数控加工中心液压系统模糊故障树分析.pdf

2 0 1 0年 9月 第 3 8卷 第 1 7 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS S e p ． 2 01 0 V0 l _ 3 8 No ．1 7 D OI t O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 7 ． 0 4 1 数控加工中心液压系统模糊故障树分析 张艳 丽 ，高佩川。 ，袁 勤 1 ．南京工程 学院先进制造技术Z - 程 中心，江苏南京 2 1 1 1 6 7 ； 2 ．南京工程学院机械工程学院，江苏南京 2 1 1 1 6 7 摘要以某数控加工中心液压系统典型故障为例，将模糊集理论与故障树分析相结合，将故障树中底事件的发生概率 描述为模糊数 ，通过模糊数的运算规则求出顶事件故障概率的可能分布，结果较为符合实际情况。 关键词 模糊 ；故障树 ；数控加工中心 ；液压系统 中图分类号T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 71 3 8 3 Th e Fu z z y Fa ul t Tr e e An a l y s i s o f t he Hy d r a u l i c S y s t e m o f a CNC M a c h i n i n g Ce n t e r Z HANG Y a n l i ．G A0 P e i c h u a n ．YUA N Q i n 1 ． C e n t r e o f A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ， N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 1 6 7 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 1 6 7 ，C h i n a A b s t r a c t T h e f u z z y t h e o r y a n d f a u l t t r e e a n a l y s i s F T Ame t h o d w e r e c o m b i n e d t o a n a l y s e t h e f a i l u r e p r o b a b il i t y o f t o p e v e n t o f t h e Fr A．Th e r e p r e s e n t a t i v e f a u l t o f t h e hy dr a u l i c s y s t e m o f a CNC ma c hi n i n g c e n t e r wa s u s e d a s a n e x a mp l e t o o b t a i n t h e l i k e l i h o o d di s t r i b ut i o n o f t he pr o b a b i l i t y ba s e d o n t h e f uz z i n e s s o f t h e b o t t o m e v e n t s ．Th e r e s ul t i s we l l a c c o r d a n t wi t h t h e r e a l i t y ． Ke y wo r d s F u z z i n e s s ；F a a h t r e e ；C NC ma c h i n i n g c e n t e r ；Hy d r a u l i c s y s t e m 国产数控机床市场 占有率低的主要原 因是产品的 可靠性差 ，数控机床在使用过程中经 常出现故障 ，造 成产 品质量下降 ，废品率上 升 ；设备不 能继续 运行 ， 使连续生产系统无法正常工作 ；若设备 出现故障而未 能及时发现和排 除 ，结果不仅导致机床损坏 ，而且可 能导致其他严重后果 。 故障树分析法 F T A是分析大型复杂系统的安 全性和可靠性 的有效工具 。传统的故障树分析 以布 尔代数和概率论为基础 ，故障树以 “ 事件 ” 和 “ 门” 组成 ，底事件的发生概率用精确值表示 ，并不完全确 切 1 因为零部件故 障不完全是 由客观不确定 因 素造成 ，有的是 由于人为失误 、设计经验不足所导致 的 ； 2 对 于连续生产且 相对故障频率不 高的系统 ， 为获取大量统计数据而对其进行长期 的、破坏性试验 非 常困难 ，甚至是不可能的。 作者以某数控加工 中心 液压系统 典型故 障为例 ， 将模糊集理论与故障树分析相结合，将底事件的发生 概率描述为模糊数，通过模糊数的运算规则求出顶事 件故障概率 的可能分布。 1 故障树的建立 该加工中心为立式加工中心，利用液压系统传动功 率大 、 效率高、运行安全可靠 的优点 ，在该加工中心中 主要实现链式刀库的刀链驱动、主轴箱的配置、刀具的 安装和主轴高低速的转换等 。整个液压系统采用变量叶 片泵为系统提供压力 油，并在泵后设置止 回阀用于减小 由于系统断电或其他故障造成的液压泵压力突降对系统 的影响，避免机械部件的冲击损坏。压力开关 3 用 以检 测液压系统的状态 ，如压力达到预定值 ，则发出液压系 统压力正常 的信号 ，该信号作为 C N C系统开启 后 P L C 高级报警程序 自检的首要检测对象。 LS1 、LS2 、LS 3 、LS 4 一行 程 开 关 图 1 V P 1 0 5 0加工中心 的液压系统工作 原理 图 根据 该液 压 系 统 的工 作 原理 ，作 者 以 “ G 0 0 1 压力开关 3无信号 ，P L C自检 发出报警信号 ，整个数 控系统的动 作无 响应 ”作 为顶事 件建立 故 障树 ，如 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 0 5 作者简介张艳丽 1 9 7 2 一 ，女 ，博士，副教授 ，研究方 向为机械设备可靠性分析 。电话 1 3 8 0 5 1 7 7 6 9 0，E m a i l y l z h n j i t ． e d u ． o n 。 第 l 7期 张艳丽 等数控加工中心液压系统模糊故障树分析 1 3 9 图 2所示 。 图 2 某加工 中心液压 系统故 障树 由图 2可得该 液压系统故障树的结构 函数为 G0 0 1BO OlG1 01B0 1 3 G1 0 lG2 0l 2 0 2G2 0 3G2 0 4 G2 0 1B0 0 2B O O 3 G2 0 2B 0 0 4B 0 0 5B 0 0 6 G 2 0 3B 0 0 7B O 0 8 G2 0 4B0 0 9 B OI O B O1 1 B01 2 化简得 G0 o 1B O 01B 0 0 2B 0 o 3B 0 O 4B x 5B 0 0 6 B 0 0 7B O O 8B 0 0 9 B 0 1 0 B O 1 1 B 0 1 2B 0 1 3 1 从而可得到该故 障树 的 1 2个最小割集 ，即 { B O O 1 } 、{ B O O 2} 、{ B O O 3} 、{ B O O 4} 、{ B O O 5} 、 { B O O 6} 、 { B 0 0 7} 、 { B 0 0 8} 、 { B 0 0 9} 、 { B O 1 0 B O 1 1 } 、{ B 0 1 2 } 、 { B 0 1 3 } 。这 l 2个割集构成 了该故 障树顶事件 的薄弱环节 。 表 1 结果事件表 代码 结果事件名称 c o o 黜 信号 G 1 0 1 支路故障 G 2 0 1 刀链驱动支路故障 G 2 0 2 主轴箱配重支路故障 G 2 0 3 松刀缸支路故障 G 2 0 3 主轴变速支路故障 2模糊 故 障树分 析方 法 故 障树 的定 量分析 主要是 计算或估计顶事件的发 生概率 。当故 障事件 的发生概 率信息 较少 ，给定量分 析带来困难 ，为此 ，引用模糊数学理论将故障树故障 事 件的发生概率用一个模糊数来 表示 ，通过模糊数的 运算来估计顶事件 的故 障概率 。 2 ． 1 故 障树 分析 主要 步骤 模糊故 障树 分析方 法流程 图如图 3所示 。 故 障树 建造 及 其定 性 分析 底 事 件分 类 精确获得 底 J J 各种模糊数、语言 事件故障概率 I f 值描述的 故障 概 率 归 一化 为 梯形 模糊 数 利用 顶 事件 结 构函 数 ，结合 梯 形模 糊 数算 术运 算 求得 顶事 件故 障 概率 图 3 模糊故 障树分析方 法流程图 2 ． 2模 糊数 及其 归一化 作 者 使 用 语 言 1 ． 0 值 集合 { 非常低 ， 。 低 ，比较低 ，中等 ，宣0 ． 4 比 较 高，高，非 常 0 L L } L M FH H H 高 } {V L ， L ， o 0 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 0 7 0 ． 8 0 ． 9 l 0 FL，M ， F H 。H 、 V H}来 表示“ 故 障 图4 代表模糊语言的模糊数 概率” 的语言评价，语言值可用模糊数来近似表示 ，结 合液压系统的特点及专家经验 ，选用的代表语言值的模 糊数如图 4 所示 ， 其归一化方法见文献[ 5 ] 。 通过各 种途径获得的故障事件的发生概率有多种 形式 ，包括 精确发生 概率值 、语 言值 及各种 模糊数 。 为了便于故障树分析，应将它们归一为一种形式。由 于梯形模糊数 为线性隶属函数，其代数运算较为简 单 ，其他形 式的模糊 数也很 容易转 化 为梯形模 糊数 ， 且梯形模糊 数直 观 、实际 ，因此作者采用梯形模糊数 进行研究 。 1 精确概率值 对 于精 确 概 率值 P ，可 将其 转 化 为 梯 形模 糊 数 P，P，P，P 。 2 三角模糊数 对 于三角模糊值 a ，m，b ，可将其 转化为 梯形模糊数 6 t ，I“n ，m，b 。 3 语言值 对于语 言值 ，可根据语言值对应 的隶属 函数转化 为相应 的梯 形 模 糊 数 ，如 对 应 故 障概 率 “ 比较 低 F L ” ，从 图 3可以看 出 ，其梯形模糊数 为 0 ． 2 ，0 ． 3，0 ． 4，0 ． 5 2 ． 3梯 形模 糊 数 的代数 运 算 假设 梯 形 模 糊 数 和 分别 用 。 。 ，b ，c ， d 。 和 o ，b ，c ，d 表示 ，可 得梯 形模 糊数 和 的代数运算法则如下 。 1 加法 ① n ， b ， ， c l ， d 1 ① 。 2 ， b 2 ， c 2 ， d 2 。 la 2 ， b lb 2 ， C lc 2 ， d Jd 2 2 1 4 0 第 3 8卷 2减 法 0 』 ， b } ， c l ， d 1 O n 2 ， b 2 ， ’ ， d n l n 2 ， b 】 一6 3 ， C 1一c ， d Jd 2 3 乘法 “ ， b ， c ， d ⑧ n ， b ． C ， d n ． n 2 ， b ． b ， c ， d ． d 4 2 ． 4顶事件发生概率的确定 根据模糊数 归一化方法‘ ，结 合实际绎验 、人为 估算和资料数据 ，得到各 底事件发生概率评价结果及 其归一化结果如表 2所示 。 表 2 底事件发生概率 由于各底事件相互独立 ，则顶事件发生的概率可 根据梯形模糊数运算 法则 中的 “ 或” 门 、“ 与” 门算 子计算得到 。经计算 过程 略 ，可得 顶事件发生概 率的模糊数为 ， 0 ． 0 0 6 6 7 2 ，0 ． 0 1 0 7 2 ，0 ． 0 2 0 7 6，0 ． 0 3 8 9 由此可知顶事件模糊概率仍可用梯形模糊数来近 似表示 。显然 ，其结 果 可 以解 释 为 “ 顶 事件 的发 生 概率在 0 ． 0 0 6 6 7 2和 0 ． 0 3 8 9之 问 ，但顶事 件 的发 生 概率在 0 ． 0 1 0 7 2和 0 ， 0 2 0 7 6之 间的可 能性最 大 ，其 隶属 度 为 1 ，即 可 认 为 顶 事 件 的 发 生 概 率 大 约 在 0 ． 0 1 0 7 2和 0 ． 0 2 0 7 6之 间。顶事件 发生概率 的 这 种 模糊性 是 由 底 事 件 发 生 概 率 的 模 糊 性 所 决 定 的 ， 保 留这 种模 糊性 的描述 更能 反映事 物 的本质 。 3结束语 在液压可靠性工程中 ，经 常需要通过故障树估计 液压系统发 生故障 的概率 ，但故障树基本事 件的发生 概率难以精 确确定 。模糊性是故障树分析中客观存在 的问题 ，把模糊集 合论 引入故障树分析中 ，使用多种 模糊数 、语言值和精确概率值表 示事件 的发生概 率 ， 可以综合人类知识 和现有可靠性数据信息 、 ，实现故障 树的定量 分析 ，得 出液压 系统 发生故 障 的概率 区 间 值 ，具有较大的灵活性和适 直性 。通过对某 数控加工 中心液压系统的定量分析 ，为实现液压系统 的故 障树 分析 、估计 和评价提供了理论依据 。 参 考文献 【 1 】张英芝， 申桂香， 薛玉霞， 等． 数控车床主轴箱模糊故障 树 分析 [ J ． 占林大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 6 s 2 6 5 6 8 ． 【 2 】李世班， 房玉胜， 李安． 数控饥床液压与气动系统的故障 诊断[ J ] ． 现代零部件 ， 2 0 0 6 1 1 8 68 8 ． 【 3 】姚成玉， 赵静一． 液压系统模糊故障树分析方法研究 [ J j ． 中闭机械工氍， 2 0 0 7 ， 1 8 1 4 1 6 5 61 6 5 9 ， 1 6 7 5 ． 【 4 】李浩， 杨今云． 故障树分析法在数控加Ⅲ 1 中心故障诊断 巾的应用[ J ] ． 机床 电器 ， 2 0 0 6 3 1 8 2 0 ． 【 5 】梁新7 ， 吴淑皇， 石庆喜． 梯形模糊 果图及归一化研究 [ J ] ． 计算机科学 ， 2 0 0 6 ． 3 3 1 2 1 8 31 8 6 ． 专 利 信 息 专 利名称 横向与纵 向垂直 自动凋整装置 专利 申请号 C N 2 0 0 9 1 0 0 1 1 8 0 9 ． 3 公开号 C N 1 0 1 5 5 9 5 6 0 申请 日2 0 0 9 ． 0 6 ． O 1 公开 日2 0 0 9 ． 1 0 ． 2 1 申请人 大连华锐重工数控设备有 限公 司；大连华锐 股份有限公 司 该发 明属 于切割机 中的装配部 件 ，特别 涉及适 用于采用 双侧滑动导 向的一 种横 向与纵 向垂 直 自动 调整装置 ；其 特征在于 其横 粱采 用 拉拔成 形 的横 梁 ，从动 台车与横梁一端 为刚性 连 接 ，主 动 台车与 横 梁另一端装设 由转轴 、滚 动轴 承 、主动 连接板 和 碟 簧组成 的横 向与纵 向垂 直 自动调 整装 置 ，所述 的 从动 台车与横梁 的刚性 连 接是在 横梁 底面 连接从 动 连接板 ，从动连接板连 接从 动 台车。该 发 明不 仅设 计合理 ，结构紧凑 ，既运 行平稳 、可靠便 于安 装制 造 ，又调 整方 便 ，而且 具有 外形 美观 ，成 本低 廉 以 及使用十 分方 便等优点 王元荪供 稿