基于故障樹分析法的數(shù)控系統(tǒng)可靠性研究

1、基于故障樹分析法的數(shù)控系統(tǒng)可靠性研究    （南通職業(yè)大學(xué) ，江蘇 南通 226007）    摘 要：基于故障樹分析法的基本原理，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)故故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立了數(shù)控系統(tǒng)故障樹和失效模型，采用最小割集法進(jìn)行了定性分析，給出了數(shù)控系統(tǒng)有效度的計(jì)算方法，探討了一種基于故障樹分析的數(shù)控系統(tǒng)可靠性研究思路。 關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng) ； 可靠性分析 ； 故障樹 FTA-based Research on Reliability of Numerical Control System TAN Hua (Nantong Vocat

2、ional College, Nantong, Jiangsu 226007) Abstract: According to the priciple of FTA(Fault Tree Analysis) and statistic datum of NC(Numerical Control) system failures, establishes the fault tree and failure mode of NC system, and qualitative analysis is proceeded by minimal cut set method,finally,the

3、available calculation method of NC system is given.A FTA-based reseach means for NC system is disscused in this paper. Keywords: NC system; reliability analysis;FTA 中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 近年來我國機(jī)床工業(yè)取得了較大發(fā)展，每年的產(chǎn)量達(dá)到了千臺(tái)以上，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)平均故障間隙時(shí)間（）有了提高， 大都超過，但國際先進(jìn)企業(yè)數(shù)控系統(tǒng) 已達(dá)，與之相比差距很大。我國的機(jī)床大都水平較低且有缺陷，加之一些用戶對(duì)數(shù)控機(jī)床的故障還不能及

4、時(shí)做出正確的判斷和準(zhǔn)確地排除故障，生產(chǎn)廠家的售后服務(wù)又不能及時(shí)到位，因此，國內(nèi)各行業(yè)中的數(shù)控系統(tǒng)開動(dòng)率平均僅達(dá)到 左右1。數(shù)控機(jī)床在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)故障,造成產(chǎn)品質(zhì)量下降,廢品率上升;設(shè)備不能繼續(xù)運(yùn)行,使連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)無法正常工作;若設(shè)備出現(xiàn)故障而未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除,結(jié)果不僅導(dǎo)致機(jī)床本身損壞,甚至可能造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重后果，因此,數(shù)控機(jī)床可靠性差會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展,加強(qiáng)數(shù)控診斷維修技術(shù)的研究也變得十分迫切。本文以數(shù)控車床為研究對(duì)象,通過建立故障樹、統(tǒng)計(jì)分析和故障概率計(jì)算來確定數(shù)控系統(tǒng)各種故障發(fā)生的可能,為確立數(shù)控系統(tǒng)重點(diǎn)維護(hù)對(duì)象和故障預(yù)測提供理論依據(jù),以此來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的

5、可靠性升級(jí)。 1 故障樹分析法簡介 故障樹分析法2是研究引起系統(tǒng)發(fā)生故障這一事件的各種直接或間接的原因（例如硬件、軟件、環(huán)境、人為等因素），在這些原因間建立邏輯關(guān)系，并用邏輯框圖（即故障樹）表示的一種方法。故障樹以圖形化的方式表示了在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)故障或其它事件之間的交互關(guān)系。故障樹中，底事件（basic event）通過一些邏輯符號(hào)（如與門和或門）連接到一個(gè)或多個(gè)頂事件（top event）。頂事件一般指危及系統(tǒng)的事件或是不希望發(fā)生的系統(tǒng)故障。底事件通常指部件故障或者是人員的錯(cuò)誤操作。 故障樹分析法的基本步驟如下：（1）定義系統(tǒng)和系統(tǒng)故障，確定系統(tǒng)故障事件，即“頂事件”；（2）建造故障樹；（3）

6、進(jìn)行定性與定量分析。 對(duì)故障樹的定性分析通常采用最小割集法，即利用引起發(fā)生事件的基本事件鏈來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而采取改進(jìn)措施，提高系統(tǒng)的可靠性。設(shè)故障樹中有n個(gè)基本事件X1,X2,Xn,而C為由其中某些基本事件組成的集合，C=Xí1,Xí2,XíK, Xie,1iKn,K=1.2, e.當(dāng)C中基本事件都發(fā)生時(shí)，頂事件必發(fā)生，此時(shí)則稱C為故障樹的一個(gè)割集，若C中去掉任意一個(gè)基本事件后就不再是割集時(shí)，則稱此時(shí)的C為最小割集。最小割集的求解方法有上行法（Semanderes算法）、下行法(Fussell-Vesely算法)和質(zhì)數(shù)法。 若已求得故障樹的所有最小割集C1

7、，C2Cm，并且已知基本事件X1,X2, Xn發(fā)生的概率，則頂事件發(fā)生的概率為 若 兩兩相斥，則 否則 系統(tǒng)可靠度 。 2 數(shù)控系統(tǒng)失效模型及其分析 2.1 數(shù)控系統(tǒng)可靠性概念 保持?jǐn)?shù)控機(jī)床的完好率，對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性、可維修性和可用性提出更高的標(biāo)準(zhǔn).衡量可靠性的主要指標(biāo)是平均故障間隙時(shí)間， 就是數(shù)控機(jī)床在使用過程中發(fā)生了 次故障，每次故障修復(fù)后又投入使用，測其每次故障前工作持續(xù)時(shí)間為 ，其平均故障間隙時(shí)間 。（ 為，之和）?？删S修性的衡量指標(biāo)是平均修復(fù)時(shí)間（）。 是規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，機(jī)床在任一規(guī)定的維修級(jí)別上，修復(fù)性維修總時(shí)間與在該級(jí)別上被修復(fù)產(chǎn)品的故障總數(shù)之比。簡單地說就是排除故

8、障所需實(shí)際直接維修時(shí)間的平均值， （）（ 為第 次修復(fù)時(shí)間， 修復(fù)次數(shù)），可用性是在要求的外部資源得到保證的前提下機(jī)床在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)刻或時(shí)間區(qū)間內(nèi)處于可執(zhí)行規(guī)定的功能狀態(tài)的能力。它是產(chǎn)品可靠性、維修性和維修保障的綜合反映。可靠性是從延長其正常工作時(shí)間來提高產(chǎn)品可用性，而維修性則是從縮短因維修的停機(jī)時(shí)間來提高可用性。失效模型及其分析就是分析數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成和可能引起功能失效的各種組成部分，并分析每一部分的失效度和各部分間的相互關(guān)系。失效度為累積故障概率，指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)喪失規(guī)定功能的概率3。當(dāng)已知各部分的失效度時(shí)，利用故障樹分析法可以很容易得到系統(tǒng)的總失效度；用或邏輯（OR

9、）將任一部分的失效會(huì)導(dǎo)致上一級(jí)失效的所有部分的失效度加起來，用邏輯（AND）將只有所有部分都失效才會(huì)導(dǎo)致上一級(jí)失效的所有部分的失效乘起來，根據(jù)這樣的原則從底部向上依次構(gòu)造故障樹，得到系統(tǒng)的總失效度或“頂事件”4。系統(tǒng)可靠性用有效度衡量。 2.2數(shù)控系統(tǒng)功能模塊及其失效模型 數(shù)控機(jī)床是一個(gè)集機(jī)電液于一體的復(fù)雜系統(tǒng)" 根據(jù)各自的功能" 可以劃分為 CNC系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、進(jìn)給軸系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)、電機(jī)、電源、其他。對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行層次分解，通過表示數(shù)控系統(tǒng)中各個(gè)子模塊之間關(guān)系的方法，將系統(tǒng)的功能用它的下級(jí)子系統(tǒng)的功能來表示，而其子模塊的功能又用它本身的各功能模塊的功能表示

10、。系統(tǒng)功能的這種層次分解，也就是系統(tǒng)故障分析過程中的模擬，功能分解的結(jié)果就是一棵故障樹。文獻(xiàn)5選擇40余臺(tái)數(shù)控車床，根據(jù)普及型數(shù)控系統(tǒng)(包括與其相關(guān)的硬件和軟件)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的實(shí)際使用情況,將普及型數(shù)控系統(tǒng)的硬件劃分為16個(gè)子系統(tǒng),將其軟件劃分為11個(gè)功能模塊，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)故障部位發(fā)生故障的次數(shù)及頻率統(tǒng)計(jì)如表1和表2。據(jù)此可以建立如圖1所示的故障樹。    圖1 數(shù)控系統(tǒng)故障樹    3 數(shù)控系統(tǒng)最小割集定性分析 采用上行法進(jìn)行定性分析，即從最末一級(jí)起，將該級(jí)中各事件用基本事件表示，繼而將上一級(jí)中的事

11、件用最末一級(jí)中的事件和本級(jí)中有關(guān)的基本事件表示，如此向上運(yùn)算直到最上一級(jí)。每進(jìn)行一步，必須用事件間的邏輯運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算并簡化，這樣可以得到全部的最小割集，頂事件用T表示。按照該原則，便可得到由下至上的最末一級(jí)、上一級(jí)、最上一級(jí)和頂事件的表達(dá)式： P = P1 + P2+ P3 + P4 + P5 + P6 ; S = S1 + S2 +S3 +S4 I = I1 +I2 +I3 + I4 +I5 R = SI G = P+ R 如果知道各級(jí)的失效度數(shù)值，在上述基本事件相互獨(dú)立的情況下，按照故障樹以及上述公式進(jìn)行邏輯運(yùn)算就可以得到系統(tǒng)的總失效度，則有效度為1- G 。 4 結(jié) 語 故障樹分析法

12、具有直觀性和理論性強(qiáng)、邏輯嚴(yán)密等特點(diǎn)，不但可用于對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、安全性等進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算，還可以考慮造成數(shù)控系統(tǒng)故障的原因，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，是一種簡單而有效的方法，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還可以與專家診斷系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法、粗糙集理論等緊密結(jié)合，開發(fā)出更符合實(shí)際應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)，以便于數(shù)控系統(tǒng)的快速診斷和維護(hù)，提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。    參考文獻(xiàn)： 1 金鑫. 數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修J.科技資訊，2006（7）：13-14. 2史定華，王瑞松.故障分析技術(shù)方法理論M.北京：北京市反大學(xué)出版社，1993. 3蔣同斌.基于研制數(shù)據(jù)的產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證方案的確定J.淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，15（3）