基于灰色系统理论的数控机床可靠性预计研究.pdf

第 5期 2 0 1 0年 5月 机械 设 计 与制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa nu f a c t u r e 1 9l 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 5 0 1 9 1 0 2 基于灰色系统理论的数控机床可靠性预计研究 木 任工昌 王党席苗新强 陕西科技大学 机电工程学院， 西安 7 1 0 0 2 1 Re s e a r c h o n t h e CNC r e l i a b i l i t y p r e d i c t i on b a s e d o n g r e y s y s t e m t h e or y REN Go n g - c h a n g， W ANG Da ng x i ， MI AO Xi n q i a n g S h a n n x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a 【 摘 要】 数控装备的高水平和复杂化，使机床在运转和使用过程中发生整机故障或初始性能失效 的机会也明显增多。 为了预计数控机床的可靠性， 建立了 基于灰色系 统理论的可靠性预计模型， 对数控系 统开发过程及现场使用的可靠性水平的评定拓宽了思路 。并用 MA T L A B软件对所建立的模型进行 了实 际故障数据验证。通过 MA T L A B软件进行仿真验证， 结果表明， 此方案准确有效， 不仅可以节省大量时间 和资源， 更可以提供有效信息， 为数控机床的设计决策提供依据。 关键词 数控机床 ； 可靠性预计 ； 灰色系统理论； 灰色预测模型 【 A b s t r a c t 】 C N C e q u ip m e n t ， a h ig h l e v e l a n d c o m p l e x it y ， S O t h a t m a c h i n e s i n o p e r at i o n a n d u s e o f t h e p r o c e s s h a p p e n e d t h e i n i t i a l p e r ． , anc e of m ach i n e f a i l u r e o r t h e c h a n c e o f f a i l u r e i n c r e a s e d s i g n ific a n t F o r t h e r e l i a b i l i t y of C N C ma c h i n e t o o l s i s e x p e c t e d ， b a s e d o n g r e y s y s t e m t h e o r y i s e x p e c t e d t o m o d e l t h e r e l i a b i l i t y of n u me r i c a l c o n t r o l s y s t e m d e v e l o p m e n t p r o c e s s a n d o n - s i t e U S e of t h e r e l i a b i l i t y of t h e as s e s s m e n t oft h e l e v e l ofi d e as w i d e n e d ． M A T L A B S oj w a r e w i th t h e m o d e l s e t u p b y t h e r e al f a u l t d a t a v a l i l d at io n ． T h r o u g h t h e M A T L A B s oft w a r e s im u l at io n r e s u l ts s h o w t h a t a c c u r a t e a n d e f f e c t i v e t h is p r o gr a m c a r t l n o t o n ly s a v e s u b s t a n t i al t im e a n d r e s o u r c e s ， 6 al s o t o p r o v i d e ef f e c t iv e i n f o r m a t i o n f o r t h e d e s i g n of C N C } m a c h i n e ￡ 。 。 l s p r o i d e h e b asi s f o r d e c s 。 n m a k i n g ． K e y w o r d s C N C ma c h i n e t o o l s ； R e l i a b i l i t y p r e d i c t i o n ； G r e y s y s t e m t h e o r y ； G r e y mo d e l l 中图分类号 T HI 6 ， T P 2 7 文献标识码 A 1 引言 在评定和改进设计方案及可靠性指标时， 则需对所设计的方 案进行可靠性预计。可靠性预计是一种预测方法， 是在产品可靠 性结构模型的基础上， 根据同类产品在研制过程及使用中所得到的 失效数据和有关资料，预测产品及其单元在今后的实际使用中， 所 能达到的可靠性水平， 或预测产品在特定的应用中符合规定功能的 概率m 。传统电子领域的可靠l 生 预计方法需要对设备进行大样本寿 命试验， 不能应用于数控机床的可靠性分析， 一是由于数控机床及 其零部件的失效模式、 材料杼性、 运行环境等均与电子设备有很大 差异 ； 二是数控机床的故障失效样本数量有限， 无法满足传统可靠 性的大样本假设。灰色系统理论是新近发展起来的一种瓶型理论， 能够较好地克服概率统计的弱点 ， 并从杂乱无章的、 有限的 、 离散的 数据中找出规律， 建立灰色系统模型， 且所需信息较少， 能有效地解 决常规预测方法不易解决的问题目 。将灰色系统理论应用到数控机 床的可靠性预计过程中， 通过对部分已知信息的生成、 开发、 提取 ， 可以实现对设备、 分系统和系统的基本町靠胜和任务可靠性的有效 估计， 并初步确定产品设计方案是否达到规定的可靠性要求。 2灰色系统理论 ’ 2 ． 1灰色系统理论概述 灰色系统 G r e y S y s t e m 理论是我国著名学者邓聚龙教授于 2 0世纪8 0年代初创立的一种兼备软硬科学特性的新理论[ 3 ] 。 该 理论将信息完全明确的系统定义为白色系统， 将信息完全不明确 的系统定义为黑色系统， 将信息部分明确、 部分不明确的系统定 义为灰色系统。灰色系统理论研究的是信息不完全的对象， 内涵 不确定的概念， 关系不明确的机制。尽管过程中所显示的现象是 随机 的 、 杂乱无 章的， 而其实质则是有序的 、 有界 的， 因此这一数 据集合具有一定的潜在规律性， 灰色预测就是利用这种规律建立 灰色预测模型对灰色系统进行预测 。 2 ． 2灰色预测模型的 MAT L AB实现 根据灰色系统理论 的具体建模过程 ，采用 M A T L A B指令编 写灰色预测 G M 1 ， 1 模型的生成程序 ， 其代码如下 f u n c t i o n X O 0 G r e y Mo d e l X 0 ％定义灰色模型子函数 G r e y Mo d e l X 0 n l e n g t h X 0 ； X 1 z e r o s 1 ， n ； X I 1 ， 1 x O 1 ， 1 ； ％求原始数据长 度并为各变量赋初值 f o ri 2 n X1 i Xl i - 1 X O i e n d B o n e s n 一 1 ， 2 ； ％ 为数据矩阵 B 赋初值并计算其具体元素值 f 0 r i l n 一1 B i 一 0 ． 5 X1 i Xl i 1 ； e n d Y z e r o s n 一 1 ， 1 ； ％ 为数据矩阵 Y赋初值并计算其具体元素值 f 0 r i 2 1 n ★ 来稿 日 期 2 0 0 9 0 7 2 6 女基金项目 陕西省教育厅产业化培育项 目 0 7 J C 0 5 ， 成阳市科技计划项目 X K 0 7 0 8 6 1 9 2 任工昌等 基于灰 色系统理论的数控机床可靠性预计研究 第 5期 Y i 一 1 x O i e n d a l p h i n v B B B Y ； a a l p h 1 ； b a l p h 2 ； X 1 1 lX O ， o l ； ％计算参 数 a ， b f o r i l n ％计算数据估计值 的累加数列 XI l i 1 X O 1 一 b ／ a e x p - a i b ／ a ； e n d X 0 0 X 1 1 ； ％ 为预测矩阵赋初值并从估计值的累加数列中累减还原 预测值 f o ri2 l n l X 0 0 i x1 1 i 一 X 1 1 i 一 1 ； e n d 3 灰色预测在数控机床可靠性的应用 数控机床可靠性预计是一个预算评估的过程， 是为了计算评 估数控系统在给定的工作条件下的可靠性而进行的工作。 它根据 组成系统的元器件、 零部件和分系统的故障数据资料来推测数控 系统实际上能达到的可靠性。 预计的过程是 自下到上地预计产品 各层次的可靠性参数的综合过程。 只有各层次的可靠性分别达到 分配的要求， 才能保证产品可靠性指标得以实现。对未达到分配 指标要求的设计 ， 则能发现其可靠性薄弱环节、 设计上的隐患并 提供选择纠正措施的指南， 并依此改进设计直到满足指标要求为 止。数控机床的可靠性预计过程包括可靠性数据的采集、 预测模 型的选择及模型参数的估计和可靠性评价指标的确定。 3 ． 1 可靠性数据的采集 在产品可靠性预计、 可靠性设计和使用维修中都离不开可靠 性数据。只有以真实可靠的数据为基础， 才能准确地进行故障分 析进而改进产品的设计， 达到提高产品可靠性的目的[4 1 。 可靠性的 数据来源于可靠性试验。 数控机床的可靠性试验既费时间又费金 钱， 因为可靠性数据的获得需要有一个较长时期的过程且对于数 控机床而言考虑到试验场所和试验样本两个方面只允许对其做 小样本试验。 按试验场所分数控机床的可靠性试验又可分为现场 试验和实验室试验两种。由于数控机床本身的特殊性 ， 即复杂的 结构和昂贵的价格以及其它不可预见的因素等等， 认为采用现场 试验能够比较真实地反映可靠性的实际状况。 本文以某系列数控 车床为考核对象， 以其中的 1 5台数控车床作为抽样样本， 将其故 障间隔时间的观测值 t ／ J , 时 分为7组， 所得数控机床在各区间 段 内无故障运行的频数 次 ， 如表 1 所示。 表 1某系列数控车床故障频数分组表 3 _ 2基于灰色预测的数控机床可靠性预计 由于数控机床可靠性数据的有限性， 以大样本抽样为基础的 概率统计理论很难建立准确有效的数学模型。 而灰色预测理论最 少使用 4 个原始数据就能建立某个时期内符合规律的灰色预测 模型， 能解决历史数据少、 序列完整性差和可靠性低的问题； 还能 将无规律的原始数据组成规律较强的数列， 运算简便、 精度较高、 易于检验目 。 在数控机床可靠性研究中， 分布参数和各种可靠性特 征量都是未知的， 需要根据样本的观测值进行参数估计。按照样 本观测值估计未知参数大致是某个值称为点估计， 估计未知参数 可能在某个区间内称为区问估计。采用点估计方法， 利用灰色系 统理论对表 1 中的失效数据进行可靠性预计以确定数控机床在 未来可能的时间区间段内无故障运行的频数， 其具体操作流程如 图 1 所示。所得预测结果， 如表 2 所示。 ， 原始数据序列x 0 ， 、 循 环次数 i 赋初值 ／ ● l 中 问 变 量A x o l 叉 N If xx 一 G{e0 X 0 I ll xX A Arl0 ㈣i ／打印输出X O ， X O 0 ／ ／ 并绘制预测曲线 ／ 1 9 0 8 鬓 ； 4 3 0 嚣嚣 尊簿薄列 H - 一 一 } 0 寸 十 一 手 0 一 ； 斗 _{ 巨 耩 蕈 鞫丰 } 一 ； 一 一 一 斗- - 一 ； ⋯ - u ～ 一 ； - - 一 一 { } 一 ；一 土 一 一上 一 一 - ⋯ 一 一 毒 一 一 一 ；一 土 一 -一 { e - ⋯ - 1 4 ⋯⋯4 4 ～⋯ --i 一 --i ⋯ -4 ⋯ - ⋯ - i - ⋯ - q ⋯ i ⋯一二 j r ⋯ ⋯ ⋯ ～ ⋯ 一 ⋯ ‘⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ L- -- -J -． ． ．． L． ． ．I -- - -J． ． ．- ． I - -- J- -- - ．- ．- - -J- - -- _L - - - -- -- JL _ -- - -- -- J -- -_ 一 序号 3 ． 3数控机床的可靠性评价指标 一 警 式中 N o 在评定周期内数控机床累计故障频数； n 数控机床抽 第 5期 2 0 1 0年 5月 机 械 设 计 与 制 造 M a c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 1 93 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 5 - 0 1 9 3 0 3 虚拟数控加工过程物理仿真模型的研究 { 梅文涛武文革黄美霞 中北大学 机械工程与自动化学院， 太原 0 3 0 0 5 1 Mo d e l i n g f o r p h y s i c a l s i mu l a t i o n o f v i r t u al NC ma c h i n i n g p r o c e s s MEI W e n - t a o ， WU We n g e ， HUANG Me i x i a C o l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o i mmu n i z a t i o n， No r t h Un i v e r s i t y o f C h i n a ， T a i y u a n 0 3 0 0 5 1 ， Ch i n a i 【 摘要】 首先阐述了 虚拟数控加工过程物理仿真的迫切要求及其内 容体系，重点论述了 近些年国 i ； 内外所建立的切削力、 刀具磨损与变形、 加工误差、 颤振和切屑形成过程仿真的数学模型。最后就物理仿 ； 真今后的研究方向提 出了四点建议。 关键词 虚拟制造； 物理仿真； 仿真模型； 再生颤振 ； 【 A b s t r a c t 】 h t h e u r g e n t d e m a n d a n d i t s c o n t e n t s y s te m o f t h e p h y s i c a l s im u l at io n ofv i r t u a l n u m e r i -； c al c o n t r o l m a c h i n i n g p r o c e s s i s d e s c r i b e d fir s t l y ． T h e c u t t i n g f o r c e m o d e l ， c u t t i n g t o o l w e a l “ m o d e l and i d e f o r m a t i o n mod e l ， m ach i n i n g e r r o r mod e l ， c h at t e r mod e l and t h e p r o c e s s ofc h ip g e n e r at i o n mod e l W h ic h i s t h e e s t a b l i s h m e n t oft h e 1 T t o r e a d v a n c e d h o me and abr o ad i n r e c e n t y e a r s is f o c u s e d o n ana l y z e如一 i t l e d l y s e c o n d l y A n d fi n al l y ,f o u r - p o i n t p r o p o s al oft h e d i r e c t i o n s ofs t u d y a r e c o m e u p w i t h i n t h e f u t u r e ． K e y w o r d s V i r t u a l ma n u f a c t u r e ； P h y s i c a l s i mu l a t i o n ； S i mula t i o n mo d e ； R e g e n e r a t i V e c h a t t e r ； 中图分类号 T H1 6 ， P 3 9 1 文献标识码 A 1 引言 虚拟数控加工过程仿真是虚拟制造的底层关键技术， 是虚拟 制造 v M 单元和虚拟制造系统的基础核心技术。美国称其为 2 1 世纪制造业发展战略。 虚拟数控加工过程的仿真包括数控代码仿 真、 几何仿真和物理仿真三部分。当前数控代码仿真和几何仿真 方面 的研究 理论 比较 全 面和深 入 ， 出现 U G、 P r o ／ E N G I N E E R 、 Ma s t e r C A M以及各种机床的仿真软件等成熟的商业软件。物理 仿真也称实体仿真， 一般仿真的过程是以物理『生 质和几何形状相 似为基础 ， 而其它性质不变的仿真， 主要是指力学仿真， 是虚拟数 控加工过程仿真的核心部分， 其内涵就是综合考虑实际切削中的 ★来稿 日期 2 0 0 9 0 7 1 6 ★基金项 目 山西省高等学校青年学术带头人项 目资助 ， 山西省重点实验室开放基金项 目资助 2 0 0 7 0 3 1 0 0 7 山西省 自然科学基金项 目资助 2 0 0 8 0 1 1 0 5 6 组故嘲司隔时间的组中值； r r r 故障时间间隔分组数。 表 2灰色模型预测数据 由上述 M T B F的计算公式 ， 取表 1中前七组原始数据 的组中 值和频数及表中后九组灰色预测数据的组中值和频数预测值进 行计算， 如表 2 所示。 所得此系列数控车床的 M T B F 4 6 6 ．6 7 h 。 经 过长期观测， 采用威布尔分布对实际观测到的大量数据进行统计 分析，最终所得此系列数控车床的平均无故障时问间隔MT B F 4 6 5 ． 3 2 小时， 与本文预测结果的相对误差仅为 0 ． 2 9 ％。可见基于 灰色系统理论的数控机床可靠性预计模型， 不仅准确有效， 而且 还可以节省大量时间和资源。 4结论 可靠性预计是提高数控系统质量与可靠性水平的需要， 借助 可靠性预计技术标明产品可靠性指标， 将有利于促进我国数控机 床行业创立名牌和增强国际竞争力。 本文基于灰色系统理论建立 了准确有效的数控机床可靠性预计模型， 为数控机床的可靠性分 析节省了大量的时间和资源， 同时也为数控机床的设计提供了有 效信息。开展可靠性预计工作是提高产品固有可靠性的重要措 施， 能缩短研制周期并降低寿命周期费用。 因此， 在数控机床产业 化过程中 ， 系统深入开展可靠性预计研究 ， 深入研究适合数控 系 统开发的可靠性预计理论， 预计流程是今后工作的重点。 参考文献 1 陈云霞， 谢汶姝， 曾声奎． 功能分析与失效物理结合的可靠性预计方法[ J ] ． 航空学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 5 1 1 3 3 ～ 1 1 3 8 2 刘思峰， 郭天榜， 当耀国． 灰色系统理论及其应用[ M] ． 北京 科学出版社， 1 9 9 9 3蔡琼 ， 陈萍． 灰色 G M 1 ， 1 模型及其在电力负荷预测中的应用[ J ] ． 自动化 技术与应用， 2 0 0 6 ， 2 5 3 2 4 - - 2 6 4贾志新 ， 艾冬梅， 贾亚洲等． 数控车床可靠性数据的采集及数据库 的建立 [ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 0 1 1 I 1 3 5田旭光， 蔡金燕． 基于灰色预测理论 的测量仪器校准周期的确定[ J j _ 自动 化仪表， 2 0 0 7 ， 2 8 1 2 1 2 ～ 1 4 6 王桂萍， 贾亚洲， 申 桂香等． 基于故障比重比的加工中心整机故障分析及可 靠性改进措施[ J ] ． 吉林大学学报， 2 0 0 8 ， 3 8 2 1 1 9 ～ 1 2 2