基于級(jí)聯(lián)故障分析的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組件可靠性評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于級(jí)聯(lián)故障分析的數(shù)控機(jī) 床系統(tǒng)組件可靠性評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控機(jī)床是集機(jī)、電、液、氣、光于一體的復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)"是其故障普遍特征，且 各零件及子系統(tǒng)之間的故障存在傳遞性，屬于級(jí)聯(lián)故障?？煽啃越Ｅc評(píng)價(jià)是可靠性設(shè)計(jì)、 分配與預(yù)計(jì)等研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組件可靠性建模多基于機(jī)床運(yùn)行中組件故 障信息，基于故障獨(dú)立假設(shè)展開。據(jù)此評(píng)價(jià)組件可靠性水平存在偏差，給組件重要度分析、 系統(tǒng)可靠性分配、工藝設(shè)計(jì)和維修策略制定帶來(lái)較大影響。因此，考慮故障傳遞性，進(jìn)行基 于級(jí)聯(lián)故障分析的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組件可靠性評(píng)價(jià)研究具有重要意義。
[0003] 級(jí)聯(lián)故障是指由一系列互為因果、在時(shí)間尺度上可區(qū)分的序列停運(yùn)引起的故障事 件，運(yùn)些故障事件往往就是從系統(tǒng)中某一元件的故障開始，繼而引發(fā)系列元件故障，運(yùn)種連 鎖性故障的迅速傳播最終導(dǎo)致了系統(tǒng)的崩潰。級(jí)聯(lián)故障機(jī)理的研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣 泛關(guān)注。
[0004] 國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)理論對(duì)級(jí)聯(lián)關(guān)聯(lián)故障進(jìn)行研究。研究?jī)?nèi)容主要包含 兩個(gè)方面：一是基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的"小世界網(wǎng)絡(luò)"模型、Watts構(gòu)造模型、化Ime和Kim的 相隔中屯、性模型、Motter與Lai模型等進(jìn)行連鎖關(guān)聯(lián)故障機(jī)理分析；二是利用MonteCarlo 模擬法、遞歸算法、基于ΑΗΡ和灰色關(guān)聯(lián)度選擇故障序列等進(jìn)行連鎖關(guān)聯(lián)故障路徑捜索。 陽(yáng)0化]Pickles借助Domino骨牌來(lái)描述故障相關(guān)性，將獨(dú)立的可靠性評(píng)價(jià)擴(kuò)展成連續(xù) 失效過(guò)程，借助指定的系數(shù)來(lái)刻畫某一子系統(tǒng)故障對(duì)其相鄰子系統(tǒng)的影響，但由于它假定 的失效序列比較單一，無(wú)法適用于故障的多路徑傳遞方式；Sun化ng構(gòu)建了定量化分析關(guān) 聯(lián)故障的可靠性函數(shù)模型，并結(jié)合故障數(shù)據(jù)計(jì)算子系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)，但是該相關(guān)系數(shù)是一 個(gè)綜合指標(biāo)，子系統(tǒng)的影響度和被影響度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響并不相同。此外很多學(xué)者借 助Copula函數(shù)來(lái)研究故障相關(guān)性問(wèn)題，張英芝初次將Copula函數(shù)引入到數(shù)控機(jī)床相關(guān)故 障的計(jì)算分析中，精準(zhǔn)的計(jì)算出了相關(guān)子系統(tǒng)之間的相關(guān)系數(shù)值，為明確子系統(tǒng)之間的相 關(guān)作用程度開辟了新的途徑，該方法的不足之處是運(yùn)動(dòng)相關(guān)關(guān)系的作用方向和作用形式不 能通過(guò)計(jì)算值體現(xiàn)出來(lái)，運(yùn)種弊端在研究多系統(tǒng)之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系時(shí)表現(xiàn)的尤為明 顯。王曉燕根據(jù)生產(chǎn)跟蹤數(shù)據(jù)，對(duì)故障鏈種類進(jìn)行歸類，建立了系列相關(guān)系數(shù)求解模型。
[0006] 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)復(fù)雜，其系統(tǒng)組件間關(guān)聯(lián)關(guān)系不明確，不能直接套用其他產(chǎn)品關(guān)聯(lián) 故障研究方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)因忽略故障傳播影響和故障相關(guān)性分析而導(dǎo)致用組件綜合可靠性 代替固有可靠性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果存在偏差的缺陷。本發(fā)明提供一種基于級(jí)聯(lián)故障分析的 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組件可靠性評(píng)價(jià)方法，利用該方法對(duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組件進(jìn)行可靠性分析更準(zhǔn) 確，更符合實(shí)際。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的基于級(jí)聯(lián)故障分析的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組件可靠性 評(píng)價(jià)方法包括下述步驟：
[0009] 一、將整個(gè)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)部件劃分為η個(gè)子系統(tǒng)；根據(jù)采集的數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)故障 數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并借助于故障分析數(shù)據(jù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能方面的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)尋求到子系統(tǒng) 之間的故障傳遞關(guān)系，然后W各個(gè)子系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)集合V= (Vl，V2, ...V。}，節(jié)點(diǎn)之間的故障 傳遞關(guān)系為有向邊集合E= {ei,}，i聲j，構(gòu)成故障傳遞有向圖模型，其中η為子系統(tǒng)數(shù)量；
[0010] 二、用ηΧη的鄰接矩陣C對(duì)故障傳遞有向圖模型進(jìn)行描述；
[0011]
陽(yáng)01引 當(dāng)i聲j時(shí)，
陽(yáng)〇1引 當(dāng)i=j時(shí)，Cij=0;
[0014] 將鄰接矩陣C的每行元素除W此行元素的總和，得到轉(zhuǎn)移概率矩陣C'，然后對(duì)轉(zhuǎn) 移概率矩陣C'進(jìn)行轉(zhuǎn)置變換得到其轉(zhuǎn)置矩陣（C' )τ:
[0015] Ξ、利用式（1)進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到各子系統(tǒng)的基于故障相關(guān)的被影響度CK值，某 一子系統(tǒng)的CK值代表該子系統(tǒng)被其它子系統(tǒng)影響的概率；
[0016]
[0017] 其中，d-一阻尼因子，取試驗(yàn)中關(guān)聯(lián)故障數(shù)與總故障數(shù)的比值；
[0018] E-(ηXI)階矩陣，并且元素全為1 ;
[0019] 迭代初始條件為：護(hù)=(1，1，......，1)Τ;
[0020] 設(shè)ε為指定的迭代收斂平穩(wěn)閥值，迭代計(jì)算當(dāng)滿足|px"-Pl<ε時(shí)， 迭代結(jié)束；令迭代結(jié)束后Ρ=CK，則CK= (CK(1)，CK似，...CK(i)...，CK(n))T， CK(1)，CK(2)，. . .CK(i). . .，CK(n)即為各子系統(tǒng)的基于故障相關(guān)的被影響度CK值；
[0021] 四、利用式（2)計(jì)算得到各子系統(tǒng)的固有故障概率函數(shù)
[0022]
(2) 陽(yáng)〇2引其中λ。為子系統(tǒng)i的固有故障概率函數(shù)，cKa)為子系統(tǒng)i的被影響度，λ1為 子系統(tǒng)i的綜合故障概率函數(shù)，^是整個(gè)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中除子系統(tǒng)i之外其他子系統(tǒng)構(gòu) 成的子系統(tǒng)集合的綜合故障概率函數(shù)；
[0024] 五、利用步驟四得到的各子系統(tǒng)的固有故障概率函數(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組件進(jìn)行可 靠性評(píng)價(jià)。
[00巧]本發(fā)明可靠性模型不僅考慮子系統(tǒng)自身元件的累計(jì)失效過(guò)程，還融入其他子系統(tǒng) 的故障相關(guān)影響度因子，與基于系統(tǒng)間相互獨(dú)立假設(shè)的可靠性模型相比更符合實(shí)際。
【附圖說(shuō)明】
[00%] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0027] 圖1是本發(fā)明的基于級(jí)聯(lián)故障分析的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組件可靠性評(píng)價(jià)方法流程圖。
[0028] 圖2日、圖化是故障傳遞有向圖模型。
[0029] 圖3是實(shí)施例加工中屯、故障傳遞有向圖。
[0030] 圖4進(jìn)給系統(tǒng)固有故障概率與綜合故障概率曲線。
[0031] 圖5進(jìn)給系統(tǒng)固有可靠度與綜合可靠度曲線。
[0032] 圖6刀庫(kù)固有故障概率與綜合故障概率曲線。
[0033] 圖7刀庫(kù)固有可靠度與綜合可靠度曲線。
[0034] 圖8主軸固有故障概率與綜合故障概率曲線。
[0035] 圖9主軸固有可靠度與綜合可靠度曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明的基于級(jí)聯(lián)故障分析的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組件可靠性評(píng)價(jià)方法包 括下述步驟：將系統(tǒng)劃分為η個(gè)子系統(tǒng)；對(duì)各子系統(tǒng)故障相互影響關(guān)系進(jìn)行分析；構(gòu)建故障 傳遞有向圖模型；構(gòu)建鄰接矩陣；計(jì)算各子系統(tǒng)被影響度；計(jì)算各子系統(tǒng)的固有故障概率 函數(shù)；計(jì)算各子系統(tǒng)的固有MTBF。
[0037] 一、級(jí)聯(lián)故障機(jī)理分析與組件相關(guān)度評(píng)估
[0038] 為清晰級(jí)聯(lián)故障傳遞機(jī)理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部件可靠性評(píng)估，本發(fā)明引入圖論中的故障 有向圖方法構(gòu)建故障傳遞有向圖模型，通過(guò)矩陣化處理實(shí)現(xiàn)模型量化。系統(tǒng)部件的故障相 關(guān)度又分為影響度和被影響度，本發(fā)明重點(diǎn)關(guān)注部件被影響度計(jì)算。
[0039] 1、故障有向圖模型
[0040] 將整個(gè)系統(tǒng)劃分為若干個(gè)組成子系統(tǒng)，借助于故障分析數(shù)據(jù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功 能方面的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)尋求子系統(tǒng)之間的故障傳遞關(guān)系。W各個(gè)子系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)集合v= {Vl，V2，...v。}，節(jié)點(diǎn)之間的故障傳遞關(guān)系為有向邊集合E={el,}，i聲j。節(jié)點(diǎn)一般是指系 統(tǒng)中的各子系統(tǒng)（也可W指元件、部件等），有向邊則代表它們之間的故障傳遞關(guān)系。如果 子系統(tǒng)i出現(xiàn)故障會(huì)引發(fā)子系統(tǒng)j出現(xiàn)故障，那么則存在從節(jié)點(diǎn)Vi到節(jié)點(diǎn)Vj的一條有向邊。 故障傳遞關(guān)系主要是依據(jù)現(xiàn)實(shí)的故障數(shù)據(jù)采集和故障原因分析，結(jié)合故障診斷手冊(cè)進(jìn)行確 定。如圖2a是由