基于優(yōu)度評(píng)價(jià)法的數(shù)控磨床可靠性分析研究

劉 超，白 強(qiáng)，杜永鵬，張琳琳

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061）

1 引言

數(shù)控磨床作為基礎(chǔ)制造裝備，國產(chǎn)數(shù)控磨床在市場(chǎng)占有率較國外數(shù)控磨床還要一定差距，究其原因主要是由于國產(chǎn)數(shù)控磨床的可靠性比較低。因此，提升數(shù)控磨床可靠性水平已經(jīng)迫切重要[1]。對(duì)于機(jī)床可靠性分析，文獻(xiàn)[2]對(duì)45臺(tái)臥式加工中心和25臺(tái)立式加工中心進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行了故障分析，評(píng)估了可靠性指標(biāo)，英國的一些高校從數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)場(chǎng)可靠性信息采集入手，建立可靠性數(shù)據(jù)庫，對(duì)其可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，找出故障分布規(guī)律和薄弱環(huán)節(jié)[3-4]，文獻(xiàn)[5]用三參數(shù)威布爾分布單一模型對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性進(jìn)行分析與評(píng)估。文獻(xiàn)[6]使用故障樹以及故障模式、影響和危害性分析方法對(duì)臥式加工中心的刀庫系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)。由于數(shù)控磨床是集機(jī)、電、液一體化的裝備，故障的原因也是比較繁雜。采用多指標(biāo)的綜合評(píng)定才能更好的了解數(shù)控磨床的可靠性，反映出數(shù)控磨床的可靠性水平。

2 優(yōu)度評(píng)價(jià)法

優(yōu)度評(píng)價(jià)法[7-10]是可拓學(xué)中評(píng)價(jià)一個(gè)對(duì)象，包括事物、策略、方法等優(yōu)劣的基本方法。通過建立多指標(biāo)性能參數(shù)的綜合評(píng)判物元模型來描述矛盾問題，并建立關(guān)聯(lián)函數(shù)對(duì)事物的質(zhì)變和量變問題進(jìn)行定量描述，以定量的數(shù)值來表示評(píng)定結(jié)果，從而較完整的反映被評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合水平。對(duì)于數(shù)控磨床可靠性的問題恰好可以利于這一方法對(duì)其進(jìn)行分析，其基本流程，如圖1所示。

圖1 優(yōu)度評(píng)價(jià)法的基本流程Fig.1 The Basic Process of Priority Degree Evaluation Method

2.1 數(shù)控磨床可靠性衡量指標(biāo)的確定

通過對(duì)數(shù)控磨床的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到故障的故障頻率、故障類別、故障維修的難易程度以及故障的維修時(shí)間，現(xiàn)將這四個(gè)作為數(shù)控磨床可靠性的衡量指標(biāo)。建立相應(yīng)的衡量指標(biāo)集：

式中：SI1—子系統(tǒng)或者是某一部件故障的故障頻率；SI2—子系統(tǒng)或者某一部件故障的故障類別：致命故障、嚴(yán)重故障、一般故障以及輕微故障；SI3—子系統(tǒng)或者某一部件故障的故障維修的難易程度：難維修、較難維修、一般維修、簡單維修；SI4—子系統(tǒng)或者某一部件故障的故障維修時(shí)間：長、較長、一般、短。

2.2 確定權(quán)系數(shù)

評(píng)價(jià)一個(gè)對(duì)象Zj（j=1，2，…，m）優(yōu)劣的各個(gè)衡量指標(biāo)SI1，SI2，…，SIn有輕重之分，用權(quán)系數(shù)表示各衡量指標(biāo)的重要程度。對(duì)于非滿足不可的指標(biāo)，用∧來表示，對(duì)于其他的衡量指標(biāo)，則根據(jù)重要程度分別賦予［0，1］的值。權(quán)系數(shù)記為：

權(quán)系數(shù)的大小對(duì)于優(yōu)度的高低具有十分重要的作用，不同的權(quán)系數(shù)可以得出不同的結(jié)論，引起優(yōu)劣順序的改變。但是由于權(quán)系數(shù)由人來確定，往往具有主觀性，影響真實(shí)性和可靠性。為更合理的確定權(quán)系數(shù)，可以使用層次分析法來確定衡量指標(biāo)的相對(duì)重要程度，從而確定權(quán)系數(shù)。

根據(jù)故障數(shù)據(jù)，從以上衡量指標(biāo)的綜合考慮，確定以下判斷矩陣，如表1所示。

表1 衡量指標(biāo)的判斷矩陣Tab.1 Judgment Matrix of Measure Index

在以上表1的判斷矩陣中，衡量指標(biāo)SI1相對(duì)于衡量指標(biāo)SI2稍微重要，相對(duì)于SI3、SI4明顯重要。衡量指標(biāo)SI2相對(duì)于衡量指標(biāo)SI3、SI4稍微重要。根據(jù)以上的判斷矩陣，計(jì)算出判斷矩陣的特征值以及特征向量，得到權(quán)系數(shù)向量：

2.3 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，計(jì)算關(guān)聯(lián)度度以及規(guī)范化關(guān)聯(lián)度

為了更好的對(duì)問題進(jìn)行描述，也便于表達(dá)某些量的要求，要將非數(shù)值量轉(zhuǎn)化為數(shù)值量，可拓集合論建立了關(guān)聯(lián)函數(shù)的概念。

根據(jù)各衡量指標(biāo)的相關(guān)要求，建立其對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)函數(shù)K1（x），K2（x），K3（x），K4（x），其中：

關(guān)于SI1的關(guān)聯(lián)函數(shù)為：K1（x）=x，其中x=故障頻率；

關(guān)于SI2的關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

關(guān)于SI3的關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

關(guān)于SI4的關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

把對(duì)象Zj關(guān)于各衡量指標(biāo)SIi的關(guān)聯(lián)函數(shù)值簡記為Ki（Zj），則各對(duì)象Z1，Z1，…，Zm關(guān)于SIi的關(guān)聯(lián)度為：

則各對(duì)象Z1，Z1，…，Zm關(guān)于SIi的規(guī)范關(guān)聯(lián)度為：

ki=ki1，ki2，…，kim，i=1，2，…，n

對(duì)象Zj關(guān)于各衡量指標(biāo)SI1，SI2，…，SIn的規(guī)范關(guān)聯(lián)度為：

2.4 確定子系統(tǒng)對(duì)整機(jī)可靠性的影響度與影響因子

優(yōu)度評(píng)價(jià)法將衡量條件的權(quán)系數(shù)和規(guī)范化關(guān)聯(lián)度的乘積作為優(yōu)度值，應(yīng)用于可靠性工程，我們?cè)谶@里將優(yōu)度定義為影響度。影響度C（Zj）的計(jì)算為：

對(duì)采集到的數(shù)控磨床的故障數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分類與處理，得到如表2所示。

表2 各子系統(tǒng)的故障因素表Tab.2 Fault Factors of Each Subsystem

根據(jù)表2可以計(jì)算其關(guān)聯(lián)度，表示故障因素的符合程度。將上述數(shù)值分別代入對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度函數(shù)，得到對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度：

通過上述計(jì)算可以得到各個(gè)衡量條件的權(quán)系數(shù)以及規(guī)范化關(guān)聯(lián)度，根據(jù)上述的計(jì)算我們可以得到各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的影響度。

由于頭架系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度為：

已知權(quán)系數(shù)向量為：

由此可以計(jì)算頭架系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的影響度為：

C（HS）=αK（HS）=0.9293

同理可以得到以下各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的影響度：

通過計(jì)算出各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的影響度，進(jìn)而可以定義影響因子為各個(gè)子系統(tǒng)在所有子系統(tǒng)影響度所占的比例，由此可以計(jì)算出各個(gè)子系統(tǒng)的影響因子。

C總=C（HS）+C（CL）+C（SD）+C（MI）+C（BS）+C（EC）+

C（HY）+C（NC）+C（LB）+C（FD）+C（SV）=5.0509

由此可以計(jì)算各個(gè)子系統(tǒng)的影響因子：

對(duì)應(yīng)的其他子系統(tǒng)的影響因子為：

P（CL）=0.0991，P（SD）=0.1274

P（MI）=0.1169，P（BS）=0.0513

P（EC）=0.0796，P（HY）=0.0761

P（NC）=0.0407，P（LB）=0.0673

P（FD）=0.0956，P（SV）=0.0620

通過對(duì)數(shù)控磨床各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的影響度和影響因子的計(jì)算，可以得到數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、量儀系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的影響度和影響因子對(duì)位于前四位，應(yīng)多給予更多的關(guān)注。在后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中有針對(duì)性的更改和優(yōu)化，才能更好的提高整個(gè)數(shù)控磨床的可靠性。

3 頭架系統(tǒng)故障模式對(duì)子系統(tǒng)和整機(jī)可靠性的影響度和影響因子

3.1 故障模式對(duì)子系統(tǒng)和整機(jī)可靠性影響度及影響因子的計(jì)算

由于數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)對(duì)數(shù)控磨床整機(jī)可靠性的影響度和影響因子最大，現(xiàn)將數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行深入剖析。通過以上子系統(tǒng)對(duì)數(shù)控磨床整機(jī)可靠性的影響度和影響因子的計(jì)算可以得到，故障模式對(duì)數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)以及整機(jī)可靠性的影響度和影響因子。建立故障模式對(duì)數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)以及整機(jī)可靠性影響度和影響因子表格，如表3所示。

表3 故障模式對(duì)頭架系統(tǒng)以及整機(jī)可靠性的影響度和影響因子Tab.3 Influence Degree and Influence Factor of the Fault Model of Headstock System

由表3可知，退化型、損壞型故障居于頭架系統(tǒng)故障的前兩位，這主要包括傳動(dòng)皮帶的磨損和斷裂、頭架軸承的損壞、床頭齒輪磨損以及頭架電機(jī)燒壞等原因。

3.2 整改措施

根據(jù)以上出現(xiàn)的問題，對(duì)生產(chǎn)廠家提出了有效的整改措施，具體如下：加強(qiáng)外購電子元器件的質(zhì)量關(guān).由于大部分的故障都是來自電子元器件的損壞，所以在元器件商家的選擇上很重要。建立較好的外購元器件的監(jiān)督機(jī)制，并加強(qiáng)對(duì)元器件的檢測(cè)，從而確保采購件的質(zhì)量，在一定程度上提高數(shù)控機(jī)床的整體可靠性。注重優(yōu)化電控部分的相應(yīng)元器件位置。有些元器件所處的位置不夠合理，會(huì)造成在使用過程中的損壞。加強(qiáng)對(duì)企業(yè)用戶員工的專業(yè)培訓(xùn)。在數(shù)控磨床的使用過程中，很多是開關(guān)損壞、電路的短接、機(jī)床的外接地出現(xiàn)問題以及一些參數(shù)的更改都是人為的誤操作原因引起的。員工獲得專業(yè)的培訓(xùn)，才能更好的完成工作。注意日常的檢查工作。加強(qiáng)日常工作日志的記錄，在每日的工作日程上一定要注意標(biāo)記每天的使用情況，健全相應(yīng)的數(shù)控磨床使用機(jī)制，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)匯報(bào)，并認(rèn)真做記錄，對(duì)于出現(xiàn)問題的描述有必要記錄詳細(xì)。

4 總結(jié)

對(duì)數(shù)控磨床整機(jī)進(jìn)行劃分了子系統(tǒng)，必將采集到的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各子系統(tǒng)的故障率。利用可拓工程理論中的優(yōu)度評(píng)價(jià)法對(duì)數(shù)控磨床各子系統(tǒng)對(duì)整機(jī)可靠性的影響對(duì)和影響因子進(jìn)行計(jì)算。得到了數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、量儀系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的影響度和影響因子較大。并得到了故障模式在數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)以及整機(jī)可靠性的影響度和影響因子。對(duì)后續(xù)數(shù)控磨床的可靠性改進(jìn)提出了相應(yīng)措施，所提要求已被廠家采納，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。