基于性能退化的數控裝備維修決策

蘭 平

（成都晉林工業(yè)制造有限責任公司，四川成都 611930）

0 引言

數控機床廣泛應用于機械制造業(yè)和機床制造業(yè)，制造業(yè)是國家的重要產業(yè)，關系國計民生，也是支撐國家產業(yè)實力的關鍵。數控機床內部結構復雜、體積龐大，國內的高端數控機床領域與西方發(fā)達國家仍有一定差距。雖然在設計過程已對數控機床的可靠性進行多次實驗，但是在生產過程依舊會面臨一些問題，影響數控機床的可靠性，在任何時候、任何設備都會存在一定的故障概率。相關研究發(fā)現，數控機床的維修工作所占用的成本約為整個機床運行期間成本的30%左右，研究數控機床的目的是減少故障發(fā)生率，避免影響企業(yè)生產。在對數控機床進行維修檢修過程中，必須做到維修策略合理科學。

1 國內數控機床

研究和分析傳統(tǒng)的維護修理決策，根據當前我國常用的數控機床的具體特點，篩選維修決策模型，在機床正常工作的基礎上，最大可能地降低維修費用。近些年來，數控機床的可靠性多次引發(fā)關注，國內企業(yè)針對高端數控機床的一些關鍵性部件進行科研攻關，國產數控機床已在部分領域達到國際領先水平。然而在使用過程中，國產機床的問題層出不窮，企業(yè)對機床維修的重視不夠，造成了巨大的經濟損失。為了減少機床故障的發(fā)生頻率和故障造成的停機時間損失，數控機床維修決策的研究將成為我國制造業(yè)的重要研究課題之一。

2 數控機床維修

2.1 預防性維護

近幾十年來，國內外學者對數控機床維修進行了大量研究，提出了預防性維護的理念，預防性維護包括預防性檢查和預防性維修。傳統(tǒng)的糾正性維修是在機床發(fā)生故障時進行維修，將數控機床的工作狀態(tài)恢復到正常；預防性維護是在數控機床運行過程中對數控機床進行維護，對數控機床的各個系統(tǒng)進行檢測和預防性維修，避免產生故障，使整個數控機床系統(tǒng)在規(guī)定的條件下完成規(guī)定的操作。具體操作主要分為5 類：

（1）將數控機床恢復到全新狀態(tài)：通過對數控機床進行全面維護，整個數控機床具有同新系統(tǒng)同樣的壽命和運行效率，這一維修最常用的是更換故障部件。

（2）最低維護：將整個系統(tǒng)故障恢復到系統(tǒng)發(fā)生故障前的狀態(tài)，根據研究表明，系統(tǒng)工作狀態(tài)被稱為舊狀態(tài)，對風扇進行更換不屬于這一維修。

（3）不完全維護：在對數控機床系統(tǒng)進行維護后，沒有達到新的數控機床系統(tǒng)的狀態(tài)，不完全維護在實際中也被稱為一般維護，它主要包括不完全維護和最小維護。不完全維護的最常見例子是對發(fā)動機進行調整，因為對發(fā)動機進行調整不會導致發(fā)動機回到全新的狀態(tài)，但是會提高發(fā)動機的性能。

（4）差維護：通過這一維護能夠增加系統(tǒng)的使用壽命，降低系統(tǒng)的故障率，但對整個系統(tǒng)故障的維修工作不會產生直接影響，因此應用這一維護過程中，會導致整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)相較于之前更差。

（5）最壞情況維護：在維護過程中由于受多種因素影響導致數控機床系統(tǒng)失效。

2.2 選擇維護策略

維修人員造成維修不徹底的原因：①只有部分故障零件被修理；②修理故障部件，但損壞相鄰部件；③誤判被檢零件的狀況。

導致更差或最差維護的原因：①維修過程中未發(fā)現隱患；②人為錯誤，如對維護期間造成的進一步損壞的錯誤評估；③在更換過程中使用故障部件。

維護策略是基于計劃檢查的，根據數控機床的使用壽命對數控機床進行定期檢查，通過對數控機床進行定期檢查，尋找到數控機床中出故障的部位和零件，如正常情況下火災探測裝置和備用電池是較容易出現故障的。檢查數控機床的各個部件的運行狀況，由于數控機床部件出現老化，隨著時間的延長應縮短檢查的間隔時間，更有利于數控機床的穩(wěn)定運行。根據實際狀況合理選擇維修周期和隨機檢測時間，能夠有效優(yōu)化當前的隨機檢查策略。

預防性維護指的是完全維護、最小維護、較差維護、不完善維護以及最常維護的預防性維護；糾正性維護指的是不完整的、完整的、最壞的或者更壞的情況。實際維護的程度和類型取決于不同數控機床的對象系統(tǒng)結構、安全性和可靠性要求，對預防性維護模型進行假設：①預防性維護或者維護后，系統(tǒng)應當與全新的數控機床系統(tǒng)以及正在使用中的數控機床系統(tǒng)的狀態(tài)保持一致；②應當對數控機床的維護時間進行忽略，單機系統(tǒng)由于結構較為簡單，對單機系統(tǒng)的完全維護是可行的。這兩種假設在現實應用并不具有實際意義，特別是在醫(yī)療設備、飛機等較為復雜的系統(tǒng)中，在實際維修過程中，許多維修工作并不存在上述極端情況，而是存在于中間狀態(tài)。當數控機床系統(tǒng)在運轉過程中其故障率介于全新的數控機床和舊的數控機床系統(tǒng)之間，不完全維護不會使數控機床系統(tǒng)保持新設備一樣的狀態(tài)，但是會提高數控機床的運行狀態(tài)，這一原理在維修工作中得到了廣泛的應用和實踐。

3 基于性能退化的數控裝備維修決策

對于不完整、更差和最壞情況下的維護，大多數研究集中在單部件系統(tǒng)上，一些研究者提出了不完全維修、嚴重維修和最壞情況維修的建模方法。維修單元建模方法雖然不能作為多部件系統(tǒng)的單一部件，但可作為一種有效的多部件決策方法。過去，大多數研究關注的是雙峰構件系統(tǒng)，然而在許多應用領域中，系統(tǒng)部件往往具有多個性能速率狀態(tài)，因此雙峰部件的選擇性維修模型不能應用于實際工程中。因此，以KVC650M 立式加工中心為研究對象，提出了一種基于多態(tài)部件的選擇性維修模型。

3.1 系統(tǒng)說明

機械系統(tǒng)設計用于在給定的環(huán)境中執(zhí)行指定的任務，有些系統(tǒng)可以以不同的效率執(zhí)行任務。在多狀態(tài)組件中，每個組件都有一個離散的性能速率狀態(tài)。在兩狀態(tài)部件的選擇維修決策模型中，可以方便地制定和優(yōu)化多個兩狀態(tài)部件的維修策略?？紤]到多狀態(tài)系統(tǒng)中的組件具有不同的性能狀態(tài)級別，根據維護前組件的狀態(tài)、下一個任務的需求級別和可維護資源來確定下一個任務后的系統(tǒng)狀態(tài)。

3.2 維修費

對于具有多狀態(tài)部件的多狀態(tài)系統(tǒng)維護，假設在維護期間已知部件的當前狀態(tài)，根據部件的維修性能，可分為不完全維修率和維修前更換率。如果部件在維修周期內未進行維修，則維修成本為0；在其他維護模式中，固定維護成本可以從經驗中得出。固定成本是指維修的安裝成本，與維修的昂貴程度無關。固定成本包括清潔、除塵、拆卸和組裝部件。變更的成本反映了零件修理和改進的程度?？勺兂杀救Q于組件從當前狀態(tài)到更高狀態(tài)的改進。缺乏對系統(tǒng)的維護和維修是無法彌補的，增加維護成本可以提高系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)達到更高的性能狀態(tài)就需要更高的維護成本。不完全維護可以使部件的性能從當前狀態(tài)提高到更高的性能狀態(tài)，但不能達到最佳狀態(tài)，因為部件的最佳狀態(tài)只能通過更換和維護來實現。

3.3 任務完成率

如果多狀態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)高于任務的最低要求，則視為可接受狀態(tài)；否則，系統(tǒng)狀態(tài)低于任務的最低要求，則系統(tǒng)將進入不可接受狀態(tài)，通常稱為失敗。多狀態(tài)系統(tǒng)的可靠性定義為維修完成后維修間隔的增加，即系統(tǒng)保持在可接受狀態(tài)的可能性上。因此，可以使用不同的方法來評估系統(tǒng)安全性對系統(tǒng)性能的影響；如果系統(tǒng)達到維護間隔，則根據組件的當前狀態(tài)選擇不同的維護方法。因此，計算下一個部件完成后的狀態(tài)概率是非常重要的。

4 結束語

數控設備技術直接制約著國家的產業(yè)發(fā)展，數控設備在解決高端制造問題上的可靠性將越來越高，如何解決數控設備在工業(yè)生產中的可靠性問題將成為今后研究的重點。分析機床歷史數據的可靠性，研究基于機床性能退化的維修決策問題，優(yōu)化機床系統(tǒng)的維修決策。雖然取得了一些成績，但還需要在實踐中進一步檢驗。