基于級聯故障分析的數控機床系統組件可靠性評價方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于數控機床可靠性評價技術領域，設及一種基于級聯故障分析的數控機 床系統組件可靠性評價方法。
【背景技術】
[0002] 數控機床是集機、電、液、氣、光于一體的復雜系統相關"是其故障普遍特征，且 各零件及子系統之間的故障存在傳遞性，屬于級聯故障。可靠性建模與評價是可靠性設計、 分配與預計等研究的基礎。傳統的數控機床系統組件可靠性建模多基于機床運行中組件故 障信息，基于故障獨立假設展開。據此評價組件可靠性水平存在偏差，給組件重要度分析、 系統可靠性分配、工藝設計和維修策略制定帶來較大影響。因此，考慮故障傳遞性，進行基 于級聯故障分析的數控機床系統組件可靠性評價研究具有重要意義。
[0003] 級聯故障是指由一系列互為因果、在時間尺度上可區分的序列停運引起的故障事 件，運些故障事件往往就是從系統中某一元件的故障開始，繼而引發系列元件故障，運種連 鎖性故障的迅速傳播最終導致了系統的崩潰。級聯故障機理的研究引起了國內外學者的廣 泛關注。
[0004] 國內外主要應用復雜系統相關理論對級聯關聯故障進行研究。研究內容主要包含 兩個方面：一是基于復雜網絡理論的"小世界網絡"模型、Watts構造模型、化Ime和Kim的 相隔中屯、性模型、Motter與Lai模型等進行連鎖關聯故障機理分析；二是利用MonteCarlo 模擬法、遞歸算法、基于ΑΗΡ和灰色關聯度選擇故障序列等進行連鎖關聯故障路徑捜索。 陽0化]Pickles借助Domino骨牌來描述故障相關性，將獨立的可靠性評價擴展成連續 失效過程，借助指定的系數來刻畫某一子系統故障對其相鄰子系統的影響，但由于它假定 的失效序列比較單一，無法適用于故障的多路徑傳遞方式；Sun化ng構建了定量化分析關 聯故障的可靠性函數模型，并結合故障數據計算子系統的相關系數，但是該相關系數是一 個綜合指標，子系統的影響度和被影響度對整個系統的影響并不相同。此外很多學者借 助Copula函數來研究故障相關性問題，張英芝初次將Copula函數引入到數控機床相關故 障的計算分析中，精準的計算出了相關子系統之間的相關系數值，為明確子系統之間的相 關作用程度開辟了新的途徑，該方法的不足之處是運動相關關系的作用方向和作用形式不 能通過計算值體現出來，運種弊端在研究多系統之間錯綜復雜的相關關系時表現的尤為明 顯。王曉燕根據生產跟蹤數據，對故障鏈種類進行歸類，建立了系列相關系數求解模型。
[0006] 數控機床系統復雜，其系統組件間關聯關系不明確，不能直接套用其他產品關聯 故障研究方法。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術因忽略故障傳播影響和故障相關性分析而導致用組件綜合可靠性 代替固有可靠性，使得評價結果存在偏差的缺陷。本發明提供一種基于級聯故障分析的 數控機床系統組件可靠性評價方法，利用該方法對數控機床系統組件進行可靠性分析更準 確，更符合實際。
[0008] 為了解決上述技術問題，本發明的基于級聯故障分析的數控機床系統組件可靠性 評價方法包括下述步驟：
[0009] 一、將整個數控機床系統部件劃分為η個子系統；根據采集的數控機床現場故障 數據進行統計分析并借助于故障分析數據和系統結構功能方面的相關經驗尋求到子系統 之間的故障傳遞關系，然后W各個子系統為節點集合V= (Vl，V2, ...V。}，節點之間的故障 傳遞關系為有向邊集合E= {ei,}，i聲j，構成故障傳遞有向圖模型，其中η為子系統數量；
[0010] 二、用ηΧη的鄰接矩陣C對故障傳遞有向圖模型進行描述；
[0011]
陽01引 當i聲j時，
陽〇1引 當i=j時，Cij=0;
[0014] 將鄰接矩陣C的每行元素除W此行元素的總和，得到轉移概率矩陣C'，然后對轉 移概率矩陣C'進行轉置變換得到其轉置矩陣（C' )τ:
[0015] Ξ、利用式（1)進行迭代運算，得到各子系統的基于故障相關的被影響度CK值，某 一子系統的CK值代表該子系統被其它子系統影響的概率；
[0016]
[0017] 其中，d-一阻尼因子，取試驗中關聯故障數與總故障數的比值；
[0018] E-(ηXI)階矩陣，并且元素全為1 ;
[0019] 迭代初始條件為：護=(1，1，......，1)Τ;
[0020] 設ε為指定的迭代收斂平穩閥值，迭代計算當滿足|px"-Pl<ε時， 迭代結束；令迭代結束后Ρ=CK，則CK= (CK(1)，CK似，...CK(i)...，CK(n))T， CK(1)，CK(2)，. . .CK(i). . .，CK(n)即為各子系統的基于故障相關的被影響度CK值；
[0021] 四、利用式（2)計算得到各子系統的固有故障概率函數
[0022]
(2) 陽〇2引其中λ。為子系統i的固有故障概率函數，cKa)為子系統i的被影響度，λ1為 子系統i的綜合故障概率函數，^是整個數控機床系統中除子系統i之外其他子系統構 成的子系統集合的綜合故障概率函數；
[0024] 五、利用步驟四得到的各子系統的固有故障概率函數對數控機床系統組件進行可 靠性評價。
[00巧]本發明可靠性模型不僅考慮子系統自身元件的累計失效過程，還融入其他子系統 的故障相關影響度因子，與基于系統間相互獨立假設的可靠性模型相比更符合實際。
【附圖說明】
[00%] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0027] 圖1是本發明的基于級聯故障分析的數控機床系統組件可靠性評價方法流程圖。
[0028] 圖2日、圖化是故障傳遞有向圖模型。
[0029] 圖3是實施例加工中屯、故障傳遞有向圖。
[0030] 圖4進給系統固有故障概率與綜合故障概率曲線。
[0031] 圖5進給系統固有可靠度與綜合可靠度曲線。
[0032] 圖6刀庫固有故障概率與綜合故障概率曲線。
[0033] 圖7刀庫固有可靠度與綜合可靠度曲線。
[0034] 圖8主軸固有故障概率與綜合故障概率曲線。
[0035] 圖9主軸固有可靠度與綜合可靠度曲線。
【具體實施方式】
[0036] 如圖1所示，本發明的基于級聯故障分析的數控機床系統組件可靠性評價方法包 括下述步驟：將系統劃分為η個子系統；對各子系統故障相互影響關系進行分析；構建故障 傳遞有向圖模型；構建鄰接矩陣；計算各子系統被影響度；計算各子系統的固有故障概率 函數；計算各子系統的固有MTBF。
[0037] 一、級聯故障機理分析與組件相關度評估
[0038] 為清晰級聯故障傳遞機理，實現系統部件可靠性評估，本發明引入圖論中的故障 有向圖方法構建故障傳遞有向圖模型，通過矩陣化處理實現模型量化。系統部件的故障相 關度又分為影響度和被影響度，本發明重點關注部件被影響度計算。
[0039] 1、故障有向圖模型
[0040] 將整個系統劃分為若干個組成子系統，借助于故障分析數據和系統結構功 能方面的相關經驗尋求子系統之間的故障傳遞關系。W各個子系統為節點集合v= {Vl，V2，...v。}，節點之間的故障傳遞關系為有向邊集合E={el,}，i聲j。節點一般是指系 統中的各子系統（也可W指元件、部件等），有向邊則代表它們之間的故障傳遞關系。如果 子系統i出現故障會引發子系統j出現故障，那么則存在從節點Vi到節點Vj的一條有向邊。 故障傳遞關系主要是依據現實的故障數據采集和故障原因分析，結合故障診斷手冊進行確 定。如圖2a是由