數控機床全生命周期重要性測度分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于數控機床可靠性分析領域，涉及一種數控機床重要性測度分析方法， 具體涉及數控機床全生命周期重要性測度分析方法。
【背景技術】
[0002] 數控機床由多個子系統組成，不同的子系統對系統性能的影響也不盡相同。在可 靠性領域中，重要性測度用以評估單個零件或部件的相對重要性，通常認為零部件的相對 排序比起絕對值更重要。
[0003] -個元件在一個系統具有它的位置和可靠性，針對此問題，Birnbaum在1969年 提出了"重要性測度"的概念。通過這個指標可以確定哪些子系統是引起系統故障的關鍵 因素，確定系統可靠性改進的目標。根據重要性測度所需要的知識，Birnbaum將其分為三 類：結構重要性測度、可靠性重要性測度和壽命重要性測度。可靠性重要性測度又可以分 為Birnbaum子系統重要性測度（Birnbaum Component Importance)、可靠性臨界重要度 (Reliability Criticality Importance)、和運行臨界重要度（Operational Criticality Importance)。一般說來，可靠性重要性測度是系統運行時間的函數、系統中所有子系統故 障和維修時間的函數，以及系統結構的函數。如果某個子系統對整個系統可靠性的影響程 度越大，則其在整個系統中的重要度越高。
[0004] 回顧以往針對數控機床關鍵子系統的確定方法主要有FMECA (Failure Mode, Effects and Criticality Analysis)、子系統的復雜程度、影響因素等。以上幾種方法主要 以分析每個子系統故障發生次數為依據的。然而子系統的重要度不能單純根據故障發生的 頻次計算，比如有些子系統即使頻繁發生故障，但是其對整個系統的干擾程度卻微乎其微， 易于維修；相反，另外一些子系統雖然極少發生故障，然而其一旦發生將會對整個系統帶來 致命的影響，導致維修周期過長，嚴重影響生產的運行。
[0005] 同時數控機床的可靠性是隨時間變化的，則每個子系統的重要性也會隨時間改 變。因此需要同時考慮子系統可靠性重要性的影響。數控機床從出廠使用會經歷三個階段： 早期故障期，偶然故障期和耗損期。偶然故障期是設備使用的最佳階段，耗損期設備趨于淘 汰，而早期故障期是到達偶然故障期所必須經歷的階段。因此，本文通過分段威布爾模型確 定機床的早期故障期和偶然故障期的分界點，探索分析在不同運行階段的關鍵子系統。通 過綜合分析故障次數、故障同時和可靠性確定數控機床關鍵子系統，準確量化其對數控機 床可靠度影響貢獻的差異性，衡量其改進潛力，為數控機床結構可靠性設計、工藝可靠性設 計、可靠性分配和可靠性增長技術的開發提供基礎數據和理論依據。
【發明內容】
[0006] 本發明克服了傳統尋找數控機床重要子系統單純考慮故障次數的靜態問題，通過 引入數控機床可靠性重要性測度動態模型，能夠分析不同時刻的子系統相對系統的重要程 度問題。提供了一種數控機床全生命周期重要性測度分析方法。
[0007] 以往的研宄對象主要是不可修系統，本文則針對數控機床這一典型的可修系統， 首先針對故障數據和數控機床結構進行子系統劃分；其次根據數控機床的故障數據構建數 控機床在全生命周期內的可靠度模型以及各子系統可靠度模型，并在此模型的基礎上建立 各子系統可靠性重要性測度動態模型；然后，基于數控機床的故障次數和故障停機時間建 立可修系統可靠性重要性測度的靜態模型一一子系統失效臨界重要性測度和子系統運行 臨界重要性測度；最后，根據子系統失效臨界重要性測度、子系統運行臨界重要性測度和可 靠性重要性測度綜合分析數控機床在早期故障期和偶然故障的關鍵子系統，為數控機床可 靠性設計、可靠性改進、制定維修策略提供依據。
【附圖說明】
[0008] 圖1子系統可靠性動態重要性測度曲線圖。
[0009] 圖2早期故障期靜動態可靠性重要性測度排序類比圖。
[0010]圖3偶然故障期靜動態可靠性重要性測度排序類比圖。
【具體實施方式】
[0011] 下面結合附圖對本發明做詳細的描述，數控機床全生命周期重要性測度分析方法 通常包括以下步驟。
[0012] 步驟1 :對數控機床進行子系統劃分。通過對某型號數控車床結構和功能分析進 行子系統分析，具體分為液壓系統（D)，橫梁（B)，伺服系統（F)，潤滑系統（L)，刀架（M)，CNC 系統（NC)，主傳動系統（S)，工作臺（T)和電氣系統（V)等9個子系統。
[0013] 步驟2 :由于該批故障數據在采集時從機床出廠交付用戶使用即開始記錄，所采 集的數據包括故障早期故障期和偶然故障期的數據，所以對獲得故障時刻數據采用兩階段 威布爾分布描述更為合理。分布函數的第一階段可以理解為數控機床早期故障期的分布模 型，第二階段可以理解為數控機床偶然故障期的分布模型。分段Weibull模型的可靠性函 數為：
通過對故障數據的模型初選，數據擬合以及假設檢驗，得到該型號數控車床的故障數 據的兩階段威布爾分布模型為：
根據上面的分析可知，在0-706小時內為此機床的早期故障期，在706小時開始為偶然 故障期。同時采用最小二乘法建立數控車床子系統可靠度函數如表1所示。
[0014] 表1子系統可靠度函數匯總表。
[0015] 步驟3 :分別考慮早期故障期和偶然故障期機床各子系統對整機的重要性測度， 建立數控車床子系統可靠性重要性測度動態模型。數控車床子系統重要性測度是一個隨時 間變化的量，這與系統運行狀態是相吻合的，隨著時間的發展，原來相對不重要的子系統可 能變成重要的子系統。對于一個子系統i對系統0正常的可靠性重要性測度表示為：
對于一個由獨立元件組成的關聯系統則有：
根據上式可知，(i，/7)通過子系統i可靠性對于系統可靠性的增長速率來衡量子系 統i對系統可靠性的重要程度。即：
式中(i，/7)--子系統的可靠性重要性測度； Rsys一一系統可靠度函數； &一一子系統可靠度函數。
[0016] 由于可靠性重要性測度表示的是系統可靠度對子系統可靠度的變化率，上式的物 理意義為：對于系統中任意兩個子系統的可靠性重要性測度(i，/7)與( 乂 /7)，若 (i，W >/& (乂 P)，則說明提高子系統的可靠性水平對系統可靠性水平提高的貢獻更大，從 而間接表明子系統i比J更重要。即/&(i，/7)越大，部件可靠度的變化引起系統可靠度的 變化越大。因此，改進可靠性重要性測度較大的子系統并提高其可靠度，可使系統的可靠度 有較大的改善。
[0017] 以液壓系統（D)為例，根據上式以及液壓系統（D)的可靠度函數和整機的可靠度 函數可得液壓系統（D)在早期故障期和偶然故障期的可靠性重要性測度動態模型為：
通過同樣的方式分別計算得到各子系統在早期故障期和偶然故障期動態重要性測度 模型。采用matlab畫出各子系統對整機的可靠性重要性測度曲線如附圖1所示。
[0018] 步驟4:對數控車床所有故障進行分析，確定故障發生部位，統計數控機床子系統 和整機故障發生次數及每次故障的停機時間，進而建立數控機床子系統失效臨界重要性測 度和子系統運行臨界重要性測度，其表達式如下：
通過步驟1中的整機可靠性建模可以發現，在0-706小時內為早期故障期，超過706小 時數控機床運行達到偶然故障期，因此需要對子系統失效臨界重要性測度和子系統運行臨 界重要