基于优度评价法的数控磨床可靠性分析研究

刘 超，白 强，杜永鹏，张琳琳

（齐鲁工业大学（山东省科学院），山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266061）

1 引言

数控磨床作为基础制造装备，国产数控磨床在市场占有率较国外数控磨床还要一定差距，究其原因主要是由于国产数控磨床的可靠性比较低。因此，提升数控磨床可靠性水平已经迫切重要[1]。对于机床可靠性分析，文献[2]对45台卧式加工中心和25台立式加工中心进行了现场试验，对其进行了故障分析，评估了可靠性指标，英国的一些高校从数控机床的现场可靠性信息采集入手，建立可靠性数据库，对其可靠性数据进行分析和处理，找出故障分布规律和薄弱环节[3-4]，文献[5]用三参数威布尔分布单一模型对数控机床的可靠性进行分析与评估。文献[6]使用故障树以及故障模式、影响和危害性分析方法对卧式加工中心的刀库系统进行可靠性分析及改进设计。由于数控磨床是集机、电、液一体化的装备，故障的原因也是比较繁杂。采用多指标的综合评定才能更好的了解数控磨床的可靠性，反映出数控磨床的可靠性水平。

2 优度评价法

优度评价法[7-10]是可拓学中评价一个对象，包括事物、策略、方法等优劣的基本方法。通过建立多指标性能参数的综合评判物元模型来描述矛盾问题，并建立关联函数对事物的质变和量变问题进行定量描述，以定量的数值来表示评定结果，从而较完整的反映被评价对象的综合水平。对于数控磨床可靠性的问题恰好可以利于这一方法对其进行分析，其基本流程，如图1所示。

图1 优度评价法的基本流程Fig.1 The Basic Process of Priority Degree Evaluation Method

2.1 数控磨床可靠性衡量指标的确定

通过对数控磨床的故障数据进行分析，可以得到故障的故障频率、故障类别、故障维修的难易程度以及故障的维修时间，现将这四个作为数控磨床可靠性的衡量指标。建立相应的衡量指标集：

式中：SI1—子系统或者是某一部件故障的故障频率；SI2—子系统或者某一部件故障的故障类别：致命故障、严重故障、一般故障以及轻微故障；SI3—子系统或者某一部件故障的故障维修的难易程度：难维修、较难维修、一般维修、简单维修；SI4—子系统或者某一部件故障的故障维修时间：长、较长、一般、短。

2.2 确定权系数

评价一个对象Zj（j=1，2，…，m）优劣的各个衡量指标SI1，SI2，…，SIn有轻重之分，用权系数表示各衡量指标的重要程度。对于非满足不可的指标，用∧来表示，对于其他的衡量指标，则根据重要程度分别赋予［0，1］的值。权系数记为：

权系数的大小对于优度的高低具有十分重要的作用，不同的权系数可以得出不同的结论，引起优劣顺序的改变。但是由于权系数由人来确定，往往具有主观性，影响真实性和可靠性。为更合理的确定权系数，可以使用层次分析法来确定衡量指标的相对重要程度，从而确定权系数。

根据故障数据，从以上衡量指标的综合考虑，确定以下判断矩阵，如表1所示。

表1 衡量指标的判断矩阵Tab.1 Judgment Matrix of Measure Index

在以上表1的判断矩阵中，衡量指标SI1相对于衡量指标SI2稍微重要，相对于SI3、SI4明显重要。衡量指标SI2相对于衡量指标SI3、SI4稍微重要。根据以上的判断矩阵，计算出判断矩阵的特征值以及特征向量，得到权系数向量：

2.3 建立关联函数，计算关联度度以及规范化关联度

为了更好的对问题进行描述，也便于表达某些量的要求，要将非数值量转化为数值量，可拓集合论建立了关联函数的概念。

根据各衡量指标的相关要求，建立其对应的关联函数K1（x），K2（x），K3（x），K4（x），其中：

关于SI1的关联函数为：K1（x）=x，其中x=故障频率；

关于SI2的关联函数为：

关于SI3的关联函数为：

关于SI4的关联函数为：

把对象Zj关于各衡量指标SIi的关联函数值简记为Ki（Zj），则各对象Z1，Z1，…，Zm关于SIi的关联度为：

则各对象Z1，Z1，…，Zm关于SIi的规范关联度为：

ki=ki1，ki2，…，kim，i=1，2，…，n

对象Zj关于各衡量指标SI1，SI2，…，SIn的规范关联度为：

2.4 确定子系统对整机可靠性的影响度与影响因子

优度评价法将衡量条件的权系数和规范化关联度的乘积作为优度值，应用于可靠性工程，我们在这里将优度定义为影响度。影响度C（Zj）的计算为：

对采集到的数控磨床的故障数据对其进行分类与处理，得到如表2所示。

表2 各子系统的故障因素表Tab.2 Fault Factors of Each Subsystem

根据表2可以计算其关联度，表示故障因素的符合程度。将上述数值分别代入对应的关联度函数，得到对应的关联度：

通过上述计算可以得到各个衡量条件的权系数以及规范化关联度，根据上述的计算我们可以得到各个子系统对整机的影响度。

由于头架系统的关联度为：

已知权系数向量为：

由此可以计算头架系统对整机的影响度为：

C（HS）=αK（HS）=0.9293

同理可以得到以下各个子系统对整机的影响度：

通过计算出各个子系统对整机的影响度，进而可以定义影响因子为各个子系统在所有子系统影响度所占的比例，由此可以计算出各个子系统的影响因子。

C总=C（HS）+C（CL）+C（SD）+C（MI）+C（BS）+C（EC）+

C（HY）+C（NC）+C（LB）+C（FD）+C（SV）=5.0509

由此可以计算各个子系统的影响因子：

对应的其他子系统的影响因子为：

P（CL）=0.0991，P（SD）=0.1274

P（MI）=0.1169，P（BS）=0.0513

P（EC）=0.0796，P（HY）=0.0761

P（NC）=0.0407，P（LB）=0.0673

P（FD）=0.0956，P（SV）=0.0620

通过对数控磨床各个子系统对整机的影响度和影响因子的计算，可以得到数控磨床头架系统、主轴系统、量仪系统以及冷却系统对整机的影响度和影响因子对位于前四位，应多给予更多的关注。在后续的改进设计中有针对性的更改和优化，才能更好的提高整个数控磨床的可靠性。

3 头架系统故障模式对子系统和整机可靠性的影响度和影响因子

3.1 故障模式对子系统和整机可靠性影响度及影响因子的计算

由于数控磨床头架系统对数控磨床整机可靠性的影响度和影响因子最大，现将数控磨床头架系统的故障模式进行深入剖析。通过以上子系统对数控磨床整机可靠性的影响度和影响因子的计算可以得到，故障模式对数控磨床头架系统以及整机可靠性的影响度和影响因子。建立故障模式对数控磨床头架系统以及整机可靠性影响度和影响因子表格，如表3所示。

表3 故障模式对头架系统以及整机可靠性的影响度和影响因子Tab.3 Influence Degree and Influence Factor of the Fault Model of Headstock System

由表3可知，退化型、损坏型故障居于头架系统故障的前两位，这主要包括传动皮带的磨损和断裂、头架轴承的损坏、床头齿轮磨损以及头架电机烧坏等原因。

3.2 整改措施

根据以上出现的问题，对生产厂家提出了有效的整改措施，具体如下：加强外购电子元器件的质量关.由于大部分的故障都是来自电子元器件的损坏，所以在元器件商家的选择上很重要。建立较好的外购元器件的监督机制，并加强对元器件的检测，从而确保采购件的质量，在一定程度上提高数控机床的整体可靠性。注重优化电控部分的相应元器件位置。有些元器件所处的位置不够合理，会造成在使用过程中的损坏。加强对企业用户员工的专业培训。在数控磨床的使用过程中，很多是开关损坏、电路的短接、机床的外接地出现问题以及一些参数的更改都是人为的误操作原因引起的。员工获得专业的培训，才能更好的完成工作。注意日常的检查工作。加强日常工作日志的记录，在每日的工作日程上一定要注意标记每天的使用情况，健全相应的数控磨床使用机制，当发现异常时及时汇报，并认真做记录，对于出现问题的描述有必要记录详细。

4 总结

对数控磨床整机进行划分了子系统，必将采集到的故障数据进行统计分析，得到各子系统的故障率。利用可拓工程理论中的优度评价法对数控磨床各子系统对整机可靠性的影响对和影响因子进行计算。得到了数控磨床头架系统、主轴系统、量仪系统以及冷却系统对整机的影响度和影响因子较大。并得到了故障模式在数控磨床头架系统以及整机可靠性的影响度和影响因子。对后续数控磨床的可靠性改进提出了相应措施，所提要求已被厂家采纳，并应用于实际生产。