面向重型數(shù)控機(jī)床的服役可靠性評估方法及增長技術(shù)研究.pdf

1、重型數(shù)控機(jī)床主要用于大型零部件的加工,是國防軍工、航天、船舶、能源、機(jī)械等國家重點(diǎn)企業(yè)的當(dāng)家把關(guān)裝備。由于重型數(shù)控機(jī)床是集成機(jī)械、電氣、液壓、和信息等多項(xiàng)技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品,具有樣本少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、壽命長、故障多樣等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的可靠性評估方法(基于失效數(shù)據(jù))所需樣本多,且對于可靠性高、壽命長的產(chǎn)品評估難度較大。因此僅僅采用基于失效的可靠性評估方法難以真實(shí)全面的反映重型數(shù)控機(jī)床可服役可靠性的變化情況。為解決這一問題,本文提出了基于

2、―故障‖―加工穩(wěn)定性‖―性能保持性‖三個(gè)角度的不同的可靠性評估方法來全面的評估重型數(shù)控機(jī)床的服役可靠性,對重型數(shù)控機(jī)床提供具有指導(dǎo)意義的可靠性評估結(jié)果。在可靠性評估的基礎(chǔ)上,對重型數(shù)控機(jī)床的可靠性增長技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了基于FMEA的維修策略優(yōu)化方法和基于加工過程非線性動力學(xué)模型的多目標(biāo)加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法,從而在維修和控制參數(shù)的角度對重型數(shù)控機(jī)床的服役可靠性進(jìn)行了提高。
　　本文圍繞基于失效、動態(tài)特性參數(shù)、性能劣化參數(shù)的三種可

3、靠性評估方法,構(gòu)建了重型數(shù)控機(jī)床服役可靠性評估體系,開展了基于―故障‖―加工穩(wěn)定性‖和―性能保持性‖的重型數(shù)控機(jī)床服役可靠性評估和可靠性增長技術(shù)研究,具體內(nèi)容包括:
　　(1)給出了重型數(shù)控機(jī)床服役可靠性的定義,并從狹義可靠性、性能可靠性、維修可靠性、可用性四個(gè)角度建立了比較全面的重型數(shù)控機(jī)床的可靠性評估指標(biāo)體系。從―故障‖―加工穩(wěn)定性‖―性能保持性‖三個(gè)不同的角度論述了重型數(shù)控機(jī)床可靠性的評估問題,并對三個(gè)不同角度出發(fā)的可靠性評

4、估方法進(jìn)行了國內(nèi)外的研究概況分析。
　　(2)從―故障‖的角度對重型數(shù)控機(jī)床服役可靠性進(jìn)行分析,并基于重型數(shù)控機(jī)床失效數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性評估,得到機(jī)床的各項(xiàng)可靠性指標(biāo)。該評估方法通過繪制多臺重型數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)加工中的故障間隔時(shí)間及維修時(shí)間數(shù)據(jù)的概率密度函數(shù)及累計(jì)概率密度函數(shù)的散點(diǎn)圖,通過對比排除法得到該類型重型數(shù)控機(jī)床的故障間隔時(shí)間和維修時(shí)間可能遵循的幾類分布模型。通過K-S假設(shè)檢驗(yàn)驗(yàn)證各假設(shè)分布的正確性并最終得到機(jī)床故障間隔時(shí)間和維修

5、時(shí)間所滿足的分布模型。由此可計(jì)算出重型數(shù)控機(jī)床的多項(xiàng)可靠性指標(biāo)。
　　(3)從―加工穩(wěn)定性‖的角度對重型數(shù)控機(jī)床進(jìn)行可靠性分析,通過基于機(jī)床動態(tài)特性參數(shù)的可靠性評估方法對機(jī)床的工藝可靠性進(jìn)行了評估。該評估方法分析了機(jī)床-刀具-工件系統(tǒng)的振動特性并建立了機(jī)床加工過程的非線性動力學(xué)模型,通過激勵(lì)試驗(yàn)和切削實(shí)驗(yàn)得到頻率響應(yīng)函數(shù)和切削力與進(jìn)給速度之間的非線性關(guān)系,進(jìn)而通過擬合和參數(shù)辨識得到機(jī)床的固有動態(tài)特性參數(shù)(固有頻率、阻尼和剛度系數(shù))

6、和切削力模型參數(shù)。將各項(xiàng)參數(shù)代入到加工過程非線性動力學(xué)模型后求解得到機(jī)床的仿真振動曲線,用實(shí)際振動曲線對仿真曲線進(jìn)行驗(yàn)證后,并由仿真曲線求得機(jī)床在指定工況下的工藝可靠性指標(biāo)值。
　　(4)分析重型數(shù)控機(jī)床在使用過程中的性能劣化現(xiàn)象,從―性能保持性‖的角度分析了對重型數(shù)控機(jī)床的可靠性,基于性能劣化數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)床的可靠性評估。采用隱馬爾科夫鏈模型(HMM)描述機(jī)床的性能劣化過程與機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的隱含關(guān)系,根據(jù)機(jī)床的少樣本多性能的特點(diǎn),對標(biāo)

7、準(zhǔn)隱馬爾科夫鏈模型進(jìn)行改進(jìn),得到可用于多性能多序列訓(xùn)練的馬爾科夫鏈模型,經(jīng)過對多臺重型數(shù)控機(jī)床的多項(xiàng)關(guān)鍵性能參數(shù)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練得到模型的參數(shù)估計(jì)值,然后基于此模型進(jìn)一步計(jì)算得到該類重型數(shù)控機(jī)床的各狀態(tài)概率變遷曲線和性能可靠度變遷曲線。
　　(5)分析維修對重型數(shù)控機(jī)床可靠性增長的影響,提出了基于模糊故障影響圖的FMEA分析法,在FMEA分析結(jié)果的基礎(chǔ)上充分考慮維修的成本、耗時(shí)等因素,針對不同的故障模式對可靠性的影響采用不同的維修策略,

8、在保證有效提高可靠性的同時(shí)能更好的節(jié)約維修時(shí)間和維修成本。
　　(6)分析不同的加工工藝參數(shù)對加工穩(wěn)定性的影響,提出優(yōu)化加工工藝參數(shù)組合達(dá)到提高重型數(shù)控工藝可靠性的目的。同時(shí),本文還將加工過程中的生產(chǎn)率、生產(chǎn)成本、加工尺寸精度以及表面粗糙度等因素引入到加工工藝參數(shù)的優(yōu)化過程中,構(gòu)建了基于加工過程非線性動力學(xué)模型的多目標(biāo)加工工藝參數(shù)優(yōu)化模型,并通過網(wǎng)格尋優(yōu)算法對加工工藝參數(shù)的可行域進(jìn)行尋優(yōu),由此得到更穩(wěn)定、更快速、更低成本的加工工藝