基于可拓学理论的数控机床可靠性评价研究.pdf

第 3期 2 0 1 5年 3月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i ne To o l Au t o ma t i c M a nu f ac t ur i n g Te c hn i q ue No． 3 M ar ．2 0 1 5 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 0 3 0 1 5 7 0 4 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． e n k i ． m mt a m t ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 043 基于可拓学理论的数控机床可靠性评价研究 术 夏 吉兵 ， 汪永超 ， 赵 建平 四川大学 制造科学与工程学院，成都 6 1 0 0 6 5 摘要 为了全面评价数控机床的可靠性， 建立了研究数控机床可靠性的评价指标体 系， 应用可拓学 中的物元理论， 建立机床 可靠性评价物元模 型。引入 关联 函数计算关联度 ， 并结合 可拓层次分析 的 方法确定影响数控机床可靠性各指标的权重， 对数控机床可靠性进行综合评价。结合 实例进行 了数 控机床可靠性评价， 验证 了该方法的可行性。 关键词 数控机床 ； 可靠性评价； 可拓学； 可拓层次分析 中图分类号 T H1 6 2 ，I T G 6 5 9 文献标识码 A The Re s e a r c h o f t h e Re l i a bi l i t y Ev a l ua t i o n o f CNC M a c hi n e To o l s Ba s e d O i l Ex t e ns i o n Th e o r y XI A J i b i n g． W ANG Yo n g - c h a o． ZHA0 J i a n p i n g C o l l e g e o f M a n u f a c t u r i n g S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S i e h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o f u l l y e v a l u a t e t h e r e l i a bi l i t y o f CNC ma c h i n e t o o l s．t he e v a l u a t i o n i nd e x s y s t e m f o r r e s e a r c h o f CNC ma c h i n e t o o l r e l i a b i l i t y h a s b e e n e s t a b l i s h e d．the ma t t e r ． e l e me n t mo d e l o f r e l i a bi l i t y e v a l u a t i o n f o r CNC ma c hi n e t o o l s h a s b e e n e s t a b l i s h e d wi th t h e a p p l i c a t i o n o f ma t t e r e l e me n t i n e x t e ns i o n t h e o r y． I n t r o d u c i n g the c o r r e l a t i o n f u n c t i on s t o c a l c u l a t e t h e c o r r e l a t i o n d e g r e e。a n d c o mb i n i n g t h e e x t e n s i o n h i e r a r c h i c a 1 a n a l y s i s t o d e t e r mi n e the we i g h t of e a c h i n d e x Wh i c h a f f e c t e d t h e r e l i a b i l i t y o f CNC ma c h i n e t o o l s． a n d ma k e c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n o f r e l i a b i l i t y for CNC ma c h i n e t o o l s ．Th e a p p l i c a t i o n o f t h i s me t h o d wa s i 1 l u s t r a t e d wi t h a n e xa mpl e．v e r i f y i n g t h e f e a s i b i l i t y o f the me t h o d． Ke y wo r ds CNC ma c h i n e t o o l s ；r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n；e x t e ns i o n the o r y；e x t e n s i o n h i e r arc h i c a l a n a l ys i s 0 引言 1 数控 机床 可靠性评价模型建立 可靠性是指产 品在规定 的条件下和规定 的时间 内， 完成规定功能的能力。在现代制造系统中， 数控机 床一直是装备制造业 的核心 ， 其发展水平的高低直接 影响和制约着制造业的发展。当前我国的一些数控机 床在功能和性能上能够达到或接近国外先进的水平 ， 但在系统的可靠性上低于国外同类产品， 故障率较高 ， 可靠性 问题成为 制约 国产 数控机 床发 展 的一 个瓶 颈⋯， 数控机床可靠性评价对 国产数控车床的发展有 重要作用 ， 只有正确评价现有机床可靠性水平 ， 才能在 此基础上 进行改进 。 采用可拓学分析方法中物元和关联函数的概念 ， 建立数控机床可靠性评价物元模型， 结合可拓层次分 析的方法确定影响数控机床可靠性各指标 的权重 ， 并 计算求解得出数控机床的可靠性等级 ， 实例验证 ， 这种 方法能使数控机床可靠性评价结果更客观、 准确、 合 理 。 1 ． 1 数控机床可靠性评价指标体系建立 数控机床是典型的复杂机 电液一体化系统， 其可 靠性首先取决于在设计过程中赋予的固有可靠性 ， 其 次决定于数控机床的使用 、 故障对系统功能的危害程 度和影响及维修质量 ， 因此其可靠性评价应综合考 虑各影响因素。可靠性反应产品执行任务期间发生故 障的难易程度 ， 是决定系统可用能力的因素之一 ， 同 时， 可靠性指标的选取应遵循完整性、 方便性、 可 比性、 先进性的原则 ， 因此数控机床的可靠性评价指标有 以 下几项 J 平均故障问隔时间 MT B F 当前国内外公认 的评价数控机床可靠性的特征量 、 平均首次故障 间隔时间 卯F F 机床首次进入可用状态直至首次故 障发生的总持续工作时间， 是描述可修系统首次故障 状况的一个可靠性特征量 ， 它相当于不可修产品的寿 命问题 、 平均修复时问 MT T R 描述产 品由故障状 态转为工作状态时修理时间的平均值 、 固有可用度 收稿 日期 2 0 1 41 1 2 3 ； 修回日期 2 0 1 41 22 5 基金项 目 国家” 十一五” 科技支撑计划项 目 2 0 0 6 B A C 0 2 A 0 2 作者简介 夏吉兵 1 9 9 O ～ ， 黑龙江双鸭 山人 ， l J l I 大学硕士研究生， 研究方 向为计算机辅助设计与制造、 机械制造， Ema i l 7 3 1 7 3 2 2 7 1 q q 1 5 8 组合机床与自动化加工技术 第 3期 A 产品的平均故障间隔时间与平均故障间隔时间、 平 均修复时间的和之 比 和当量故障率 D 将某类故 障的故障率按故障的危害程度及排除故 障的难易程 度， 换算为一种典型故障的故障率 。 以上五个评价指标构成了数控机床可靠性评价体 系框架 ， 如 图 1 所示 。 1 ． 2 确定数控机床可靠性评价等级物元模型 将数控机床可靠性评价分为 m个等级， 其 中评价 指标有 n个， 由此建立物元模型 c ] ， l 2，⋯ ， 式中 N i 为数控机床第 i 个评价等级； C 为评价等级 Ⅳ 可靠性评价指标 ； 为第 i 个评价等级对应于评价 指标的量值范围 ] 。 1 ． 3 确定物元模型的经典域 r c l ] N i ， c l I l j 式中 为第 i 个评价等级对应于评价指标 的量值范 围 ， 即 。 1 ． 4 确定物元模型的节域 节域 R 指各评价指标在全部等级的值域， C 1 ] l J 式中 为第 i 个评价等级对应于评价指标的量值范 围 ， 即 。 1 ． 5 确定待评物元 对待评机床 ， 将分析计算得到的各评价指标的具 体数值用物元表示为 『 Ⅳ 机 床 C l V 1 ] 床 ， l l l J 式中 为待评机床应于评价指标的量值， 即机床 的 可靠性指标值。 2 计算权重及关联度 机床的可靠性评价是一个多 目标的、 定量与定性 相结合的复杂问题， 数控机床可靠性评价体系满足层 次分析法 ， 同时具有定量因素和定性 因素并存的特点 ， 因此采用可拓层次分析法 ， 从用户的角度对其机床的 可靠性进行综合评价。可靠性评价方法 中， 权重是综 合评价的一个重要指标， 合理分配权重是量化评估的 关键 ， 并通过计算关联度可以确定待评价数控机床 的可靠性等级 。 2 ． 1 构造可拓判断矩阵 建立判断矩阵的过程是通过一定的标度体系将原 始数据转化为可直接比较的规范化格式的过程 J 。在 一 定准则下 ， 专家对隶属于同一层次各元素之间的相 对重要性进行两两比较 ， 采用互反性 1 9作为标量化 方法， 利用可拓区间数定量表示它们的相对优劣程度 ， 构造 可拓 区 间判断矩 阵元 素为可 拓 区间数 ， A 。 ⋯ i ， 1 ， 2 ， ⋯， n 元素 0 为可拓 区间数 ， n ， 。 分别为可拓判断矩阵第 i 行第． U 的最 小值和最大值。 2 ． 2 计算满足一致性条件的权重矢量 1 对可拓判断矩阵 A ， 求 A一 。 ⋯ ， A o j ⋯ 的最大特征值所对应的归一化 特征矢量 一 、 。 2 计算 k和 m的值 ， 公式如下 厂 ～ √ 1 ／ 。 广 一 √ ∑i 1 式中k 、 m分别为满足 0 4． 7 8 5 2． 2l 4 卯 平均故 障 间隔时间 3 ． 6 0 4 平均修复 时间 0 89 8 固有 0 ．50 8 f A 、 当量 2． 60 4 f D 对表 2计算得 一 [ 0 ． 2 6 8 9 ， 0 ． 4 4 1 9 ， 0 ． 1 0 6 6 ， 0 ． 0 5 7 4， 0 ． 1 2 5 3 ] [ 0 ． 2 6 7 7 ， 0 ． 4 3 4 4， 0 ． 0 9 1 7， 0 ． 0 5 9 4 ， 0 ． 1 3 2 3 ] 由公式 1 得 k0 ． 9 6 8 1 ， m 1 ． 0 3 0 5， 计算公式 2 得 ， S1 ， S 2 ， S 3 ， ， S5 所 以有 S l ≥ S 4 2 1 ． 7 1 ， S 2≥ S 4 3 2 ． 0 5 S3≥ S4 4 ． 0 8， S5≥ S 4 8 ．1 5 由公式 3 经过 归一化处理 可得 P [ 0 ． 3 2 4， 0 ． 4 7 8 ， 0 ． 0 6 2 ， 0 ． 0 1 8 ， 0 ． 1 1 8 ] O X 0 加 加 2 0 0 9 O 0 8 C； m 砌 砌 加 n 加 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 “ ＼， “ ＼／ ＼／ 1 6 0 组合机床 与 自动化 j n - r - 技术 第 3期 3 ． 5 由公式 4 计算关联度 K机床 K机 2 一 0 ． 1 6 5 0 ． 3 3 6 0 ． 4 7 8 0 ． 1 2 6 0 ． 0 6 8 0． 2 93 0． 0 79 0 ．3 41 0 ．1 1 2 0． 0 7 9 0．3 4 9 0． 1 0 4 0．1 4 3 0 ．8 51 0． 56 3 0． 47 9 0． 3 48 0．1 0 9 0． 9 4 6 0． 72 8 0． 2l 3 0． 35 2 0． 3 4 9 0． 58 2 ～0． 5 49 0． 3 50 0．1 0 5 0．1 6 2 0 ．2 68 0． 32 6 0． 3 2 5 0． 2 48 0 ． 23 9 0． 8 6 2 0． 3 45 0 ． 4 7 1 0 ． 3 6 9 0 ． 2 8 7 0 ． 9 3 2 ～ 0 ． 1 9 8 由公式 5 得到可靠性等级综合关联度 点 ， } 几 I 0 ．2 4 9- 1 r一0． 31 3 ， 触 0． 01 0 0． 05 3 0． 3 6 4 由最大隶属度原则可知， 机床 1的可靠性等级为 良， 机床 2的可靠性等级为中。 4 结束语 本文可靠性评价方法综合考虑数控机床固有可靠 性， 使用 、 故障对系统功能的危害程度和影响及维修质 量等影响因素， 并建立评价指标体系。应用可拓学理 论建立数控机床可靠性评价物元模型， 结合可拓层次 分析的方法确定各指标的权重， 并引用关联 函数 的概 念得出数控机床的可靠性等级 ， 从而能够较客观的反 应数控机床的可靠性水平 ， 并为提高数控机床可靠性 提供科学的依据。通过实例对上述方法进行验证 ， 证 明了这种方法具有 良好 的应用性， 能使数控机床可靠 性评价结果更科学合理。 [ 参考文献] [ 1 ]张根保 ， 柳剑， 王国强． 基于任务的数控机床模糊可靠性 分配方法[ J ] ．计算机集成制造系统， 2 0 1 2 ， 1 8 4 7 6 8 77 4． [ 2 ]郝庆波， 杨兆军， 陈传海， 等．基于区间层次分析法的数 控机床可靠性预计[ J ] ．吉林大学学报 工学版 ， 2 0 1 2 ， 4 2 4 8 4 58 5 0 ． [ 3 ]申桂香， 邵娜， 张英芝 ， 等．基于可拓学理论 的数控机床 可靠性评价[ J ] 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良好； 4 由于设备运行情况 良好及精度高， 企业正准 备投产第二条生产线。 综上， 设计的专用夹具效果理想， 为同类设计提供 有益参 考 。 [ 参考文献] [ 1 ]吴嘉明． 摩托车发动机气缸头气门镗铰数控专机的设计 [ J ] ． 组合机床与自动化加工技术 ， 2 0 0 2 1 1 6 7 6 9 ． [ 2 ]黄丽云． 一种气缸盖气门导管孔加工工艺 [ J ] ． 内燃机， 2 0 1 3 5 2 6 2 7 ． [ 3 ]李文迪， 王合增 ， 杨红梅．精铣缸体底面钻铰定位销孔数 控机床的研发 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 3 6 1 2 41 2 9 ． [ 4 ]袁旭群．曲轴箱半精镗缸孔并倒角组合机床的设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 8 2 72 9 ． [ 5 ]刘玉梅， 邢鹏飞， 潘为祥， 等．发动机机体通大侧面斜油 孔加工工艺研究[ J ] ．制造技术与机床 ， 2 0 0 9 2 1 5 9 1 61． [ 6 ]席瑞生． 气缸 盖导管孔 系加 工的新思路及应 用 [ J ] ．装备 制造技术 ， 2 0 1 0 2 1 6 61 6 8 ． [ 7 ]罗静 ， 肖铁忠， 龚文君， 等． 发动机缸体曲轴孑 L 加工专用镗 床设计[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 1 3 9 7 6 7 9 ． [ 8 ]李吉 ， 赖玉活， 冯月霞．发动机气缸钻孔专用夹具设计 [ J ] ．组合机床与自动化加工技术， 2 0 1 3 3 1 0 8 1 1 0 ． 编辑李秀敏 6 l 3 3 3 4 1 4 ． O 0 O 一 一