数控机床全生命周期重要性测度分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数控机床可靠性分析领域，涉及一种数控机床重要性测度分析方法， 具体涉及数控机床全生命周期重要性测度分析方法。
【背景技术】
[0002] 数控机床由多个子系统组成，不同的子系统对系统性能的影响也不尽相同。在可 靠性领域中，重要性测度用以评估单个零件或部件的相对重要性，通常认为零部件的相对 排序比起绝对值更重要。
[0003] -个元件在一个系统具有它的位置和可靠性，针对此问题，Birnbaum在1969年 提出了"重要性测度"的概念。通过这个指标可以确定哪些子系统是引起系统故障的关键 因素，确定系统可靠性改进的目标。根据重要性测度所需要的知识，Birnbaum将其分为三 类：结构重要性测度、可靠性重要性测度和寿命重要性测度。可靠性重要性测度又可以分 为Birnbaum子系统重要性测度（Birnbaum Component Importance)、可靠性临界重要度 (Reliability Criticality Importance)、和运行临界重要度（Operational Criticality Importance)。一般说来，可靠性重要性测度是系统运行时间的函数、系统中所有子系统故 障和维修时间的函数，以及系统结构的函数。如果某个子系统对整个系统可靠性的影响程 度越大，则其在整个系统中的重要度越高。
[0004] 回顾以往针对数控机床关键子系统的确定方法主要有FMECA (Failure Mode, Effects and Criticality Analysis)、子系统的复杂程度、影响因素等。以上几种方法主要 以分析每个子系统故障发生次数为依据的。然而子系统的重要度不能单纯根据故障发生的 频次计算，比如有些子系统即使频繁发生故障，但是其对整个系统的干扰程度却微乎其微， 易于维修；相反，另外一些子系统虽然极少发生故障，然而其一旦发生将会对整个系统带来 致命的影响，导致维修周期过长，严重影响生产的运行。
[0005] 同时数控机床的可靠性是随时间变化的，则每个子系统的重要性也会随时间改 变。因此需要同时考虑子系统可靠性重要性的影响。数控机床从出厂使用会经历三个阶段： 早期故障期，偶然故障期和耗损期。偶然故障期是设备使用的最佳阶段，耗损期设备趋于淘 汰，而早期故障期是到达偶然故障期所必须经历的阶段。因此，本文通过分段威布尔模型确 定机床的早期故障期和偶然故障期的分界点，探索分析在不同运行阶段的关键子系统。通 过综合分析故障次数、故障同时和可靠性确定数控机床关键子系统，准确量化其对数控机 床可靠度影响贡献的差异性，衡量其改进潜力，为数控机床结构可靠性设计、工艺可靠性设 计、可靠性分配和可靠性增长技术的开发提供基础数据和理论依据。
【发明内容】
[0006] 本发明克服了传统寻找数控机床重要子系统单纯考虑故障次数的静态问题，通过 引入数控机床可靠性重要性测度动态模型，能够分析不同时刻的子系统相对系统的重要程 度问题。提供了一种数控机床全生命周期重要性测度分析方法。
[0007] 以往的研宄对象主要是不可修系统，本文则针对数控机床这一典型的可修系统， 首先针对故障数据和数控机床结构进行子系统划分；其次根据数控机床的故障数据构建数 控机床在全生命周期内的可靠度模型以及各子系统可靠度模型，并在此模型的基础上建立 各子系统可靠性重要性测度动态模型；然后，基于数控机床的故障次数和故障停机时间建 立可修系统可靠性重要性测度的静态模型一一子系统失效临界重要性测度和子系统运行 临界重要性测度；最后，根据子系统失效临界重要性测度、子系统运行临界重要性测度和可 靠性重要性测度综合分析数控机床在早期故障期和偶然故障的关键子系统，为数控机床可 靠性设计、可靠性改进、制定维修策略提供依据。
【附图说明】
[0008] 图1子系统可靠性动态重要性测度曲线图。
[0009] 图2早期故障期静动态可靠性重要性测度排序类比图。
[0010]图3偶然故障期静动态可靠性重要性测度排序类比图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图对本发明做详细的描述，数控机床全生命周期重要性测度分析方法 通常包括以下步骤。
[0012] 步骤1 :对数控机床进行子系统划分。通过对某型号数控车床结构和功能分析进 行子系统分析，具体分为液压系统（D)，横梁（B)，伺服系统（F)，润滑系统（L)，刀架（M)，CNC 系统（NC)，主传动系统（S)，工作台（T)和电气系统（V)等9个子系统。
[0013] 步骤2 :由于该批故障数据在采集时从机床出厂交付用户使用即开始记录，所采 集的数据包括故障早期故障期和偶然故障期的数据，所以对获得故障时刻数据采用两阶段 威布尔分布描述更为合理。分布函数的第一阶段可以理解为数控机床早期故障期的分布模 型，第二阶段可以理解为数控机床偶然故障期的分布模型。分段Weibull模型的可靠性函 数为：
通过对故障数据的模型初选，数据拟合以及假设检验，得到该型号数控车床的故障数 据的两阶段威布尔分布模型为：
根据上面的分析可知，在0-706小时内为此机床的早期故障期，在706小时开始为偶然 故障期。同时采用最小二乘法建立数控车床子系统可靠度函数如表1所示。
[0014] 表1子系统可靠度函数汇总表。
[0015] 步骤3 :分别考虑早期故障期和偶然故障期机床各子系统对整机的重要性测度， 建立数控车床子系统可靠性重要性测度动态模型。数控车床子系统重要性测度是一个随时 间变化的量，这与系统运行状态是相吻合的，随着时间的发展，原来相对不重要的子系统可 能变成重要的子系统。对于一个子系统i对系统0正常的可靠性重要性测度表示为：
对于一个由独立元件组成的关联系统则有：
根据上式可知，(i，/7)通过子系统i可靠性对于系统可靠性的增长速率来衡量子系 统i对系统可靠性的重要程度。即：
式中(i，/7)--子系统的可靠性重要性测度； Rsys一一系统可靠度函数； &一一子系统可靠度函数。
[0016] 由于可靠性重要性测度表示的是系统可靠度对子系统可靠度的变化率，上式的物 理意义为：对于系统中任意两个子系统的可靠性重要性测度(i，/7)与( 乂 /7)，若 (i，W >/& (乂 P)，则说明提高子系统的可靠性水平对系统可靠性水平提高的贡献更大，从 而间接表明子系统i比J更重要。即/&(i，/7)越大，部件可靠度的变化引起系统可靠度的 变化越大。因此，改进可靠性重要性测度较大的子系统并提高其可靠度，可使系统的可靠度 有较大的改善。
[0017] 以液压系统（D)为例，根据上式以及液压系统（D)的可靠度函数和整机的可靠度 函数可得液压系统（D)在早期故障期和偶然故障期的可靠性重要性测度动态模型为：
通过同样的方式分别计算得到各子系统在早期故障期和偶然故障期动态重要性测度 模型。采用matlab画出各子系统对整机的可靠性重要性测度曲线如附图1所示。
[0018] 步骤4:对数控车床所有故障进行分析，确定故障发生部位，统计数控机床子系统 和整机故障发生次数及每次故障的停机时间，进而建立数控机床子系统失效临界重要性测 度和子系统运行临界重要性测度，其表达式如下：
通过步骤1中的整机可靠性建模可以发现，在0-706小时内为早期故障期，超过706小 时数控机床运行达到偶然故障期，因此需要对子系统失效临界重要性测度和子系统运行临 界重要