基于性能退化的数控装备维修决策

兰 平

（成都晋林工业制造有限责任公司，四川成都 611930）

0 引言

数控机床广泛应用于机械制造业和机床制造业，制造业是国家的重要产业，关系国计民生，也是支撑国家产业实力的关键。数控机床内部结构复杂、体积庞大，国内的高端数控机床领域与西方发达国家仍有一定差距。虽然在设计过程已对数控机床的可靠性进行多次实验，但是在生产过程依旧会面临一些问题，影响数控机床的可靠性，在任何时候、任何设备都会存在一定的故障概率。相关研究发现，数控机床的维修工作所占用的成本约为整个机床运行期间成本的30%左右，研究数控机床的目的是减少故障发生率，避免影响企业生产。在对数控机床进行维修检修过程中，必须做到维修策略合理科学。

1 国内数控机床

研究和分析传统的维护修理决策，根据当前我国常用的数控机床的具体特点，筛选维修决策模型，在机床正常工作的基础上，最大可能地降低维修费用。近些年来，数控机床的可靠性多次引发关注，国内企业针对高端数控机床的一些关键性部件进行科研攻关，国产数控机床已在部分领域达到国际领先水平。然而在使用过程中，国产机床的问题层出不穷，企业对机床维修的重视不够，造成了巨大的经济损失。为了减少机床故障的发生频率和故障造成的停机时间损失，数控机床维修决策的研究将成为我国制造业的重要研究课题之一。

2 数控机床维修

2.1 预防性维护

近几十年来，国内外学者对数控机床维修进行了大量研究，提出了预防性维护的理念，预防性维护包括预防性检查和预防性维修。传统的纠正性维修是在机床发生故障时进行维修，将数控机床的工作状态恢复到正常；预防性维护是在数控机床运行过程中对数控机床进行维护，对数控机床的各个系统进行检测和预防性维修，避免产生故障，使整个数控机床系统在规定的条件下完成规定的操作。具体操作主要分为5 类：

（1）将数控机床恢复到全新状态：通过对数控机床进行全面维护，整个数控机床具有同新系统同样的寿命和运行效率，这一维修最常用的是更换故障部件。

（2）最低维护：将整个系统故障恢复到系统发生故障前的状态，根据研究表明，系统工作状态被称为旧状态，对风扇进行更换不属于这一维修。

（3）不完全维护：在对数控机床系统进行维护后，没有达到新的数控机床系统的状态，不完全维护在实际中也被称为一般维护，它主要包括不完全维护和最小维护。不完全维护的最常见例子是对发动机进行调整，因为对发动机进行调整不会导致发动机回到全新的状态，但是会提高发动机的性能。

（4）差维护：通过这一维护能够增加系统的使用寿命，降低系统的故障率，但对整个系统故障的维修工作不会产生直接影响，因此应用这一维护过程中，会导致整个系统的运行状态相较于之前更差。

（5）最坏情况维护：在维护过程中由于受多种因素影响导致数控机床系统失效。

2.2 选择维护策略

维修人员造成维修不彻底的原因：①只有部分故障零件被修理；②修理故障部件，但损坏相邻部件；③误判被检零件的状况。

导致更差或最差维护的原因：①维修过程中未发现隐患；②人为错误，如对维护期间造成的进一步损坏的错误评估；③在更换过程中使用故障部件。

维护策略是基于计划检查的，根据数控机床的使用寿命对数控机床进行定期检查，通过对数控机床进行定期检查，寻找到数控机床中出故障的部位和零件，如正常情况下火灾探测装置和备用电池是较容易出现故障的。检查数控机床的各个部件的运行状况，由于数控机床部件出现老化，随着时间的延长应缩短检查的间隔时间，更有利于数控机床的稳定运行。根据实际状况合理选择维修周期和随机检测时间，能够有效优化当前的随机检查策略。

预防性维护指的是完全维护、最小维护、较差维护、不完善维护以及最常维护的预防性维护；纠正性维护指的是不完整的、完整的、最坏的或者更坏的情况。实际维护的程度和类型取决于不同数控机床的对象系统结构、安全性和可靠性要求，对预防性维护模型进行假设：①预防性维护或者维护后，系统应当与全新的数控机床系统以及正在使用中的数控机床系统的状态保持一致；②应当对数控机床的维护时间进行忽略，单机系统由于结构较为简单，对单机系统的完全维护是可行的。这两种假设在现实应用并不具有实际意义，特别是在医疗设备、飞机等较为复杂的系统中，在实际维修过程中，许多维修工作并不存在上述极端情况，而是存在于中间状态。当数控机床系统在运转过程中其故障率介于全新的数控机床和旧的数控机床系统之间，不完全维护不会使数控机床系统保持新设备一样的状态，但是会提高数控机床的运行状态，这一原理在维修工作中得到了广泛的应用和实践。

3 基于性能退化的数控装备维修决策

对于不完整、更差和最坏情况下的维护，大多数研究集中在单部件系统上，一些研究者提出了不完全维修、严重维修和最坏情况维修的建模方法。维修单元建模方法虽然不能作为多部件系统的单一部件，但可作为一种有效的多部件决策方法。过去，大多数研究关注的是双峰构件系统，然而在许多应用领域中，系统部件往往具有多个性能速率状态，因此双峰部件的选择性维修模型不能应用于实际工程中。因此，以KVC650M 立式加工中心为研究对象，提出了一种基于多态部件的选择性维修模型。

3.1 系统说明

机械系统设计用于在给定的环境中执行指定的任务，有些系统可以以不同的效率执行任务。在多状态组件中，每个组件都有一个离散的性能速率状态。在两状态部件的选择维修决策模型中，可以方便地制定和优化多个两状态部件的维修策略。考虑到多状态系统中的组件具有不同的性能状态级别，根据维护前组件的状态、下一个任务的需求级别和可维护资源来确定下一个任务后的系统状态。

3.2 维修费

对于具有多状态部件的多状态系统维护，假设在维护期间已知部件的当前状态，根据部件的维修性能，可分为不完全维修率和维修前更换率。如果部件在维修周期内未进行维修，则维修成本为0；在其他维护模式中，固定维护成本可以从经验中得出。固定成本是指维修的安装成本，与维修的昂贵程度无关。固定成本包括清洁、除尘、拆卸和组装部件。变更的成本反映了零件修理和改进的程度。可变成本取决于组件从当前状态到更高状态的改进。缺乏对系统的维护和维修是无法弥补的，增加维护成本可以提高系统的性能，系统达到更高的性能状态就需要更高的维护成本。不完全维护可以使部件的性能从当前状态提高到更高的性能状态，但不能达到最佳状态，因为部件的最佳状态只能通过更换和维护来实现。

3.3 任务完成率

如果多状态系统的状态高于任务的最低要求，则视为可接受状态；否则，系统状态低于任务的最低要求，则系统将进入不可接受状态，通常称为失败。多状态系统的可靠性定义为维修完成后维修间隔的增加，即系统保持在可接受状态的可能性上。因此，可以使用不同的方法来评估系统安全性对系统性能的影响；如果系统达到维护间隔，则根据组件的当前状态选择不同的维护方法。因此，计算下一个部件完成后的状态概率是非常重要的。

4 结束语

数控设备技术直接制约着国家的产业发展，数控设备在解决高端制造问题上的可靠性将越来越高，如何解决数控设备在工业生产中的可靠性问题将成为今后研究的重点。分析机床历史数据的可靠性，研究基于机床性能退化的维修决策问题，优化机床系统的维修决策。虽然取得了一些成绩，但还需要在实践中进一步检验。