数控机床可靠性设计体系及其关键技术研究

中文摘要 I摘要I摘要近年来，作为机、电、液、控一体化的工作母机，数控机床在国家工业化进程中的地位日益提升。虽然我国在数控机床产品的质量及可靠性水平提高方面做出了巨大的努力，但与发达国家的机床产品相比，我国在机床的设计、生产、质量控制和创新等方面，仍有很大的差距。由于数控机床产品结构复杂，零部件繁多，工作状况多变，且可靠性研究工作起步较晚，相关的可靠性数据又严重缺乏，机床的可靠性问题一度成为国内外学者们研究的重点和难点。本文在国家“高档数控机床与基础制造设备”科技重大专项“中高档国产数控磨床可靠性规模化提升工程”项目的支持下，以国产数控磨床及其关键功能部件为研究对象，对其可靠性设计体系及相关关键技术进行了研究，为数控机床的可靠性研究提供了新的研究思路与方法，且易于运用到工程实践，从而从根本上提升国产数控机床的可靠性水平和市场竞争力。本文主要研究内容如下：①结合数控机床产品设计与开发流程，集成了可靠性建模、可靠性预计与分配、可靠性分析以及可靠性试验等技术，构建了数控机床产品的可靠性设计体系框架，并通过可靠性数据库来实现与产品工程设计之间的数据反馈和信息共享。②针对数控机床在设计初期，可靠性数据严重缺乏，影响可靠性预计的因素较为复杂且具有较强模糊性等问题，提出一种基于Vague集的可靠性模糊综合预计方法。在数控机床系统级的可靠性GO图模型的基础上，利用VSA模型对设计初期数控机床的可靠性进行定量分析与预计，并通过实例验证了所提方法的简便性和有效性。③针对影响可靠性分配的因素不确定性的特点及其影响程度也存在模糊性的特点，提出一种将熵权法与模糊层次分析法相结合的组合赋权法来进行可靠性分配。以数控磨床整机为例，采用主客观组合赋权分配法，将求得的各系统的可靠性分配结果与已积累的数据进行对比，验证了所提方法的有效性和适用性。④针对数控机床的故障模式、影响及危害性分析中的风险评估问题，论文建立了改进的风险优先函数模型，考虑风险因子的相对权重、故障关联度以及专家的相对权重，并基于区间分析法以及灰色关联理论进行风险评估。最后以实例和与传统RPN方法的对比，凸显了本文所提方法的可行性和正确性。关键词：数控机床，可靠性设计体系，可靠性预计与分配，故障模式、影响及危害性分析 英文摘要 IIIIIIABSTRACTInrecentyears,astheworkmachinethatintegratedmachine,electricity,liquidandcontrol,thepositionofCNCmachinetoolsintheprocessofthecountryindustrializationpromotealot.ThoughalotofeffortshavemadetopromotethequalityandreliabilitylevelofCNCmachinetools,thereisstillalargegapforChina’smachinetoolsindustryinthedesign,manufacturing,qualitycontroltechnologyandinnovation,whencomparedwithdevelopedcountries.Besides,CNCmachinetoolsproductshavecomplexstructureandvariouscomponents,itsworkingstateisverycomplex,anditsreliabilityresearchworkstartedsolatethattherelevantreliabilitydataisseriouslylacked,itsreliabilityresearchhasalwaysbeenadifficultproblemforscholars.Onthesupportofthedomestichigh-gradeCNCgrindingmachinereliabilityscalepromotionprojectofthenationalscienceandtechnologyproject:high-endCNCmachinetoolsandbasicmanufacturingequipmentproject,thispapertakethehomeNCGrindingmachineanditskeyfunctionalpartsastheresearchobjects,andstudieditsreliabilitydesignsystemandtherelatedtechnologies,throughwhich,providenewreliabilityresearchdirectionandmethodsforCNCmachinetool,andapplythemontheengineeringpractice,soastoenhancethereliabilitylevelandmarketcompetitivenessofdomesticCNCmachinetools.Themainlycontentsareasfollowing:①Basedontheproductdesignprocedure,thispaperintegratedreliabilitymodel,reliabilityprediction,reliabilityallocation,reliabilityanalysisandreliabilitytesttechnology,andconstructtheframeworkofthereliabilitydesignsystemofCNCMachineTools,whichconnecttheproductdesignbythereliabilitydataandinformation.②AsthereliabilitydataarelackingduringtheinitialdesignphaseofCNCmachinetools,andthefactorsthateffectedthereliabilitypredictionarecomplicatedandfuzzy,afuzzysyntheticassessmentmodelbasedonVaguesets(VSA)wasproposedforreliabilityprediction.BasedontheGOchartmodel,takingNCGrindingMachineastheexample,adopttheVSAmodeltomakequantitativeanalysisandpredictionofNCmachinetools,whichverifiedthefeasibilityandapplicabilityoftheproposedmethod.③Accordingtothefactorsinfluencingthereliabilityallocationandtheirweightsbothhavethecharacteristicsofuncertainty,asubjectiveandobjectivecombination IVIVweightingmethodthatcombinedtheentropymethodandFuzzyanalytichierarchyprocess(FAHP)methodwasproposed.TakingNCGrindingmachineasanexample,adoptthefuzzycomprehensiveallocationmethodthatbasedonthenewmethodtoobtainthereliabilityallocationresults,whichwascomparedwiththeactualaccumulateddata,therefore,thefeasibilityandeffectivenessofthismethodwasverified.④InordertoovercometheproblemsthatexistintheriskassessmentoftraditionalFMEA,animprovedriskpreferencefunctionmodelwasestablished.Whichconsiderstherelativeweight,faultcorrelationoftheriskfactorsandtherelativeweightstoexperts,thentheintervalanalysismethodandtheGreycorrelationdegreemethodareadoptedtoevaluatethefaultrisks.Atlast,taketheNCGrindingMachineastheexample,usetheimprovedriskpreferencefunctionmodeltoanalyzeandsortthekeyfaultmodes,thencomparedtheresultoftraditionalRPNmethodtoverifythefeasibilityandcorrectnessofthemethodproposed.Keywords:CNCMachineTools,reliabilitydesignsystem,reliabilityprediction,reliabilityallocation,Failuremodes,effectsandcriticalityanalysis 目录 V目录V目录中文摘要 I英文摘要 III1绪论 11.1课题背景及研究意义 11.1.1课题背景 11.1.2课题研究意义 21.2数控机床可靠性设计技术的研究进展 21.2.1可靠性设计 21.2.2可靠性预计与分配 31.2.3故障模式、影响及危害性分析 41.3课题来源及主要研究内容 51.3.1课题来源 51.3.2主要研究内容 51.3.3论文的整体结构 62基于数控机床产品开发流程的可靠性设计框架 72.1引言 72.2基于数控机床产品开发流程的可靠性设计框架 82.2.1可靠性数据处理 102.2.2可靠性设计准则 112.2.3可靠性建模 122.2.4可靠性预计与分配 132.2.5可靠性分析 132.2.6可靠性评审 142.3可靠性设计框架的建立和运行案例 152.4章节小结 183数控机床可靠性预计模型及技术研究 193.1引言 193.2可靠性预计概述 203.2.1系统可靠性预计的目的 203.2.2可靠性预计的分类 20 VIVI3.2.3常用的可靠性预计方法 203.2.4可靠性预计的程序及注意事项 213.3基于Vague集的数控磨床可靠性预计方法 223.3.1Vague集合论简介 223.3.2构建数控机床系统级GO图模型 243.3.3建立基于Vague集的可靠性预计模型 243.3.4案例分析 263.4章节小结 284数控机床可靠性分配模型及技术研究 294.1引言 294.2可靠性分配方法概述 294.2.1可靠性分配的目的与原则 294.2.2常用的可靠性分配方法 304.2.3可靠性分配的注意事项 344.3基于组合权重的数控磨床可靠性分配研究 344.3.1数控磨床系统集和影响因素集的确立 344.3.2基于组合权重的可靠性模糊分配模型的建立及求解 354.3.3案例分析及结论 394.4章节小结 425数控机床故障模式、影响及危害性分析技术研究 435.1引言 435.2故障模式影响及危害性分析技术概述 435.2.1故障模式影响及危害性分析的基本概念 435.2.2故障模式影响及危害性分析的主要特点 455.2.3故障模式影响及危害性分析的基本程序 455.3改进的风险优先函数模型 465.3.1构建风险评估分析递阶层次图 465.3.2建立改进的风险优先函数模型 475.3.3风险因子及其相对权重的确定 485.3.4故障模式的关联决策系数的求解 505.3.5故障模式的风险优先排序 515.4案例分析 525.5章节小结 566结论与展望 59 目录 VIIVII6.1结论 596.2展望 60致 谢 61参考文献 63附 录 69 1绪论 111绪论1.1课题背景及研究意义1.1.1课题背景作为集机、电、液、控多学科技术为一体的数控机床，具有加工精度高、加工质量稳定、柔性好和适合于复杂产品制造等特点，因而能够满足现代制造业的加工需求。以数控机床为基础，建立不同等级和规模的自动化柔性生产系统，将是机械制造技术与管理的主要发展方向。目前，数控机床产品的产量、水平和拥有量已成为判定一个国家工业化水平的高低的标准。对于具有复杂结构和自动化控制的数控机床而言，要保证其正常及高效地运转，需要各个系统协调运作，只有保证各子系统、各零部件的质量和可靠性，才能避免给操作人员和企业带来致命的伤害与损失。近年来，我国数控机床在生产及应用方面都有了较快发展，其可靠性指标从“十五”期末的500小时提升到900小时以上，但与工业发达国家的5000小时的领先水平相比，仍然存在着相当大的差距，这给我国机床行业带来极为激烈的竞争与严峻的挑战，目前处境非常艰难[1]。按照国民经济发展需求和机械工艺振兴战略，机械工业部提出以数控机床为代表的重要机械产品作为机械工艺振兴规划三项发展的重点之一。在“十二五”期间，启动了包括《高档数控机床和基础制造装备》在内的一系列重大科技工程，并设立了在“十三五”末期实现由国产数控机床占领国内中高档数控机床市场的目标。然而在数控机床领域，相关的可靠性技术并没有得到很好的应用，再加上在这方面的研究工作起步很晚，也没有建立起相关的可靠性数据库来辅助研究，对于企业人员而言又缺乏可靠性相关的理论知识的培训，而可靠性工作又需要贯穿到企业各个部门，需要一个体系框架将可靠性技术与管理人员、设计人员、生产加工人员联系起来开展工作，否则只会给员工们带来更多的工作压力并降低可靠性工作的成效，而使得可靠性设计工作形同虚设。随着国家对于数控机床可靠性越来越重视，并成立了相关的课题研究项目，很多学者对此进行了大量的研究，但是主要集中在加工中心，对于数控磨床的研究却并不多。数控磨床作为精密加工阶段的关键母机，其故障情况较为复杂，其可靠性的研究涉及到多学科，是贯穿于产品的全寿命周期，并由多个部门进行协调的一项复杂的系统工程。不同于具备成熟可靠性技术及理论的电子产品和军品，由机、电、液、控一体化的数控磨床的可靠性技术的研究近年来才开始起步，积累相对薄弱，还处在发展阶段。随着数控磨床在制造业甚至其他行业的广泛应用，研究数控磨床的可靠性是非常必要而不可忽视的。 221.1.2课题研究意义近些年，我国在数控技术领域取得了迅猛的进步，也为我国的制造业灌入了新的血液和力量，但相比于国外同等级的产品，无论是其设计水平，还是使用情况并不尽如人意，还仍有很大的提升空间。为尽快缩短与国外水平的差距，促使机床行业快速发展，提升国产数控机床的可靠性水平和市场竞争力，研究和开发可靠性系列实用技术，具有重大的战略意义和无可替代的现实意义。考虑到数控磨床本身的特点及其在制造行业中的重要地位，本文在案例分析中以数控磨床的可靠性设计为研究对象，建立了基于产品开发流程的可靠性设计体系框架，该体系融合了可靠性设计分析技术，可靠性试验技术和可靠性数据库等内容，在后续章节对于其中的可靠性预计与分配、故障模式、影响及危害性分析技术进行了详细地介绍，从而为数控机床产品早期设计阶段的可靠性研究提供了坚实的理论和实践基础。1.2数控机床可靠性设计技术的研究进展1.2.1可靠性设计可靠性设计是与产品研发紧密结合的设计工作，能够在进行产品功能设计时实现其可靠性要求，是在研究和实践的基础上经过多年来经验积累的结晶，即在产品方案设计的基础上，采用一些可靠性特殊方法的设计，如可靠度分配、极安全的设计方式、冗余设计法、安全使用期限设计方式、安全装置设计方式、减轻负荷可靠度预测等。我国的可靠性设计研究相比于国外起步较晚，机械产品仍存在着严重的质量与可靠性问题。著名科学家钱学森曾说过，产品可靠性首先是设计出来的，然后是由生产与管理来保证的。据有关文献统计，由产品设计而导致的故障所占的比重为总故障数的50%~60%[2]，由此可见可靠性设计的重要性，在这方面国内外的学者们开展了大量的研究与探讨[3.5]。张义民[6-8]等结合所提出的广义随机有限元法及随机摄动法，来解决机械零件的可靠性灵敏度设计问题，还开发了实用的可靠性设计软件库。郭书祥[9]等提出了基于非概率可靠性理论的结构稳健可靠性设计方法。李静[10]将六西格玛思想应用到可靠性设计中，既节约成本又满足了设计要求。苏多[11]等利用PDM技术与数字虚拟样机技术，来计算空间结构的锁系机构的可靠度，有效地降低了成本，缩短了产品的设计周期。陈建江[12]提出了一种稳健优化设计方法，能有效控制设计变量与参数变化的影响以及偏差对目标函数或约束条件的影响。王光远[13]从模糊随机变量的角度出发，研究了单失效模式结构的随机可靠度问题。王军[14]等提出一种新的概率—非概率混合可靠性分析模型来求解混合结构的优化问题。阎宏生[15]等采用基于神经网络响应面的结构可靠性分析方法 1绪论 33来解决二次多项式响应面法存在的问题。贡金鑫[16]等基于迭代技术收敛的必要条件，提出了一种统一的可靠指标计算方法，并通过调节迭代步长来实现对整个过程的控制。郭书祥[17]等采用区间变量来描述结构中的不确定参数，并提出了一种基于区间分析的非概率可靠性度量体系与分析方法。虽然关于可靠性设计方面的理论研究比较多，但是却很少能够运用到工程实践中，而且目前也还未建立起比较完善的可靠性设计体系框架，来辅助产品设计，另外在可靠性数据的收集和积累方面也有待加强。机械产品可靠性设计理论未来的发展趋势[18]是：①采用如概率设计、维修性设计等新的可靠性设计方法和预测技术；②失效机理和分析技术（该技术为事后分析技术，不能解决量大面广的基础零部件的寿命低、功能退化快等问题）；③可靠性试验评定技术和方法，国内研究比较薄弱，试验手段和设施不完善，试验方法和规范研究不够。④研究加工偏差、工艺缺陷的自动检测和诊断技术及零部件早期故障排除等试验方法。⑤融合质量管理的可靠性工程管理技术。1.2.2可靠性预计与分配可靠性预计与分配是产品可靠性定量设计中的两项重要内容，其中前者是通过自下而上的方法预计产品的可靠性指标，然后判定是否到达目标值，同时找出设计的薄弱环节，进而为制定设计决策和维修决策提供参考信息；而可靠性分配则是指根据产品的定量要求和目标，采用自上而下的方法及适合的准则进行分配，以满足各层次的可靠性设计要求。产品的可靠性预计与分配工作是以可靠性建模为基础的，根据数控机床产品的特点，一般都采用串联模型来进行分析与研究。可靠性预计与可靠性分配是两个互逆的过程，由于可靠性预计是可靠性分配的基础，在产品可靠性设计时，一般总是先进行可靠性预计，再进行可靠性分配。在分配过程中，若发现了薄弱环节，就要改进设计或调换零部件及分系统。这样又重新预计，重新再分配，由两者结合起来反复进行，直到主观要求与客观现实达到统一为止。对于数控机床产品，由于设计初期可靠性数据严重缺乏，影响可靠性的因素也较复杂且具有很强的模糊性，因而要处理这类模糊不确定性问题是十分困难的。目前多采用模糊方法来研究数控机床的可靠性，赵德孜[19]根据模糊数适于量化模糊信息的特点，提出了一种基于模糊数的多级模糊综合评判方法。郝庆波[20]提出了基于相似比较法和区间层次分析法的可靠性预计方法。陈云霞[21]将功能分析与失效物理方法结合应用于系统的可靠性预计。任工昌[22]等采用灰色系统理论对数控机床的可靠性进行了预计。Zhao[23]提出一种将模糊综合评判和模糊推理相结合的可靠性预计方法。系统的可靠性分配问题一直以来都是热点和难点，国内外的学者也对其进行 44了大量的研究，对于可靠性分配方法的研究主要是从工程决策和过程优化两个角度来开展的：张根保[24.25]等提出“元动作”的概念，划分任务剖面对数控机床进行可靠性分配，并建立了可靠性成本预估函数进行优化分配；贺星[26]建立了基于Hopfield神经网络的模型来对燃气轮机进行可靠性分配；杜丽[27]根据已有的相似产品的信息，将模糊相似比例法与综合评判方法结合起来，对新产品进行可靠性分配；鹿祥斌[28]从经济性的角度构建了成本-可靠度非线性规划函数；Kaveh[29]综合考虑多个约束条件，利用粒子群算法对动态自适应惩罚函数进行优化分配；Siramdas[30]提出了基于模糊算法来进行早期设计开发过程中的可靠性分配；Tian[31]针对于多状态串联系统的冗余分配问题，建立了多目标优化模型，并采用动态规划和遗传算法进行求解；文献[32]提出了基于vague集模型的模糊可靠性分配方法；文献[33,34]利用灰色系统相关理论来进行系统可靠性分配。Chang[35]采用最大熵权平均算子法进行了改进的可靠性分配。1.2.3故障模式、影响及危害性分析可靠性分析作为可靠性设计的一大重要组成部分又包含多项内容，比较常用的有故障模式、影响及危害性分析、故障树分析等。而故障模式、影响及危害性分析作为可靠性分析工作最为重要的一项，对于提升产品的可靠性水平具有重要意义，是目前应用非常广泛的可靠性分析工具。经过长期的实践，FMECA也形成了一套完整的分析方法。通常情况下将其与故障树分析配合使用，能够更为细致地分析出故障原因并给出相应的改进措施。由于篇幅限制，文章主要就数控机床领域常用的可靠性分析方法——故障模式、影响及危害性分析展开详细地介绍。在对系统进行了FMEA后，一般需要对关键故障进行风险评估及危害性排序，以提高分析的准确性，并针对关键故障制定相应的改进或维修决策。针对传统FMEA分析的风险评估问题，很多专家学者做了大量研究：KutluandEkmekciglu[36]提出了一种模糊TOPSIS方法，可以允许专家采用模糊语言变量来确定风险因子S、O、D。伍晓蓉[37]采用改进的模糊TOPSIS法和DEMATEL法，进行复杂系统的模糊关联失效风险评估。BowlesandPeláez[38]描述了模糊逻辑法，通过一个模糊if-then规则库，利用专家知识和经验，最后通过WMoM法得到风险优先数；王晓暾[39]提出基于依赖型语言有序加权几何算子方法和语言风险优先数的计算公式，对模糊环境中故障模式的风险进行评估。Wang[40]提出了模糊优先数的概念，采用模糊语言形式和模糊等级来进行风险评估。Xiao和Huang[41]延伸了Pickard’s的工作，提出基于最小割集法来评估多重故障模式的影响。王贵宝[42]基于信息熵定量和最大信息熵推论，引入风险可能数的方法来进行风险分析。Rhee和Ishii[43]提出基于寿命成本的FMEA，以减少全寿命周期的成本，但是设计初期数据严重缺乏，这种方法很难实现。据文献[44]统计，研究风险分析时，采用人工智能方法的比例占 1绪论 5540%，MCDM方法占22.5%，组合算法的占11.25%，数学规划方法占8.75%，其它占17.5%。模糊规则库系统是模糊逻辑和基于知识方法特有的优势所决定的，故应用非常广泛，但是构建模糊规则库非常困难，需要专家做出大量的判断，消耗大量成本和时间。1.3课题来源及主要研究内容1.3.1课题来源本研究课题来源于国家“高档数控机床与基础制造设备”科技重大专项“中高档国产数控磨床可靠性规模化提升工程”（项目批准号：2013ZX04011-013）。该课题主要是以国产数控磨床及其关键功能部件作为研究对象，目的在于开发数控磨床可靠性系列实用技术、研究数控磨床制造过程一致性制造技术、装配技术，在数控磨床的骨干企业里建立产品可靠性保障体系，从而突破困扰国产数控磨床可靠性的关键技术。本文作者作为项目的主要研究成员之一，基于该课题开展了本文内容的理论研究，并与数控磨床的工程实践结合起来进行了分析与验证。1.3.2主要研究内容文章针对数控机床的可靠性设计体系框架及其相关的可靠性设计与分析技术展开了研究，主要内容如下：①数控机床的可靠性设计体系框架该章基于机械产品设计开发流程构建了数控机床的可靠性设计体系框架，该体系是集产品功能设计、性能设计、精度设计与可靠性设计密切结合的一体化协调过程，对于实现产品的功能、性能与可靠性的同步优化具有非常重要的意义，在早期设计阶段即开展可靠性设计与分析工作，可以有效地预防潜在故障的发生，进而全面提升产品的可靠性。②数控机床可靠性预计模型及技术研究该章针对数控机床的可靠性模糊预计问题，提出了一种基于Vague集的模糊综合评判（VSA）模型对数控机床设计初期的可靠性进行定量分析和预计，并以数控磨床的磨削子系统为例，验证了该方法的可行性和适用性，同时也可作为下一步的可靠性设计决策的参考依据。③数控机床可靠性分配模型及技术研究由于可靠性分配集合了工程决策、多因素综合权衡和过程优化多项内容，并且存在许多不确定性因素，针对上述特点，本章节采用熵权法和模糊层次分析法相结合的主客观组合赋权法来对数控机床进行可靠性分配。根据最小鉴别信息原理建立数控磨床的可靠性目标函数，通过拉格朗日乘子法求解得到影响因素的组 66合权重，以某型号数控外圆磨床为例，采用基于组合权重的模糊综合分配法，求得可靠性分配结果，并与其它单一权重分配方法进行对比，验证了该方法的适用性和准确性。④数控磨床的故障模式、影响及危害性分析技术研究该章在分析了传统FMEA风险评估的不足后，建立了改进的风险优先函数模型。首先细化了模糊因子故障严重度，同时考虑风险因子的相对权重和故障关联度，以及专家的相对权重，并基于区间灰色关联方法进行风险评估，最后对数控磨床的7个关键故障模式进行了风险评估分析，从而体现了改进方法的可行性和正确性。1.3.3论文的整体结构本文分为六个章节，第一章绪论后，在第二章阐述了基于数控机床产品开发流程的可靠性设计体系框架，然后分别在第三章、第四章和第五章，就体系中的若干关键技术——可靠性预计技术、可靠性分配技术以及可靠性分析技术，一一进行了详细的介绍，这三项关键技术对于提升数控机床的可靠性水平具有重要意义。最后在第六章概括了论文结论与展望。论文的整体结构图如图1.1所示。图1.1论文整体结构图Fig.1.1Theframeworkofthispaper 2基于数控机床产品开发流程的可靠性设计框架 772基于数控机床产品开发流程的可靠性设计框架2.1引言可靠性设计不仅是提升机床产品可靠性水平的源头，也是保证其固有可靠性最重要的环节。据统计，产品全寿命周期发生的各类故障中，有50%~60%是由产品设计引起的，而产品设计决定了产品的理论可靠性，进而影响了产品整体的质量。正因产品设计对于产品的可靠性、安全性及整体质量的重要度是无可替代的，所以只有在早期设计阶段时就结合可靠性因素进行设计，然后采用有效地可靠性管理方式严格控制生产、加工等过程，才能最终真正地达到提高产品的可靠性、优化设计结构、降低成本，提高产品可用性的目的。鉴于可靠性设计对于产品质量的重要作用，研究产品功能设计与可靠性设计一体化设计的体系势在必行。不同于已具备成熟的可靠性研究理论的电子产品，机械产品的可靠性则存在许多复杂的特点[45.47]：①机械产品的故障模式情况比较复杂；②耐久性是机械产品可靠性中需要着重考虑的特性，机械产品一般发生的故障属于耗损性故障，主要有：疲劳、老化、磨损等；③较难准确地预计机械产品的复杂环境应力；④早期故障的排除难度较大，相应的排除成本也很高；⑤机械产品的故障数据缺乏，不足以进行统计试验及分析，要积累大量的可靠性数据非常困难，同时又缺少成熟的方法与理论的支持，进而增加了数据统计分析的难度。正因为机械产品的上述复杂特点，如果等到故障发生后再去修正设计，只会花费更大的成本，而在机械产品的早期设计阶段就进行可靠性设计和分析，则可以有效地预防潜在故障的发生，以全面提升其可靠性，同时为产品全寿命周期的可靠性提供有力的保证。为了达到这个目标，应充分利用可靠性相关理论知识，结合企业实际情况，建立专门的可靠性设计体系框架，并由完善的可靠性管理体制保障其能够系统性地和有效地运转。目前国内外在对数控机床产品的可靠性设计体系方面的研究并不多，本章节基于产品的研发过程建立系统的可靠性设计体系框架，集成了可靠性设计准则、可靠性试验、可靠性建模、可靠性预计与分配、可靠性分析以及可靠性评审等内容。其中可靠性设计准则和可靠性试验是可靠性工作的前提，然后基于此开展后续一系列的工作，最后对产品设计方案进行可靠性评审和验证，通过上述方法和手段找到设计的薄弱环节，并将其反馈给产品设计人员以进行循环优化改进。实施该体系时，利用相关的可靠性设计及分析软件工具来辅助设计，不仅可以降低设计成本、缩短设计周期，还可确保产品的固有可靠性。 882.2基于数控机床产品开发流程的可靠性设计框架基于数控机床产品开发流程的可靠性设计体系框架是将可靠性工作贯穿与产品开发全过程的一个框架，如此将可靠性要求融于产品功能与结构设计中形成一体化的格局，从而达到提升数控机床可靠性的目的。产品的设计开发流程如图2.1所示。在产品开发方案论证阶段、设计研发阶段、样机研制阶段、生产制造阶段及运行维护这五个阶段都有对应的、主要的可靠性工作，见图2.2。zkq20151222图2.1产品设计和开发流程框图Fig.2.1Theflow-processdiagramofproductdesign 2基于数控机床产品开发流程的可靠性设计框架 9zkq201512229zkq20151222图2.2产品开发过程各阶段对应的可靠性工作Fig.2.2Thecorrespondingreliabilityworkforeverystageofproductdevelopmentprocess事实上，每一项可靠性工作并不是独立的，其相互之间又是紧密关联的。本文站在早期预防的角度，结合图2.1与图2.2的内容，利用可靠性设计准则、可靠性试验、可靠性建模、可靠性预计、可靠性分配、可靠性分析、可靠性评审、可靠性管理等技术和方法，建立了如图2.3所示的数控机床产品的可靠性设计过程与工程设计一一对应的可靠性设计体系框架[48]，从而保证数控机床产品的固有可靠性。图2.3数控机床可靠性设计体系框架Fig.2.3ThereliabilitydesignsystemframeworkofCNCmachinetool 10zkq2015122210zkq20151222产品工程设计与可靠性设计存在着紧密的数据信息交互及共享，两者相互结合不断优化，又形成新的标准文件。由图2.3可看出：首先可靠性建模、故障模式影响及危害性分析、故障树分析等工作均需基于工程设计来开展，然后将可靠性设计与分析得到的结果反馈给设计人员，以作为结构优化设计及方案改进的参考依据，进而极大地减少因设计缺陷导致的可靠性缺陷。对于重要的功能元件的设计还需进行可靠性试验，然后再进行可靠性、安全性分析，并由相关领域的专家进行可靠性评审，直至合理地改进产品设计的缺陷、消除潜在的故障隐患，并形成统一规范的制造工艺文件及标准，最终的数据信息会更新到可靠性数据库中。现对可靠性设计体系框架中各项内容简述如下：2.2.1可靠性数据处理可靠性数据主要可以从两方面获得，其一是从实验室进行的可靠性试验中得到，即试验数据，如通过可靠性试验、寿命试验、加速寿命试验、功能试验、环境试验、定期试验和综合试验等获取。其二是从产品实际使用现场得到，即现场数据，主要记录产品开始工作至故障的时间（故障时间）及开始工作至统计之时尚未故障的工作时间（无故障工作时间）的数据，现场数据反映了产品在实际使用环境和维护条件下的情况，应特别注意收集。应该收集在产品寿命周期各阶段的可靠性工作及活动中所产生的能反映产品可靠性水平及状况的各种数据，可以是数字、图表、符号、文字和曲线等形式。主要内容包括：系统中设备的可靠度及其曾经出现的故障模式、各个故障模式出现的条件、发生的频率、故障可能带来的危害、系统设计的输入条件（载荷谱、功率谱、零件谱、功能谱、故障谱）、产品在装配、调试、试验、使用及维修各阶段发生的故障模式、故障频率、故障的危害度等基础数据[49]。将收集的数据整理到数据库进行管理也为后期的可靠性工作做准备。对于数控机床的可靠性数据主要是在机床运行调试、可靠性试验过程及故障维修记录中收集，然后按照图2.4中的可靠性数据分析流程，结合产品的结构特点、寿命分布类型及已有相似成熟产品的可靠性相关的信息（如产品的经验数据和样本可靠性试验数据信息等），利用概率统计的方法对这些数据分类整理并进行分析与评估，从而确定产品的可靠性。 2基于数控机床产品开发流程的可靠性设计框架 11zkq2015122211zkq20151222图2.4可靠性数据分析流程图Fig.2.4Theflowchartofreliabilitydataanalysis2.2.2可靠性设计准则可靠性设计准则是长期产品研制经验的概括和升华，针对企业产品的实际情况而制定的且能直接实施的可靠性设计要求细则和保证措施。在进行功能和结构设计时必须贯彻执行可靠性设计准则，对于实现产品性能设计与可靠性设计的同步优化、有效提高产品固有可靠性都具有重要的价值和意义。根据机械产品的可靠性要求，其常用到的可靠性设计准则有：简化设计准则、耐环境设计准则、零部件、元器件及原材料的选择与控制的准则、安装设计准则和安全保护设计准则等。一般应在产品初步定型设计阶段就依据可靠性设计准则进行设计，可靠性设计准则的贯彻实施流程如图2.5所示。图2.5可靠性设计准则的贯彻实施流程图Fig.2.5theimplementflow-processdiagramofreliabilitycriterion 12zkq2015122212zkq20151222在这里对以下几种常用的可靠性设计准则简单地加以说明：①简化设计准则：是指在以满足产品设计要求为前提，通过尽可能的简化设计方案，减少零部件的种类及数量，采取标准化的零部件，减少非标准件是比例，来降低产品的维修工作量与成本的准则。②耐环境设计准则：是指通过在设计阶段采取一系列的环境防护设计措施，来最大限度地降低振动、冲击、潮湿、高低温等恶劣环境对产品工作的影响。例如，在潮湿的工作环境下，可采取使用高可靠性的密封件、干燥剂等措施。③零部件、元器件和原材料的选择与控制准则：是指通过制定的具体详细的采购标准和清单来控制零部件、元器件和原材料的质量及可靠性，对于一些不太了解的外购件，可以通过可靠性试验来评估和确定是否选用。④安装设计准则：是指按照安装的位置及精度要求来连接和安装零部件的准则，对于一些容易出错的地方，可以采取防错设计结构，从而避免错误不当的安装。⑤安全保护设计准则：是指通过采取一些降低产品风险的措施来避免对人员及设备带来的损伤的准则。例如，对于一些确定有潜在危险的产品或机构，可以设置自保护或报警装置，或采取容限设计及余度技术等措施，以将危险程度降低到最小。2.2.3可靠性建模在设计初期，系统的可靠性预计与分配以及可靠性分析等工作均需以可靠性模型为前提，从而便于进行设计评审、设计改进及制定维修决策。可靠性建模一般是采用可靠性框图或者数学模型，根据可靠性分析的需求和产品的结构特点而建立，以用来描述系统与其组成单元的可靠性逻辑关系。当系统设计参数、环境应力条件及系统任务剖面产生巨大变化时，应及时修正可靠性模型，这一点正对应了图2.3中由工程设计反馈到可靠性模型的虚线，通过反馈和修改模型，以给下一步的工作提供更为准确的信息。可靠性框图又包括任务可靠性框图和结构可靠性框图，通常根据系统组成特点及功能原理建立逻辑图；数学模型则是利用建立的关于可靠性与时间、事件及故障数据的函数关系式，来描述框图中各方框的可靠性与系统可靠性之间的关系，求解模型得到的“解”即为系统可靠性预计值。采用可靠性数学模型时，一般要考虑系统可靠性试验信息、系统组成、任务参数、工作环境、使用条件及其他相关因素，当这些因素发生改变的时候也应在模型中加以修正。对于数控机床产品，一般要求进行整机的可靠性分析，首先要划分系统，建立系统级的可靠性框图模型，而各子系统之间的功能是相互独立的且没有冗余，只有各个子系统都正常工作，整机才能正常运转。因此通常采取串联模型作为数 2基于数控机床产品开发流程的可靠性设计框架 1313控机床的可靠性模型。2.2.4可靠性预计与分配基于建立的系统的可靠性模型，即可开展可靠性预计与分配工作。系统的可靠性预计与可靠性分配为两个互逆过程，通过可靠性预计可找到设计的薄弱点、并提出有针对性地改进措施，进而确定最优的设计方案，同时可靠性预计的数据可用作系统可靠性分配的依据，以保证分配精度。进行可靠性分配时，通常按照系统可靠性要求，将系统可靠性指标分配到各组成单元。为了保证系统的可靠度达到设计及使用要求，需要在进行系统设计时反复地进行可靠性预计和可靠性分配，并不断地深化和改进设计，直至分配到各约定层次上的可靠性指标合理而有效。可靠性预计与分配都需要基于可靠性建模而开展，但是二者本身并不能提升系统的固有可靠性，而是通过两者的结合使用，找到产品设计的薄弱点并进行循环改进优化之后，达到提升可靠性的效果。两者之间存在着一一对应，同时又截然不同的环节，两者的对比关系见图2.6。zkq20151222图2.6可靠性预计与可靠性分配的关系Fig.2.6Therelationshipbetweenreliabilitypredictionandreliabilityallocation2.2.5可靠性分析故障模式、影响及危害性分析（FMECA）和故障树分析（FTA）是机械产品最为常用的两种可靠性分析工具，利用这两种可靠性分析工具，可以找到产品可靠性的薄弱之处，并按照排序结果和有效的改进措施来对产品设计进行改进与优化。故障树分析法是通过一定的逻辑门及其他符号建立系统各故障事件之间的逻 1414辑树图，然后基于此树图进行定量和定性的分析方法。通常首先选择系统最不希望发生的故障事件作为顶事件，然后找到导致该事件的所有原因并计算相应的发生概率。对故障树自上而下地加以剖析直至最原始的直接因素（即基本事件），通过相应的逻辑符号，将这些事件连接成倒立的树状图形，通过最终的分析结果来指导产品的设计及维修决策[50]。而故障模式、影响及危害性分析则是以表格的形式来分析系统各约定层次的零部件的故障对系统局部或整体的影响，在全面分析后对各故障模式进行风险优先排序，并提出改进或补偿措施，最后将分析的结果再反馈给产品设计人员进行改进。两者联合使用会使故障分析效果更好，并能保证系统可靠性分析的全面性和准确性。对于数控机床产品的可靠性分析，一般先选择典型型号或系统进行FMECA，再对其中的关键故障事件开展FTA分析。FMECA的工作虽然比较繁琐，但在产品的方案设计到工程研制阶段仍需要反复的进行，以在早期阶段尽可能找到问题并进行产品设计修正。本文将在后续章节中着重阐述该方面的内容。2.2.6可靠性评审产品的可靠性评审通常需要先明确可靠性模型、可靠性指标及产品试验（含仿真、半实物仿真、实物试验）数据等信息，然后采用概率统计方法，来评定产品的可靠性特征，最后找出产品设计的薄弱环节，评审结果是设计改进和工艺改进的重要参考依据[51]。对于数控机床产品，一般按照JB/T7517－1994《机械产品可靠性设计评审》和GB7828—87《可靠性设计评审》等标准来开展评审工作；制定设计内容的检核表和设计评审检核表进行可靠性设计评审与检查，主要内容包括：可靠性建模报告评审、可靠性预计报告评审、可靠性分配报告评审、FMECA报告评审、FTA报告评审、一般件和关重件的可靠性设计流程和方法评审等。可靠性评审流程图如图2.7所示。图2.7可靠性评审流程图Fig.2.7Theflow-processdiagramofreliabilityreview 2基于数控机床产品开发流程的可靠性设计框架 电主轴金刚滚轮导轨滚珠丝杠副三相异步电机15电主轴金刚滚轮导轨滚珠丝杠副三相异步电机152.3可靠性设计框架的建立和运行案例本文以某型号数控外圆磨床的砂轮修整子系统为例，介绍图2.2中的可靠性设计体系框架的运行流程。作为数控磨床的关键功能部件，砂轮修整子系统对于砂轮修整轮廓的精度甚至整机的加工质量都有着重大的影响，必须保证其可靠的工作。在整个体系运行的过程中，需要企业的各个部门明确各自的职责，并接受管理部门实时的监督和控制，同时还应成立专门的可靠性评审专家小组，以保证可靠性设计体系运行的效果。①产品初步结构性能分析在进行产品前期调研及功能需求分析后，初步确定该型号数控外圆磨床配置的砂轮修整子系统，主要是由金刚滚轮、三相异步电机、电主轴、滚珠丝杠副和导轨五个组件部分组成。砂轮修整子系统的主要任务是对磨床砂轮进行尺寸、形状、几何角度等进行修整，以确保加工工件的加工质量。②拟定可靠性体系框架运行的工作计划1）目标产品功能分析砂轮修整子系统中，金刚滚轮安装在电主轴上，并随着电主轴运转，通过滚珠丝杠副控制其进给运动。在砂轮工作的时候，能够实时的对砂轮进行修整，对于低速磨削时，可在磨削工件前修整砂轮。2）确定总体的可靠性工作目标和时间要求根据项目合同书的要求，确定数控磨床整机的可靠性设计指标为：MTBF达到1500h，按照相似产品的分配比例，砂轮修整子系统的可靠性指标要求为4000h。3）可靠性评估将前期收集的砂轮修整子系统所有相关的可靠性数据信息，进行筛选并提取出有效的数据，然后依照图2.4所示的流程对其可靠性进行分析与评估。4）可靠性建模首先需要绘制出分析对象的功能层次结构对应图和任务可靠性框图，并建立可靠性模型，以便进行可靠性预计、分配及评估。通过软件Isograph可以完成此项工作。在分析了砂轮修整子系统功能和结构后，建立如图2.8所示的串联的任务可靠性框图。图2.8砂轮修整子系统的任务可靠性框图Fig.2.8Themissionreliabilityblockdiagramofgrindingwheeltrimmingsubsystem 16165）可靠性预计与分配按照上述步骤得到的数据信息和可靠性模型，开展可靠性预计与分配，然后与可靠性指标相对比检验，若不满足设计要求，可以结合故障模式影响分析与故障树分析技术确定设计的薄弱点，最后按照反馈回来的信息，改进和完善工程设计。可借助Isograph软件完成此工作。6）故障模式影响及危害性分析（FMECA）和故障树分析（FTA）a.故障模式分析结合对砂轮修整子系统的结构和工作原理的分析以及相关领域的专家经验，列出砂轮修整子系统所有可能的故障模式，如其中滚轮振动、滚珠丝杠运动不稳定、滚珠丝杠运动反向误差大、及滚轮破损这四项故障模式的比例占到了总故障的82%。b.故障原因分析接着对导致所列出的故障模式的原因进行分析，然后提出设计、选材、加工、装配、调试、使用和维护保养等各方面应采取的具体补偿措施，进而提升砂轮修整子系统的可靠性。如分析导致滚轮振动的原因有：滚轮平衡不良、进给速度与砂轮转速不匹配、横向进给过大、砂轮主轴与轴承间隙过大等。c.故障影响分析全面考虑和分析砂轮修整子系统的故障模式对子系统及整机的安全性、任务成功性、维修性、设备完好性等方面的影响，并分别记录到FMECA报告表格中。d.故障检测方法分析在选择故障检测方法时，一般要结合系统具体的故障模式、故障原因、使用环境等情况来确定合适的方式。针对于砂轮修整子系统的故障诊断与检测，多采用目视检查、拆装后检测和仪器仪表检测等方式。e.设计改进与使用补偿措施分析采用FMECA分析的最终目的，是通过整体分析后提出相应的改进与补偿措施，从而便于故障的早期消除。例如对于滚轮振动这一故障，可采取调整机床的进给速度和砂轮转速让两者匹配；调整砂轮主轴与轴承的间隙；采用较好的金刚滚轮；机床运行前应检查和调节滚轮的平衡性等措施。f.危害性分析（CA）在完成FMEA分析后，可得到砂轮修整子系统所有可能的故障模式，然后对这些故障模式进行危害性分析。考虑到机械产品故障率数据的匮乏，一般利用传统的风险优先数的大小来评判。g.故障模式危害度排序按照传统的风险优先数方法，得到砂轮修整子系统故障模式的风险优先数值， 2基于数控机床产品开发流程的可靠性设计框架 1717将其由大到小的顺序进行排序，数值越大的排在前面，表示危害度越大，应该优先采取措施进行处理。h.输出FMECA报告按照上述步骤进行分析和记录，即得到砂轮修整子系统的FMECA报告，然后再有针对性地进行FTA分析。③反馈信息到工程设计在完成FMECA和FTA分析后，应将定性与定量设计分析得到的结果信息反馈到工程设计，尤其是对于关键的零部件，应针对薄弱环节加以改进。对于一般性的零部件，常结合定性的可靠性设计与常规的机械设计方法进行设计。而对于关键件的定量设计，需按照设计要求以及可靠性指标要求的前提来进行，在必要的时候还应对其进行应力分析和热力学分析，可以借助ANSYS有限元分析软件进行。④电子元器件选择要保障产品的可靠性，应按照相关的选用原则及使用要求慎重选择元器件，并严格控制零部件的质量与可靠性。⑤结构可靠性设计应结合产品的结构特点和功能原理来进行结构可靠性设计时，同时还应遵循一定的可靠性设计准则，常见的有：热设计准则、电磁兼容设计准则以及“三防”设计准则[6]等。⑥可靠性试验在产品设计时对关键的功能部件进行可靠性试验，具有非常重要的价值有意义，一般要根据相应的可靠性指标要求、使用条件及应力情况，选择合适的可靠性试验方案，并拟定相应的可靠性试验程序。对于运行试验时发生的故障，可借助于Isograph软件中Fracas功能模块对其失效机理展开深入分析，提出相应的有效地解决措施，并及时记录入可靠性试验报告，可靠性试验的最终成果以可靠性设计手册的形式来呈现。⑦可靠性评审在运行砂轮修整子系统的可靠性设计体系的各个环节，都需要根据可靠性评审的标准来进行可靠性评审，以判定设计的成效，并且还应有相应的详细的评审报告。⑧整理体系运行的成果，编制相应的可靠性设计手册，并补充更新可靠性数据库。 18182.4章节小结可靠性设计体系框架是通过不断深化和优化可靠性设计与产品设计，以达到产品的功能设计、性能设计、精度设计以及可靠性设计的一体化的目的。该体系对于实现产品功能、性能和可靠性的同步优化具有重要意义，不仅对于早期故障的消除起到了预防作用，同时还节约了产品的设计成本和保障了其安全性与可靠性。本章节在分析了产品的研发流程后，建立了可靠性设计体系框架，并对其中的主要内容和关键设计与分析技术进行了简单的介绍，最后以数控磨床的砂轮修整器子系统为例演示了该体系框架的建立与运行。在后续的第三、第四、第五章节将继续对该体系框架中的可靠性预计、可靠性分配及可靠性分析等内容进行详细地介绍。 3数控机床可靠性预计模型及技术研究 19193数控机床可靠性预计模型及技术研究3.1引言可靠性预计指的是在产品制造和试验之前做出设计决策的一种设计分析方法。可靠性预计的结果提供产品的可靠性度量值，然后与总体的可靠性指标相比较，来初步决定设计方案是否满足可靠性要求。在早期研制阶段，通过可靠性预计可协助设计人员找出设计中主要的可靠性缺陷，进而作为产品改进或设计更改的参考依据。可靠性预计的工作通常需要结合产品研发过程反复进行，并随着可用、可信信息的增加，不断去改进设计，并逐步提高可靠性预计的准确性。已有经验表明，在早期产品设计阶段就进行可靠性预计是最为经济、并且也是最有效的举措。在进行可靠性预计与分配前首先应建立系统的可靠性模型，然后利用产品的结构功能特点及其他已有的信息和数据来建立相应的函数表达式，进而对产品的可靠度进行预计。可靠性预计工作通常应贯穿于整个设计过程，其对于保证产品的可靠性有着十分重要的影响。但是在早期研发阶段，可靠性数据严重缺乏，同时影响可靠性的因素也较复杂且具有很强的模糊性，这些因素都加大了可靠性预计的难度。国内如数控机床这类机械产品的可靠性研究起步较晚，在故障数据积累方面又极为缺乏且缺乏电子可靠性领域的成熟、系统的方法和理论，因此要处理这类模糊不确定性问题是十分困难的，应寻求一种解决模糊预计问题的专门方法和模型。近年来,GO法凭借其在多状态、有时序的系统，特别是在有实际物流、信息和能量流动的过程系统的可靠性分析上的绝对优势，而被广泛采用。GO法是一种图形化的系统可靠性建模和分析方法，一般先进行系统分析并建立对应的可视化模型，称为GO图；然后基于GO图模型对系统进行定性及定量的可靠性分析。GO法能利用相应的符号，将系统的原理图、工程图或流程图按照一定规则翻译成GO图，其中GO符号可以表示出具体的部件或组件之间的逻辑关系，如此就建立起系统的动态可靠性分析模型。本章结合数控机床的特点及Vague集的优点，首先建立机床系统级的GO图，然后提出了一种基于Vague集的模糊预计方法，并运用于工程实践，以指导产品设计决策。 20203.2可靠性预计概述3.2.1系统可靠性预计的目的可靠性预计是通过综合统计低层次产品（如零部件或元器件）的可靠性数据信息，来依次求出高层次产品（如整机、子系统直至系统）的可靠度。其目的在于预估子系统、系统以及整机的可靠度，并初步判定系统的设计方案是否合理和满足设计要求。但是，预计值一般不应作为产品是否达到可靠性要求的判断依据，有代表性的试验结果才是确定系统是否满足规定可靠性要求的依据。在早期设计和研制阶段中，可靠性预计的主要目的是进行可行性评价和各种备选方案的配置的比较，为在设计评审过程中发现潜在问题，制定后续保障计划，进行费用分析、权衡决策和可靠性分配工作提供参考依据。此外，还可作为可靠性增长试验及鉴定试验的故障判据。3.2.2可靠性预计的分类可靠性预计一般可划分为以下三类：第一类是可行性预计。在系统的初步设计阶段时用来描述系统的总体可靠性情况。第二类是初步设计预计。它用于详细设计阶段的初期，此时配置的设计信息是工程图和草图。可利用的详细信息为零部件一览表，而没有可利用的应力分析信息，然后结合这些信息开展可靠性预计工作。第三类为详细设计预计。它是在设计中后期以图纸的形式规定系统所需的零部件、材料和工艺过程。此时可根据各零件已知的可靠度来预计系统的可靠度。此外，可靠性预计还可划分为基本可靠性预计与任务可靠性预计。前者需要预计由于不可靠的系统将会给维修和后勤保障所带来的损失，后者则用于估计系统实现任务目标的设计能力。3.2.3常用的可靠性预计方法常用的可靠性预计方法有：数学模型法、相似产品法、专家评分预计法、上下界限法、蒙特卡罗法、修正系数法、故障率预计法以及性能参数法[52]等。在进行系统的可靠性预计时，可根据系统的结构及功能特点、相关的可靠性数据信息等来选择合适的可靠性预计方法。这里将常见的可靠性预计方法、特点及其适用范围汇总成表，如表3.1所示。 3数控机床可靠性预计模型及技术研究 21适用于具有相似结构或相同功能原理的产品研制的任何阶段。对于详细设计阶段无法用数学模型法来求解的复杂系统21适用于具有相似结构或相同功能原理的产品研制的任何阶段。对于详细设计阶段无法用数学模型法来求解的复杂系统尤为适用。适用于子单元可靠度已知且无法建立通用预计模型的复杂系统的可靠度预计。表3.1常用可靠性预计方法介绍Table3.1Thedescriptionofthereliabilitypredictionmethods常用可靠性预计方法 特点 适用范围数学模型法

根据系统特点建立可靠性模型，将各子系统可靠度预计值代入其中，从而预计整体的可靠度。

适用于能够准确预计出各子系统的可靠度的情况。根据收集到的相似且成熟的产品相似产品法

的经验数据来预估新产品的可靠性。依靠专家的工程和技术经验，对选定的因素进行评分。然后按所得的专家评分预计法

评分系数以及已知单元的故障率，依次计算出其它单元的可靠度指标值。

适用于机械系统设计的初期该法没有成形的数学模型和公式，界限法

是通过计算系统可靠度的上下限值作为其初步的可靠度。是基于概率和数理统计的一种数蒙特卡罗法

学模拟近似方法，通过随机抽样和系统的可靠性框图，并利用计算机进行模拟计算出系统的可靠度。修正系数法

将机械产品分解到子系统级、零部件级，根据通用的基础零件建立可靠性预计模型。

适用于系统设计、适用参数及相关可靠性数据已知的情况利用得到的一些经验公式及系数、性能参数法

初步确定的系统性能和结构参数来进行系统可靠性的预计。

适用于产品的初步设计阶段在零部件信息（如数量、故障率、环境应力等信息）及系统的原理图故障率预计法

和结构图均已确定时，建立系统可靠性模型，代入零部件的故障率，从而预计出系统的故障率。

适用于产品的详细设计阶段3.2.4可靠性预计的程序及注意事项进行系统的可靠性预计时，有以下几项需特别注意：①可靠性预计工作应分级尽早进行，以有助于尽早发现没有达标的级并采取必要的措施加以改进。②可靠性预计工作在系统研制的各个阶段应反复进行，虽然在初期只能粗略地预计，但随着设计工作的深入、可靠性模型的细化以及可靠性要求的不断调整，可靠性预计值也就越精确。 2222③确保可靠性预计的精度:1）要首先明确系统定义和故障的定义；2）要保证所建立可靠性模型的准确性；3）要注意所用数据的精确性。④确保可靠性预计值大于稳定期时的目标值。3.3基于Vague集的数控磨床可靠性预计方法由于数控机床产品设计初期，相关的可靠性数据和客观决策信息严重缺乏，使得数控机床的可靠性预计非常困难。常用的可靠性预计方法并不适用，因此针对数控机床的模糊预计问题，提出了一种基于Vague集的模糊预计方法以便于在工程实践中采用并为产品的设计决策提供了参考依据，可靠性预计流程如图3.1所示：图3.1数控机床可靠性预计流程图Fig.3.1FlowchartforreliabilitypredictionofNCmachinetools3.3.1Vague集合论简介1993年由Gau和Buehrer首次推出了一种新的处理模糊信息的集合理论——Vague集[53]，也是对模糊集概念的推广。其本质在于利用一个真隶属函数和一个假隶属函数来分别表征支持与反对的证据。其基本特点是可以用直观的“表决模型”来解释，因而决策结果能较好地符合人的直觉。自Vague集的概念产生以来，一些学者将其应用于控制、故障诊断及决策等方面的研究[54]，但目前仍在起步阶段，理论研究也有待进一步研究成熟。①Vague集的定义定义Ⅰ：设论域为X，xX，则论域上的Vague集Aˆ采用真假隶属函数tA(x) 3数控机床可靠性预计模型及技术研究 23tx,-fx 23tx,-fx （3.1）ˆA ,xX x1和fA(x)所表征，tA(x):X[0,1]，fA(x):X[0,1]。其中tA(x)是根据支持x的证据而导出的x隶属度的下界，fA(x)则是从反对x的证据而导出的x非隶属度的下界，且tA(x)fA(x)1。Vague集Aˆ的表示方法类似于模糊集。当论域为有限集Xx1,x2,,xn时，论域上的Vague集Aˆ可表示为一种区间值集：n[A(i)1A(i)]i i记论域X上的x对Vague集Aˆ的隶属度（简称为x的Vague隶属度）为Aˆ[tA(xi),1fA(xi)]。关于x的不确定性可以用差值V[1fx(x)tx(x)]来表征。若该差值大，表示对x知道得少；若该差值小，则说明比较准确地知道x；若差值为0，则能明确地知道x，Vague集Aˆ便退化为论域X上的模糊集；若tx(x)和1fx(x)同时为1或0，则此时x是确定的，Vague集Aˆ便退化为普通集。②Vague集的特点虽然在解决模糊问题时，模糊集和Vague集都很实用，且两者的隶属函数都只能由统计结果与专家经验来确定，但两者还是有较大的区别。前者的隶属度是一个单值，只能表征对一个研究对象的支持度和反对度，而后者的隶属度则是[0,1]上的一个子区间，能够表示对研究对象的支持程度、反对程度以及未知度三种信息。因此，Vague集可以更方便、更直观、更准确地表达模糊信息。③Vague集的性质[55]设Aˆ和Bˆ是论域X上的两个Vague集，其中，Aˆ的真假隶属函数分别为：tA(x)和fA(x)，Bˆ的真假隶属函数分别是tB(x)和fB(x)，则有：定义Ⅱ：两个Vague集Aˆ和Bˆ的并集为Vague集Cˆ，记为CˆAˆBˆ，设Cˆ的真假隶属函数分别为：tC(x)和fC(x)，则有：tC(x)max(tA(x),tB(x)) （3.2）1fC(x)1min(fA(x),fB(x)) （3.3）定义Ⅲ：两个Vague集Aˆ和Bˆ的交集为Vague集Cˆ，记为CˆAˆBˆ，设Cˆ的真假隶属函数分别为：tC(x)和fC(x)，则有：tC(x)min(tA(x),tB(x)) （3.4）1fC(x)1max(fA(x),fB(x)) （3.5）定义Ⅳ：设Aˆ[tA(x),1fA(x)]，()[0,1]tAx ，fA(x)[0,1]，() ()1tAxfAx，则函数D(x)=tA(x)+[1-tA(x)-fA(x)] （3.6）称为元素x的满意度函数，代表倾向性因子。 24n n(0) () 24n n(0) () ()RPP PiPiSSS S C1 1i i 当0时，D(x)tA(x)，即弃权者在必须明确表态时，都倾向于去改投反对票；当0.5时，满意度函数D(x)就是闭区间[tA(x),1fA(x)]的平均值，即弃权者在必须明确表态时，一半倾向改投赞成票，而另一半倾向改投反对票；当1时，满意度函数D(x)1fA(x)，弃权者在必须明确表态时都倾向改投赞成票。由此可见，倾向性因子越大，说明弃权者在必须明确表态时改投赞成票的倾向性越大。原则上讲，倾向性因子可以由决策者给出，也可根据实际情况而定。3.3.2构建数控机床系统级GO图模型在进行数控机床系统的可靠性预计之前，首先要建立表征各子系统之间的关系的可靠性模型，然后根据求得的各子系统的可靠度预计值，进而得出整机的可靠度。根据GO法原理[56]，采用GO图来表示子系统及整机之间的关系并进行可靠性分析[57]，用类型5操作符表示系统的输入信号，用类型6操作符表示有信号导通的各子系统，信号流连接各操作符即生成GO图，如图3.2所示。图3.2系统级GO图模型Fig.3.1TheGOMethodchartmodelofCNCGrindingmachinesystems建立数控机床系统级的可靠度表达式为： （3.7）式中PS(0)为系统输入的可靠度；PC(i)为各个子系统的可靠度；PS(i)为控制信号的状态值。n为子系统的数目。3.3.3建立基于Vague集的可靠性预计模型结合Vague集的定义有：Aˆ(x)[tA(x),1fA(x)]，Aˆ(x)[0,1]。基于Vague集的可靠性模糊综合预计过程如下。①确定可靠度的影响因素集对于数控机床的可靠性预计，主要考虑设计、试验、制造和维修4个因素，对于具体的研究对象，也可增减相应的影响因素，当影响因素还可以细分的时候，应采用多级模糊预计方法。这里确定数控机床可靠性预计的影响因素集如下：U{设计，试验，制造，维修}={u1,u2,u3,u4}②建立因素的权重集因素的权重实质上只是表示影响因素在评判时的相对重要程度，设影响因素 3数控机床可靠性预计模型及技术研究 i25k ki ijj ijj ji25k ki ijj ijj jz Dx D 1 1nwz zi i1i的权重集为：W(w1,w2,w3,w4)1）设置赋权的评分等级及其基准分值，设评分等级集为:Xx1,x2,,xk式中：xj为第j个评分等级的基准分值。因素的权重由m位专家按照表决模型综合投票决定，用Vague值表示。因素ui的权重属于评分等级xi的可能范围表示为：Pˆij[tij,1fij];ij （3.8）式中：i1,2,,n；j1,2,,k；ij为弃权者会改投赞成票的可能性，称为倾向性因子。2)计算Pˆij的满意度，即估算Pˆij所表征的模糊隶属度，得到其估算值Dij(x)：Dij(x)=tij(x)+ij[1-tij(x)-fij(x)] （3.9）3)计算因素的基本权重。为了综合考虑专家的决策信息，利用加权平均法来确定基本权重，将得到的估算值Dij(x)作为权数，把对各个评分等级xj进行加权平均的值作为因素的基本权重，则因素ui的基本权重为： （3.10）4）将所得的基本权重进行归一化处理，即可得到权重向量W(w1,w2,,wn)： （3.11）因为模糊集是Vague集的一个特例，故权重也可以记为：Wˆ(w1,w2,,wn)。③建立备择集备择域包含子系统可能具备的可靠度范围，因而备择集是由子系统可能具备的可靠度所组成的集合。粗略地估算预计对象可能具备的可靠度范围，以此范围为备择域，将连续的备择域离散化为m个值，把这些离散值确定为备择元素，得到备择集：Vv1,v2,,vm④综合评判综合评判时，专家需要针对每个类因素中的各个子因素，就预计对象是否取备择元素vj的情况实行投票表决，得到相应的隶属度后，影响因素子集与备择集之间的关系由Vague关系变为模糊关系。令对因素ui进行评判时的预计对象属于备择元素vj的隶属度是： 26 i 26 i i imi i im1111 12122 2Riip ip ipm1 1k k()Pi bv b C ijj ijj j1 1rij(i1,2,3,4;j1,2,,m)则评判矩阵为：r r rr r r

（3.12）r r r然后进行模糊综合评判，采用加权平均算法得到：BWR(b1,b2,,bm) （3.13）再对综合评判指标采取加权平均方式处理，从而得到系统可靠度的预计值： （3.14）按照以上步骤操作，将得到各子系统可靠度的预计值代入公式（3.7）中，即