基于任务的数控机床可靠性建模、分析及分配技术研究

摘要

经过20年的改革开放,我国已经成为世界的“制造业大国”,但还不是一个“制造业强国”,作为一个国家制造业基础的装备制造业,与国外先进水平相比还有较大的差距。装备制造业是制造业的基础,数控机床则是实现装备制造业现代化的关键设备,它是集机、电、液、气、光等多学科技术于一身的现代化工作母机,数控机床是先进制造技术的基础装备,其技术水平是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。随着高新技术的引入和机电一体化技术的发展,数控机床的功能更加先进,性能水平更高。然而,随着系统的越来越复杂,在数控机床设计、制造和使用过程中使整机发生故障或初始性能失效的机会也明显增多。如果数控机床不可靠,高性能不能维持,则会失去其可用性。因此,可靠性技术己成为制约我国数控机床发展的“瓶颈”,提高国产数控机床的可靠性水平已成为国家、用户和机床制造行业的一致呼声。
　　 为了尽快提高国产数控机床的可靠性水平,本文提出以“基于任务的数控机床可靠性研究方法”为核心,对数控机床可靠性建模、可靠性分析和可靠性分配等关键的理论和技术进行深入系统的研究,提出一套系统的数控机床可靠性解决方案,为我国数控机床可靠性的提高提供了一个新的思路。
　　 首先,论文引入“任务”的概念,将多阶段任务系统理论和任务可靠性原理结合起来,根据数控机床加工零件总任务的实际情况,在比较全面的分析了数控机床加工零件过程的特点后,建立了数控机床的任务剖面层次模型。数控机床阶段任务层次模型将数控机床加工零件的任务过程分为元任务组和元任务两个层次,论文对其进行了详细阐述。基于多阶段任务系统的数控机床可靠性研究思想突破了传统的数控机床可靠性的研究思路,为数控机床的可靠性研究打下坚实的基础。
　　 其次,针对基于任务的数控机床可靠性建模问题,论文以数控机床的树形任务剖面模型为基础,从元任务组和元任务两个层次进行了详细分析与研究。在元任务层,以能够描述机械系统逻辑进程的GO法为手段,在分析单元相关性的基础上,建立了该层次的可靠性模型,同时提出了对共有信号的修正算法；在元任务组层,分析了构成元任务组的各元任务之间的逻辑关系,以马尔可夫理论为手段,在同时考虑单元共用相关性和时段延续相关性的基础上,分别建立了串行、并行、并串行、串并行、循环和随机关系的可靠性模型,并以国产某型加工中心为例,全面建立了基于任务的可靠性模型。
　　 第三,针对基于任务的数控机床可靠性分析问题,论文从数控机床执行任务的角度对收集到的数控机床故障数据进行了分析,考虑到各元任务组或元任务在可靠性分配中的不同要求,更准确地反映出各元任务组或元任务的实际故障率,确定可靠性改进的主攻方向。
　　 最后,针对基于任务的数控机床可靠性分配问题,论文以数控机床基于任务的可靠性模型为基础,从元任务组和元任务两个层次进行了详细分析与研究。在元任务组层,应用模糊集理论,并充分考虑到多领域专家的意见和产品开发过程的风险性,定义了一种判定模糊真值的函数,并给出了一种确定隶属度的方法。通过对数控机床故障数据的分析,建立了数控机床可靠性分配指标体系和权重,对权重系数进行了确定,并以实例证明了该方法的正确性；在元任务层,分析了现有可靠性成本函数的局限性,根据可靠性成本函数的规律构建了数控机床可靠性成本预估函数,对函数的性质和参数的确定进行了研究,并通过实例验证了该函数的正确性；建立了以数控机床GO图模型和可靠性预估成本函数为基础的非线形规划模型,并用遗传算法对其进行了求解。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 可靠性技术

1.1.1 可靠性技术发展概述

1.1.2 可靠性的定义

1.1.3 可靠性的主要指标

1.2 数控机床的可靠性

1.2.1 机床可靠性的定义

1.2.2 机床可靠性指标

1.3 数控机床可靠性技术的研究进展

1.3.1 机床可靠性

1.3.2 可靠性建模

1.3.3 可靠性分析

1.3.4 可靠性分配

1.4 课题来源及研究意义

1.4.1 课题来源

1.4.2 课题研究意义

1.5 本文研究的主要内容

1.5.1 研究对象

1.5.2 主要研究内容

1.6 论文整体结构

2 数控机床可靠性相关基础理论研究

2.1 基于任务的数控机床可靠性研究方法的提出

2.1.1 寿命剖面与任务剖面

2.1.2 基本可靠性与任务可靠性

2.1.3 基于任务的数控机床可靠性研究方法

2.1.4 基于任务分解的任务剖面结构

2.2 多阶段任务系统概述

2.2.1 多阶段任务系统的概念

2.2.2 多阶段任务系统的阶段特点

2.2.3 多阶段任务系统在可靠性建模中的应用

2.3 基于多阶段任务系统的数控机床任务剖面模型

2.3.1 数控机床的树形任务剖面模型的提出

2.3.2 数控机床树形任务剖面模型的建立

2.3.3 数控机床任务剖面对应的系统配置模型

2.4 本章小结

3 基于任务的数控机床可靠性建模技术

3.1 可靠性模型概述

3.1.1 可靠性模型的定义

3.1.2 可靠性模型的分类

3.1.3 基于任务的数控机床可靠性模型

3.2 基于GO法的元任务可靠性模型的建立

3.2.1 GO法基本理论

3.2.2 GO法在任务可靠性建模中的优势

3.2.3 X轴传动元任务可靠性模型的建立

3.2.4 X轴传动反馈元任务可靠性模型的建立

3.2.5 Y轴传动元任务及传动反馈元任务可靠性模型的建立

3.2.6 Z轴传动元任务及传动反馈元任务可靠性模型的建立

3.2.7 B轴传动元任务可靠性模型的建立

3.2.8 B轴传动反馈元任务可靠性模型的建立

3.2.9 主轴旋转元任务可靠性模型的建立

3.2.10主轴拉杆拉/松刀元任务可靠性模型的建立

3.2.11机械手换刀元任务可靠性模型的建立

3.2.12刀具交换任务中各元任务可靠性模型的建立

3.2.13托盘升降、旋转元任务可靠性模型的建立

3.2.14辅助加工各元任务可靠性模型的建立

3.2.15数控机床可靠性模型共有信号的修正

3.3 元任务组可靠性模型的建立

3.3.1 马尔可夫理论

3.3.2 各种关系元任务组可靠性模型的理论研究

3.3.3 元任务组可靠性模型的修正

3.3.4 卧式加工中心第五层任务剖面可靠性模型的建立

3.3.5 卧式加工中心第四层任务剖面可靠性模型的建立

3.3.6 卧式加工中心第三层任务剖面可靠性模型的建立

3.3.7 卧式加工中心第二层任务剖面可靠性模型的建立

3.3.8 卧式加工中心第一层任务剖面可靠性模型的建立

3.4 本章小结

4 基于任务的数控机床可靠性分析技术

4.1 可靠性数据采集

4.1.1 相似样机的选择

4.1.2 现场故障数据的采集

4.2 基于任务的数控机床故障分析技术

4.2.1 故障产生时机分析

4.2.2 故障模式分析

4.2.3 故障因为分析

4.3 本章小结

5 基于任务的元任务组可靠性分配技术

5.1 元任务组可靠性分配方法选择

5.2 各元任务组和元任务影响因素集的建立

5.2.1 各元任务组、元任务的运行时间

5.2.2 各元任务组、元任务的重要程度

5.2.3 各元任务组、元任务的复杂程度

5.2.4 各元任务组、元任务的技术水平

5.2.5 各元任务组、元任务的工作状况

5.3 各元任务组和元任务影响因素权重集的建立

5.4 各元任务组和元任务评判矩阵的构建

5.5 各元任务组和元任务风险评估

5.6 各元任务组和元任务可靠性分配指标的确认

5.7 算例

5.8 本章小结

6 基于任务的元任务可靠性分配技术

6.1 可靠性成本预估函数

6.1.1 可靠性预估成本的定义

6.1.2 可靠性预估成本函数应遵循的条件

6.1.3 可靠性预估函数的建立

6.2 可靠性预估函数参数的确定

6.2.1 可行度fι的确定

6.2.2 影响因子Wi的确定

6.2.3 最大可靠度Ri,max的确定

6.3 基于遗传算法的可靠性分配

6.3.1 非线性规划模型的建立

6.3.2 非线性规划模型的求解方法

6.3.3 遗传算法

6.4 算例

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论及创新点

7.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A:作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B:作者在攻读博士学位期间完成和参加的科研项目