一種基于fmea分析的數控機床可靠性綜合分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于機械系統可靠性分析領域，具體涉及一種基于FMEA分析的數控機床 可靠性綜合分配方法。
【背景技術】
[0002] 機械可靠性分配是根據一定的原則和方法，將整機系統可靠性指標自上而下逐級 分配到下屬各級產品，最終達到整機系統可靠性指標的過程，機械系統的可靠性在一定程 度上取決于設計初期可靠性指標分配過程的合理性；
[0003] 數控車床作為制造業的主要設備，其可靠性程度對制造業的發展起到關鍵作用； 由于數控車床結構復雜且故障模式繁多，其設計初期的可靠性分配結果常出現不合理或可 信度不足的現象，進而影響機床的使用效率及壽命；因此，討論如何合理地對數控車床進行 分配或再分配十分重要；
[0004] 數控機床可以看作是一種典型的串聯系統，針對串聯系統的可靠性分配，目前主 要有平均分配法、基于FMEA的直接分配法、基于FMEA的指數轉換函數分配法、綜合分配法、 基于模糊理論的可靠性分配方法等；然而，不同的理論均有其各自的優勢與不足；例如，相 比于基于FMEA的平均分配法，基于FMEA的指數轉換函數分配法雖然增強了高嚴重度及高 失效頻率的可靠性區分度，但是在工程實際中，大部分子系統的嚴重度及失效頻率均分布 在中區間內（FMEA評價值為5-8)，該方法并不能很好地適用。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術的不足，本發明提出一種基于FMEA分析的數控機床可靠性綜合分 配方法，以達到根據工程實際需要調節可靠性分配所關注的嚴重度區間，調節子系統可靠 性的區分度，在子系統分配較低可靠度的同時使整個系統達到要求的可靠度，以達到降低 加工制造成本的目的。
[0006] 一種基于FMEA分析的數控機床可靠性綜合分配方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、設置目標數控機床的目標可靠度，并確定目標數控機床所包括的子系統， 及每個子系統的可靠性評價指標和失效模式；
[0008] 步驟2、判斷可靠性評價指標中是否包含子系統相關失效嚴重度，即是否考需要考 慮故障相關性的影響，若是，則執行步驟3,否則執行步驟4 ;
[0009] 步驟3、根據目標數控機床子系統的失效概率，獲得子系統相關失效嚴重度；
[0010] 步驟4、結合實際情況，采用FMEA分析方法確定每個子系統中不同失效模式的 FMEA評價值，包括不同失效模式的失效嚴重度和不同失效模式的失效頻率，根據上述失效 嚴重度和失效頻率，進一步獲得所有子系統的相對失效嚴重度平均值和相對失效頻率平均 值；
[0011] 步驟5、將FMEA分析方法中的嚴重程度和失效程度進行分區，包括低、中、高三區；
[0012]步驟6、判斷每個子系統的相對失效嚴重度平均值和相對失效頻率平均值所屬分 區，并設定該分區內子系統的可靠性分區度；
[0013] 步驟7、根據不同分區所設定的子系統的可靠性分區度和三階轉換函數，將每個子 系統的嚴重度和失效率有線性關系轉換為非線性關系；
[0014] 步驟8、根據轉換后獲得的每個子系統失效嚴重度和失效頻率，及其他可靠性評價 指標，獲得每個子系統在不同可靠性評價指標下的分配系數和不同可靠性評價指標的分配 權重，進而獲得子系統分配向量；
[0015] 步驟9、根據獲得的子系統分配向量，獲得最終每個子系統的可靠度，具體如下： [0016]當可靠性評價指標中不包括子系統相關失效嚴重度時，具體如下：
[0017] 步驟9-1、將步驟1所設定的目標可靠度轉換為目標失效率，根據子系統分配向量 和目標失效率，獲得每個子系統的失效率；
[0018] 步驟9-2、將每個子系統的失效率轉換為可靠度，即獲得最終每個子系統的可靠 度；
[0019] 當可靠性評價指標中包括子系統相關失效嚴重度時，具體如下：
[0020] 步驟9-a、根據子系統分配向量，獲得子系統失效率比值；
[0021] 步驟9-b、根據步驟1所設定的目標可靠度、子系統的相關系數、子系統的故障相 關關系和子系統失效率比值，獲得每個子系統的失效率；
[0022] 步驟9-c、將每個子系統的失效率轉換為可靠度，即獲得最終每個子系統的可靠 度；
[0023] 步驟10、根據所獲得的每個子系統的可靠度，設計目標機床。
[0024] 步驟3所述的獲得子系統相關失效嚴重度，具體步驟如下：
[0025] 步驟3-1、統計目標數控機床子系統的失效概率；
[0026] 步驟3-2、采用極大似然估計法獲得任意兩個子系統的相關系數；
[0027] 步驟3-3、建立目標數控機床子系統的相關系數矩陣；
[0028] 步驟3-4、根據相關系數矩陣計算獲得子系統相關失效嚴重度。
[0029] 步驟4所述的根據上述失效嚴重度和失效頻率，進一步獲得所有子系統的相對失 效嚴重度平均值和相對失效頻率平均值，具體為：在每個子系統不同失效模式的失效嚴重 度中選擇最大值作為相對失效嚴重度，再獲得所有子系統的相對失效嚴重度平均值；在每 個子系統不同失效模式的失效頻率中選擇最大值作為相對失效頻率，再獲得所有子系統的 相對失效頻率平均值。
[0030] 步驟5所述的低區取值范圍為1~3級，中區取值范圍為4~7級，高區取值范圍 為8~10級。
[0031] 步驟7所述的根據不同分區所設定的子系統的可靠性分區度和三階轉換函數，將 每個子系統的嚴重度和失效率有線性關系轉換為非線性關系，具體如下：
[0032] 三階轉換函數矣(￡)公式如下：
[0033]
)
[0034] 其中，E表示FMEA嚴重程度或失效程度，〖表示相對失效嚴重度平均值或相對失 效頻率平均值，a(l、C(l和C :均為待定系數；
[0035] 三階轉換函數與可靠性分區度關系式如下：
[0036]
[0037] 其中，As表示可靠性分區度；
[0038]將公式（2)代入至公式（1)中求解％、(^和ci系數的取值，即獲得三階轉換函數 式(幻，即完成每個子系統的嚴重度和失效率從有線性關系向非線性關系的轉換。
[0039] 步驟8所述的獲得子系統分配向量，具體步驟如下：
[0040] 步驟8-1、將轉換后獲得的每個子系統失效嚴重度和失效頻率作為兩個可靠性評 價指標，并根據其他可靠性評價指標，建立每個可靠性評價指標情況下，子系統兩兩之間的 失效率分配相對值矩陣；
[0041] 步驟8-2、根據失效率分配相對值矩陣，進一步獲得每個子系統在不同可靠性評價 指標下的相對分配系數矩陣；
[0042] 步驟8-3、采用專家打分的方法對每個可靠性評價指標的權重進行打分，獲得分配 指標權重向量；
[0043] 步驟8-4、將分配指標權重向量與相對分配系數矩陣相乘，獲得子系統分配向量。
[0044] 步驟9_b所述的根據步驟1所設定的目標可靠度、子系統的相關系數、子系統的故 障相關關系和子系統失效率比值，獲得每個子系統的失效率，具體公式如下：
[0045]
[0046] 其中，R/(t)表示設定的目標可靠度，m表示具有相關性的子系統個數，s表 示相互獨立的子系統個數，n表示子系統的個數，Rjt)表示相關第i子系統的可靠度， ，入i表示第i個子系統失效率比值，a i表示分配向量的第i個元素， 叫表示分配向量的第1個元素，t表示時間，'U)表示不相關第/子系統的可靠度，7表示 具有故障相關性的子系統序數；/表示具有故障獨立的