數(shù)控機床可靠性設(shè)計體系及其關(guān)鍵技術(shù)研究

中文摘要 I摘要I摘要近年來，作為機、電、液、控一體化的工作母機，數(shù)控機床在國家工業(yè)化進(jìn)程中的地位日益提升。雖然我國在數(shù)控機床產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性水平提高方面做出了巨大的努力，但與發(fā)達(dá)國家的機床產(chǎn)品相比，我國在機床的設(shè)計、生產(chǎn)、質(zhì)量控制和創(chuàng)新等方面，仍有很大的差距。由于數(shù)控機床產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件繁多，工作狀況多變，且可靠性研究工作起步較晚，相關(guān)的可靠性數(shù)據(jù)又嚴(yán)重缺乏，機床的可靠性問題一度成為國內(nèi)外學(xué)者們研究的重點和難點。本文在國家“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造設(shè)備”科技重大專項“中高檔國產(chǎn)數(shù)控磨床可靠性規(guī)?；嵘こ獭表椖康闹С窒?，以國產(chǎn)數(shù)控磨床及其關(guān)鍵功能部件為研究對象，對其可靠性設(shè)計體系及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，為數(shù)控機床的可靠性研究提供了新的研究思路與方法，且易于運用到工程實踐，從而從根本上提升國產(chǎn)數(shù)控機床的可靠性水平和市場競爭力。本文主要研究內(nèi)容如下：①結(jié)合數(shù)控機床產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)流程，集成了可靠性建模、可靠性預(yù)計與分配、可靠性分析以及可靠性試驗等技術(shù)，構(gòu)建了數(shù)控機床產(chǎn)品的可靠性設(shè)計體系框架，并通過可靠性數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)與產(chǎn)品工程設(shè)計之間的數(shù)據(jù)反饋和信息共享。②針對數(shù)控機床在設(shè)計初期，可靠性數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，影響可靠性預(yù)計的因素較為復(fù)雜且具有較強模糊性等問題，提出一種基于Vague集的可靠性模糊綜合預(yù)計方法。在數(shù)控機床系統(tǒng)級的可靠性GO圖模型的基礎(chǔ)上，利用VSA模型對設(shè)計初期數(shù)控機床的可靠性進(jìn)行定量分析與預(yù)計，并通過實例驗證了所提方法的簡便性和有效性。③針對影響可靠性分配的因素不確定性的特點及其影響程度也存在模糊性的特點，提出一種將熵權(quán)法與模糊層次分析法相結(jié)合的組合賦權(quán)法來進(jìn)行可靠性分配。以數(shù)控磨床整機為例，采用主客觀組合賦權(quán)分配法，將求得的各系統(tǒng)的可靠性分配結(jié)果與已積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了所提方法的有效性和適用性。④針對數(shù)控機床的故障模式、影響及危害性分析中的風(fēng)險評估問題，論文建立了改進(jìn)的風(fēng)險優(yōu)先函數(shù)模型，考慮風(fēng)險因子的相對權(quán)重、故障關(guān)聯(lián)度以及專家的相對權(quán)重，并基于區(qū)間分析法以及灰色關(guān)聯(lián)理論進(jìn)行風(fēng)險評估。最后以實例和與傳統(tǒng)RPN方法的對比，凸顯了本文所提方法的可行性和正確性。關(guān)鍵詞：數(shù)控機床，可靠性設(shè)計體系，可靠性預(yù)計與分配，故障模式、影響及危害性分析 英文摘要 IIIIIIABSTRACTInrecentyears,astheworkmachinethatintegratedmachine,electricity,liquidandcontrol,thepositionofCNCmachinetoolsintheprocessofthecountryindustrializationpromotealot.ThoughalotofeffortshavemadetopromotethequalityandreliabilitylevelofCNCmachinetools,thereisstillalargegapforChina’smachinetoolsindustryinthedesign,manufacturing,qualitycontroltechnologyandinnovation,whencomparedwithdevelopedcountries.Besides,CNCmachinetoolsproductshavecomplexstructureandvariouscomponents,itsworkingstateisverycomplex,anditsreliabilityresearchworkstartedsolatethattherelevantreliabilitydataisseriouslylacked,itsreliabilityresearchhasalwaysbeenadifficultproblemforscholars.Onthesupportofthedomestichigh-gradeCNCgrindingmachinereliabilityscalepromotionprojectofthenationalscienceandtechnologyproject:high-endCNCmachinetoolsandbasicmanufacturingequipmentproject,thispapertakethehomeNCGrindingmachineanditskeyfunctionalpartsastheresearchobjects,andstudieditsreliabilitydesignsystemandtherelatedtechnologies,throughwhich,providenewreliabilityresearchdirectionandmethodsforCNCmachinetool,andapplythemontheengineeringpractice,soastoenhancethereliabilitylevelandmarketcompetitivenessofdomesticCNCmachinetools.Themainlycontentsareasfollowing:①Basedontheproductdesignprocedure,thispaperintegratedreliabilitymodel,reliabilityprediction,reliabilityallocation,reliabilityanalysisandreliabilitytesttechnology,andconstructtheframeworkofthereliabilitydesignsystemofCNCMachineTools,whichconnecttheproductdesignbythereliabilitydataandinformation.②AsthereliabilitydataarelackingduringtheinitialdesignphaseofCNCmachinetools,andthefactorsthateffectedthereliabilitypredictionarecomplicatedandfuzzy,afuzzysyntheticassessmentmodelbasedonVaguesets(VSA)wasproposedforreliabilityprediction.BasedontheGOchartmodel,takingNCGrindingMachineastheexample,adopttheVSAmodeltomakequantitativeanalysisandpredictionofNCmachinetools,whichverifiedthefeasibilityandapplicabilityoftheproposedmethod.③Accordingtothefactorsinfluencingthereliabilityallocationandtheirweightsbothhavethecharacteristicsofuncertainty,asubjectiveandobjectivecombination IVIVweightingmethodthatcombinedtheentropymethodandFuzzyanalytichierarchyprocess(FAHP)methodwasproposed.TakingNCGrindingmachineasanexample,adoptthefuzzycomprehensiveallocationmethodthatbasedonthenewmethodtoobtainthereliabilityallocationresults,whichwascomparedwiththeactualaccumulateddata,therefore,thefeasibilityandeffectivenessofthismethodwasverified.④InordertoovercometheproblemsthatexistintheriskassessmentoftraditionalFMEA,animprovedriskpreferencefunctionmodelwasestablished.Whichconsiderstherelativeweight,faultcorrelationoftheriskfactorsandtherelativeweightstoexperts,thentheintervalanalysismethodandtheGreycorrelationdegreemethodareadoptedtoevaluatethefaultrisks.Atlast,taketheNCGrindingMachineastheexample,usetheimprovedriskpreferencefunctionmodeltoanalyzeandsortthekeyfaultmodes,thencomparedtheresultoftraditionalRPNmethodtoverifythefeasibilityandcorrectnessofthemethodproposed.Keywords:CNCMachineTools,reliabilitydesignsystem,reliabilityprediction,reliabilityallocation,Failuremodes,effectsandcriticalityanalysis 目錄 V目錄V目錄中文摘要 I英文摘要 III1緒論 11.1課題背景及研究意義 11.1.1課題背景 11.1.2課題研究意義 21.2數(shù)控機床可靠性設(shè)計技術(shù)的研究進(jìn)展 21.2.1可靠性設(shè)計 21.2.2可靠性預(yù)計與分配 31.2.3故障模式、影響及危害性分析 41.3課題來源及主要研究內(nèi)容 51.3.1課題來源 51.3.2主要研究內(nèi)容 51.3.3論文的整體結(jié)構(gòu) 62基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計框架 72.1引言 72.2基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計框架 82.2.1可靠性數(shù)據(jù)處理 102.2.2可靠性設(shè)計準(zhǔn)則 112.2.3可靠性建模 122.2.4可靠性預(yù)計與分配 132.2.5可靠性分析 132.2.6可靠性評審 142.3可靠性設(shè)計框架的建立和運行案例 152.4章節(jié)小結(jié) 183數(shù)控機床可靠性預(yù)計模型及技術(shù)研究 193.1引言 193.2可靠性預(yù)計概述 203.2.1系統(tǒng)可靠性預(yù)計的目的 203.2.2可靠性預(yù)計的分類 20 VIVI3.2.3常用的可靠性預(yù)計方法 203.2.4可靠性預(yù)計的程序及注意事項 213.3基于Vague集的數(shù)控磨床可靠性預(yù)計方法 223.3.1Vague集合論簡介 223.3.2構(gòu)建數(shù)控機床系統(tǒng)級GO圖模型 243.3.3建立基于Vague集的可靠性預(yù)計模型 243.3.4案例分析 263.4章節(jié)小結(jié) 284數(shù)控機床可靠性分配模型及技術(shù)研究 294.1引言 294.2可靠性分配方法概述 294.2.1可靠性分配的目的與原則 294.2.2常用的可靠性分配方法 304.2.3可靠性分配的注意事項 344.3基于組合權(quán)重的數(shù)控磨床可靠性分配研究 344.3.1數(shù)控磨床系統(tǒng)集和影響因素集的確立 344.3.2基于組合權(quán)重的可靠性模糊分配模型的建立及求解 354.3.3案例分析及結(jié)論 394.4章節(jié)小結(jié) 425數(shù)控機床故障模式、影響及危害性分析技術(shù)研究 435.1引言 435.2故障模式影響及危害性分析技術(shù)概述 435.2.1故障模式影響及危害性分析的基本概念 435.2.2故障模式影響及危害性分析的主要特點 455.2.3故障模式影響及危害性分析的基本程序 455.3改進(jìn)的風(fēng)險優(yōu)先函數(shù)模型 465.3.1構(gòu)建風(fēng)險評估分析遞階層次圖 465.3.2建立改進(jìn)的風(fēng)險優(yōu)先函數(shù)模型 475.3.3風(fēng)險因子及其相對權(quán)重的確定 485.3.4故障模式的關(guān)聯(lián)決策系數(shù)的求解 505.3.5故障模式的風(fēng)險優(yōu)先排序 515.4案例分析 525.5章節(jié)小結(jié) 566結(jié)論與展望 59 目錄 VIIVII6.1結(jié)論 596.2展望 60致 謝 61參考文獻(xiàn) 63附 錄 69 1緒論 111緒論1.1課題背景及研究意義1.1.1課題背景作為集機、電、液、控多學(xué)科技術(shù)為一體的數(shù)控機床，具有加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定、柔性好和適合于復(fù)雜產(chǎn)品制造等特點，因而能夠滿足現(xiàn)代制造業(yè)的加工需求。以數(shù)控機床為基礎(chǔ)，建立不同等級和規(guī)模的自動化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，將是機械制造技術(shù)與管理的主要發(fā)展方向。目前，數(shù)控機床產(chǎn)品的產(chǎn)量、水平和擁有量已成為判定一個國家工業(yè)化水平的高低的標(biāo)準(zhǔn)。對于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和自動化控制的數(shù)控機床而言，要保證其正常及高效地運轉(zhuǎn)，需要各個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運作，只有保證各子系統(tǒng)、各零部件的質(zhì)量和可靠性，才能避免給操作人員和企業(yè)帶來致命的傷害與損失。近年來，我國數(shù)控機床在生產(chǎn)及應(yīng)用方面都有了較快發(fā)展，其可靠性指標(biāo)從“十五”期末的500小時提升到900小時以上，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的5000小時的領(lǐng)先水平相比，仍然存在著相當(dāng)大的差距，這給我國機床行業(yè)帶來極為激烈的競爭與嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，目前處境非常艱難[1]。按照國民經(jīng)濟發(fā)展需求和機械工藝振興戰(zhàn)略，機械工業(yè)部提出以數(shù)控機床為代表的重要機械產(chǎn)品作為機械工藝振興規(guī)劃三項發(fā)展的重點之一。在“十二五”期間，啟動了包括《高檔數(shù)控機床和基礎(chǔ)制造裝備》在內(nèi)的一系列重大科技工程，并設(shè)立了在“十三五”末期實現(xiàn)由國產(chǎn)數(shù)控機床占領(lǐng)國內(nèi)中高檔數(shù)控機床市場的目標(biāo)。然而在數(shù)控機床領(lǐng)域，相關(guān)的可靠性技術(shù)并沒有得到很好的應(yīng)用，再加上在這方面的研究工作起步很晚，也沒有建立起相關(guān)的可靠性數(shù)據(jù)庫來輔助研究，對于企業(yè)人員而言又缺乏可靠性相關(guān)的理論知識的培訓(xùn)，而可靠性工作又需要貫穿到企業(yè)各個部門，需要一個體系框架將可靠性技術(shù)與管理人員、設(shè)計人員、生產(chǎn)加工人員聯(lián)系起來開展工作，否則只會給員工們帶來更多的工作壓力并降低可靠性工作的成效，而使得可靠性設(shè)計工作形同虛設(shè)。隨著國家對于數(shù)控機床可靠性越來越重視，并成立了相關(guān)的課題研究項目，很多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究，但是主要集中在加工中心，對于數(shù)控磨床的研究卻并不多。數(shù)控磨床作為精密加工階段的關(guān)鍵母機，其故障情況較為復(fù)雜，其可靠性的研究涉及到多學(xué)科，是貫穿于產(chǎn)品的全壽命周期，并由多個部門進(jìn)行協(xié)調(diào)的一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。不同于具備成熟可靠性技術(shù)及理論的電子產(chǎn)品和軍品，由機、電、液、控一體化的數(shù)控磨床的可靠性技術(shù)的研究近年來才開始起步，積累相對薄弱，還處在發(fā)展階段。隨著數(shù)控磨床在制造業(yè)甚至其他行業(yè)的廣泛應(yīng)用，研究數(shù)控磨床的可靠性是非常必要而不可忽視的。 221.1.2課題研究意義近些年，我國在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域取得了迅猛的進(jìn)步，也為我國的制造業(yè)灌入了新的血液和力量，但相比于國外同等級的產(chǎn)品，無論是其設(shè)計水平，還是使用情況并不盡如人意，還仍有很大的提升空間。為盡快縮短與國外水平的差距，促使機床行業(yè)快速發(fā)展，提升國產(chǎn)數(shù)控機床的可靠性水平和市場競爭力，研究和開發(fā)可靠性系列實用技術(shù)，具有重大的戰(zhàn)略意義和無可替代的現(xiàn)實意義?？紤]到數(shù)控磨床本身的特點及其在制造行業(yè)中的重要地位，本文在案例分析中以數(shù)控磨床的可靠性設(shè)計為研究對象，建立了基于產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計體系框架，該體系融合了可靠性設(shè)計分析技術(shù)，可靠性試驗技術(shù)和可靠性數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容，在后續(xù)章節(jié)對于其中的可靠性預(yù)計與分配、故障模式、影響及危害性分析技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，從而為數(shù)控機床產(chǎn)品早期設(shè)計階段的可靠性研究提供了堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。1.2數(shù)控機床可靠性設(shè)計技術(shù)的研究進(jìn)展1.2.1可靠性設(shè)計可靠性設(shè)計是與產(chǎn)品研發(fā)緊密結(jié)合的設(shè)計工作，能夠在進(jìn)行產(chǎn)品功能設(shè)計時實現(xiàn)其可靠性要求，是在研究和實踐的基礎(chǔ)上經(jīng)過多年來經(jīng)驗積累的結(jié)晶，即在產(chǎn)品方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用一些可靠性特殊方法的設(shè)計，如可靠度分配、極安全的設(shè)計方式、冗余設(shè)計法、安全使用期限設(shè)計方式、安全裝置設(shè)計方式、減輕負(fù)荷可靠度預(yù)測等。我國的可靠性設(shè)計研究相比于國外起步較晚，機械產(chǎn)品仍存在著嚴(yán)重的質(zhì)量與可靠性問題。著名科學(xué)家錢學(xué)森曾說過，產(chǎn)品可靠性首先是設(shè)計出來的，然后是由生產(chǎn)與管理來保證的。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計，由產(chǎn)品設(shè)計而導(dǎo)致的故障所占的比重為總故障數(shù)的50%~60%[2]，由此可見可靠性設(shè)計的重要性，在這方面國內(nèi)外的學(xué)者們開展了大量的研究與探討[3.5]。張義民[6-8]等結(jié)合所提出的廣義隨機有限元法及隨機攝動法，來解決機械零件的可靠性靈敏度設(shè)計問題，還開發(fā)了實用的可靠性設(shè)計軟件庫。郭書祥[9]等提出了基于非概率可靠性理論的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健可靠性設(shè)計方法。李靜[10]將六西格瑪思想應(yīng)用到可靠性設(shè)計中，既節(jié)約成本又滿足了設(shè)計要求。蘇多[11]等利用PDM技術(shù)與數(shù)字虛擬樣機技術(shù)，來計算空間結(jié)構(gòu)的鎖系機構(gòu)的可靠度，有效地降低了成本，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期。陳建江[12]提出了一種穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計方法，能有效控制設(shè)計變量與參數(shù)變化的影響以及偏差對目標(biāo)函數(shù)或約束條件的影響。王光遠(yuǎn)[13]從模糊隨機變量的角度出發(fā)，研究了單失效模式結(jié)構(gòu)的隨機可靠度問題。王軍[14]等提出一種新的概率—非概率混合可靠性分析模型來求解混合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題。閻宏生[15]等采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面的結(jié)構(gòu)可靠性分析方法 1緒論 33來解決二次多項式響應(yīng)面法存在的問題。貢金鑫[16]等基于迭代技術(shù)收斂的必要條件，提出了一種統(tǒng)一的可靠指標(biāo)計算方法，并通過調(diào)節(jié)迭代步長來實現(xiàn)對整個過程的控制。郭書祥[17]等采用區(qū)間變量來描述結(jié)構(gòu)中的不確定參數(shù)，并提出了一種基于區(qū)間分析的非概率可靠性度量體系與分析方法。雖然關(guān)于可靠性設(shè)計方面的理論研究比較多，但是卻很少能夠運用到工程實踐中，而且目前也還未建立起比較完善的可靠性設(shè)計體系框架，來輔助產(chǎn)品設(shè)計，另外在可靠性數(shù)據(jù)的收集和積累方面也有待加強。機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計理論未來的發(fā)展趨勢[18]是：①采用如概率設(shè)計、維修性設(shè)計等新的可靠性設(shè)計方法和預(yù)測技術(shù)；②失效機理和分析技術(shù)（該技術(shù)為事后分析技術(shù)，不能解決量大面廣的基礎(chǔ)零部件的壽命低、功能退化快等問題）；③可靠性試驗評定技術(shù)和方法，國內(nèi)研究比較薄弱，試驗手段和設(shè)施不完善，試驗方法和規(guī)范研究不夠。④研究加工偏差、工藝缺陷的自動檢測和診斷技術(shù)及零部件早期故障排除等試驗方法。⑤融合質(zhì)量管理的可靠性工程管理技術(shù)。1.2.2可靠性預(yù)計與分配可靠性預(yù)計與分配是產(chǎn)品可靠性定量設(shè)計中的兩項重要內(nèi)容，其中前者是通過自下而上的方法預(yù)計產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，然后判定是否到達(dá)目標(biāo)值，同時找出設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而為制定設(shè)計決策和維修決策提供參考信息；而可靠性分配則是指根據(jù)產(chǎn)品的定量要求和目標(biāo)，采用自上而下的方法及適合的準(zhǔn)則進(jìn)行分配，以滿足各層次的可靠性設(shè)計要求。產(chǎn)品的可靠性預(yù)計與分配工作是以可靠性建模為基礎(chǔ)的，根據(jù)數(shù)控機床產(chǎn)品的特點，一般都采用串聯(lián)模型來進(jìn)行分析與研究?？煽啃灶A(yù)計與可靠性分配是兩個互逆的過程，由于可靠性預(yù)計是可靠性分配的基礎(chǔ)，在產(chǎn)品可靠性設(shè)計時，一般總是先進(jìn)行可靠性預(yù)計，再進(jìn)行可靠性分配。在分配過程中，若發(fā)現(xiàn)了薄弱環(huán)節(jié)，就要改進(jìn)設(shè)計或調(diào)換零部件及分系統(tǒng)。這樣又重新預(yù)計，重新再分配，由兩者結(jié)合起來反復(fù)進(jìn)行，直到主觀要求與客觀現(xiàn)實達(dá)到統(tǒng)一為止。對于數(shù)控機床產(chǎn)品，由于設(shè)計初期可靠性數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，影響可靠性的因素也較復(fù)雜且具有很強的模糊性，因而要處理這類模糊不確定性問題是十分困難的。目前多采用模糊方法來研究數(shù)控機床的可靠性，趙德孜[19]根據(jù)模糊數(shù)適于量化模糊信息的特點，提出了一種基于模糊數(shù)的多級模糊綜合評判方法。郝慶波[20]提出了基于相似比較法和區(qū)間層次分析法的可靠性預(yù)計方法。陳云霞[21]將功能分析與失效物理方法結(jié)合應(yīng)用于系統(tǒng)的可靠性預(yù)計。任工昌[22]等采用灰色系統(tǒng)理論對數(shù)控機床的可靠性進(jìn)行了預(yù)計。Zhao[23]提出一種將模糊綜合評判和模糊推理相結(jié)合的可靠性預(yù)計方法。系統(tǒng)的可靠性分配問題一直以來都是熱點和難點，國內(nèi)外的學(xué)者也對其進(jìn)行 44了大量的研究，對于可靠性分配方法的研究主要是從工程決策和過程優(yōu)化兩個角度來開展的：張根保[24.25]等提出“元動作”的概念，劃分任務(wù)剖面對數(shù)控機床進(jìn)行可靠性分配，并建立了可靠性成本預(yù)估函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分配；賀星[26]建立了基于Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型來對燃?xì)廨啓C進(jìn)行可靠性分配；杜麗[27]根據(jù)已有的相似產(chǎn)品的信息，將模糊相似比例法與綜合評判方法結(jié)合起來，對新產(chǎn)品進(jìn)行可靠性分配；鹿祥斌[28]從經(jīng)濟性的角度構(gòu)建了成本-可靠度非線性規(guī)劃函數(shù)；Kaveh[29]綜合考慮多個約束條件，利用粒子群算法對動態(tài)自適應(yīng)懲罰函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分配；Siramdas[30]提出了基于模糊算法來進(jìn)行早期設(shè)計開發(fā)過程中的可靠性分配；Tian[31]針對于多狀態(tài)串聯(lián)系統(tǒng)的冗余分配問題，建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型，并采用動態(tài)規(guī)劃和遺傳算法進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[32]提出了基于vague集模型的模糊可靠性分配方法；文獻(xiàn)[33,34]利用灰色系統(tǒng)相關(guān)理論來進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分配。Chang[35]采用最大熵權(quán)平均算子法進(jìn)行了改進(jìn)的可靠性分配。1.2.3故障模式、影響及危害性分析可靠性分析作為可靠性設(shè)計的一大重要組成部分又包含多項內(nèi)容，比較常用的有故障模式、影響及危害性分析、故障樹分析等。而故障模式、影響及危害性分析作為可靠性分析工作最為重要的一項，對于提升產(chǎn)品的可靠性水平具有重要意義，是目前應(yīng)用非常廣泛的可靠性分析工具。經(jīng)過長期的實踐，F(xiàn)MECA也形成了一套完整的分析方法。通常情況下將其與故障樹分析配合使用，能夠更為細(xì)致地分析出故障原因并給出相應(yīng)的改進(jìn)措施。由于篇幅限制，文章主要就數(shù)控機床領(lǐng)域常用的可靠性分析方法——故障模式、影響及危害性分析展開詳細(xì)地介紹。在對系統(tǒng)進(jìn)行了FMEA后，一般需要對關(guān)鍵故障進(jìn)行風(fēng)險評估及危害性排序，以提高分析的準(zhǔn)確性，并針對關(guān)鍵故障制定相應(yīng)的改進(jìn)或維修決策。針對傳統(tǒng)FMEA分析的風(fēng)險評估問題，很多專家學(xué)者做了大量研究：KutluandEkmekciglu[36]提出了一種模糊TOPSIS方法，可以允許專家采用模糊語言變量來確定風(fēng)險因子S、O、D。伍曉蓉[37]采用改進(jìn)的模糊TOPSIS法和DEMATEL法，進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的模糊關(guān)聯(lián)失效風(fēng)險評估。BowlesandPeláez[38]描述了模糊邏輯法，通過一個模糊if-then規(guī)則庫，利用專家知識和經(jīng)驗，最后通過WMoM法得到風(fēng)險優(yōu)先數(shù)；王曉暾[39]提出基于依賴型語言有序加權(quán)幾何算子方法和語言風(fēng)險優(yōu)先數(shù)的計算公式，對模糊環(huán)境中故障模式的風(fēng)險進(jìn)行評估。Wang[40]提出了模糊優(yōu)先數(shù)的概念，采用模糊語言形式和模糊等級來進(jìn)行風(fēng)險評估。Xiao和Huang[41]延伸了Pickard’s的工作，提出基于最小割集法來評估多重故障模式的影響。王貴寶[42]基于信息熵定量和最大信息熵推論，引入風(fēng)險可能數(shù)的方法來進(jìn)行風(fēng)險分析。Rhee和Ishii[43]提出基于壽命成本的FMEA，以減少全壽命周期的成本，但是設(shè)計初期數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，這種方法很難實現(xiàn)。據(jù)文獻(xiàn)[44]統(tǒng)計，研究風(fēng)險分析時，采用人工智能方法的比例占 1緒論 5540%，MCDM方法占22.5%，組合算法的占11.25%，數(shù)學(xué)規(guī)劃方法占8.75%，其它占17.5%。模糊規(guī)則庫系統(tǒng)是模糊邏輯和基于知識方法特有的優(yōu)勢所決定的，故應(yīng)用非常廣泛，但是構(gòu)建模糊規(guī)則庫非常困難，需要專家做出大量的判斷，消耗大量成本和時間。1.3課題來源及主要研究內(nèi)容1.3.1課題來源本研究課題來源于國家“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造設(shè)備”科技重大專項“中高檔國產(chǎn)數(shù)控磨床可靠性規(guī)?；嵘こ獭保椖颗鷾?zhǔn)號：2013ZX04011-013）。該課題主要是以國產(chǎn)數(shù)控磨床及其關(guān)鍵功能部件作為研究對象，目的在于開發(fā)數(shù)控磨床可靠性系列實用技術(shù)、研究數(shù)控磨床制造過程一致性制造技術(shù)、裝配技術(shù)，在數(shù)控磨床的骨干企業(yè)里建立產(chǎn)品可靠性保障體系，從而突破困擾國產(chǎn)數(shù)控磨床可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。本文作者作為項目的主要研究成員之一，基于該課題開展了本文內(nèi)容的理論研究，并與數(shù)控磨床的工程實踐結(jié)合起來進(jìn)行了分析與驗證。1.3.2主要研究內(nèi)容文章針對數(shù)控機床的可靠性設(shè)計體系框架及其相關(guān)的可靠性設(shè)計與分析技術(shù)展開了研究，主要內(nèi)容如下：①數(shù)控機床的可靠性設(shè)計體系框架該章基于機械產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)流程構(gòu)建了數(shù)控機床的可靠性設(shè)計體系框架，該體系是集產(chǎn)品功能設(shè)計、性能設(shè)計、精度設(shè)計與可靠性設(shè)計密切結(jié)合的一體化協(xié)調(diào)過程，對于實現(xiàn)產(chǎn)品的功能、性能與可靠性的同步優(yōu)化具有非常重要的意義，在早期設(shè)計階段即開展可靠性設(shè)計與分析工作，可以有效地預(yù)防潛在故障的發(fā)生，進(jìn)而全面提升產(chǎn)品的可靠性。②數(shù)控機床可靠性預(yù)計模型及技術(shù)研究該章針對數(shù)控機床的可靠性模糊預(yù)計問題，提出了一種基于Vague集的模糊綜合評判（VSA）模型對數(shù)控機床設(shè)計初期的可靠性進(jìn)行定量分析和預(yù)計，并以數(shù)控磨床的磨削子系統(tǒng)為例，驗證了該方法的可行性和適用性，同時也可作為下一步的可靠性設(shè)計決策的參考依據(jù)。③數(shù)控機床可靠性分配模型及技術(shù)研究由于可靠性分配集合了工程決策、多因素綜合權(quán)衡和過程優(yōu)化多項內(nèi)容，并且存在許多不確定性因素，針對上述特點，本章節(jié)采用熵權(quán)法和模糊層次分析法相結(jié)合的主客觀組合賦權(quán)法來對數(shù)控機床進(jìn)行可靠性分配。根據(jù)最小鑒別信息原理建立數(shù)控磨床的可靠性目標(biāo)函數(shù)，通過拉格朗日乘子法求解得到影響因素的組 66合權(quán)重，以某型號數(shù)控外圓磨床為例，采用基于組合權(quán)重的模糊綜合分配法，求得可靠性分配結(jié)果，并與其它單一權(quán)重分配方法進(jìn)行對比，驗證了該方法的適用性和準(zhǔn)確性。④數(shù)控磨床的故障模式、影響及危害性分析技術(shù)研究該章在分析了傳統(tǒng)FMEA風(fēng)險評估的不足后，建立了改進(jìn)的風(fēng)險優(yōu)先函數(shù)模型。首先細(xì)化了模糊因子故障嚴(yán)重度，同時考慮風(fēng)險因子的相對權(quán)重和故障關(guān)聯(lián)度，以及專家的相對權(quán)重，并基于區(qū)間灰色關(guān)聯(lián)方法進(jìn)行風(fēng)險評估，最后對數(shù)控磨床的7個關(guān)鍵故障模式進(jìn)行了風(fēng)險評估分析，從而體現(xiàn)了改進(jìn)方法的可行性和正確性。1.3.3論文的整體結(jié)構(gòu)本文分為六個章節(jié)，第一章緒論后，在第二章闡述了基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計體系框架，然后分別在第三章、第四章和第五章，就體系中的若干關(guān)鍵技術(shù)——可靠性預(yù)計技術(shù)、可靠性分配技術(shù)以及可靠性分析技術(shù)，一一進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，這三項關(guān)鍵技術(shù)對于提升數(shù)控機床的可靠性水平具有重要意義。最后在第六章概括了論文結(jié)論與展望。論文的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。圖1.1論文整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1.1Theframeworkofthispaper 2基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計框架 772基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計框架2.1引言可靠性設(shè)計不僅是提升機床產(chǎn)品可靠性水平的源頭，也是保證其固有可靠性最重要的環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)品全壽命周期發(fā)生的各類故障中，有50%~60%是由產(chǎn)品設(shè)計引起的，而產(chǎn)品設(shè)計決定了產(chǎn)品的理論可靠性，進(jìn)而影響了產(chǎn)品整體的質(zhì)量。正因產(chǎn)品設(shè)計對于產(chǎn)品的可靠性、安全性及整體質(zhì)量的重要度是無可替代的，所以只有在早期設(shè)計階段時就結(jié)合可靠性因素進(jìn)行設(shè)計，然后采用有效地可靠性管理方式嚴(yán)格控制生產(chǎn)、加工等過程，才能最終真正地達(dá)到提高產(chǎn)品的可靠性、優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)、降低成本，提高產(chǎn)品可用性的目的。鑒于可靠性設(shè)計對于產(chǎn)品質(zhì)量的重要作用，研究產(chǎn)品功能設(shè)計與可靠性設(shè)計一體化設(shè)計的體系勢在必行。不同于已具備成熟的可靠性研究理論的電子產(chǎn)品，機械產(chǎn)品的可靠性則存在許多復(fù)雜的特點[45.47]：①機械產(chǎn)品的故障模式情況比較復(fù)雜；②耐久性是機械產(chǎn)品可靠性中需要著重考慮的特性，機械產(chǎn)品一般發(fā)生的故障屬于耗損性故障，主要有：疲勞、老化、磨損等；③較難準(zhǔn)確地預(yù)計機械產(chǎn)品的復(fù)雜環(huán)境應(yīng)力；④早期故障的排除難度較大，相應(yīng)的排除成本也很高；⑤機械產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)缺乏，不足以進(jìn)行統(tǒng)計試驗及分析，要積累大量的可靠性數(shù)據(jù)非常困難，同時又缺少成熟的方法與理論的支持，進(jìn)而增加了數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的難度。正因為機械產(chǎn)品的上述復(fù)雜特點，如果等到故障發(fā)生后再去修正設(shè)計，只會花費更大的成本，而在機械產(chǎn)品的早期設(shè)計階段就進(jìn)行可靠性設(shè)計和分析，則可以有效地預(yù)防潛在故障的發(fā)生，以全面提升其可靠性，同時為產(chǎn)品全壽命周期的可靠性提供有力的保證。為了達(dá)到這個目標(biāo)，應(yīng)充分利用可靠性相關(guān)理論知識，結(jié)合企業(yè)實際情況，建立專門的可靠性設(shè)計體系框架，并由完善的可靠性管理體制保障其能夠系統(tǒng)性地和有效地運轉(zhuǎn)。目前國內(nèi)外在對數(shù)控機床產(chǎn)品的可靠性設(shè)計體系方面的研究并不多，本章節(jié)基于產(chǎn)品的研發(fā)過程建立系統(tǒng)的可靠性設(shè)計體系框架，集成了可靠性設(shè)計準(zhǔn)則、可靠性試驗、可靠性建模、可靠性預(yù)計與分配、可靠性分析以及可靠性評審等內(nèi)容。其中可靠性設(shè)計準(zhǔn)則和可靠性試驗是可靠性工作的前提，然后基于此開展后續(xù)一系列的工作，最后對產(chǎn)品設(shè)計方案進(jìn)行可靠性評審和驗證，通過上述方法和手段找到設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，并將其反饋給產(chǎn)品設(shè)計人員以進(jìn)行循環(huán)優(yōu)化改進(jìn)。實施該體系時，利用相關(guān)的可靠性設(shè)計及分析軟件工具來輔助設(shè)計，不僅可以降低設(shè)計成本、縮短設(shè)計周期，還可確保產(chǎn)品的固有可靠性。 882.2基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計框架基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計體系框架是將可靠性工作貫穿與產(chǎn)品開發(fā)全過程的一個框架，如此將可靠性要求融于產(chǎn)品功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計中形成一體化的格局，從而達(dá)到提升數(shù)控機床可靠性的目的。產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)流程如圖2.1所示。在產(chǎn)品開發(fā)方案論證階段、設(shè)計研發(fā)階段、樣機研制階段、生產(chǎn)制造階段及運行維護這五個階段都有對應(yīng)的、主要的可靠性工作，見圖2.2。zkq20151222圖2.1產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)流程框圖Fig.2.1Theflow-processdiagramofproductdesign 2基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計框架 9zkq201512229zkq20151222圖2.2產(chǎn)品開發(fā)過程各階段對應(yīng)的可靠性工作Fig.2.2Thecorrespondingreliabilityworkforeverystageofproductdevelopmentprocess事實上，每一項可靠性工作并不是獨立的，其相互之間又是緊密關(guān)聯(lián)的。本文站在早期預(yù)防的角度，結(jié)合圖2.1與圖2.2的內(nèi)容，利用可靠性設(shè)計準(zhǔn)則、可靠性試驗、可靠性建模、可靠性預(yù)計、可靠性分配、可靠性分析、可靠性評審、可靠性管理等技術(shù)和方法，建立了如圖2.3所示的數(shù)控機床產(chǎn)品的可靠性設(shè)計過程與工程設(shè)計一一對應(yīng)的可靠性設(shè)計體系框架[48]，從而保證數(shù)控機床產(chǎn)品的固有可靠性。圖2.3數(shù)控機床可靠性設(shè)計體系框架Fig.2.3ThereliabilitydesignsystemframeworkofCNCmachinetool 10zkq2015122210zkq20151222產(chǎn)品工程設(shè)計與可靠性設(shè)計存在著緊密的數(shù)據(jù)信息交互及共享，兩者相互結(jié)合不斷優(yōu)化，又形成新的標(biāo)準(zhǔn)文件。由圖2.3可看出：首先可靠性建模、故障模式影響及危害性分析、故障樹分析等工作均需基于工程設(shè)計來開展，然后將可靠性設(shè)計與分析得到的結(jié)果反饋給設(shè)計人員，以作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及方案改進(jìn)的參考依據(jù)，進(jìn)而極大地減少因設(shè)計缺陷導(dǎo)致的可靠性缺陷。對于重要的功能元件的設(shè)計還需進(jìn)行可靠性試驗，然后再進(jìn)行可靠性、安全性分析，并由相關(guān)領(lǐng)域的專家進(jìn)行可靠性評審，直至合理地改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計的缺陷、消除潛在的故障隱患，并形成統(tǒng)一規(guī)范的制造工藝文件及標(biāo)準(zhǔn)，最終的數(shù)據(jù)信息會更新到可靠性數(shù)據(jù)庫中。現(xiàn)對可靠性設(shè)計體系框架中各項內(nèi)容簡述如下：2.2.1可靠性數(shù)據(jù)處理可靠性數(shù)據(jù)主要可以從兩方面獲得，其一是從實驗室進(jìn)行的可靠性試驗中得到，即試驗數(shù)據(jù)，如通過可靠性試驗、壽命試驗、加速壽命試驗、功能試驗、環(huán)境試驗、定期試驗和綜合試驗等獲取。其二是從產(chǎn)品實際使用現(xiàn)場得到，即現(xiàn)場數(shù)據(jù)，主要記錄產(chǎn)品開始工作至故障的時間（故障時間）及開始工作至統(tǒng)計之時尚未故障的工作時間（無故障工作時間）的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)反映了產(chǎn)品在實際使用環(huán)境和維護條件下的情況，應(yīng)特別注意收集。應(yīng)該收集在產(chǎn)品壽命周期各階段的可靠性工作及活動中所產(chǎn)生的能反映產(chǎn)品可靠性水平及狀況的各種數(shù)據(jù)，可以是數(shù)字、圖表、符號、文字和曲線等形式。主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)中設(shè)備的可靠度及其曾經(jīng)出現(xiàn)的故障模式、各個故障模式出現(xiàn)的條件、發(fā)生的頻率、故障可能帶來的危害、系統(tǒng)設(shè)計的輸入條件（載荷譜、功率譜、零件譜、功能譜、故障譜）、產(chǎn)品在裝配、調(diào)試、試驗、使用及維修各階段發(fā)生的故障模式、故障頻率、故障的危害度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[49]。將收集的數(shù)據(jù)整理到數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理也為后期的可靠性工作做準(zhǔn)備。對于數(shù)控機床的可靠性數(shù)據(jù)主要是在機床運行調(diào)試、可靠性試驗過程及故障維修記錄中收集，然后按照圖2.4中的可靠性數(shù)據(jù)分析流程，結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、壽命分布類型及已有相似成熟產(chǎn)品的可靠性相關(guān)的信息（如產(chǎn)品的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和樣本可靠性試驗數(shù)據(jù)信息等），利用概率統(tǒng)計的方法對這些數(shù)據(jù)分類整理并進(jìn)行分析與評估，從而確定產(chǎn)品的可靠性。 2基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計框架 11zkq2015122211zkq20151222圖2.4可靠性數(shù)據(jù)分析流程圖Fig.2.4Theflowchartofreliabilitydataanalysis2.2.2可靠性設(shè)計準(zhǔn)則可靠性設(shè)計準(zhǔn)則是長期產(chǎn)品研制經(jīng)驗的概括和升華，針對企業(yè)產(chǎn)品的實際情況而制定的且能直接實施的可靠性設(shè)計要求細(xì)則和保證措施。在進(jìn)行功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須貫徹執(zhí)行可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，對于實現(xiàn)產(chǎn)品性能設(shè)計與可靠性設(shè)計的同步優(yōu)化、有效提高產(chǎn)品固有可靠性都具有重要的價值和意義。根據(jù)機械產(chǎn)品的可靠性要求，其常用到的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則有：簡化設(shè)計準(zhǔn)則、耐環(huán)境設(shè)計準(zhǔn)則、零部件、元器件及原材料的選擇與控制的準(zhǔn)則、安裝設(shè)計準(zhǔn)則和安全保護設(shè)計準(zhǔn)則等。一般應(yīng)在產(chǎn)品初步定型設(shè)計階段就依據(jù)可靠性設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計，可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的貫徹實施流程如圖2.5所示。圖2.5可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的貫徹實施流程圖Fig.2.5theimplementflow-processdiagramofreliabilitycriterion 12zkq2015122212zkq20151222在這里對以下幾種常用的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則簡單地加以說明：①簡化設(shè)計準(zhǔn)則：是指在以滿足產(chǎn)品設(shè)計要求為前提，通過盡可能的簡化設(shè)計方案，減少零部件的種類及數(shù)量，采取標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，減少非標(biāo)準(zhǔn)件是比例，來降低產(chǎn)品的維修工作量與成本的準(zhǔn)則。②耐環(huán)境設(shè)計準(zhǔn)則：是指通過在設(shè)計階段采取一系列的環(huán)境防護設(shè)計措施，來最大限度地降低振動、沖擊、潮濕、高低溫等惡劣環(huán)境對產(chǎn)品工作的影響。例如，在潮濕的工作環(huán)境下，可采取使用高可靠性的密封件、干燥劑等措施。③零部件、元器件和原材料的選擇與控制準(zhǔn)則：是指通過制定的具體詳細(xì)的采購標(biāo)準(zhǔn)和清單來控制零部件、元器件和原材料的質(zhì)量及可靠性，對于一些不太了解的外購件，可以通過可靠性試驗來評估和確定是否選用。④安裝設(shè)計準(zhǔn)則：是指按照安裝的位置及精度要求來連接和安裝零部件的準(zhǔn)則，對于一些容易出錯的地方，可以采取防錯設(shè)計結(jié)構(gòu)，從而避免錯誤不當(dāng)?shù)陌惭b。⑤安全保護設(shè)計準(zhǔn)則：是指通過采取一些降低產(chǎn)品風(fēng)險的措施來避免對人員及設(shè)備帶來的損傷的準(zhǔn)則。例如，對于一些確定有潛在危險的產(chǎn)品或機構(gòu)，可以設(shè)置自保護或報警裝置，或采取容限設(shè)計及余度技術(shù)等措施，以將危險程度降低到最小。2.2.3可靠性建模在設(shè)計初期，系統(tǒng)的可靠性預(yù)計與分配以及可靠性分析等工作均需以可靠性模型為前提，從而便于進(jìn)行設(shè)計評審、設(shè)計改進(jìn)及制定維修決策?？煽啃越Ｒ话闶遣捎每煽啃钥驁D或者數(shù)學(xué)模型，根據(jù)可靠性分析的需求和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點而建立，以用來描述系統(tǒng)與其組成單元的可靠性邏輯關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)、環(huán)境應(yīng)力條件及系統(tǒng)任務(wù)剖面產(chǎn)生巨大變化時，應(yīng)及時修正可靠性模型，這一點正對應(yīng)了圖2.3中由工程設(shè)計反饋到可靠性模型的虛線，通過反饋和修改模型，以給下一步的工作提供更為準(zhǔn)確的信息。可靠性框圖又包括任務(wù)可靠性框圖和結(jié)構(gòu)可靠性框圖，通常根據(jù)系統(tǒng)組成特點及功能原理建立邏輯圖；數(shù)學(xué)模型則是利用建立的關(guān)于可靠性與時間、事件及故障數(shù)據(jù)的函數(shù)關(guān)系式，來描述框圖中各方框的可靠性與系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系，求解模型得到的“解”即為系統(tǒng)可靠性預(yù)計值。采用可靠性數(shù)學(xué)模型時，一般要考慮系統(tǒng)可靠性試驗信息、系統(tǒng)組成、任務(wù)參數(shù)、工作環(huán)境、使用條件及其他相關(guān)因素，當(dāng)這些因素發(fā)生改變的時候也應(yīng)在模型中加以修正。對于數(shù)控機床產(chǎn)品，一般要求進(jìn)行整機的可靠性分析，首先要劃分系統(tǒng)，建立系統(tǒng)級的可靠性框圖模型，而各子系統(tǒng)之間的功能是相互獨立的且沒有冗余，只有各個子系統(tǒng)都正常工作，整機才能正常運轉(zhuǎn)。因此通常采取串聯(lián)模型作為數(shù) 2基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計框架 1313控機床的可靠性模型。2.2.4可靠性預(yù)計與分配基于建立的系統(tǒng)的可靠性模型，即可開展可靠性預(yù)計與分配工作。系統(tǒng)的可靠性預(yù)計與可靠性分配為兩個互逆過程，通過可靠性預(yù)計可找到設(shè)計的薄弱點、并提出有針對性地改進(jìn)措施，進(jìn)而確定最優(yōu)的設(shè)計方案，同時可靠性預(yù)計的數(shù)據(jù)可用作系統(tǒng)可靠性分配的依據(jù)，以保證分配精度。進(jìn)行可靠性分配時，通常按照系統(tǒng)可靠性要求，將系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配到各組成單元。為了保證系統(tǒng)的可靠度達(dá)到設(shè)計及使用要求，需要在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時反復(fù)地進(jìn)行可靠性預(yù)計和可靠性分配，并不斷地深化和改進(jìn)設(shè)計，直至分配到各約定層次上的可靠性指標(biāo)合理而有效?？煽啃灶A(yù)計與分配都需要基于可靠性建模而開展，但是二者本身并不能提升系統(tǒng)的固有可靠性，而是通過兩者的結(jié)合使用，找到產(chǎn)品設(shè)計的薄弱點并進(jìn)行循環(huán)改進(jìn)優(yōu)化之后，達(dá)到提升可靠性的效果。兩者之間存在著一一對應(yīng)，同時又截然不同的環(huán)節(jié)，兩者的對比關(guān)系見圖2.6。zkq20151222圖2.6可靠性預(yù)計與可靠性分配的關(guān)系Fig.2.6Therelationshipbetweenreliabilitypredictionandreliabilityallocation2.2.5可靠性分析故障模式、影響及危害性分析（FMECA）和故障樹分析（FTA）是機械產(chǎn)品最為常用的兩種可靠性分析工具，利用這兩種可靠性分析工具，可以找到產(chǎn)品可靠性的薄弱之處，并按照排序結(jié)果和有效的改進(jìn)措施來對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。故障樹分析法是通過一定的邏輯門及其他符號建立系統(tǒng)各故障事件之間的邏 1414輯樹圖，然后基于此樹圖進(jìn)行定量和定性的分析方法。通常首先選擇系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障事件作為頂事件，然后找到導(dǎo)致該事件的所有原因并計算相應(yīng)的發(fā)生概率。對故障樹自上而下地加以剖析直至最原始的直接因素（即基本事件），通過相應(yīng)的邏輯符號，將這些事件連接成倒立的樹狀圖形，通過最終的分析結(jié)果來指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計及維修決策[50]。而故障模式、影響及危害性分析則是以表格的形式來分析系統(tǒng)各約定層次的零部件的故障對系統(tǒng)局部或整體的影響，在全面分析后對各故障模式進(jìn)行風(fēng)險優(yōu)先排序，并提出改進(jìn)或補償措施，最后將分析的結(jié)果再反饋給產(chǎn)品設(shè)計人員進(jìn)行改進(jìn)。兩者聯(lián)合使用會使故障分析效果更好，并能保證系統(tǒng)可靠性分析的全面性和準(zhǔn)確性。對于數(shù)控機床產(chǎn)品的可靠性分析，一般先選擇典型型號或系統(tǒng)進(jìn)行FMECA，再對其中的關(guān)鍵故障事件開展FTA分析。FMECA的工作雖然比較繁瑣，但在產(chǎn)品的方案設(shè)計到工程研制階段仍需要反復(fù)的進(jìn)行，以在早期階段盡可能找到問題并進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計修正。本文將在后續(xù)章節(jié)中著重闡述該方面的內(nèi)容。2.2.6可靠性評審產(chǎn)品的可靠性評審?fù)ǔＰ枰让鞔_可靠性模型、可靠性指標(biāo)及產(chǎn)品試驗（含仿真、半實物仿真、實物試驗）數(shù)據(jù)等信息，然后采用概率統(tǒng)計方法，來評定產(chǎn)品的可靠性特征，最后找出產(chǎn)品設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，評審結(jié)果是設(shè)計改進(jìn)和工藝改進(jìn)的重要參考依據(jù)[51]。對于數(shù)控機床產(chǎn)品，一般按照J(rèn)B/T7517－1994《機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計評審》和GB7828—87《可靠性設(shè)計評審》等標(biāo)準(zhǔn)來開展評審工作；制定設(shè)計內(nèi)容的檢核表和設(shè)計評審檢核表進(jìn)行可靠性設(shè)計評審與檢查，主要內(nèi)容包括：可靠性建模報告評審、可靠性預(yù)計報告評審、可靠性分配報告評審、FMECA報告評審、FTA報告評審、一般件和關(guān)重件的可靠性設(shè)計流程和方法評審等。可靠性評審流程圖如圖2.7所示。圖2.7可靠性評審流程圖Fig.2.7Theflow-processdiagramofreliabilityreview 2基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計框架 電主軸金剛滾輪導(dǎo)軌滾珠絲杠副三相異步電機15電主軸金剛滾輪導(dǎo)軌滾珠絲杠副三相異步電機152.3可靠性設(shè)計框架的建立和運行案例本文以某型號數(shù)控外圓磨床的砂輪修整子系統(tǒng)為例，介紹圖2.2中的可靠性設(shè)計體系框架的運行流程。作為數(shù)控磨床的關(guān)鍵功能部件，砂輪修整子系統(tǒng)對于砂輪修整輪廓的精度甚至整機的加工質(zhì)量都有著重大的影響，必須保證其可靠的工作。在整個體系運行的過程中，需要企業(yè)的各個部門明確各自的職責(zé)，并接受管理部門實時的監(jiān)督和控制，同時還應(yīng)成立專門的可靠性評審專家小組，以保證可靠性設(shè)計體系運行的效果。①產(chǎn)品初步結(jié)構(gòu)性能分析在進(jìn)行產(chǎn)品前期調(diào)研及功能需求分析后，初步確定該型號數(shù)控外圓磨床配置的砂輪修整子系統(tǒng)，主要是由金剛滾輪、三相異步電機、電主軸、滾珠絲杠副和導(dǎo)軌五個組件部分組成。砂輪修整子系統(tǒng)的主要任務(wù)是對磨床砂輪進(jìn)行尺寸、形狀、幾何角度等進(jìn)行修整，以確保加工工件的加工質(zhì)量。②擬定可靠性體系框架運行的工作計劃1）目標(biāo)產(chǎn)品功能分析砂輪修整子系統(tǒng)中，金剛滾輪安裝在電主軸上，并隨著電主軸運轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠副控制其進(jìn)給運動。在砂輪工作的時候，能夠?qū)崟r的對砂輪進(jìn)行修整，對于低速磨削時，可在磨削工件前修整砂輪。2）確定總體的可靠性工作目標(biāo)和時間要求根據(jù)項目合同書的要求，確定數(shù)控磨床整機的可靠性設(shè)計指標(biāo)為：MTBF達(dá)到1500h，按照相似產(chǎn)品的分配比例，砂輪修整子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)要求為4000h。3）可靠性評估將前期收集的砂輪修整子系統(tǒng)所有相關(guān)的可靠性數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行篩選并提取出有效的數(shù)據(jù)，然后依照圖2.4所示的流程對其可靠性進(jìn)行分析與評估。4）可靠性建模首先需要繪制出分析對象的功能層次結(jié)構(gòu)對應(yīng)圖和任務(wù)可靠性框圖，并建立可靠性模型，以便進(jìn)行可靠性預(yù)計、分配及評估。通過軟件Isograph可以完成此項工作。在分析了砂輪修整子系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)后，建立如圖2.8所示的串聯(lián)的任務(wù)可靠性框圖。圖2.8砂輪修整子系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖Fig.2.8Themissionreliabilityblockdiagramofgrindingwheeltrimmingsubsystem 16165）可靠性預(yù)計與分配按照上述步驟得到的數(shù)據(jù)信息和可靠性模型，開展可靠性預(yù)計與分配，然后與可靠性指標(biāo)相對比檢驗，若不滿足設(shè)計要求，可以結(jié)合故障模式影響分析與故障樹分析技術(shù)確定設(shè)計的薄弱點，最后按照反饋回來的信息，改進(jìn)和完善工程設(shè)計?？山柚鶬sograph軟件完成此工作。6）故障模式影響及危害性分析（FMECA）和故障樹分析（FTA）a.故障模式分析結(jié)合對砂輪修整子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理的分析以及相關(guān)領(lǐng)域的專家經(jīng)驗，列出砂輪修整子系統(tǒng)所有可能的故障模式，如其中滾輪振動、滾珠絲杠運動不穩(wěn)定、滾珠絲杠運動反向誤差大、及滾輪破損這四項故障模式的比例占到了總故障的82%。b.故障原因分析接著對導(dǎo)致所列出的故障模式的原因進(jìn)行分析，然后提出設(shè)計、選材、加工、裝配、調(diào)試、使用和維護保養(yǎng)等各方面應(yīng)采取的具體補償措施，進(jìn)而提升砂輪修整子系統(tǒng)的可靠性。如分析導(dǎo)致滾輪振動的原因有：滾輪平衡不良、進(jìn)給速度與砂輪轉(zhuǎn)速不匹配、橫向進(jìn)給過大、砂輪主軸與軸承間隙過大等。c.故障影響分析全面考慮和分析砂輪修整子系統(tǒng)的故障模式對子系統(tǒng)及整機的安全性、任務(wù)成功性、維修性、設(shè)備完好性等方面的影響，并分別記錄到FMECA報告表格中。d.故障檢測方法分析在選擇故障檢測方法時，一般要結(jié)合系統(tǒng)具體的故障模式、故障原因、使用環(huán)境等情況來確定合適的方式。針對于砂輪修整子系統(tǒng)的故障診斷與檢測，多采用目視檢查、拆裝后檢測和儀器儀表檢測等方式。e.設(shè)計改進(jìn)與使用補償措施分析采用FMECA分析的最終目的，是通過整體分析后提出相應(yīng)的改進(jìn)與補償措施，從而便于故障的早期消除。例如對于滾輪振動這一故障，可采取調(diào)整機床的進(jìn)給速度和砂輪轉(zhuǎn)速讓兩者匹配；調(diào)整砂輪主軸與軸承的間隙；采用較好的金剛滾輪；機床運行前應(yīng)檢查和調(diào)節(jié)滾輪的平衡性等措施。f.危害性分析（CA）在完成FMEA分析后，可得到砂輪修整子系統(tǒng)所有可能的故障模式，然后對這些故障模式進(jìn)行危害性分析。考慮到機械產(chǎn)品故障率數(shù)據(jù)的匱乏，一般利用傳統(tǒng)的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)的大小來評判。g.故障模式危害度排序按照傳統(tǒng)的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)方法，得到砂輪修整子系統(tǒng)故障模式的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)值， 2基于數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)流程的可靠性設(shè)計框架 1717將其由大到小的順序進(jìn)行排序，數(shù)值越大的排在前面，表示危害度越大，應(yīng)該優(yōu)先采取措施進(jìn)行處理。h.輸出FMECA報告按照上述步驟進(jìn)行分析和記錄，即得到砂輪修整子系統(tǒng)的FMECA報告，然后再有針對性地進(jìn)行FTA分析。③反饋信息到工程設(shè)計在完成FMECA和FTA分析后，應(yīng)將定性與定量設(shè)計分析得到的結(jié)果信息反饋到工程設(shè)計，尤其是對于關(guān)鍵的零部件，應(yīng)針對薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)。對于一般性的零部件，常結(jié)合定性的可靠性設(shè)計與常規(guī)的機械設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計。而對于關(guān)鍵件的定量設(shè)計，需按照設(shè)計要求以及可靠性指標(biāo)要求的前提來進(jìn)行，在必要的時候還應(yīng)對其進(jìn)行應(yīng)力分析和熱力學(xué)分析，可以借助ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行。④電子元器件選擇要保障產(chǎn)品的可靠性，應(yīng)按照相關(guān)的選用原則及使用要求慎重選擇元器件，并嚴(yán)格控制零部件的質(zhì)量與可靠性。⑤結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和功能原理來進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計時，同時還應(yīng)遵循一定的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，常見的有：熱設(shè)計準(zhǔn)則、電磁兼容設(shè)計準(zhǔn)則以及“三防”設(shè)計準(zhǔn)則[6]等。⑥可靠性試驗在產(chǎn)品設(shè)計時對關(guān)鍵的功能部件進(jìn)行可靠性試驗，具有非常重要的價值有意義，一般要根據(jù)相應(yīng)的可靠性指標(biāo)要求、使用條件及應(yīng)力情況，選擇合適的可靠性試驗方案，并擬定相應(yīng)的可靠性試驗程序。對于運行試驗時發(fā)生的故障，可借助于Isograph軟件中Fracas功能模塊對其失效機理展開深入分析，提出相應(yīng)的有效地解決措施，并及時記錄入可靠性試驗報告，可靠性試驗的最終成果以可靠性設(shè)計手冊的形式來呈現(xiàn)。⑦可靠性評審在運行砂輪修整子系統(tǒng)的可靠性設(shè)計體系的各個環(huán)節(jié)，都需要根據(jù)可靠性評審的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行可靠性評審，以判定設(shè)計的成效，并且還應(yīng)有相應(yīng)的詳細(xì)的評審報告。⑧整理體系運行的成果，編制相應(yīng)的可靠性設(shè)計手冊，并補充更新可靠性數(shù)據(jù)庫。 18182.4章節(jié)小結(jié)可靠性設(shè)計體系框架是通過不斷深化和優(yōu)化可靠性設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計，以達(dá)到產(chǎn)品的功能設(shè)計、性能設(shè)計、精度設(shè)計以及可靠性設(shè)計的一體化的目的。該體系對于實現(xiàn)產(chǎn)品功能、性能和可靠性的同步優(yōu)化具有重要意義，不僅對于早期故障的消除起到了預(yù)防作用，同時還節(jié)約了產(chǎn)品的設(shè)計成本和保障了其安全性與可靠性。本章節(jié)在分析了產(chǎn)品的研發(fā)流程后，建立了可靠性設(shè)計體系框架，并對其中的主要內(nèi)容和關(guān)鍵設(shè)計與分析技術(shù)進(jìn)行了簡單的介紹，最后以數(shù)控磨床的砂輪修整器子系統(tǒng)為例演示了該體系框架的建立與運行。在后續(xù)的第三、第四、第五章節(jié)將繼續(xù)對該體系框架中的可靠性預(yù)計、可靠性分配及可靠性分析等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)地介紹。 3數(shù)控機床可靠性預(yù)計模型及技術(shù)研究 19193數(shù)控機床可靠性預(yù)計模型及技術(shù)研究3.1引言可靠性預(yù)計指的是在產(chǎn)品制造和試驗之前做出設(shè)計決策的一種設(shè)計分析方法?？煽啃灶A(yù)計的結(jié)果提供產(chǎn)品的可靠性度量值，然后與總體的可靠性指標(biāo)相比較，來初步?jīng)Q定設(shè)計方案是否滿足可靠性要求。在早期研制階段，通過可靠性預(yù)計可協(xié)助設(shè)計人員找出設(shè)計中主要的可靠性缺陷，進(jìn)而作為產(chǎn)品改進(jìn)或設(shè)計更改的參考依據(jù)。可靠性預(yù)計的工作通常需要結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)過程反復(fù)進(jìn)行，并隨著可用、可信信息的增加，不斷去改進(jìn)設(shè)計，并逐步提高可靠性預(yù)計的準(zhǔn)確性。已有經(jīng)驗表明，在早期產(chǎn)品設(shè)計階段就進(jìn)行可靠性預(yù)計是最為經(jīng)濟、并且也是最有效的舉措。在進(jìn)行可靠性預(yù)計與分配前首先應(yīng)建立系統(tǒng)的可靠性模型，然后利用產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)功能特點及其他已有的信息和數(shù)據(jù)來建立相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式，進(jìn)而對產(chǎn)品的可靠度進(jìn)行預(yù)計?？煽啃灶A(yù)計工作通常應(yīng)貫穿于整個設(shè)計過程，其對于保證產(chǎn)品的可靠性有著十分重要的影響。但是在早期研發(fā)階段，可靠性數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，同時影響可靠性的因素也較復(fù)雜且具有很強的模糊性，這些因素都加大了可靠性預(yù)計的難度。國內(nèi)如數(shù)控機床這類機械產(chǎn)品的可靠性研究起步較晚，在故障數(shù)據(jù)積累方面又極為缺乏且缺乏電子可靠性領(lǐng)域的成熟、系統(tǒng)的方法和理論，因此要處理這類模糊不確定性問題是十分困難的，應(yīng)尋求一種解決模糊預(yù)計問題的專門方法和模型。近年來,GO法憑借其在多狀態(tài)、有時序的系統(tǒng)，特別是在有實際物流、信息和能量流動的過程系統(tǒng)的可靠性分析上的絕對優(yōu)勢，而被廣泛采用。GO法是一種圖形化的系統(tǒng)可靠性建模和分析方法，一般先進(jìn)行系統(tǒng)分析并建立對應(yīng)的可視化模型，稱為GO圖；然后基于GO圖模型對系統(tǒng)進(jìn)行定性及定量的可靠性分析。GO法能利用相應(yīng)的符號，將系統(tǒng)的原理圖、工程圖或流程圖按照一定規(guī)則翻譯成GO圖，其中GO符號可以表示出具體的部件或組件之間的邏輯關(guān)系，如此就建立起系統(tǒng)的動態(tài)可靠性分析模型。本章結(jié)合數(shù)控機床的特點及Vague集的優(yōu)點，首先建立機床系統(tǒng)級的GO圖，然后提出了一種基于Vague集的模糊預(yù)計方法，并運用于工程實踐，以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計決策。 20203.2可靠性預(yù)計概述3.2.1系統(tǒng)可靠性預(yù)計的目的可靠性預(yù)計是通過綜合統(tǒng)計低層次產(chǎn)品（如零部件或元器件）的可靠性數(shù)據(jù)信息，來依次求出高層次產(chǎn)品（如整機、子系統(tǒng)直至系統(tǒng)）的可靠度。其目的在于預(yù)估子系統(tǒng)、系統(tǒng)以及整機的可靠度，并初步判定系統(tǒng)的設(shè)計方案是否合理和滿足設(shè)計要求。但是，預(yù)計值一般不應(yīng)作為產(chǎn)品是否達(dá)到可靠性要求的判斷依據(jù)，有代表性的試驗結(jié)果才是確定系統(tǒng)是否滿足規(guī)定可靠性要求的依據(jù)。在早期設(shè)計和研制階段中，可靠性預(yù)計的主要目的是進(jìn)行可行性評價和各種備選方案的配置的比較，為在設(shè)計評審過程中發(fā)現(xiàn)潛在問題，制定后續(xù)保障計劃，進(jìn)行費用分析、權(quán)衡決策和可靠性分配工作提供參考依據(jù)。此外，還可作為可靠性增長試驗及鑒定試驗的故障判據(jù)。3.2.2可靠性預(yù)計的分類可靠性預(yù)計一般可劃分為以下三類：第一類是可行性預(yù)計。在系統(tǒng)的初步設(shè)計階段時用來描述系統(tǒng)的總體可靠性情況。第二類是初步設(shè)計預(yù)計。它用于詳細(xì)設(shè)計階段的初期，此時配置的設(shè)計信息是工程圖和草圖。可利用的詳細(xì)信息為零部件一覽表，而沒有可利用的應(yīng)力分析信息，然后結(jié)合這些信息開展可靠性預(yù)計工作。第三類為詳細(xì)設(shè)計預(yù)計。它是在設(shè)計中后期以圖紙的形式規(guī)定系統(tǒng)所需的零部件、材料和工藝過程。此時可根據(jù)各零件已知的可靠度來預(yù)計系統(tǒng)的可靠度。此外，可靠性預(yù)計還可劃分為基本可靠性預(yù)計與任務(wù)可靠性預(yù)計。前者需要預(yù)計由于不可靠的系統(tǒng)將會給維修和后勤保障所帶來的損失，后者則用于估計系統(tǒng)實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的設(shè)計能力。3.2.3常用的可靠性預(yù)計方法常用的可靠性預(yù)計方法有：數(shù)學(xué)模型法、相似產(chǎn)品法、專家評分預(yù)計法、上下界限法、蒙特卡羅法、修正系數(shù)法、故障率預(yù)計法以及性能參數(shù)法[52]等。在進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性預(yù)計時，可根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能特點、相關(guān)的可靠性數(shù)據(jù)信息等來選擇合適的可靠性預(yù)計方法。這里將常見的可靠性預(yù)計方法、特點及其適用范圍匯總成表，如表3.1所示。 3數(shù)控機床可靠性預(yù)計模型及技術(shù)研究 21適用于具有相似結(jié)構(gòu)或相同功能原理的產(chǎn)品研制的任何階段。對于詳細(xì)設(shè)計階段無法用數(shù)學(xué)模型法來求解的復(fù)雜系統(tǒng)21適用于具有相似結(jié)構(gòu)或相同功能原理的產(chǎn)品研制的任何階段。對于詳細(xì)設(shè)計階段無法用數(shù)學(xué)模型法來求解的復(fù)雜系統(tǒng)尤為適用。適用于子單元可靠度已知且無法建立通用預(yù)計模型的復(fù)雜系統(tǒng)的可靠度預(yù)計。表3.1常用可靠性預(yù)計方法介紹Table3.1Thedescriptionofthereliabilitypredictionmethods常用可靠性預(yù)計方法 特點 適用范圍數(shù)學(xué)模型法

根據(jù)系統(tǒng)特點建立可靠性模型，將各子系統(tǒng)可靠度預(yù)計值代入其中，從而預(yù)計整體的可靠度。

適用于能夠準(zhǔn)確預(yù)計出各子系統(tǒng)的可靠度的情況。根據(jù)收集到的相似且成熟的產(chǎn)品相似產(chǎn)品法

的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來預(yù)估新產(chǎn)品的可靠性。依靠專家的工程和技術(shù)經(jīng)驗，對選定的因素進(jìn)行評分。然后按所得的專家評分預(yù)計法

評分系數(shù)以及已知單元的故障率，依次計算出其它單元的可靠度指標(biāo)值。

適用于機械系統(tǒng)設(shè)計的初期該法沒有成形的數(shù)學(xué)模型和公式，界限法

是通過計算系統(tǒng)可靠度的上下限值作為其初步的可靠度。是基于概率和數(shù)理統(tǒng)計的一種數(shù)蒙特卡羅法

學(xué)模擬近似方法，通過隨機抽樣和系統(tǒng)的可靠性框圖，并利用計算機進(jìn)行模擬計算出系統(tǒng)的可靠度。修正系數(shù)法

將機械產(chǎn)品分解到子系統(tǒng)級、零部件級，根據(jù)通用的基礎(chǔ)零件建立可靠性預(yù)計模型。

適用于系統(tǒng)設(shè)計、適用參數(shù)及相關(guān)可靠性數(shù)據(jù)已知的情況利用得到的一些經(jīng)驗公式及系數(shù)、性能參數(shù)法

初步確定的系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)來進(jìn)行系統(tǒng)可靠性的預(yù)計。

適用于產(chǎn)品的初步設(shè)計階段在零部件信息（如數(shù)量、故障率、環(huán)境應(yīng)力等信息）及系統(tǒng)的原理圖故障率預(yù)計法

和結(jié)構(gòu)圖均已確定時，建立系統(tǒng)可靠性模型，代入零部件的故障率，從而預(yù)計出系統(tǒng)的故障率。

適用于產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計階段3.2.4可靠性預(yù)計的程序及注意事項進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性預(yù)計時，有以下幾項需特別注意：①可靠性預(yù)計工作應(yīng)分級盡早進(jìn)行，以有助于盡早發(fā)現(xiàn)沒有達(dá)標(biāo)的級并采取必要的措施加以改進(jìn)。②可靠性預(yù)計工作在系統(tǒng)研制的各個階段應(yīng)反復(fù)進(jìn)行，雖然在初期只能粗略地預(yù)計，但隨著設(shè)計工作的深入、可靠性模型的細(xì)化以及可靠性要求的不斷調(diào)整，可靠性預(yù)計值也就越精確。 2222③確?？煽啃灶A(yù)計的精度:1）要首先明確系統(tǒng)定義和故障的定義；2）要保證所建立可靠性模型的準(zhǔn)確性；3）要注意所用數(shù)據(jù)的精確性。④確?？煽啃灶A(yù)計值大于穩(wěn)定期時的目標(biāo)值。3.3基于Vague集的數(shù)控磨床可靠性預(yù)計方法由于數(shù)控機床產(chǎn)品設(shè)計初期，相關(guān)的可靠性數(shù)據(jù)和客觀決策信息嚴(yán)重缺乏，使得數(shù)控機床的可靠性預(yù)計非常困難。常用的可靠性預(yù)計方法并不適用，因此針對數(shù)控機床的模糊預(yù)計問題，提出了一種基于Vague集的模糊預(yù)計方法以便于在工程實踐中采用并為產(chǎn)品的設(shè)計決策提供了參考依據(jù)，可靠性預(yù)計流程如圖3.1所示：圖3.1數(shù)控機床可靠性預(yù)計流程圖Fig.3.1FlowchartforreliabilitypredictionofNCmachinetools3.3.1Vague集合論簡介1993年由Gau和Buehrer首次推出了一種新的處理模糊信息的集合理論——Vague集[53]，也是對模糊集概念的推廣。其本質(zhì)在于利用一個真隸屬函數(shù)和一個假隸屬函數(shù)來分別表征支持與反對的證據(jù)。其基本特點是可以用直觀的“表決模型”來解釋，因而決策結(jié)果能較好地符合人的直覺。自Vague集的概念產(chǎn)生以來，一些學(xué)者將其應(yīng)用于控制、故障診斷及決策等方面的研究[54]，但目前仍在起步階段，理論研究也有待進(jìn)一步研究成熟。①Vague集的定義定義Ⅰ：設(shè)論域為X，xX，則論域上的Vague集A?采用真假隸屬函數(shù)tA(x) 3數(shù)控機床可靠性預(yù)計模型及技術(shù)研究 23tx,-fx 23tx,-fx （3.1）?A ,xX x1和fA(x)所表征，tA(x):X[0,1]，fA(x):X[0,1]。其中tA(x)是根據(jù)支持x的證據(jù)而導(dǎo)出的x隸屬度的下界，fA(x)則是從反對x的證據(jù)而導(dǎo)出的x非隸屬度的下界，且tA(x)fA(x)1。Vague集A?的表示方法類似于模糊集。當(dāng)論域為有限集Xx1,x2,,xn時，論域上的Vague集A?可表示為一種區(qū)間值集：n[A(i)1A(i)]i i記論域X上的x對Vague集A?的隸屬度（簡稱為x的Vague隸屬度）為A?[tA(xi),1fA(xi)]。關(guān)于x的不確定性可以用差值V[1fx(x)tx(x)]來表征。若該差值大，表示對x知道得少；若該差值小，則說明比較準(zhǔn)確地知道x；若差值為0，則能明確地知道x，Vague集A?便退化為論域X上的模糊集；若tx(x)和1fx(x)同時為1或0，則此時x是確定的，Vague集A?便退化為普通集。②Vague集的特點雖然在解決模糊問題時，模糊集和Vague集都很實用，且兩者的隸屬函數(shù)都只能由統(tǒng)計結(jié)果與專家經(jīng)驗來確定，但兩者還是有較大的區(qū)別。前者的隸屬度是一個單值，只能表征對一個研究對象的支持度和反對度，而后者的隸屬度則是[0,1]上的一個子區(qū)間，能夠表示對研究對象的支持程度、反對程度以及未知度三種信息。因此，Vague集可以更方便、更直觀、更準(zhǔn)確地表達(dá)模糊信息。③Vague集的性質(zhì)[55]設(shè)A?和B?是論域X上的兩個Vague集，其中，A?的真假隸屬函數(shù)分別為：tA(x)和fA(x)，B?的真假隸屬函數(shù)分別是tB(x)和fB(x)，則有：定義Ⅱ：兩個Vague集A?和B?的并集為Vague集C?，記為C?A?B?，設(shè)C?的真假隸屬函數(shù)分別為：tC(x)和fC(x)，則有：tC(x)max(tA(x),tB(x)) （3.2）1fC(x)1min(fA(x),fB(x)) （3.3）定義Ⅲ：兩個Vague集A?和B?的交集為Vague集C?，記為C?A?B?，設(shè)C?的真假隸屬函數(shù)分別為：tC(x)和fC(x)，則有：tC(x)min(tA(x),tB(x)) （3.4）1fC(x)1max(fA(x),fB(x)) （3.5）定義Ⅳ：設(shè)A?[tA(x),1fA(x)]，()[0,1]tAx ，fA(x)[0,1]，() ()1tAxfAx，則函數(shù)D(x)=tA(x)+[1-tA(x)-fA(x)] （3.6）稱為元素x的滿意度函數(shù)，代表傾向性因子。 24n n(0) () 24n n(0) () ()RPP PiPiSSS S C1 1i i 當(dāng)0時，D(x)tA(x)，即棄權(quán)者在必須明確表態(tài)時，都傾向于去改投反對票；當(dāng)0.5時，滿意度函數(shù)D(x)就是閉區(qū)間[tA(x),1fA(x)]的平均值，即棄權(quán)者在必須明確表態(tài)時，一半傾向改投贊成票，而另一半傾向改投反對票；當(dāng)1時，滿意度函數(shù)D(x)1fA(x)，棄權(quán)者在必須明確表態(tài)時都傾向改投贊成票。由此可見，傾向性因子越大，說明棄權(quán)者在必須明確表態(tài)時改投贊成票的傾向性越大。原則上講，傾向性因子可以由決策者給出，也可根據(jù)實際情況而定。3.3.2構(gòu)建數(shù)控機床系統(tǒng)級GO圖模型在進(jìn)行數(shù)控機床系統(tǒng)的可靠性預(yù)計之前，首先要建立表征各子系統(tǒng)之間的關(guān)系的可靠性模型，然后根據(jù)求得的各子系統(tǒng)的可靠度預(yù)計值，進(jìn)而得出整機的可靠度。根據(jù)GO法原理[56]，采用GO圖來表示子系統(tǒng)及整機之間的關(guān)系并進(jìn)行可靠性分析[57]，用類型5操作符表示系統(tǒng)的輸入信號，用類型6操作符表示有信號導(dǎo)通的各子系統(tǒng)，信號流連接各操作符即生成GO圖，如圖3.2所示。圖3.2系統(tǒng)級GO圖模型Fig.3.1TheGOMethodchartmodelofCNCGrindingmachinesystems建立數(shù)控機床系統(tǒng)級的可靠度表達(dá)式為： （3.7）式中PS(0)為系統(tǒng)輸入的可靠度；PC(i)為各個子系統(tǒng)的可靠度；PS(i)為控制信號的狀態(tài)值。n為子系統(tǒng)的數(shù)目。3.3.3建立基于Vague集的可靠性預(yù)計模型結(jié)合Vague集的定義有：A?(x)[tA(x),1fA(x)]，A?(x)[0,1]?；赩ague集的可靠性模糊綜合預(yù)計過程如下。①確定可靠度的影響因素集對于數(shù)控機床的可靠性預(yù)計，主要考慮設(shè)計、試驗、制造和維修4個因素，對于具體的研究對象，也可增減相應(yīng)的影響因素，當(dāng)影響因素還可以細(xì)分的時候，應(yīng)采用多級模糊預(yù)計方法。這里確定數(shù)控機床可靠性預(yù)計的影響因素集如下：U{設(shè)計，試驗，制造，維修}={u1,u2,u3,u4}②建立因素的權(quán)重集因素的權(quán)重實質(zhì)上只是表示影響因素在評判時的相對重要程度，設(shè)影響因素 3數(shù)控機床可靠性預(yù)計模型及技術(shù)研究 i25k ki ijj ijj ji25k ki ijj ijj jz Dx D 1 1nwz zi i1i的權(quán)重集為：W(w1,w2,w3,w4)1）設(shè)置賦權(quán)的評分等級及其基準(zhǔn)分值，設(shè)評分等級集為:Xx1,x2,,xk式中：xj為第j個評分等級的基準(zhǔn)分值。因素的權(quán)重由m位專家按照表決模型綜合投票決定，用Vague值表示。因素ui的權(quán)重屬于評分等級xi的可能范圍表示為：P?ij[tij,1fij];ij （3.8）式中：i1,2,,n；j1,2,,k；ij為棄權(quán)者會改投贊成票的可能性，稱為傾向性因子。2)計算P?ij的滿意度，即估算P?ij所表征的模糊隸屬度，得到其估算值Dij(x)：Dij(x)=tij(x)+ij[1-tij(x)-fij(x)] （3.9）3)計算因素的基本權(quán)重。為了綜合考慮專家的決策信息，利用加權(quán)平均法來確定基本權(quán)重，將得到的估算值Dij(x)作為權(quán)數(shù)，把對各個評分等級xj進(jìn)行加權(quán)平均的值作為因素的基本權(quán)重，則因素ui的基本權(quán)重為： （3.10）4）將所得的基本權(quán)重進(jìn)行歸一化處理，即可得到權(quán)重向量W(w1,w2,,wn)： （3.11）因為模糊集是Vague集的一個特例，故權(quán)重也可以記為：W?(w1,w2,,wn)。③建立備擇集備擇域包含子系統(tǒng)可能具備的可靠度范圍，因而備擇集是由子系統(tǒng)可能具備的可靠度所組成的集合。粗略地估算預(yù)計對象可能具備的可靠度范圍，以此范圍為備擇域，將連續(xù)的備擇域離散化為m個值，把這些離散值確定為備擇元素，得到備擇集：Vv1,v2,,vm④綜合評判綜合評判時，專家需要針對每個類因素中的各個子因素，就預(yù)計對象是否取備擇元素vj的情況實行投票表決，得到相應(yīng)的隸屬度后，影響因素子集與備擇集之間的關(guān)系由Vague關(guān)系變?yōu)槟：P(guān)系。令對因素ui進(jìn)行評判時的預(yù)計對象屬于備擇元素vj的隸屬度是： 26 i 26 i i imi i im1111 12122 2Riip ip ipm1 1k k()Pi bv b C ijj ijj j1 1rij(i1,2,3,4;j1,2,,m)則評判矩陣為：r r rr r r

（3.12）r r r然后進(jìn)行模糊綜合評判，采用加權(quán)平均算法得到：BWR(b1,b2,,bm) （3.13）再對綜合評判指標(biāo)采取加權(quán)平均方式處理，從而得到系統(tǒng)可靠度的預(yù)計值： （3.14）按照以上步驟操作，將得到各子系統(tǒng)可靠度的預(yù)計值代入公式（3.7）中，即