數(shù)控組合機(jī)床機(jī)械設(shè)計(jì)制造論文

1、數(shù)控組合機(jī)床機(jī)械設(shè)計(jì)制造論文目錄第一章 緒 論11.1 課題背景11.2數(shù)控組合機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2國外數(shù)控組合機(jī)床可靠性研究情況21.3課題研究目的和意義31.4本課題主要研究容51.4.1研究對(duì)象51.4.2主要研究容5第二章 數(shù)控組合機(jī)床故障模型72.1數(shù)控組合機(jī)床故障模型結(jié)構(gòu)72.1.1樣本抽取72.1.2故障采集72.1.3 故障模型92.2數(shù)控組合機(jī)床依據(jù)故障模型的可靠性評(píng)價(jià)92.2.1多故障數(shù)據(jù)模型的可靠性評(píng)價(jià)102.2.2單故障數(shù)據(jù)模型和無故障數(shù)據(jù)模型的可靠性評(píng)價(jià)202.3本章小結(jié)35第三章 數(shù)控組合機(jī)床故障分析373.1 數(shù)控組合機(jī)床故障部位、模式、原

2、因分析373.1.1數(shù)控組合機(jī)床故障部位373.1.2數(shù)控組合機(jī)床整機(jī)故障分析383.1.3數(shù)控組合機(jī)床故障模式、影響與危害度分析413.2數(shù)控組合機(jī)床主軸早期可靠性控制圖分析433.2.1 控制圖的建立433.2.2 控制圖的分析463.3本章小結(jié)50第四章 數(shù)控組合機(jī)床可靠性管理514.1數(shù)控組合機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)管理514.1.1 數(shù)控組合機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則514.1.2 數(shù)控組合機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)檢查514.1.3 數(shù)控組合機(jī)床可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)524.2 數(shù)控組合機(jī)床早期故障試驗(yàn)544.2.1 數(shù)控組合機(jī)床早期故障試驗(yàn)規(guī)544.2.2 數(shù)控組合機(jī)床主軸步進(jìn)應(yīng)力加速壽命模型584.3關(guān)鍵工序和裝配

3、過程可靠性保障體系654.4 關(guān)鍵配套件、外購件的可靠性保障體系664.5 本章小結(jié)68第五章 數(shù)控組合機(jī)床可靠性模糊綜合評(píng)價(jià)705.1 數(shù)控組合機(jī)床可靠性模糊評(píng)價(jià)705.1.1建立可靠性評(píng)價(jià)因素集705.1.2建立可靠性評(píng)價(jià)集715.1.3 可靠性模糊評(píng)價(jià)725.1.4 建立可靠性評(píng)價(jià)權(quán)重集735.1.5 數(shù)控組合機(jī)床可靠性綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型745.2 數(shù)控組合機(jī)床工作節(jié)拍模糊綜合評(píng)價(jià)755.3 數(shù)控組合機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速浮動(dòng)值多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)775.4 本章小結(jié)88參 考 文 獻(xiàn)90致 97104 / 106第一章 緒 論1.1 課題背景數(shù)控組合機(jī)床是數(shù)控裝備重要品種之一。近幾年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，

4、國產(chǎn)數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)國市場占有率很低，國外品牌依舊控制著70%的市場份額，特別是外國品牌的高檔數(shù)控裝備依然占絕對(duì)統(tǒng)治地位 1 23，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的重要原因之一是國產(chǎn)數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)的可靠性低，故障率高4。隨著社會(huì)需求的不斷增加，中國制造業(yè)面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，數(shù)控組合機(jī)床的需求量將不斷提高，而這方面的可靠性研究在國外尚無詳細(xì)的可參考資料。因此，要想提高我國數(shù)控組合機(jī)床的競爭力，就必須提高數(shù)控組合機(jī)床的可靠性。作者在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)控組合機(jī)床與其生產(chǎn)線可靠性低，平均故障間隔時(shí)間與國外同類產(chǎn)品相比差距較大。由此可見可靠性不但是數(shù)控組合機(jī)床發(fā)展的“瓶頸”，而且是整個(gè)數(shù)控裝備行業(yè)乃至制造業(yè)

5、發(fā)展的重大共性和關(guān)鍵技術(shù)。其提高的途徑有兩條：一條是積極開展此方面的可靠性關(guān)鍵技術(shù)的研究工作；另一方面是加強(qiáng)可靠性管理技術(shù)的研究，以縮短設(shè)備可靠性提高的周期。所以如何迅速提升數(shù)控組合機(jī)床的可靠性是一個(gè)重大研究課題，而提高可靠性管理技術(shù)的研究對(duì)于單樣本數(shù)控組合機(jī)床具有現(xiàn)實(shí)意義。1.2數(shù)控組合機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1發(fā)展現(xiàn)狀建國初期，在優(yōu)先發(fā)展重工業(yè)方針指導(dǎo)下，機(jī)床制造業(yè)得到迅速發(fā)展。我國第一臺(tái)組合機(jī)床和第一條自動(dòng)生產(chǎn)線于1956年在機(jī)床集團(tuán)公司（機(jī)床廠）問世。而在產(chǎn)品加工中，大批量生產(chǎn)的零件并不多，單件與小批量生產(chǎn)的零件約占機(jī)械加工市場總量的80%15，但是組合機(jī)床與其自動(dòng)生產(chǎn)線卻得到快速發(fā)展，僅

6、機(jī)床集團(tuán)公司為汽車等行業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)線就達(dá)360多條。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在由于汽車制造水平不斷提高，汽車行業(yè)不但需要大批普通數(shù)控機(jī)床、加工中心，還急需精密的專用機(jī)床，特別是精密的專用數(shù)控組合機(jī)床。而精密專用數(shù)控組合機(jī)床因需求品種多、批量一般是單件生產(chǎn)、技術(shù)要求高、開發(fā)難度大，因此被不少機(jī)床企業(yè)所放棄，使汽車行業(yè)叫苦不迭，例如曲軸孔、鏜缸孔、加工缸體止口以與缸蓋閥座導(dǎo)管等汽車關(guān)鍵部件加工使用的精密專用數(shù)控組合機(jī)床，市場嚴(yán)重短缺?，F(xiàn)在機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率和國產(chǎn)機(jī)床產(chǎn)值逐年提高4 ，各機(jī)床廠在生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的同時(shí)，投入科技力量采取攻關(guān)和技術(shù)聯(lián)合等方法加大專用數(shù)控組合機(jī)床的開發(fā)力度。如機(jī)床集團(tuán)公司與美國一家組合

7、機(jī)床廠進(jìn)行技術(shù)聯(lián)合，生產(chǎn)數(shù)控組合機(jī)床與生產(chǎn)線；第一汽車集團(tuán)公司數(shù)控裝備與國一家數(shù)控機(jī)床廠進(jìn)行技術(shù)合作，生產(chǎn)數(shù)控組合自動(dòng)生產(chǎn)線。 隨著制造業(yè)市場開放性和經(jīng)濟(jì)全球化趨勢的不斷加強(qiáng)，數(shù)控組合機(jī)床的競爭將日趨激烈，產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間（Time）、質(zhì)量（Quality）、成本（Cost）、創(chuàng)新能力（Creation）和服務(wù)（Service）將是決定產(chǎn)品競爭力的重要指標(biāo)。顧客在追求高質(zhì)量、高可靠性產(chǎn)品的同時(shí)，價(jià)格低廉和交貨期短也是他們追求的目標(biāo)。這就要求每個(gè)企業(yè)應(yīng)通過提高自身的科技含量，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)、方法和手段，加快設(shè)計(jì)速度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和產(chǎn)品的可靠性，增強(qiáng)競爭力?，F(xiàn)在數(shù)控組合機(jī)床與生產(chǎn)線各個(gè)工序的加工

8、機(jī)床大多采用數(shù)控加工單元和數(shù)控機(jī)床，控制系統(tǒng)多采用計(jì)算機(jī)控制。隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，“精密性、高效性、柔性、可靠性、綜合性、成套性”是數(shù)控組合機(jī)床必然的發(fā)展方向15。1.2.2國外數(shù)控組合機(jī)床可靠性研究情況可靠性技術(shù)源于軍工產(chǎn)業(yè)，工業(yè)發(fā)達(dá)國家在六、七十年代開始在民用工業(yè)中普與可靠性技術(shù)。八十年代后，可靠性技術(shù)進(jìn)入了國際化發(fā)展時(shí)代。而機(jī)床可靠性技術(shù)是在70年代發(fā)源于前聯(lián)。當(dāng)時(shí)聯(lián)機(jī)床研究的權(quán)威機(jī)構(gòu)“金屬切削機(jī)床科學(xué)試驗(yàn)研究院”的一些國際著名機(jī)床學(xué)者，轉(zhuǎn)入機(jī)床可靠性的專門研究19，建立了機(jī)床可靠性技術(shù)的一些基本理論，開辟了機(jī)床領(lǐng)域可靠性研究的途徑。但是直至

9、今天在數(shù)控組合機(jī)床可靠性研究方面很少能查到詳細(xì)的研究資料。國外在可靠性產(chǎn)品開發(fā)方面、統(tǒng)計(jì)技術(shù)應(yīng)用方面、可靠性質(zhì)量管理方面、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量方面、可靠性實(shí)驗(yàn)、可靠性增長與可靠性理論的應(yīng)用等等取得了很大成績；而在數(shù)控機(jī)床和專用數(shù)控 組合機(jī)床方面可靠性文獻(xiàn)比較少，只是查閱到一些實(shí)驗(yàn)方法在某些電子專用設(shè)備的應(yīng)用情況。 本文針對(duì)我國數(shù)控組合機(jī)床企業(yè)的實(shí)際情況，進(jìn)行數(shù)控組合機(jī)床可靠性理論與其應(yīng)用的研究，提出一套適用于數(shù)控組合機(jī)床企業(yè)的可靠性設(shè)計(jì)和故障分析理論。1.3課題研究目的和意義本論文研究是攻關(guān)課題的一部分，本課題研究的目的是提升數(shù)控組合機(jī)床的平均故障間隔時(shí)間MTBF（Mean Time Between

10、Failures），增強(qiáng)市場競爭力。數(shù)控組合機(jī)床是集精密機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓氣動(dòng)技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。數(shù)控組合機(jī)床質(zhì)量的好壞直接影響到代表國家裝備能力和知識(shí)水平的集成化、成套裝備的水平，影響相關(guān)制造業(yè)（汽車行業(yè)、燃機(jī)工業(yè)、農(nóng)機(jī)工業(yè)、工程機(jī)械、通用機(jī)械、輕工機(jī)械、發(fā)電設(shè)備、燃機(jī)車等行業(yè)）的發(fā)展，因此，它是體現(xiàn)國家綜合國力、制造業(yè)和工業(yè)化水平的重要標(biāo)志5 6。本論文研究的數(shù)控組合機(jī)床是指專用組合計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床與其生產(chǎn)線，是專用機(jī)床的一種，它以標(biāo)準(zhǔn)化部件為基礎(chǔ)，配以少量的專用部件組成。一般情況下數(shù)

11、控組合機(jī)床有多個(gè)加工工位，每個(gè)工位的加工工作由數(shù)控加工單元、數(shù)控機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床執(zhí)行，完成“專職”的加工任務(wù)，在控制裝置、檢測裝置和傳輸裝置的共同作用下完成整個(gè)工件的加工。專用機(jī)床是一種專門適用于特定零件（汽車變速箱體、離合器殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、汽缸蓋、主軸承蓋、凸輪輪軸軸承蓋等）和特定工序加工的機(jī)床，它往往是組成自動(dòng)生產(chǎn)線的現(xiàn)代制造系統(tǒng)中不可缺少的機(jī)床品種。由于專用機(jī)床是一種“量體裁衣”的產(chǎn)品，它具有高效和自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，是大批量生產(chǎn)企業(yè)的首選裝備。隨著制造業(yè)水平的不斷提升，微電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)日新月異的發(fā)展，專用機(jī)床的數(shù)控化腳步越來越快，在整個(gè)機(jī)床產(chǎn)業(yè)中專用數(shù)控機(jī)床占有一定的比重，日本

12、2001年專用機(jī)床產(chǎn)值占機(jī)床總產(chǎn)值的8.8%；我國省6.9%；我國僅為0.67%7 8。由此可見在現(xiàn)代社會(huì)需求層次不斷提高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整中，專用機(jī)床的發(fā)展是值得制造企業(yè)注意的問題。專用數(shù)控組合機(jī)床制造與普通機(jī)床相比有兩個(gè)鮮明的特征：1)是集成性高，它要解決好涉與較寬技術(shù)領(lǐng)域可能遇到的每一個(gè)問題，而不是單單解決一個(gè)加工工藝、機(jī)床夾具、工具（輔助工具）開發(fā)設(shè)計(jì)與選擇、成品檢驗(yàn)測量和物流輸送、切屑和冷卻液的防護(hù)與處理等單獨(dú)問題；2)專用數(shù)控組合機(jī)床的用戶往往要求交鑰匙工程，需要單臺(tái)生產(chǎn)，因此要根據(jù)用戶提出的各種技術(shù)要求一次性開發(fā)，并且要保證一次性成功，它的單一性強(qiáng)。所以組合數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制

13、造具有以下特點(diǎn)：   1、由于它涉與技術(shù)領(lǐng)域?qū)拸V復(fù)雜，并且是集中設(shè)計(jì)，一次性制造，還要保證一次成功，例如小直徑孔（0.06mm）加工，達(dá)到無欠損加工和具有良好的加工面，要求低振動(dòng)主軸和優(yōu)良的鉆頭；難切削加工材料，要求高剛性結(jié)構(gòu)以延長刀具的使用壽命等，所以技術(shù)難度大。   2、數(shù)控組合機(jī)床根據(jù)用戶訂單制造，決定它不可能有試制探索的機(jī)會(huì)，要確保一次成功技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)很大；在制造過程中由于設(shè)計(jì)失誤、結(jié)構(gòu)欠妥與技術(shù)方案不當(dāng)?shù)仍颍斐删植炕蛘w報(bào)廢的情況屢見不鮮；在制造調(diào)試過程中出現(xiàn)問題需要時(shí)間解決，所以按期交貨有一定風(fēng)險(xiǎn)；如果用戶因交貨期延誤而拒

14、絕付款時(shí)，勢必造成制造企業(yè)的重大損失，所以經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)率高。   3、由于是一次性制造生產(chǎn)，找協(xié)作廠家很困難，所以協(xié)作困難大。4、技術(shù)依賴性強(qiáng)。數(shù)控組合機(jī)床從設(shè)計(jì)、工藝編制、生產(chǎn)制造到裝配調(diào)試的全過程，都需要一批有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員、管理人員和技術(shù)工人。    5、利潤空間小。由于國情或用戶對(duì)數(shù)控組合機(jī)床制造業(yè)不夠理解等原因，造成數(shù)控組合機(jī)床的銷售價(jià)格總體偏低。6、技術(shù)成熟期長。數(shù)控組合機(jī)床的設(shè)計(jì)制造涉與專業(yè)面廣，要求主管設(shè)計(jì)師具備較豐富的工藝知識(shí)，熟悉用戶所需產(chǎn)品的制造工藝，才能設(shè)計(jì)出好的產(chǎn)品，保證一次成功，這需要幾年的時(shí)間。7、人才交流困

15、難。由于訂單的隨機(jī)性和不均衡性，引起了生產(chǎn)的不均衡，國沒有成熟的技術(shù)勞動(dòng)力市場，技術(shù)熟練的技工難以尋求，這與企業(yè)發(fā)展不協(xié)調(diào)。    8、技術(shù)引進(jìn)困難。由于是單件生產(chǎn)，引進(jìn)技術(shù)成本太高。從以上分析可以看出，數(shù)控組合機(jī)床設(shè)計(jì)和制造具有它的特殊性。由于現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需要，數(shù)控組合機(jī)床都具有結(jié)構(gòu)模塊化、加工多刀化、設(shè)計(jì)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化、系列化等特點(diǎn)，可按加工需要組合成多種專用性機(jī)床和自動(dòng)線。由于采用了數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，從而使數(shù)控組合機(jī)床從過去完全的“剛性”演變?yōu)榫哂幸欢庸ぁ叭嵝浴钡闹圃煅b備，其加工精度、生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度都很高。但一次設(shè)計(jì)，一次制造，要求一次成功，對(duì)設(shè)

16、計(jì)和制造質(zhì)量提出了更高的要求。而國產(chǎn)數(shù)控組合機(jī)床的可靠性水平較低，故障發(fā)生頻率高（早期故障排除不夠，可靠性設(shè)計(jì)理念沒有貫穿設(shè)計(jì)全過程中），影響了機(jī)床的市場占有率和我國集成化、成套裝備制造業(yè)的發(fā)展。由于數(shù)控組合機(jī)床是一種“訂制的量體裁衣”的產(chǎn)品，所以產(chǎn)品質(zhì)量與功能的可靠性直接影響到顧客的滿意度，關(guān)系到企業(yè)的生存和發(fā)展。在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）頒布的2000年版ISO 9000族質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)中倡導(dǎo)“以顧客為關(guān)注焦點(diǎn)”的質(zhì)量管理原則9，在美國以顧客滿意度作為經(jīng)濟(jì)狀況評(píng)價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)10，涉與到近三分之一的企業(yè)11-14。所以產(chǎn)品的可靠性高，能滿足顧客希望的功能要求，是高質(zhì)量的重要表現(xiàn)。正是基于這

17、種狀況，目前在國家調(diào)整機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，我們應(yīng)該注意到提高數(shù)控組合機(jī)床的質(zhì)量和可靠性是十分重要的工作，所以作者深入開展的數(shù)控組合機(jī)床故障模型和可靠性管理技術(shù)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。1.4本課題主要研究容1.4.1研究對(duì)象本課題以國某中型專用數(shù)控組合機(jī)床制造廠生產(chǎn)的數(shù)控組合機(jī)床作為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究數(shù)控組合機(jī)床故障模型與可靠性管理的關(guān)鍵技術(shù)。1.4.2主要研究容1、依據(jù)樣本對(duì)多故障數(shù)據(jù)、少故障數(shù)據(jù)、單故障數(shù)據(jù)、無故障數(shù)據(jù)四種情況，建立數(shù)控組合機(jī)床故障分析模型。應(yīng)用Bayes和多層Bayes方法對(duì)數(shù)控組合機(jī)床可靠性參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。采用作者首創(chuàng)的改進(jìn)型Laplace統(tǒng)計(jì)量公式對(duì)其可靠性進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)。2

18、、對(duì)某型數(shù)控組合機(jī)床進(jìn)行可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)；建立數(shù)控組合機(jī)床可靠性管理文件。提出數(shù)控組合機(jī)床主軸早期故障“循環(huán)試驗(yàn)法”，闡述數(shù)控組合機(jī)床主軸步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)理論。3、數(shù)控組合機(jī)床有“節(jié)拍”這一技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于一條生產(chǎn)線，節(jié)拍的時(shí)間是固定的，每個(gè)工序完成加工任務(wù)的時(shí)間也是一定的。如果時(shí)間發(fā)生變化，說明機(jī)床出現(xiàn)異常，將要發(fā)生故障。而節(jié)拍的選擇對(duì)數(shù)控組合機(jī)床的設(shè)計(jì)來說是至關(guān)重要的。本文采用模糊綜合評(píng)判和多級(jí)模糊綜合評(píng)判方法對(duì)數(shù)控組合機(jī)床工作節(jié)拍和主軸最高極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)，為數(shù)控組合機(jī)床設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇提供依據(jù)。4、建立數(shù)控組合機(jī)床故障數(shù)據(jù)庫，對(duì)其故障部位表、故障模式代碼表、故障原因代碼表、故障

19、原因分類表等進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上對(duì)某型數(shù)控組合機(jī)床進(jìn)行故障模式、影響與危害度（FMECA）分析，深入了解該型數(shù)控組合機(jī)床的故障發(fā)生機(jī)理，找出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，為數(shù)控組合機(jī)床可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。第二章 數(shù)控組合機(jī)床故障模型要對(duì)專用數(shù)控組合機(jī)床進(jìn)行可靠性分析和可靠性評(píng)價(jià)，首先我們要了解它的特點(diǎn)。專用數(shù)控組合機(jī)床是一種“量體裁衣”的產(chǎn)品，用戶往往要求交鑰匙工程，需要單臺(tái)生產(chǎn)。對(duì)它進(jìn)行故障采集和現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)機(jī)床樣本只能是“1”，與其它批量生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床相比，出現(xiàn)了“特殊性”，即故障數(shù)據(jù)來源只能依靠一臺(tái)機(jī)床。在進(jìn)行定時(shí)截尾的可靠性試驗(yàn)過程中，故障數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)如下四種情況：一種情況是多故障數(shù)據(jù)；另一種是少

20、故障數(shù)據(jù)；再一種是單故障數(shù)據(jù)；最后一種是無故障數(shù)據(jù)。一般原則在考察時(shí)間（為可靠性試驗(yàn)總時(shí)間），我們把可靠性試驗(yàn)時(shí)間分成組，每組時(shí)間可以相等，也可以不等，我們依據(jù)這樣的故障數(shù)據(jù)建立了數(shù)控組合機(jī)床故障模型，并應(yīng)用多層Bayes方法對(duì)數(shù)控組合機(jī)床可靠性參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，并對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。2.1數(shù)控組合機(jī)床故障模型結(jié)構(gòu)2.1.1樣本抽取通用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行可靠性研究時(shí)抽樣方法已經(jīng)比較成熟61，一般依據(jù)樣機(jī)使用單位、評(píng)定可靠性指標(biāo)需要、企業(yè)年產(chǎn)量等方面綜合考慮。而專用數(shù)控組合機(jī)床一般只有一個(gè)樣本，即樣本總體為1。某些數(shù)控組合機(jī)床在功能和結(jié)構(gòu)上有極大相似之處，只是在個(gè)別功能要求上有差別，在可靠性考察時(shí)也可以把

21、它作為數(shù)控組合機(jī)床抽樣數(shù)。2.1.2故障采集2.1.2.1確定試驗(yàn)方案當(dāng)設(shè)備剛剛制造出來時(shí)，理想的情況是它應(yīng)該滿足合同或任務(wù)書對(duì)它的可靠性要求，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性問題實(shí)際情況是很突出的?？煽啃栽囼?yàn)就是對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行調(diào)查、分析與評(píng)價(jià)的一種手段。目的是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、材料和工藝方面的各種缺陷；為改善產(chǎn)品的完好性、提高任務(wù)成功性、減少維修費(fèi)用與保障費(fèi)用提供信息；確定是否符合可靠性定量要求，即確定是否在規(guī)定的使用期達(dá)到規(guī)定的可靠性指標(biāo)6263。通過可靠性試驗(yàn)可以揭示產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品研制階段和設(shè)計(jì)階段的問題，明確是否需要修改設(shè)計(jì)方案。并且可以對(duì)產(chǎn)品改進(jìn)后的可靠性指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)定，進(jìn)而制定

22、出提高其可靠性的措施和方法，采取合理的維修制度，這些措施將決定設(shè)備在今后運(yùn)行中的效果和經(jīng)濟(jì)合理性。因此，不要認(rèn)為可靠性試驗(yàn)只是為了對(duì)產(chǎn)品做出拒收或接收、合格或不合格的結(jié)論判斷，更重要的是通過可靠性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的不可靠問題，采取有效措施，切實(shí)提高產(chǎn)品的可靠性，同時(shí)為可靠性評(píng)價(jià)提供第一手現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)?？煽啃栽囼?yàn)是既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)金錢的試驗(yàn)。對(duì)于數(shù)控組合機(jī)床而言，確定試驗(yàn)方案重點(diǎn)考慮試驗(yàn)場所、試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)樣本等方面問題。由于數(shù)控組合機(jī)床是單件生產(chǎn)、價(jià)格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉與技術(shù)面寬廣，在使用條件下不確定的因素很多，故采用現(xiàn)場試驗(yàn)方法能夠較真實(shí)反映機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行中的可靠性情況；試驗(yàn)時(shí)間分為早期故障試驗(yàn)時(shí)

23、間和偶然故障試驗(yàn)時(shí)間；可靠性試驗(yàn)樣本抽取方法為全數(shù)抽樣試驗(yàn)；本文采取全數(shù)定時(shí)截尾試驗(yàn)方法。2.1.2.2故障數(shù)據(jù)收集1、故障記錄本文故障數(shù)據(jù)來源于兩部分，一是通過對(duì)某數(shù)控裝備現(xiàn)場使用的和剛剛出廠的數(shù)控組合機(jī)床與自動(dòng)生產(chǎn)線從2002年3月10日至2002年12月23日進(jìn)行跟蹤調(diào)查得到的。值得說明的是2002年3月到6月采集的故障由于沒有明確的故障時(shí)間、維修時(shí)間，我們對(duì)這些故障只進(jìn)行了FMEA分析，提出了一些改進(jìn)措施；二是剛剛出廠的數(shù)控組合機(jī)床從2002年12月30日至2003年9月23日進(jìn)行跟蹤調(diào)查得到的，并對(duì)剛出廠的某數(shù)控組合機(jī)床進(jìn)行了可靠性早期故障實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了故障模式與故障原因分析，對(duì)可靠性

24、進(jìn)行了評(píng)價(jià)。主要是參考部頒標(biāo)準(zhǔn)（/GQ1153-90）CNC機(jī)床故障記錄報(bào)告的格式對(duì)數(shù)控組合機(jī)床的實(shí)際故障進(jìn)行跟蹤記錄。2、數(shù)控組合機(jī)床故障定義與故障判據(jù)為進(jìn)一步提高故障數(shù)據(jù)本身的可靠性，規(guī)故障數(shù)據(jù)記錄過程是非常必要的67。本文根據(jù)數(shù)控組合機(jī)床的特點(diǎn)制定了數(shù)控組合機(jī)床的故障判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。(1)故障定義設(shè)備在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間，出現(xiàn)下列情況之一稱為故障：a 功能性故障，即完不成規(guī)定的功能。b 參數(shù)性故障，即一個(gè)或多個(gè)性能參數(shù)超出允許的變化圍。c “節(jié)拍”時(shí)間發(fā)生波動(dòng)，出現(xiàn)較大異常。(2)故障分類數(shù)控組合機(jī)床故障分為關(guān)聯(lián)性故障和非關(guān)聯(lián)性故障。關(guān)聯(lián)性故障是指產(chǎn)品本身質(zhì)量缺陷引起的故障；非關(guān)聯(lián)性故

25、障是指非產(chǎn)品本身的因素引起的故障?？疾鞌?shù)控組合機(jī)床時(shí)，僅記入關(guān)聯(lián)性故障，但非關(guān)聯(lián)性故障應(yīng)該記錄在案以便于分析和判斷。(3)關(guān)聯(lián)性故障的判斷a 修復(fù)后累計(jì)工作不足24小時(shí),發(fā)生同一關(guān)聯(lián)故障,只記入1次b 不是同一因素引起卻是同時(shí)發(fā)生的關(guān)聯(lián)性,應(yīng)該如數(shù)記入;如果是同一因素引起的,則只計(jì)一次c 必須通過更換元器件、零部件或附屬設(shè)備才能排除的故障d 有壽命要求的損耗件在其壽命期發(fā)生的故障e 設(shè)備偶然出現(xiàn)失常或停止運(yùn)行現(xiàn)象，但再次啟動(dòng)就能恢復(fù)正常功能，這種偶然事件如在72小時(shí)累計(jì)達(dá)到三次應(yīng)記為一次關(guān)聯(lián)性故障，不足三次可以作為非關(guān)聯(lián)性故障處理f 需要對(duì)印刷電路板、電纜、插接件等進(jìn)行維修，以消除斷路、短路和

26、接觸不良，方可以排除的故障。g 由于某一元器件、零部件故障而直接引起另一相關(guān)元器件、零部件故障而造成的故障，(4)非關(guān)聯(lián)故障由于運(yùn)行條件已經(jīng)超出規(guī)定的圍而造成的故障，即從屬性故障；由于操作人員的過失而造成的故障，即誤用性故障；因維修人員的過失而造成的故障，即誘發(fā)性故障。2.1.3 故障模型由于數(shù)控組合機(jī)床樣本為單樣本,在定時(shí)截尾的可靠性試驗(yàn)時(shí)故障只能來源于一臺(tái)機(jī)床,其故障數(shù)據(jù)只能有四種情況,即多故障數(shù)據(jù)、少故障數(shù)據(jù)、單故障數(shù)據(jù)和無故障數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)控組合機(jī)床的特點(diǎn)，建立數(shù)控組合機(jī)床故障模型，這樣就可以對(duì)不同故障數(shù)據(jù)分別進(jìn)行可靠性參數(shù)估計(jì)和可靠性評(píng)價(jià)。數(shù)控組合機(jī)床的故障模型描述如下：設(shè)其中是開始試

27、驗(yàn)時(shí)間()是試驗(yàn)總時(shí)間() 是試驗(yàn)時(shí)間的組數(shù)(把試驗(yàn)時(shí)間分為組) 對(duì)于單樣本的數(shù)控組合機(jī)床，在可靠性試驗(yàn)過程中,如果在時(shí)間發(fā)生()個(gè)故障,故障模型為。其中“1”表示測試設(shè)備的樣本數(shù)；為試驗(yàn)時(shí)間()故障數(shù)總數(shù)。 綜合以上分析，給出數(shù)控組合機(jī)床的故障模型:1在，如果=1,即可靠性實(shí)驗(yàn)時(shí)間只有一個(gè)故障發(fā)生，故障模型記為2在，如果=0,即可靠性試驗(yàn)時(shí)間沒有故障發(fā)生,故障模型記為3假設(shè)故障的概率記為=<,為時(shí)刻有個(gè)故障時(shí)的故障概率，當(dāng)在發(fā)生個(gè)故障時(shí),故障模型記為,這里有0<=<=<=(),這個(gè)模型為工程技術(shù)人員提供了一個(gè)分析單樣本產(chǎn)品可靠性的方法。2.2數(shù)控組合機(jī)床依據(jù)故障模型的

28、可靠性評(píng)價(jià)在可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析中,對(duì)于測試樣本為多個(gè),試驗(yàn)過程中如果產(chǎn)品的故障數(shù)2,則有許多成熟的統(tǒng)計(jì)處理方法64。但隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)品的可靠性不斷提高，在產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)中，即使是加速應(yīng)力壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)截尾時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)無故障發(fā)生或只有一個(gè)故障發(fā)生，這種情況在小樣本和單樣本問題中表現(xiàn)尤為突出。對(duì)多樣本的無故障和單故障的可靠性試驗(yàn)已有不少學(xué)者進(jìn)行過深入的研究6566。 對(duì)于單樣本的數(shù)控組合機(jī)床可靠性研究領(lǐng)域，不論是多故障數(shù)據(jù)、少故障數(shù)據(jù)、單故障數(shù)據(jù)，還是無故障數(shù)據(jù)，到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)學(xué)者深入研究過。作者結(jié)合數(shù)控組合機(jī)床的故障模型對(duì)該產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行分析。2.2.1多故障數(shù)據(jù)模型的可靠性

29、評(píng)價(jià) 本節(jié)所采用的方法在多樣本，多故障數(shù)據(jù)情況下已經(jīng)得到驗(yàn)證59，但在單樣本少故障數(shù)據(jù)時(shí)，并沒有進(jìn)行研究過，本節(jié)正是對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行研究，雖然形式上與以往的分析沒有差別，但實(shí)質(zhì)已經(jīng)有了改變。以往的研究是在同一時(shí)間間隔對(duì)樣本數(shù)控機(jī)床同時(shí)進(jìn)行可靠性考察，記錄故障數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行可靠性分析；而數(shù)控組合機(jī)床的可靠性考察是把時(shí)間間隔()分為組，在每組時(shí)間對(duì)單樣本的同一數(shù)控組合機(jī)床進(jìn)行可靠性考察，收集故障數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行可靠性參數(shù)估計(jì)和分析。一般情況下時(shí)間分組是連續(xù)時(shí)間段的，如果在某段時(shí)間機(jī)床發(fā)生故障，則該時(shí)間段的可靠性考察時(shí)間不包括機(jī)床維修時(shí)間。由于時(shí)間段是連續(xù)的，所以故障數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是在時(shí)間間隔()連續(xù)得到

30、的。2.2.1.1故障間隔時(shí)間分布模型的判斷由于單樣本的數(shù)控組合機(jī)床故障數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是在時(shí)間間隔()連續(xù)得到的，故可以依據(jù)故障數(shù)據(jù)，采取擬合實(shí)驗(yàn)法確定故障間隔時(shí)間分布模型，并驗(yàn)證其正確性進(jìn)而評(píng)價(jià)機(jī)床的可靠性。根據(jù)擬合曲線的形狀可以初步判斷出某一隨機(jī)變量服從何種分布67-68。對(duì)于單樣本數(shù)控組合機(jī)床故障間隔時(shí)間的理論分布函數(shù)可定義為：(2-1)式中 組時(shí)間間隔故障間隔時(shí)間總體組時(shí)間間隔任意故障間隔時(shí)間設(shè)為故障間隔時(shí)間的觀測值，由該組觀測值所得到的故障間隔時(shí)間的順序統(tǒng)計(jì)量為，則該專用數(shù)控組合機(jī)床故障間隔時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)為：(2-2)根據(jù)參考資料可知56,由經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)可估計(jì)理論分布函數(shù)和初步判斷

31、故障間隔時(shí)間的概率密度函數(shù)的形狀。而的圖形是階梯形折線圖，為擬合出的連續(xù)圖形，將式（2-2）簡化為：= (2-3)然后依據(jù)檢驗(yàn)法進(jìn)行擬合檢驗(yàn)，檢驗(yàn)公式為： (2-4)式中：原假設(shè)分布函數(shù)；：經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)；：臨界值 (2-5) 檢驗(yàn)后，我們可以確定故障間隔時(shí)間的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)。進(jìn)而確定機(jī)床的可靠性參數(shù)。現(xiàn)以某型專用數(shù)控組合機(jī)床的可靠性改進(jìn)后搜集的故障數(shù)據(jù)為例，討論該型數(shù)控組合機(jī)床的故障間隔時(shí)間分布模型與其可靠性。其原始數(shù)據(jù)見表2-0。表2-0 數(shù)控組合機(jī)床故障數(shù)據(jù)起始時(shí)間終止時(shí)間維修臺(tái)時(shí)維修時(shí)間故障現(xiàn)象故障原因處理方法2002.07.10.07.312002.07.10.10.303.0

32、06.00配電箱安裝位置不當(dāng)經(jīng)常進(jìn)水短路配電箱位置設(shè)計(jì)不合理對(duì)配電箱加防護(hù)措施改進(jìn)設(shè)計(jì)方法2002.08.08.08.402002.08.08.11.493.173.17出現(xiàn)燒點(diǎn)現(xiàn)象電網(wǎng)電壓過高或功放隔離不好更改為另外的輸出點(diǎn)增加光電隔離裝置2002.08.09.09.002002.08.09.11.012.004.00主軸夾緊部位漏油嚴(yán)重夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理部件磨損嚴(yán)重改進(jìn)夾具結(jié)構(gòu)更換密封圈采用耐磨組件2002.09.10.14.002002.09.10.13.251.332.66空調(diào)裝置不好使配電箱中過熱空調(diào)功效差散熱不好更換空調(diào)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2002.10.15.09.052002.10

33、.15.10.451.671.67氣隙開關(guān)不好使氣隙檢測開關(guān)調(diào)節(jié)不當(dāng)調(diào)節(jié)氣隙開關(guān)2002.07.25.14.082002.07.25.15.381.501.50配電箱安裝位置不當(dāng)經(jīng)常進(jìn)水短路配電箱位置設(shè)計(jì)不合理對(duì)配電箱加防護(hù)措施改進(jìn)設(shè)計(jì)方法2002.08.21.13.212002.08.21.14.301.171.17出現(xiàn)燒點(diǎn)現(xiàn)象電網(wǎng)電壓過高或功放隔離不好更改為另外的輸出點(diǎn)增加光電隔離裝置2002.09.03.10.292002.09.03.11.001.501.50氣隙開關(guān)不好使氣隙檢測開關(guān)調(diào)節(jié)不當(dāng)調(diào)節(jié)氣隙開關(guān)2002.09.13.08.152002.09.13.11.303.256.50主

34、軸夾緊部位漏油嚴(yán)重夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理改進(jìn)夾具結(jié)構(gòu)更換密封圈采用耐磨組件2002.07.20.07.302002.07.20.17.059.5019.00主軸夾緊和松開時(shí)漏油嚴(yán)重主軸夾緊和松開裝置中密封圈損壞更換主軸夾緊和松開裝置中的密封圈2002.09.07.09.002002.09.07.19.0010.0020.00主軸電機(jī)與前端聯(lián)軸節(jié)部位松開聯(lián)軸節(jié)部位頂絲松開更換聯(lián)軸節(jié)部位頂絲改進(jìn)連接聯(lián)接結(jié)構(gòu)2002.09.14.18.002002.09.14.24.006.006.00出現(xiàn)燒點(diǎn)現(xiàn)象電網(wǎng)電壓過高或功放隔離不好更改為另外的輸出點(diǎn)增加光電隔離裝置2002.09.15.07.302002.

35、09.15.11.284.004.00氣隙開關(guān)不好使氣隙檢測開關(guān)調(diào)節(jié)不當(dāng)調(diào)節(jié)氣隙開關(guān)2002.10.08.15.202002.10.08.17.312.174.34配電箱過熱空調(diào)風(fēng)扇散熱功能不好更換空調(diào)將故障間隔時(shí)間的觀測值 t10.45,690.53分為5組，故障頻率與累積頻率如表2-1所示：表2-1故障頻率與累積頻率組號(hào)區(qū)間上區(qū)間下組中值頻數(shù)頻率累計(jì)110.45146.4778.4650.35710.35712146.47282.48214.4730.21430.57143282.48418.50350.4930.21430.78574418.50554.51486.5120.14290.

36、92865554.51690.53622.5210.07141.000以每組時(shí)間的中值為橫坐標(biāo)，每組概率密度的觀測值為縱坐標(biāo)的概率密度函數(shù)散點(diǎn)圖如圖2.1。的計(jì)算如下： (2-6)式中每組故障間隔時(shí)間中的故障頻數(shù)； 故障總頻數(shù)，為14次；組距，為136.02h。圖2.1概率密度散點(diǎn)圖組中值以每組時(shí)間的中值為橫坐標(biāo)，每組的累積頻率為縱坐標(biāo)，由此做出的=的散點(diǎn)圖如2.2所示。組中值圖2.2 故障間隔時(shí)間經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)由圖2.1和圖2.2可知，該型專用數(shù)控組合機(jī)床的故障間隔時(shí)間所服從的分布不會(huì)是正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，而可能是指數(shù)分布或威布爾分布。1、故障間隔時(shí)間分布模型的擬合檢驗(yàn)由上述討論可知，該型

37、號(hào)數(shù)控組合機(jī)床故障間隔時(shí)間可能服從威布爾分布或指數(shù)分布。威布爾分布的形狀參數(shù)時(shí)，便簡化為指數(shù)分布，即威布爾分布包含了指數(shù)分布。假設(shè)該型號(hào)數(shù)控組合機(jī)床故障間隔時(shí)間服從兩參數(shù)威布爾分布，采用一元線性回歸分析和最小二乘法，依據(jù)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，并運(yùn)用相關(guān)系數(shù)法來檢驗(yàn)威布爾分布，可以確定該數(shù)控組合機(jī)床故障間隔時(shí)間的分布規(guī)律。兩參數(shù)的威布爾分布公式為：(2-7)：形狀參數(shù)，>0；：尺度參數(shù)，>0設(shè)一元線性回歸方程為：對(duì)于兩參數(shù)威布爾分布，對(duì)式(2-7)進(jìn)行線性變換得：(2-8)所以采用最小二乘法可以求得和的估計(jì)值。進(jìn)而求得威布爾分布的兩參數(shù),的估計(jì)值。根據(jù)最小二乘法公式，依據(jù)數(shù)控組合機(jī)床

38、故障試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理表2-2中的數(shù)據(jù)得：/ -0.77()-4.37=0.77=291.4表2-2 某型專用數(shù)控組合機(jī)床故障試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理表序號(hào)111.452.440.0486-2.99915.998.9945-7.3118212.962.560.1181-2.07446.564.3033-5.3145315.372.730.1875-1.57207.472.4710-4.29524100.664.610.2569-1.214121.271.474-5.59905143.004.960.3264-0.928624.630.8623-4.60866160.035.080.3958-0.685925.7

39、60.4697-3.47857171.185.140.4653-0.468426.450.2194-2.40888236.275.460.5347-0.262729.870.0717-1.46319349.495.860.6042-0.076134.300.00580.445410389.275.960.67360.113035.570.01280.674111418.406.040.74310.306736.440.0941.851212450.256.110.81250.515237.330.26543.147812516.956.250.88190.759239.040.57644.74

40、3514689.536.540.95141.106543.721.22447.2324合計(jì)3664.8169.747-7.4807374.421.0447-16.3851對(duì)于威布爾分布的擬合效果，采用線性相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)如下: =0.95當(dāng)時(shí)，認(rèn)為與線性相關(guān)，說明該分布符合威布爾分布。 由可靠性信息管理系統(tǒng)57可知，當(dāng)顯著性水平=0.1時(shí),相關(guān)系數(shù)起碼值=0.4562,由于，因此認(rèn)為該型專用數(shù)控組合機(jī)床故障間隔時(shí)間分布函數(shù)服從威布爾分布.威布爾分布的假設(shè)檢驗(yàn)可以依據(jù)表2-3中的假設(shè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)求得：表2-3 某專用數(shù)控組合機(jī)床假設(shè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)整理表序號(hào)111.450.07939700.07140.007

41、97212.960.0869880.07140.14290.05587315.370.0985750.14290.21430.115714100.660.3566900.21430.28570.070985143.000.4390160.28570.35710.081876160.030.467610.35710.42860.039047171.180.4857180.42860.5000.014828236.270.572980.5000.57140.001559349.490.6843580.57140.64290.0406010389.270.713450.46290.71430.000

42、8311418.400.73320.71430.78570.0525112450.250.7529240.78570.85710.1042213516.950.78880.85710.92860.139814689.530.851460.92861.0000.14854根據(jù)公式(2-5)，依據(jù)表2-3最后一行數(shù)據(jù)得的觀察值為：= =0.14854取顯著性水平0.10，由經(jīng)驗(yàn)公式得：由于<因此接收原假設(shè)，即認(rèn)為該機(jī)床平均故障間隔時(shí)間服從威布爾分布。2、故障間隔時(shí)間的分布模型由以上數(shù)據(jù)求得某型號(hào)數(shù)控組合機(jī)床故障間隔時(shí)間的故障概率密度函數(shù)、分布函數(shù)分別為： (2-9)(2-10),的曲線分別如

43、圖2.3,圖2.4所示。圖2.4概率分布函數(shù)曲線圖2.3 概率密度函數(shù)曲線2.2.1.2單樣本數(shù)控組合機(jī)床故障率函數(shù)從單元件的壽命過程考慮的故障率函數(shù)為 28，但是專用數(shù)控組合機(jī)床作為復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品是由成百上千的零部件組成，如何確定其故障率函數(shù)是可靠性研究的關(guān)鍵問題。對(duì)于專用數(shù)控組合機(jī)床，一般情況下我們可以認(rèn)為它是由個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，假設(shè)子系統(tǒng)是串聯(lián)的，則系統(tǒng)的可靠度函數(shù)可以表示如下： (2-11) 由上式可知，如果求得組成數(shù)控組合機(jī)床的各子系統(tǒng)的可靠度函數(shù)，就可以求得數(shù)控組合機(jī)床的可靠度函數(shù)。根據(jù)2.2.1.1的分析，假設(shè)各個(gè)子系統(tǒng)的故障分布都服從威布爾分布，則數(shù)控組合機(jī)床的可靠度函數(shù)

44、可以表示如下：如果各個(gè)子系統(tǒng)的故障分布不服從一種形式的分布，則數(shù)控組合機(jī)床的可靠度函數(shù)仍然可由公式(2-11)求得，只是這時(shí)可以分別表示為相應(yīng)可靠度函數(shù)的形式。此處不再贅述。又因?yàn)?，所以系統(tǒng)的故障率函數(shù)由下式給出： (2-12)其中 ：子系統(tǒng)可靠度函數(shù);：子系統(tǒng)的故障率函數(shù)當(dāng)可靠度函數(shù)確定情況下，我們可以求得系統(tǒng)的故障密度函數(shù)。其公式為： (2-13)從公式(2-12)和(2-13)，我們可以求得系統(tǒng)的故障率函數(shù)，表示為： (2-14)綜上所述可知，計(jì)算系統(tǒng)的故障率函數(shù)有兩種方法。第一方法是求得每個(gè)子系統(tǒng)的故障率函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)的故障率函數(shù)；第二種方法是由公式(2-14)直接求得系統(tǒng)的故障

45、率函數(shù)。對(duì)于單樣本的專用數(shù)控組合機(jī)床我們采用后一種方法。依據(jù)以上分析可求得某型號(hào)數(shù)控組合機(jī)床瞬時(shí)故障率函數(shù)為：所以該型號(hào)數(shù)控組合機(jī)床的可靠度函數(shù)為：=2.2.1.3數(shù)控組合機(jī)床可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)1 的觀測值平均故障間隔時(shí)間觀測值是故障數(shù)據(jù)在符合假定壽命分布曲線情況下計(jì)算出來的。數(shù)控組合機(jī)床MTBF的觀測值可按下述公式進(jìn)行計(jì)算：(2-15)式中：在評(píng)定周期數(shù)控組合機(jī)床累計(jì)故障頻數(shù)；數(shù)控組合機(jī)床抽樣臺(tái)數(shù)；在評(píng)定周期數(shù)控組合機(jī)床的實(shí)際工作時(shí)間，單位是小時(shí)；在評(píng)定周期機(jī)床出現(xiàn)的故障頻數(shù)?？傻玫挠^測值為：2 的點(diǎn)估計(jì)用公式： (2-16)來估計(jì)，可得點(diǎn)估計(jì)值為：應(yīng)用編程計(jì)算 69,在區(qū)間0,3664(小時(shí))

46、對(duì)可靠度函數(shù)積分得：計(jì)算數(shù)值與點(diǎn)估計(jì)值非常接近，從另一角度證明了假設(shè)故障間隔時(shí)間服從威布爾分布是正確的。3 平均維修時(shí)間和固有可用度數(shù)控組合機(jī)床維修時(shí)間是指數(shù)控組合機(jī)床發(fā)生故障后用于實(shí)際維修的時(shí)間。維修時(shí)間 可直接從數(shù)據(jù)庫求得。對(duì)于可修復(fù)產(chǎn)品，除了考慮可靠性，同時(shí)還要考慮維修性。有的產(chǎn)品雖然不易出故障，但一旦發(fā)生故障要很長時(shí)間才能修復(fù)，有時(shí)可能經(jīng)常處于修理狀態(tài)，利用率顯然不高。所以，我們不僅要注意產(chǎn)品是否易損壞，還應(yīng)注意產(chǎn)品是否易修復(fù)。相應(yīng)的維修性指標(biāo)有平均維修時(shí)間，即數(shù)控組合機(jī)床維修時(shí)間的數(shù)學(xué)期望。數(shù)控組合機(jī)床平均維修時(shí)間也可由觀測值按下式求得： (2-17)式中：評(píng)定周期第個(gè)時(shí)間段數(shù)控組合

47、機(jī)床的實(shí)際修復(fù)時(shí)間（小時(shí)）?？傻闷骄S修時(shí)間為：固有可用度綜合了可靠度和維修度的廣義可靠性特征量，其表達(dá)式為： (2-18)可見越大，表示機(jī)床有效工作程度越高。所以提高固有可用度的方法是使增長和使縮短。該型數(shù)控組合機(jī)床的固有可用度為：2.2.2單故障數(shù)據(jù)模型和無故障數(shù)據(jù)模型的可靠性評(píng)價(jià)目前對(duì)于多樣本的單故障數(shù)據(jù)和無故障數(shù)據(jù)的可靠性分析主要有極小法、等失效數(shù)法和加權(quán)最小二乘法。實(shí)際資料表明65，極小法、等失效數(shù)法所得的可靠性估計(jì)偏低；經(jīng)過Bayes方法改進(jìn)后，極小法的估計(jì)又有偏高傾向。而等失效數(shù)法對(duì)無故障數(shù)據(jù)的情況效果較好，缺點(diǎn)是估計(jì)也有偏高傾向，計(jì)算復(fù)雜，其構(gòu)想的等效失效數(shù)對(duì)單故障數(shù)據(jù)情況下可

48、靠性分析不適用。加權(quán)最小二乘法相對(duì)于極小法和等失效數(shù)法而言具有方法簡單、估計(jì)精度較高特點(diǎn)，逐漸成為單故障數(shù)據(jù)和無故障數(shù)據(jù)可靠性分析的常用方法。具體步驟為先對(duì)各個(gè)時(shí)刻的故障概率<做出估計(jì)，然后通過對(duì)各點(diǎn)運(yùn)用加權(quán)最小二乘法原理擬合一條分布曲線，可以獲得可靠性的參數(shù)估計(jì)。其中首要的問題是如何估計(jì)各時(shí)刻的故障概率。對(duì)于故障概率的估計(jì)，很多經(jīng)典估計(jì)方法計(jì)算簡單，它們是按照故障概率的估計(jì)方法，利用統(tǒng)計(jì)順序量給出各時(shí)刻的估計(jì)值，即，估計(jì)精度較低，不能準(zhǔn)確反映機(jī)床的可靠性水平，在單故障數(shù)據(jù)和無故障數(shù)據(jù)的情況下多采用Bayes方法進(jìn)行估計(jì)7073。其特點(diǎn)是先假定服從某種形式的分布，即先驗(yàn)分布；在給定的條件

49、下，得到的后驗(yàn)分布，最后在特定損失條件下，給出的估計(jì)。因此如何為選擇合適的先驗(yàn)分布是至關(guān)重要的，若先驗(yàn)分布選擇不當(dāng)，其估計(jì)精度還不如經(jīng)典方法7476。2.2.2.1單故障數(shù)據(jù)和無故障數(shù)據(jù)下的Bayes估計(jì)1、確定先驗(yàn)分布函數(shù)在單樣本數(shù)控組合機(jī)床可靠性試驗(yàn)過程中，由于把時(shí)間間隔()分為組，故障數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是在時(shí)間間隔()連續(xù)得到的，所以試驗(yàn)到時(shí)刻如果有1個(gè)故障或無故障發(fā)生，可以判斷數(shù)控組合機(jī)床在或(0,)可靠性高，這樣就滿足了故障概率較小的可能性大，較大的可能性小的先驗(yàn)分布函數(shù)選取條件77；根據(jù)參考文獻(xiàn)66論述，選取不完全分布作為先驗(yàn)分布是可行的。在確定的取值時(shí)，應(yīng)保證不完全分布的密度函數(shù)是嚴(yán)格

50、關(guān)于的單調(diào)減函數(shù)；保證采用不完全分布的密度函數(shù)作為先驗(yàn)分布函數(shù)進(jìn)行Bayes估計(jì)時(shí)的穩(wěn)健性78；保證的估計(jì)值不出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象65。這樣超參數(shù)的取值一般為=1，1(參數(shù)服從區(qū)間的均勻分布，即的二級(jí)先驗(yàn)分布,為常數(shù), 通常以28為宜67)，=1，。由于單樣本的數(shù)控組合機(jī)床，在可靠性試驗(yàn)過程中，不存在故障信息丟失的想象，所以在無故障數(shù)據(jù)和單故障數(shù)據(jù)情況下，可以選取不完全分布作為先驗(yàn)分布。不完全分布的密度函數(shù)公式為66：(2-19)01 0，0，為的函數(shù)根據(jù)式（2-19）可以得到一級(jí)先驗(yàn)分布為截尾分布66，函數(shù)公式表示為： (2-20)根據(jù)Bayes定理，參照72，依據(jù)式（2-19）和（2-20）得

51、到的多層先驗(yàn)分布如下:(2-21)2、故障概率的Bayes估計(jì)在數(shù)控組合機(jī)床可靠性試驗(yàn)時(shí)，除了多故障數(shù)據(jù)和少故障數(shù)據(jù)的情況外，存在以下兩種情況：對(duì)于單樣本的數(shù)控組合機(jī)床，當(dāng)故障數(shù)據(jù)為=0時(shí)，機(jī)床處于無故障數(shù)據(jù)狀態(tài)，故障模型為，此時(shí)的估計(jì)為無故障數(shù)據(jù)下的Bayes估計(jì)，其似然函數(shù)為(2-22) 于是在平方損失函數(shù)下，以公式(2-21)為先驗(yàn)分布的的多層Bayes估計(jì)為：(2-23)對(duì)于單樣本的數(shù)控組合機(jī)床，當(dāng)故障數(shù)據(jù)為=1時(shí)，機(jī)床處于單故障數(shù)據(jù)狀態(tài)，故障模型為，此時(shí)的估計(jì)為單故障數(shù)據(jù)下的Bayes估計(jì)，其似然函數(shù)為(2-24)當(dāng)時(shí)，可以求得在時(shí)刻對(duì)1個(gè)樣本進(jìn)行故障試驗(yàn)發(fā)生1個(gè)故障的似然函數(shù)為公式

52、(2-24)。假定故障是在()時(shí)刻發(fā)生的，根據(jù)可靠性知識(shí)可知79，故障的發(fā)生在一定程度上具有隨機(jī)性。假設(shè)在時(shí)刻發(fā)生故障的概率為是合理的。所以由不完全分布得到的先驗(yàn)分布為66：(2-25)由公式(2-21)可知此函數(shù)是關(guān)于單調(diào)減函數(shù)，所以采用作為先驗(yàn)分布是合理的。在平方損失函數(shù)下，以公式(2-25)為先驗(yàn)分布的的Bayes估計(jì)，也就是后驗(yàn)分布的數(shù)學(xué)期望為：(2-26)求得Bayes估計(jì)之后，可以采用以上無故障數(shù)據(jù)的估計(jì)方法，在平方損失函數(shù)下，求得數(shù)控組合機(jī)床在單樣本、單故障數(shù)據(jù)情況下()的多層Bayes估計(jì)為: （2-27)2.2.2.2可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)1、數(shù)控組合機(jī)床可靠性參數(shù)和特征值估計(jì)從以上

53、分析可知，在獲得了各個(gè)時(shí)刻的故障概率的Bayes估計(jì)之后，可以采用加權(quán)最小二乘法對(duì)數(shù)控組合機(jī)床的可靠性分布參數(shù)和特征值進(jìn)行估計(jì)。從多故障數(shù)據(jù)的數(shù)控組合機(jī)床的結(jié)論可以推斷其故障間隔時(shí)間分布模型服從威布爾分布。 以某型專用數(shù)控組合機(jī)床為例，故障數(shù)據(jù)搜集期間，該專用數(shù)控組合機(jī)床正在進(jìn)行早期故障實(shí)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合單樣本、單故障數(shù)據(jù)的Bayes估計(jì)方法，來判斷機(jī)床處于浴盆曲線的哪個(gè)區(qū)域，進(jìn)而為早期故障是否結(jié)束提供理論分析依據(jù)。 為了與多故障數(shù)據(jù)的情況加以區(qū)別，單故障數(shù)據(jù)和無故障數(shù)據(jù)情況下的二參數(shù)威布爾分布函數(shù)表示為： (2-28)式中 : 形狀參數(shù)>0: 特征壽命>0根據(jù)上式可知機(jī)床在時(shí)刻故障概率的估計(jì)值為，則有 (2-29)對(duì)上式進(jìn)行對(duì)數(shù)變換得：式中，為用替代所引起的誤差，采用加權(quán)最小二乘法在最小的意義下，經(jīng)過多組故障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，求得單樣本數(shù)控組合機(jī)床在單故障數(shù)據(jù)、