基于模糊综合评判与FMEA的数控机床故障分析.pdf

2 0 1 5年 8 月 第 4 3卷 第 l 5期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 5 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 5 ． 0 5 0 基于模糊综合评判与 F ME A的数控机床故障分析 杨丽梅 ，蔡长亮，徐楠 长春工业大学，吉林长春 1 3 0 0 1 2 摘要针对数控机床加工质量 、系统工作性能下降引起的机械类故障，提出了基于模糊综合评判与 F ME A的数控机床 故障分析方法。采用故障模式及影响分析法 F M E A对数控机床的各类故障进行深入分析 ，并按照 F ME A硬件法对故障 进行分类 ，得到关键部件故障模式；采用专家调查表的方式确定了各个故障的严重度 S 、频度 O 、探测度 D ；引 入模糊综合评判理论对 F ME A定性分析方法的风险顺序数进行等级隶属度划分 ，建立二级模糊评判模型，并对主轴系统和 进给系统的机械类故障进行了定量分析。结果表明反模糊化后的综合评价值为 8 5 ． 0 8 ，验证了模糊综合评判和 F ME A对 数控机床机械类故障综合分析的有效性。分析结果为数控机床测试点的选择提供了完备有效的保障。 关键词 F ME A；R P N；故障分析；模糊综合评判 中图分类号 T P 2 0 6 ． 3 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 加1 5 1 5 1 9 7 5 Fa u l t Ana l y s i s o f CNC M a c hi n e To o l Ba s e d o n Fuz z y Co mp r e he ns i v e ’ Ev a l ua t i o n a n d FM EA M e t ho d s YANG L i me i 。 CAI Ch a n g l i a n g． XU Na n C h a n g c h u n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，C h a n g c h u n J i l i n 1 3 0 0 1 2 ，C h i n a ‘ Ab s t r a c t Ai me d a t t h e me c h a n i c a l f a u l t o f C NC ma c h i n e t o o l l e a d i n g t o t h e d e c l i n e i n t h e q u ali t y o f ma c h i n i n g a n d t h e d e g r a d a - t i o n o f s y s t e m p e r f o r ma n c e ，t h e f a u l t a n aly s i s me t h o d o f C NC ma c h i n e t o o l b a s e d o n f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n a n d f a i l u r e mo d e s a n d e ff e c t s a n al y s i s F ME Aw a s p r o p o s e d ． T h e t h o r o u g h a n al y s i s w a s c a r ri e d o n u s i n g t h e F ME A f o r v a r i o u s t y p e s o f f a u l t o f t h e m a c h i n e ，wh i c h w e r e c l a s s i fi e d a c c o r d i n g t o t h e h a r d w a r e me t h o d o f F ME A t o o b t a i n f a i l u r e mo d e o f k e y p a r t s ． T h e w a y o f e x p e r t s u r v e y t a b l e w a s u s e d t o d e t e r m i n e t h e s e v e ri t y o f e a c h f a u l t S ， f r e q u e n c y O ， and d e t e c t abi l i t y D ． T h e t h e o r y o f f u z z y c o m p r e h e n s i v e e v alu a t i o n wa s i n t r o d u c e d t o c l a s s i f y h i e r a r c h i e s me mb e mh i p d e g r e e o f ris k p ri o ri t y n u mb e r o f q u a l i t a t i v e F EMA，a n d t h e s e c o n d a r y f u z z y e v a l u a t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d ．T h e me c h a n i c a l f a u k o f t h e ma i n s h a f t s y s t e m a n d f e e d s y s t e m we r e c a r r i e d o n t h e q u a n t i t a t i v e a n aly s i s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t the c o mp r e h e n s i v e e v alu a t i o n v alu e a f t e r t h e b l u r i s 8 5 ． 0 8，an aly s i s o f w h i c h v e ri fi e s the v ali d i t y o f f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v alu a t i o n an d F ME A o n c o mp r e h e n s i v e a n aly s i s o f t h e me c h an i c al f a u l t o f C NC ma c h i n e t o o l ，w h i c h p r o v i d e t h e c o rn p l e t e e f f e c t i v e s afe g u ard for the s e l e c t i o n o f t e s t p o i n t s o f C NC ma c h i n e t o o 1 ． Ke y w o r d s F a i l u r e m o d e s a n d e ff e c t s anal y s i s F ME A ； R i s k p ri o ri t y n u mb e r R P N ； A n aly s i s o f f a u l t ； F u z z y c o m p r e h e n s i v e e v alu a t i 0 n 0前 言 随着我国机床行业的飞速发展，数控机床的功能 及结构越来越复杂。加工过程中的整机系统故障出现 种类越来越多。当前大部分数控机床的数控系统已具 有一定的 自诊 断功 能 ，能 够诊 断 常见 的 电器 系统 故 障，但只是针对故障出现以后的一种报警，并没有针 对故障产生的原因，对潜在故障的状态点进行监控以 及故障将要发生前进行预测，针对部分可隔离故障进 行隔离。在排除数控系统 自诊断功能可检测的故障的 基础上，采用故障模式及影响分析 F ME A ，按照 G J B 1 3 9 1 2 0 0 6 故 障 模式、影 响及 危 害性 分 析 程 序 ，针对数控机床加工质量、系统工作性能下降的 机械类故障进行深入分析，按照 F ME A硬件法进行了 分类 ，以获得影响加工质量 、系统工作性能下降的故 障模式及其产生机制。在此基础上，进行了严重度 S 、频度 O 、探测度 D的确定，计算出风险 顺序数 R P N 。由于 F E MA分析法是定性分 析方 法 ，其风险顺序数的评估存在极大模糊性 。实际上， 不同 O、S 、D相乘可以得到相同的 R P N值，但相同 R P N值的不同失效模式对产 品或系统的风险影响情 况不同。因此 ，风险评估定量分析不尽客观严密 ，引 入模糊理论进行综合评价，运用模糊数学分析方法将 得到的R P N值进行模糊等级划分，得到模糊集，对 F M E A方法进行改进 ，建立基于模糊意义上的 F E MA 综合评估方法。为数控机床测试点的选择提供了完备 有效的保障，为数控机 床故 障的预测打下 良好 的 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 - 0 5 作者简介杨丽梅 1 9 7 4 一 ，女，博士，副教授，主要研究方向为机器视觉及智能检测。E - m a i l y a n g l m 0 5 1 7 1 6 3 ． c o rn。 1 9 8 机床与液压 第 4 3 卷 基础 。 1 潜在失效模式及后果危害性分析 F ME A F ME A技术是在产品设计阶段进故障模式及其影 响分析 的基础上发 展起来 的技术 ，在机 电产品的研制 阶段 ，要按照硬件 法或功能法 ，或者两者相结合的方 式 ，对机电产品整个系统单元进行细分，如何选取功 能法和硬件法主要根据机电产品的复杂程度及可用信 息的多少。硬件法根据产品的功能对每个故障模式进 行评价，用表格列出各个产品，并对可能发生的故障 模式及其影响进行分析。硬件法 适用于从零件级开 始分析再扩展到系统级 ，即 自下 而上进行分析 。功能 法主要用于当产品构成不能明确时，即硬件结构尚未 确定，只有通过机电产品实现的功能 、子功能进行逆 向推理 ，从而得出可能出现的潜在故 障模式 。功能分 析法不是从下一个层次的单元开始分析 ，而是直接从 被分析对象可能产生的失效模式 开始 ，其置信度取决 于设计师 的分析能力 、工程经验 和分析力度 ，是分析 的难点 。 由于现阶段数控机床机械系统的硬件结构容易确 定 ，采用 F ME A自下而上的硬件法进行引起数控机床 加工质量下降的机械类故障模式及其影响分析具有可 行性。F ME A工作流程图如图 1 所示。从图中可以看 出，在识别故障模式潜在后果后确定了严重度 S ， 通过识别故障模式潜在后果和分析故障模式产生潜在 原因确定 了频度 0 ，对故障检测的难易程度进行 评价得到探测度 D ，最后根据风险顺序数计算公 式 ，计算 出 每个 故 障 的风 险 顺 序 数 ，并 绘 制 表格 。 勰鏊 妻 H 识 差 譬 羹 式 錾 藩 籍奋 H 曩 篡 篡 确 重 l I 确 率 l l 计算风险顺序数 R 驯v RP N ’ o D 绘制表格 图 1 F ME A工作流程图 2 故障严重度类别确定 严重度类别 是产品故障造成的潜在后果的度 量表示。可以将数控机床的每一个故障模式按损失 程度 进 行 分 类 。 如 表 1所 示 为 严 重 度 类 别 划 分 定义 。 表 1 严重度类别划分表 严重度类别 严重程度定义 I 类 灾难故障 Ⅱ类 致命故障 Ⅲ类 临界故障 Ⅳ类 轻度故障 造成人员死亡或系统毁坏的故障。 导致人员严重受伤 ，系统性能严重降低或系统严重损坏，从而使任务失败的故障。 使人员轻度受伤 ，系统性能轻度下降或系统轻度损坏，导致任务延误或任务降级。 不足以导致上述三类后果的故障，但会导致需要进行非计划性维修。 3 数控机床故障机制 故障机制是指诱发零件、部件、系统发生故障 的电学 、物理 、化学 、与 机械 学过程 。针 对形 成 故 障原因的电学 、物理 、及机械运动行为展开测试性 设计 和状态监 控 。除此之 外 ，故 障机 制 可表 达为数 控机床的某种故障在达到表面之前 ，其内部的演化 过程及其因果关系。数控机床本体 的故障 ，约占整 个故障的5 7 ％。其中包括 导轨副故障，主轴箱 和丝杠螺母副 的配合故障 ，润滑及支承 的预 紧故 障，液压和气动装置故障。数控系统 的故 障约占整 个故障的 5 ． 5 ％，电气控制系统的故障约 占整个故 障的 3 7 ． 5 ％。 对故障机制进行研究时，考虑到的基本因素主要 有 3 点 ，包括对象、原因和结果。其中，对象是指故 障件本身的结构和内部状态对故障的诱发作用 ，称为 内因的作 用 ，如 机床 的功 能 、强度 、特性 、设 计 方 法 、内部应力、内部缺陷、安装条件、安全系数。原 因是 指能 引起设备与系统发生故障的破坏 因素如环境 应力 放射线 、湿度、日照等 ，动作应力 电流、 电压、质量、辐射能等 ， 时间的因素 环境随时间 的变化 、时间的推移、负荷周期 以及人为的失误 装配错误、误操作、调整错误等等故障诱因。结 果是指产生的异常状态，造成的故障模式。 4 数控机床机械 系统故障 F ME A分析 根据数控机床机械系统确定的硬件组成及功能， 采用 F ME A硬件法，按照 G J B 1 3 9 1 - 2 0 0 6 故障模式、 影响及危害性分析程序对数控机床机械系统进行 F M E A分析。通过 F M E A分析，将数控机床机械系统 分为 5功能部分，主要故 障模 式有 1 7种，如表 2 所示 。 第 1 5期 杨丽梅 等基于模糊综合评判与 F ME A的数控机床故障分析 表 2 故障模式及影响分析表 F M E A表 5 模糊综合评判算法 由于主要针对影响数控机床机械加工精度下降的 主轴系统和进给系统进行模糊综合评判，需建立二级 模糊评判模型。二级模糊评判模型如下 B A o R A o 【A ～l O R 1A R ] 【 ，o ，J 式中曰为模糊综合评判结果； 。为模糊算子；R 为 隶属度矩阵；A 为权重向量。 易 H 莽 耩 袭 鑫 H 塞 H 誊 葬 羹 H荐 翕 图2 单因素模糊评判流程图 模糊综合评价的基本步骤 如图2所示。 5 ． 1 确定隶属度 制作专家调查表 ，通过专家调查表进行数据采集 和统计 ，得到每个因素的对应等级频率数 ，将归一化 处理的结果作为每个因素对应等级的隶属度 ，建立单 因素评价矩阵R 。 5 ． 2确 定权 重 采用表 3因素重要程度判断表对每个因素进行对 比，确定它们之间的相对重要程度。 表 3 因素重要程度判断表 令 b u Ju j ，i l ． 『 1 ，2 ，⋯ ，m，由 m m个 b ，可构造判断矩 阵为 B bI l b l 2 b 2 l b 2 2 b I b 2 b I b 2 ● b 根据判断矩阵 ，计算它的最大特征根 A ⋯。 一 致性 检验 一致性 指标 C I A ⋯一 n ／ r t 一 1 ， 再计算一致性 比例 C R C I ／ R I ，其中尉 是平均随机一 致性指标 ，它与 n有关 ，具 体 由表 4给 出 ，当 C R≤ 0 ． 1 时 ，认为判 断矩 阵具有 “ 满意 一致 性 ” ，是 可 以 接受的；否则 即 C R O ． 1时 ，需要对判断矩阵作 适当修正。 表 4 平均随机一致性指标值 重复计算 1 0 0 0次的彤值 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R1 0 0 0 ． 5 8 0 ． 9 1 ． 1 2 1 ． 2 4 1 ． 3 2 1 ． 4 1 1 ． 4 5 方根法 计算判断矩阵 的每一行元素的乘积 ， 再对其开 n次方，对结果归一化 即得权重 向量 W [ W 。 ，W ，⋯，W ] ，其中 机床与液压 第 4 3卷 丽 取 W 作为因素 “ 重要程度系数 a ， 由于向量 曰的结果表达不够直观，为了对结果 进行直观表达，采用模糊分布法对向量 进行评价 指标归一化处理，转化为一个简单百分数 ，作为评 可得权重矩 价的综合评价值 ，即 阵 A l a I a 2 ⋯0 J 。 Z B．C 5 3 确定模糊算子 式中C为等级化向量 ，C E d 。 ，d ，⋯，d n ] 。 在进行模糊综合评价时，关键步骤是求出模糊综 针对数控机床机械类故障的严重度 s 、频 度 合评价集，即根据因素重要程度模糊集 A和综合评 O 、探测度 D 的获取，制作了故障专家调查表， 判矩阵 ，选择适当的广义模糊合成运算 ，得到模糊 为了获取相对准确的数据 ，向从事 5年以上数控机床 综合评价集 故障维修工作的维修人员以及数控机床生产厂家故障 B A。 R[ 6 ，b ，⋯，b o ] 分析专家进行调查如表 5 所示 问卷发放4 0份，回收 选择不同的运算 。，会得到不同的评价结果。针 调查表 3 5 份 。其中严重度 ．s I 、I I 、Ⅲ、Ⅳ的值为 对本文的实际情况，选用的模糊算子为 1 0 、7 ． 5 、5 、2 ． 5分；频度 0 8 、6 、 、d 、e的值 。 ， 0 6 J 0荟 。 r ， 1 ， 2 ， ⋯， n 为l 0 、 8 、 6 、 4 、 2 分； 探 测度 D A 、 、 c 、 D 、 L二 、E ． ． ．三 F的值为 1 0 、8 、6 、4 、2 、1 分。并计算 出 Ⅳ值 ， 肌“ L ’ 鱼a i r 针对 Ⅳ值不同的结果，以1 0 0 0 分为满分， 划分 9 5 4 归一化处理 个等级 ，并进行结果归类，9 个等级划分如表 6 所示。 表 6 咫 Ⅳ值等级划分 针 对 故 障 模 式 建 立 了 数 控 机 床 故 障 体 系 图 ， ，如 图 3所 示 ，根 据 调 查 表 进 行 汇 总 ，计 算 出对应各个等级 的概率 ，从而确定对应等级 的 搴 属 度 ， 如 表7 、 8 所 示 。 根 据 表7 隶 属 度 矩 阵 R R 1 为 0 0 0 0 0 ． 5 0 ． 5 O 0 0 0 0 ． 4 O ． 6 0 0 0 0． 2 0 ． 6 0 ． 2 O 0 0 0 0 ． 6 0 ． 4 0 0 0 0 0 ． 6 0． 4 0 0 0 ． 4 0 ． 6 0 0 O O 0 0． 5 0 ． 5 0 0 0 0 0． 4 0 ． 6 0 图3 数控机床机械类故障体系图 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 第 1 5期 杨丽梅 等基于模糊综合评判与 F ME A的数控机床故障分析 2 0 1 同理根据表 8 可得到隶属度矩阵 R 。 表 7 主轴系统各故障对应的各等级隶属度 表 8 进给系统各故障对应的各等级隶属度 表 9 主轴系统故障的判断矩阵及权重 表 1 1 数控机床机械类故障的判断矩阵及权重 通过对表 9 、表 1 0 、表 1 1的计算 ，得到表 9中 人 一 8 ． 9 0 9 6， c R 0 ． 0 9 2 0 ． 1 ，表 l 0中A 一 9 ． 3 5 0 7 ， C R 0 ． 0 3 0 ． 1 ，表 1 1中 A 2 ，C 0 0 ． 1 ，其判 断矩阵具有 “ 满意一致性” ，是可以接受的。通过建 立的二级模糊评判模型，进行两次模糊运算后，得到 矩阵 B [ 0 0 0 ． 0 3 4 0 ． 4 1 2 0 ． 7 1 5 0 ． 3 9 0 0 0 0 ] 通过建立的等级矩阵 C 『 1 1 ． I 2 2 ． 2 3 3 ． 3 4 4 ． 4 5 5 ． 5 6 6 ． 6 进行反模糊化，得到综合评价值 Z B C [ 0 0 0 ． 0 3 4 0 ． 4 1 2 0 ． 7 1 5 0 ． 3 9 0 0 0 0 ]广 1 1 ． 1 2 2 ． 2 3 3 ． 3 4 4 ． 4 5 5 ． 5 6 6 ． 6 7 7 ． 7 8 8 ． 8 1 0 0 ] 8 5 ． 0 8 由得到的综合评价值可知，应用基于模糊综合评 判的 F ME A分析方法得到综合评价值为 8 5 ． 0 8 ，具有 相当准确的评估水平 ，对数控机床机械类故障综合分 析具有可靠性 。 6 结束语 针对影响数控机床加工质量 的机械类故障采用 F M E A和模糊数学方法相结合的深入分析，最终评估 值为 8 5 ． O 8 ，验证了该方法的可行性 ，模糊综合评价 下转第 2 0 6页 2 0 6 机床与液压 第 4 3卷 机常处于海洋性大气环境之中，而且减速伞系统位于 发动机尾喷口上部，温度较高，并处于相对密封状 态，一旦雨水和潮湿空气进入难以排出，气动系统传 动机构和管 路附件 容易发 生锈 蚀 。需 要做 到雨 后 和潮湿季节及时通风排水，并做好润滑和保养工作。 另外，可以改进机构的材料 ，采用耐腐蚀性好、自润 滑性好 的材料 ，减小摩擦 阻力 。 4 结论 建立 了减速伞气动系统仿真模 型 ，从系统 的角度 对减速伞放、抛伞工作性能进行动态分析，通过数值 仿真 ，可以发现传统的维修方法手段的不足，运用新 方法针对性地进行视情维修，做到数值仿真与传统维 修手段的深度融合，提高维修效率，保证飞机可靠安 全运行。 参考文献 i [ 1 ]李玲 ， 郭兵， 苏洪波． 某型飞机冷气系统常见故障分析及 附件维护[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 9 5 5 5 7 [ 2 ]沈燕 良， 王建平， 曹克强． 飞机减速伞机构的故障分析与 改进设计[ J ] ， 机床与液压， 2 0 0 4 7 1 8 3 1 8 4 ． [ 3 ]付永领， 祁晓野． L MS I m a g i n e ． L a b A ME S i m系统建模和 仿真参考手册 [ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版社， 2 01 1 ． [ 4 ]施开志． 气动系统主要元件的建模和系统仿真的研究 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学， 2 0 0 6 ． [ 5 ]赵飞． 基于 A ME S i m的气动系统建模与仿真技术研究 [ D] ． 秦皇岛 燕山大学， 2 0 1 0 ． [ 6 ]S MC 中国 有限公司． 现代实用气动技术[ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 1 3 ． [ 7 ]蔡增杰， 朱武峰，张勇． x x 型飞机构造 [ M] ． 青岛 海军 航空工程学院青岛校区出版社 ， 2 0 0 8 [ 8 ]徐华舫． 空气动力学基础[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 1 98 2． [ 9 ]蔡茂林． 压缩空气泄漏损失及其对策 [ J ] ． 中国设备工 程 ， 2 0 0 9 4 4 8 - 5 0 ． [ 1 0 ]朱武峰， 吴文海 ， 李昆， 等． 飞机液压附件海上环境加速 试验技术研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 增刊 ． 上接第 2 0 1页 的引入，使传统的 F M E A定性分析方法进行了量化， 由于各个影响因素的重要性不同，采用模糊对 比量 化 ，得 出了各个影 响因素 的权重 ，故 障权重 的确 定 ， 为合理选择 测试样本集打下 良好 的基础。 参考文献 [ 1 ]李梦群． 现代数控机床故障诊断及维修[ M] ． 北京 国防 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ]严峻． 数控机床机械系统维修与调试实用技术[ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 3 ． [ 3 ]Z A M A N B MB， K O B A Y A S H I E ， WA K A B A Y A S H I N， e t a 1 ． F uz z y F MEA Mo de l f o r Ri s k Ev a l u a t i on o f S h i p Co l l i s i o n s i n t h e Ma l a c c a S t r a i t B a s e d o n A I S D a t a [ J ] ． J o u r n a l o f S i mul a t i o n， 2 01 4 911 04． [ 4 ]T A Y K M， L I M C P ． A p p l i c a t i o n o f F u z z y I n f e r e n c e T e c h n i q u e s t o F ME A[ J ] ． A p p l i e d S o ft C o m p u t i n g T e c h n o l o g i e s Th e Ch a l l en g e o f Co mpl e x i t y， 2 00 6， 3 4 1 61 1 71 ． [ 5 ]马欣． 水路运输安全管理评价标准研究[ D] ． 大连 大连 海事大学 ， 2 0 0 4 ． [ 6 ]K U T L U A C， E K ME K C I O G L U M． F u z z y F a i l u r e M o d e s a n d Ef f e c t s An a l y s i s b y Us i n g Fu z z y TOPS I S ba s e d Fu z z y AHP [ J ] ． E x p e S y s t e m s w i t h A p p l i c a t i o n s ， 2 0 1 1 7 1 7 ． [ 7 ]马存宝． 基于模糊理论 的 F ME A方法研究[ J ] ． 测控技 术 ， 2 0 1 3 ， 3 2 8 1 3 7 1 4 4 ． [ 8 ]王侃夫． 数控机床故障诊断及维修[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 9 ]苏永定． 机电产品测试性辅助分析与决策相关技术研究 [ D] ． 北京 国防科学技术大学， 2 0 0 4 ． [ 1 0 ]张小红 ， 裴道武， 代建华． 模糊数学与 R o u g h集理论 [ M] ． 北京 清华 大学 出版社 ， 2 0 1 2 ．