劉 超，白 強，杜永鵬，張琳琳

（齊魯工業(yè)大學（山東省科學院），山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061）

1 引言

數(shù)控磨床作為基礎制造裝備，國產(chǎn)數(shù)控磨床在市場占有率較國外數(shù)控磨床還要一定差距，究其原因主要是由于國產(chǎn)數(shù)控磨床的可靠性比較低。因此，提升數(shù)控磨床可靠性水平已經(jīng)迫切重要[1]。對于機床可靠性分析，文獻[2]對45臺臥式加工中心和25臺立式加工中心進行了現(xiàn)場試驗，對其進行了故障分析，評估了可靠性指標，英國的一些高校從數(shù)控機床的現(xiàn)場可靠性信息采集入手，建立可靠性數(shù)據(jù)庫，對其可靠性數(shù)據(jù)進行分析和處理，找出故障分布規(guī)律和薄弱環(huán)節(jié)[3-4]，文獻[5]用三參數(shù)威布爾分布單一模型對數(shù)控機床的可靠性進行分析與評估。文獻[6]使用故障樹以及故障模式、影響和危害性分析方法對臥式加工中心的刀庫系統(tǒng)進行可靠性分析及改進設計。由于數(shù)控磨床是集機、電、液一體化的裝備，故障的原因也是比較繁雜。采用多指標的綜合評定才能更好的了解數(shù)控磨床的可靠性，反映出數(shù)控磨床的可靠性水平。

2 優(yōu)度評價法

優(yōu)度評價法[7-10]是可拓學中評價一個對象，包括事物、策略、方法等優(yōu)劣的基本方法。通過建立多指標性能參數(shù)的綜合評判物元模型來描述矛盾問題，并建立關聯(lián)函數(shù)對事物的質(zhì)變和量變問題進行定量描述，以定量的數(shù)值來表示評定結(jié)果，從而較完整的反映被評價對象的綜合水平。對于數(shù)控磨床可靠性的問題恰好可以利于這一方法對其進行分析，其基本流程，如圖1所示。

圖1 優(yōu)度評價法的基本流程Fig.1 The Basic Process of Priority Degree Evaluation Method

2.1 數(shù)控磨床可靠性衡量指標的確定

通過對數(shù)控磨床的故障數(shù)據(jù)進行分析，可以得到故障的故障頻率、故障類別、故障維修的難易程度以及故障的維修時間，現(xiàn)將這四個作為數(shù)控磨床可靠性的衡量指標。建立相應的衡量指標集：

式中：SI1—子系統(tǒng)或者是某一部件故障的故障頻率；SI2—子系統(tǒng)或者某一部件故障的故障類別：致命故障、嚴重故障、一般故障以及輕微故障；SI3—子系統(tǒng)或者某一部件故障的故障維修的難易程度：難維修、較難維修、一般維修、簡單維修；SI4—子系統(tǒng)或者某一部件故障的故障維修時間：長、較長、一般、短。

2.2 確定權系數(shù)

評價一個對象Zj（j=1，2，…，m）優(yōu)劣的各個衡量指標SI1，SI2，…，SIn有輕重之分，用權系數(shù)表示各衡量指標的重要程度。對于非滿足不可的指標，用∧來表示，對于其他的衡量指標，則根據(jù)重要程度分別賦予［0，1］的值。權系數(shù)記為：

權系數(shù)的大小對于優(yōu)度的高低具有十分重要的作用，不同的權系數(shù)可以得出不同的結(jié)論，引起優(yōu)劣順序的改變。但是由于權系數(shù)由人來確定，往往具有主觀性，影響真實性和可靠性。為更合理的確定權系數(shù)，可以使用層次分析法來確定衡量指標的相對重要程度，從而確定權系數(shù)。

根據(jù)故障數(shù)據(jù)，從以上衡量指標的綜合考慮，確定以下判斷矩陣，如表1所示。

表1 衡量指標的判斷矩陣Tab.1 Judgment Matrix of Measure Index

在以上表1的判斷矩陣中，衡量指標SI1相對于衡量指標SI2稍微重要，相對于SI3、SI4明顯重要。衡量指標SI2相對于衡量指標SI3、SI4稍微重要。根據(jù)以上的判斷矩陣，計算出判斷矩陣的特征值以及特征向量，得到權系數(shù)向量：

2.3 建立關聯(lián)函數(shù)，計算關聯(lián)度度以及規(guī)范化關聯(lián)度

為了更好的對問題進行描述，也便于表達某些量的要求，要將非數(shù)值量轉(zhuǎn)化為數(shù)值量，可拓集合論建立了關聯(lián)函數(shù)的概念。

根據(jù)各衡量指標的相關要求，建立其對應的關聯(lián)函數(shù)K1（x），K2（x），K3（x），K4（x），其中：

關于SI1的關聯(lián)函數(shù)為：K1（x）=x，其中x=故障頻率；

關于SI2的關聯(lián)函數(shù)為：

關于SI3的關聯(lián)函數(shù)為：

關于SI4的關聯(lián)函數(shù)為：

把對象Zj關于各衡量指標SIi的關聯(lián)函數(shù)值簡記為Ki（Zj），則各對象Z1，Z1，…，Zm關于SIi的關聯(lián)度為：

則各對象Z1，Z1，…，Zm關于SIi的規(guī)范關聯(lián)度為：

ki=ki1，ki2，…，kim，i=1，2，…，n

對象Zj關于各衡量指標SI1，SI2，…，SIn的規(guī)范關聯(lián)度為：

2.4 確定子系統(tǒng)對整機可靠性的影響度與影響因子

優(yōu)度評價法將衡量條件的權系數(shù)和規(guī)范化關聯(lián)度的乘積作為優(yōu)度值，應用于可靠性工程，我們在這里將優(yōu)度定義為影響度。影響度C（Zj）的計算為：

對采集到的數(shù)控磨床的故障數(shù)據(jù)對其進行分類與處理，得到如表2所示。

表2 各子系統(tǒng)的故障因素表Tab.2 Fault Factors of Each Subsystem

根據(jù)表2可以計算其關聯(lián)度，表示故障因素的符合程度。將上述數(shù)值分別代入對應的關聯(lián)度函數(shù)，得到對應的關聯(lián)度：

通過上述計算可以得到各個衡量條件的權系數(shù)以及規(guī)范化關聯(lián)度，根據(jù)上述的計算我們可以得到各個子系統(tǒng)對整機的影響度。

由于頭架系統(tǒng)的關聯(lián)度為：

已知權系數(shù)向量為：

由此可以計算頭架系統(tǒng)對整機的影響度為：

C（HS）=αK（HS）=0.9293

同理可以得到以下各個子系統(tǒng)對整機的影響度：

通過計算出各個子系統(tǒng)對整機的影響度，進而可以定義影響因子為各個子系統(tǒng)在所有子系統(tǒng)影響度所占的比例，由此可以計算出各個子系統(tǒng)的影響因子。

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

C（HY）+C（NC）+C（LB）+C（FD）+C（SV）=5.0509

由此可以計算各個子系統(tǒng)的影響因子：

對應的其他子系統(tǒng)的影響因子為：

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

通過對數(shù)控磨床各個子系統(tǒng)對整機的影響度和影響因子的計算，可以得到數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、量儀系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)對整機的影響度和影響因子對位于前四位，應多給予更多的關注。在后續(xù)的改進設計中有針對性的更改和優(yōu)化，才能更好的提高整個數(shù)控磨床的可靠性。

3 頭架系統(tǒng)故障模式對子系統(tǒng)和整機可靠性的影響度和影響因子

3.1 故障模式對子系統(tǒng)和整機可靠性影響度及影響因子的計算

由于數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)對數(shù)控磨床整機可靠性的影響度和影響因子最大，現(xiàn)將數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)的故障模式進行深入剖析。通過以上子系統(tǒng)對數(shù)控磨床整機可靠性的影響度和影響因子的計算可以得到，故障模式對數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)以及整機可靠性的影響度和影響因子。建立故障模式對數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)以及整機可靠性影響度和影響因子表格，如表3所示。

表3 故障模式對頭架系統(tǒng)以及整機可靠性的影響度和影響因子Tab.3 Influence Degree and Influence Factor of the Fault Model of Headstock System

由表3可知，退化型、損壞型故障居于頭架系統(tǒng)故障的前兩位，這主要包括傳動皮帶的磨損和斷裂、頭架軸承的損壞、床頭齒輪磨損以及頭架電機燒壞等原因。

3.2 整改措施

根據(jù)以上出現(xiàn)的問題，對生產(chǎn)廠家提出了有效的整改措施，具體如下：加強外購電子元器件的質(zhì)量關.由于大部分的故障都是來自電子元器件的損壞，所以在元器件商家的選擇上很重要。建立較好的外購元器件的監(jiān)督機制，并加強對元器件的檢測，從而確保采購件的質(zhì)量，在一定程度上提高數(shù)控機床的整體可靠性。注重優(yōu)化電控部分的相應元器件位置。有些元器件所處的位置不夠合理，會造成在使用過程中的損壞。加強對企業(yè)用戶員工的專業(yè)培訓。在數(shù)控磨床的使用過程中，很多是開關損壞、電路的短接、機床的外接地出現(xiàn)問題以及一些參數(shù)的更改都是人為的誤操作原因引起的。員工獲得專業(yè)的培訓，才能更好的完成工作。注意日常的檢查工作。加強日常工作日志的記錄，在每日的工作日程上一定要注意標記每天的使用情況，健全相應的數(shù)控磨床使用機制，當發(fā)現(xiàn)異常時及時匯報，并認真做記錄，對于出現(xiàn)問題的描述有必要記錄詳細。

4 總結(jié)

對數(shù)控磨床整機進行劃分了子系統(tǒng)，必將采集到的故障數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到各子系統(tǒng)的故障率。利用可拓工程理論中的優(yōu)度評價法對數(shù)控磨床各子系統(tǒng)對整機可靠性的影響對和影響因子進行計算。得到了數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、量儀系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)對整機的影響度和影響因子較大。并得到了故障模式在數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)以及整機可靠性的影響度和影響因子。對后續(xù)數(shù)控磨床的可靠性改進提出了相應措施，所提要求已被廠家采納，并應用于實際生產(chǎn)。