一種提高臥式加工中心可靠性的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種提高臥式加工中心可靠性的設計方法，該方法利用舊批次臥式加 工中心使用階段的故障數據來改進新批次臥式加工中心的可靠性設計，提高了新批次臥式 加工中心整機可靠性水平。
【背景技術】
[0002] 臥式加工中心是柔性加工生產線上最重要的設備。目前很多生產線上都會用到大 量的臥式加工中心，比如汽車發動機缸體缸蓋生產線。但是目前很多臥式加工中心的可靠 性水平仍然相對較低。臥式加工中心可靠性水平低會直接影響到臥式加工中心使用用戶的 生產效率。
[0003] 臥式加工中心從設計到報廢會經過三個階段：設計、制造和裝配、使用。大部分改 進臥式加工中心可靠性水平的措施都主要集中在制造和裝配階段。但是如果在設計階段就 注意提高臥式加工中心的可靠性水平，就可以最有效地整合資源，減少人力物力成本，并提 高臥式加工中心的可靠性水平。
[0004] 臥式加工中心的構成非常復雜，需要很多設計人員共同協調設計才能完成。而且 如果臥式加工中心僅一個系統發生故障就會造成臥式加工中心整機停機。因此臥式加工中 心的整機可靠性水平與各個子系統的可靠性水平息息相關。如果臥式加工中心某些部件可 靠性水平非常高，而其他部件可靠性水平很低，那么整機的可靠性水平就主要取決于這些 可靠性水平低的部件，那些可靠性水平高的部件就體現不出其價值，而造成經濟上的浪費。
[0005] 綜上所述，提高臥式加工中心的整機可靠性水平十分重要，而其解決方法之一就 是在設計時就協調規劃臥式加工中心的各個子系統的可靠性水平，使每個子系統的可靠性 水平都能達到最合理的設計值。
【發明內容】
[0006] 為了協調臥式加工中心整機可靠性水平與各個子系統可靠性水平之間的關系，本 發明提供了一種有效利用舊批次臥式加工中心的故障數據來改進新批次臥式加工中心可 靠性設計的方法。
[0007] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：
[0008] (一）劃分臥式加工中心的結構模型
[0009] 根據臥式加工中心的復雜性特點，將臥式加工中心分為不同功能的子系統，包括： 工件傳輸系統、控制電氣系統、夾具系統、刀庫系統、進給系統、機床防護及基礎件、液壓氣 動系統、主軸系統和冷卻排肩除塵除霧系統，各系統之間順序串聯；整機的故障率\與各 個子系統的故障率A ,之間的關系：
[0011] 其中n代表子系統數。
[0012] (二）確定臥式加工中心可靠性指標（MTBF)
[0013] 用平均故障間隔時間（MTBF)來衡量臥式加工中心整機和每個子系統的可靠性水 平，其單位為小時。
[0014] (三）確定子系統的四個影響因素及其計算方法
[0015] (1)危害度：危害度表示的是每個功能子系統發生故障時對整機的危害影響的相 對大小，采用FMECA方法計算子系統的危害度。將子系統i的危害度用Ci表示，其計算公 式如下：
[0017] 其中n是影響子系統i的故障模式的個數；Cu是每個故障模式的危害度；j是每 個子系統中的故障模式數。
[0018] Cij的計算公式如下：
[0019] Cij=aX0u (3)
[0020] 其中a為某一故障模式發生的頻率；0 ^表示故障對機床造成損傷的可能性（損 失概率），的具體取值情況如下，u=〇,表示該故障對臥式加工中心沒有損傷；u =0. 1-0. 9,表示該故障會對臥式加工中心造成損傷，具體大小視具體情況而定；|3ij= 1， 表示該故障對臥式加工中心肯定造成損傷。
[0021] (2)平均維修時間：
[0022] 第i個子系統的平均維修時間凡的計算公式如下：
[0024] t表示子系統i每次發生故障時的維修時間，單位為min。
[0025] (3)故障頻數；同樣時間里，第i個子系統的故障次數記為隊。
[0026] (4)費用比；即子系統的維修費用。
[0027] (四）利用舊批次的故障數據來計算R1矩陣
[0028] 首先利用下面的公式得到4個矩陣Alk。
[0030] 矩陣Alk中，各個元素的求解公式如下：
[0031] (1)矩陣A11 中，
[0033] Cei表示舊批次臥式加工中心子系統i的危害度值。
[0034] (2)矩陣A12 中，
[0036] Tei表示舊批次子系統i的維修時間平均值。
[0037] (3)矩陣 A13中，
[0039] Nei表示舊批次臥式加工中心子系統i的故障頻數。
[0040] (4)矩陣 A14 中，
[0042] Mi表示舊批次子系統i的費用比。
[0043] 之后利用公式（10)，可得矩陣R1。
[0045] (五）利用新批次的故障數據來計算矩陣R2
[0046] R2矩陣首先需要新批次臥式加工中心的故障數據，仍然要先求出4個矩陣A 2k:
[0048] 矩陣A2k中，各個元素的求解公式如下：
[0049] (1)矩陣 A21 中，
[0051] Cdi表示新批次臥式加工中心子系統i的危害度。
[0052] (2)矩陣 A22 中，
[0054] 表示新批次臥式加工中心子系統i的平均維修時間。
[0055] (3)矩陣 A23 中，
[0057] 隊表示新批次臥式加工中心子系統i的故障頻數。
[0058] (4)矩陣 A24 中，
[0060] ]\^表示新批次臥式加工中心系統i費用比。
[0061] 之后利用公式（16)，可得矩陣R2。
[0063] (六）利用R1和R2組合而成矩陣R
[0064] 矩陣R公式如下：
[0065] R=aR:+ 0R2 (17)
[0066] 其中a、0兩者取值是與臥式加工中心運行時間有關的。當臥式加工中心剛剛投 入運行時，臥式加工中心的可靠性不高，可靠性設計只能依靠舊批次臥式加工中心的故障 數據R1來計算。隨著運行時間的增加，維修工作的不斷進行，新批次臥式加工中心可靠性 的數據R 2不斷增多。
[0067] 當機床運行的時間為T個月的時候（不到一個月按一個月算）：
[0069](七）求四個影響因素（危害度、平均維修時間、故障頻數、費用比）的權重向量 W ；
[0070] 這里是單獨考慮四個影響因素在分配過程中的權重，需要請專家進行打分。打的 分數求平均值并進行歸一化處理，可得向量W中各個元素的值，公式如下：
[0073] Wm表示第i個專家對第j個因素的權重打分，其值為0至1之間任意小數，權重 越大打的分數越大。為了防止打分時出現某個專家對所有因素打的分都很高或很低而體現 不出各因素之間的區別，在打分時，要求每個專家對所有因素打出的分數和要為1。
[0074] (八）求得設計結果
[0075] 利用層次分析法建立規劃設計模型，公式如下：
[0077] 向量D是可靠性設計的層次模型中的目標層，也就是整機的可靠性設計指標 (MTBF)，D中各個值的比就是各子系統故障率的比，也是平均故障間隔時間的反比，求出向 量D就可以得到各個子系統應該規劃到的平均故障間隔時間；向量W是層次模型中的準則 層，也就是可靠性設計中影響可靠性設計的因素，其數值表示各個因素的權重，矩陣R是層 次模型中的方案層，是指最后設計出的各個子系統的可靠性，其數值是各個子系統在各考 慮因素影響下的故障率所占比重。向量W和R兩者相乘可得向量D。
[0078] 向量D還需進一步的變形才可以得出每個子系統的平均故障間隔時間。
[0079] 如果要求新設計出的臥式加工中心整機平均故障間隔時間要求達到x小時，則每 個子系統應得到的最合理的平均故障間隔時間奶^匕可由如下公式計算出。
[0081] 本發明為加工中心的可靠性設計提供一種改進的方法，利于了舊批次的數據，增 大樣本量，是更加貼合實際的可靠性設計方法。在現有故障數據不足的情況下，應用舊批次 同型號的臥式加工中心的故障數據，擴大故障數據群，該方法可以幫助設計人員協調規劃 各個子系統的可靠性水平，以設計出可靠性水平更高的新批次臥式加工中心。
【附圖說明】
[0082] 圖1是本發明的結構流程圖。