障;V 3维修难易程度:难、较难、一般、容易;V 4表示维修时间:长、较长、一般、短Ζ2)确定权系数通过多方面考虑,确定四个衡量条件V 1,V 2,V 3和V 4的判断矩阵如表1Ζ表1V 1V2V3V4V 11355V 21 3133V 31 51 313V41 51 31 31在表1的判断矩阵中,条件V 1相对于条件V 2稍微重要,相对于条件V 3、V 4明显重要Ζ条件V 2相对于条件V 3、V 4稍微重要Ζ利用层次分析法[3],计算出判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量,得到权系数向量为:Α=(Α1,Α2,Α3,Α4)=(0.5436,0.2442,0.1359,0.0763) 3)建立关联函数为了将非数量量值转化为数量量值,以表达某些量符合要求的程度,可拓集合论建立了关联函数的概念Ζ关于V 1的关联函数为:K 1(x )=x ,　x =故障频率关于V 2的关联函数为:K 2(x )=1x =致命故障0.75x =严重故障0.5x =一般致障0.25x =轻微故障关于V 3的关联函数为:K 3(x )=1x =难0.70x =较难0.5x =一般0.25x =容易关于V 4的关联函数为:K 4(x )=1x =长0.75x =较长0.5x =一般0.25x =短3　某型加工中心各子系统对整机可靠性的影响度与影响因子3.1　各子系统故障的情况我们对70余台某型加工中心近二年来的180余条故障数据进行了统计分析,得到了表1所示的各子系统故障因素统计表Ζ该加工中心包括主轴系统、刀库、…、辅助装置等七个子系统,该机床没有机械手,而由刀库与主轴协调动作完成换刀Ζ3.2　合格度的计算合格度是优度评价法的一个概念,在这里表示各故障因素符合要求的程度Ζ将上述各值分别代入关联函数,得到合格度为:K 1=(K 1(A 1),K 1(A 2),…,K 1(A 7))=(0.2541,0.1676,0.0865,0.2811,0.0595,0.1135,0.0378)K 2=(K 2(A 1),K 2(A 2),…,K 2(A 7))==(0.75,0.50,0.50,0.75,0.75,0.5,0.25)K 3=(K 3(A 1),K 3(A 2),…,K 3(A 7))=(0.70,0.50,0.50,0.70,0.5,0.5,0.25)K 4=(K 4(A 1),K 4(A 2),…,K 4(A 7))=(0.75,0.50,0.50,0.5,0.5,0.5,0.25)001系统工程理论与实践2003年11月表1　各子系统的故障因素子系统故障频率%故障类别维修难度维修时间主轴系统A 125.41严重较难较长刀库A216.76一般一般一般进给系统A 38.65一般一般一般数控系统A 428.11严重较难一般电气系统A 55.95严重一般一般电源A611.35一般一般一般辅助装置A 73.78轻微容易短把合格度规范化得到规范合格度为:k 1=(0.9040,0.5962,0.3078,1,0.2117,0.4038,0.1345)=(k 11,k 12,…,k 17)k 2=(1,0.6667,0.6667,1,1,0.6667,0.3333)=(k 21,k 22,…,k 27)k 3=(1,0.7143,0.7143,1,0.7143,0.7143,0.3571)=(k 31,k 32,…,k 37)k 4=(1,0.6667,0.6667,0.6667,0.6667,0.6667,0.3333)=(k 41,k 42,…,k 47)3.3　各子系统对加工中心可靠性的影响度优度评价法定义衡量条件的权系数与规范合格度的积为优度,这里根据可靠性工程的需要,将其定义为子系统对加工中心可靠性的影响度Ζ主轴系统A 1的规范合格度为:K (A 1)=k 11k 21k 31k 41=0.9040111故A 1对加工中心的影响度为:C (A 1)=ΑK (A 1)=0.9478同理可得刀库A 2、进给系统A 3、…辅助装置A 7对整机的影响度为:C (A 2)=ΑK (A 2)=0.6348 C (A 3)=ΑK (A 3)=0.4781 C (A 4)=ΑK (A 4)=0.9745C (A 5)=ΑK (A 5)=0.5072 C (A 6)=ΑK (A 6)=0.5303 C (A 7)=ΑK (A 7)=0.22853.4　各子系统对加工中心可靠性的影响因子某子系统对加工中心可靠性的影响因子定义为该子系统的影响度在全部子系统中所占比例Ζ由此主轴系统A 1的影响因子为:P (A 1)=C (A 1) (C (A 1)+C (A 2)+…+C (A 7))=0.2204 同理可得刀库A 2、进给系统A 3、…辅助装置A 7对整机的影响因子为:P (A 2)=0.1476 P (A 3)=0.1112 P (A 4)=0.2266P (A 5)=0.1180 P (A 6)=0.1233 P (A 7)=0.05314　子系统内各故障模式对加工中心的影响度与影响因子由于本计算是在计算子系统对整机可靠性的影响度与影响因子的基础上进行的,所以子系统内各故障模式的衡量条件以及各衡量条件的权系数与前面给出的权系数相同Ζ对各故障因素,如故障频率、故障类别等定义的关联函数也与前面的相同Ζ表2的1-6列给出了加工中心各子系统及子系统内各故障模式的故障因素Ζ4.1　主轴系统故障模式的合格度因为权系数和关联函数的定义与计算子系统影响度时的定义相同Ζ所以将上述各值分别代入关联函数并规范化,得到规范合格度为:101第11期基于可拓工程方法的加工中心可靠性研究k1=(0.5217,0.1304,0.0869,1,0.0869)=(k11,k12,…,k15)k2=(1,0.6667,0.6667,1,0.6667)=(k21,k22,…,k25)k3=(0.7143,0.7143,0.7143,1,0.3571)=(k31,k32,…,k35)k4=(0.6667,0.6667,0.6667,1,0.6667)=(k41,k42,…,k45)表2　子系统内各故障模式的影响度与影响因子子系统及其对整机的影响因子故障模式故障频率故障类别维修难度维修时间对子系统的影响度子系统内影响度比例对整机的影响因子主轴系统A1 (22.04%)元器(零部)件损坏A1128.57%严重一般一般0.67580.25040.0552液、汽、油渗漏A127.14%一般一般一般0.38160.14140.0312运动部件卡死A134.76%一般一般一般0.35800.13260.0292主轴失调A1454.76%严重较难较长1.00000.37050.0817紧固件松动A154.76%一般容易短0.28400.10520.0232刀库A2 (14.76%)刀库失调A2155.17%一般一般较长0.91860.31160.0460液、汽、油渗漏A2213.79%一般一般一般0.48550.16470.0243零部件损坏A2324.14%严重一般一般0.66880.22690.0335主轴与刀库相撞A243.45%严重一般较长0.49040.16630.0245传感部件失灵A253.45%一般一般一般0.38490.13060.0193进给系统A3 (11.12%)零部件损坏A3138.46%一般一般一般0.91860.29860.0332回零不准A3223.08%严重一般一般0.78260.25440.0283转位、移位超程A3330.77%严重一般一般0.89130.28970.0322元器件参数漂移A347.69%一般一般一般0.48370.15720.0175数控系统A4 (22.66%)元器(零部)件损坏A4161.54%严重一般一般0.96120.34270.0777系统参数出错A4221.15%严重较难一般0.64320.22930.0520线路电缆短路A437.69%一般一般一般0.40410.14410.0327元器件接触不良A443.85%一般较难一般0.40900.14580.0330其它A455.76%一般一般一般0.38700.13800.0313电气系统A5 (11.80%)元器(零部)件损坏A5147.61%严重一般一般0.89370.31070.0367元器件接触不良A5228.57%一般较难一般0.66050.22960.0271地线接错A5314.29%致命一般一般0.57420.19960.0236液、汽、油渗漏A544.76%一般一般一般0.34340.11940.0141线路、电缆短路A554.76%严重一般一般0.40440.14060.0166电源A6 (12.33%)外部电压过高、过低、不稳A619.52%严重一般一般0.48270.23790.0293线路、电缆短路A6233.33%一般较难一般0.66670.32860.0405元器(零部)件损坏A6357.14%一般一般较长0.87980.43360.05354.2　主轴系统内各故障模式对加工中心的影响度这里利用优度评价法的优度的概念,将衡量条件的权系数与规范合格度的积定义为各故障模式对它201系统工程理论与实践2003年11月所隶属的子系统的影响度Λ元器(零部)件损坏A 11规范合格度为:K (A 11)=k11k 21k 31k 41=0.521710.71430.6667.故A 11对主轴系统的影响度为:C (A 11)=ΑK (A 11)=0.6758同理可得主轴内其他故障模式对主轴系统的影响度:C (A 12)=ΑK (A 12)=0.3816 C (A 13)=ΑK (A 13)=0.3580C (A 14)=ΑK (A 14)=1 C (A 15)=ΑK (A 15)=0.28404.3　主轴系统各故障模式对加工中心的影响因子的计算①各故障模式对主轴系统的影响度所占比例A 11对主轴系统的影响度所占比例=C (A 11)(C (A 11)+C (A 12)+…+C (A 15))=0.2504 同理: A 12对主轴系统的影响度所占比例=0.1414,A 13对主轴系统的影响度所占比例=0.1326 A 14对主轴系统的影响度所占比例=0.3705,A 15对主轴系统的影响度所占比例=0.1052 ②各故障模式对加工中心的影响因子 因为主轴系统对加工中心的影响因子为0.2204,所以A 11对加工中心的影响因子为:P (A 11)=0.2204×0.2504=0.0552 同理可得主轴内其他故障模式对加工中心的影响因子为:P (A 12)=0.0312　P (A 13)=0.0292　P (A 14)=0.0817　P (A 15)=0.02324.4　其它子系统内各故障模式的影响度与影响因子同理可以计算其它子系统内各故障模式对整机的影响度与影响因子,结果列于表2的7-9列Ζ计算结果还见于图1Ζ图1　加工中心子系统内各故障模式对整机的影响度与影响因子301第11期基于可拓工程方法的加工中心可靠性研究401系统工程理论与实践2003年11月5　影响度与影响因子的计算对加工中心可靠性分析与改进的意义在图1和表2中,各子系统中零部(元器)件损坏故障模式的影响因子总和为:25.66%,即A11+A23 +A31+A41+A51+A63=25.66%Λ各子系统中的调整性故障(包括主轴失调、刀库失调、主轴与刀库相撞、进给系统的回零与超程故障)影响因子总和为:21.27%,即A14+A21+A24+A32+A33=21.27%Λ由此可以看到,在综合考虑故障频率、故障类别、故障维修难度和故障维修时间的情况下,零部(元器)件损坏故障模式对加工中心可靠性的影响位列第一,调整性故障模式位列第二Λ损坏型故障是加工中心的重要失效形式,这与其它产品,如汽车[4]、普通数控机床[5],基本上是一致的Λ而调整性故障反映了加工中心固有的特点Λ从图1和表2还可以看出,数控系统和主轴系统对加工中心可靠性的影响因子较大,分别为0.2266和0.2204Λ其中数控系统的元器(零部件)损坏的影响因子为0.0777,主轴系统的调整性故障的影响因子为0.0817,都是比较高的,应首先对其进行可靠性改进Λ此外,地线接错故障模式的影响因子为0.0236,是不容忽视的,由于它曾引起致命性故障,所以也应该首先进行改进Λ6　结论在传统的可靠性方法中,故障模式、影响及危害性分析是一个好的方法Λ但对于加工中心这样一个复杂的、至少有上百个元件组成的闭环系统来说,求解危害度所必需的失效率的计算是一个难于逾越的障碍Λ计算失效率需纪录这近百台机床二年来每天的工作时间或维修时间,另外加工中心的可靠性必须是在真实使用条件下测出来的,所以其工作时间和维修时间只能由各地的操作人员来完成,因此确定各零部件的失效率是一项非常复杂、浩繁的工程Λ事实上,世界上只有美国为了军工或宇航工业的需要,投巨资测算过一些元器件的失效率,其他国家鲜有这样的投入Λ所以传统的可靠性方法中的故障模式、影响及危害性分析应用于民用工业受到了极大的挑战Λ本文基于可拓工程方法的加工中心可靠性研究,最大限度地利用了已收集到的故障数据,成功地计算了加工中心各子系统极其故障模式对整机可靠性的影响度与影响因子,较好地解决了由于失效率难以计算给可靠性研究带来的困难Λ参考文献:[1]　徐维新,秦英孝.可靠性工程[M].北京:电子工业出版社,1988.[2]　蔡文,杨春燕,林伟初.可拓工程方法[M].北京:科学出版社,1997:86-116,188-194.[3]　赵焕臣,等.层次分析法——种简易的新决策方法[M].北京:科学出版社,1986.1-43.[4]　李显生,等.国产载货汽车的整车可靠性评价[J].公路交通科技,2000,17(5):81-84.[5]　韩卓立.CK7815数控车床可靠性考核[J].制造技术与机床,1994,(4):18-19。