数控机床可靠性建模及分析关键技术研究

发布时间：2020-03-25 01:30

【摘要】：随着社会的发展进步,机电产品的复杂程度不断增加使得机电系统可靠性建模和分析的难度随之大幅提升。针对传统可靠性建模和分析方法与产品结构模型脱节、与产品失效模式脱节、可靠性控制因素难于在设计、加工、装配、维修、经济性分析等环节中得到直接体现等问题,本文以数控机床产品为研究对象,利用所提出的元动作链方法(Meta-action Chain Methodology,MCM),结合产品运行状态对产品的失效模式及经济性进行建模和分析。数控机床在运行过程中的每一个状态都可以通过元动作结构链(Meta-action Structure chain)和元动作运行链(Meta-action Operating Series Chain)进行综合表达,从而将机电产品的结构信息、故障信息、经济特性信息、运行参数信息等多元信息集成到系统可靠性模型中。另一方面,所得到的可靠性评估结果能够精确地描述系统可靠度随时间变化的规律,为系统运行过程的维修决策、产品质量改进等控制措施提供充分的依据。具体研究内容包括:(1)数控机床元动作链建模(MCM)及可靠性计算。给出了元动作结构链和元动作运行链的定义,将系统结构信息和系统运行信息融合到系统可靠性建模过程中,并提出了元动作链的建立流程。对系统连续的运行空间进行离散化处理,引入模型时间求解精度δ,从而定义了元动作链状态以及系统运行状态空间。同时,针对所建立的元动作链,建立了相应的元动作可靠性计算方法。利用马尔科夫状态转移矩阵(Markov Transition Probability Matrix),建立了机电系统运行过程的元动作链状态转移有向图。同时,根据该理论模型给出了能够在工程中实际应用的求解算法及算法流程图,并利用Matlab进行了相应的求解计算。以TH63系列加工中心的端齿盘分度式数控转台为例,结合该转台的结构图以及失效模式与影响分析(Failure Mode and Effects Analysis,FMEA)结果,对该系统在不同运行模式下的可靠性进行了动态评估,绘制了可靠度衰减曲线,并将其与经典的威布尔分布(Weibull distribution)模型所得到的曲线进行了对比,从而验证了该方法的可行性和先进性。以磨损型、开关型及交变应力型三种典型的元动作故障为例,利用幂律过程(Power Law Process,PLP)、对数正态分布(Logarithmic Normal Distribution,LND)等方法建立了微观失效原因与宏观可靠性之间的耦合关系,为数控机床产品可靠性的评估和维修控制打下了理论基础。(2)基于元动作链的数控机床运行故障建模与分析。利用所提出的元动作链方法,对数控机床产品具体故障的故障原因进行了分析,同时,建立了定量计算模型,能够为各元动作的故障分布参数提供支撑。以蜗轮齿面磨损以及齿轮轴交变应力失效为例,分析了微观失效原因与故障发生概率的联系。所得到的故障底事件发生概率曲线能够为第二章所建立的系统可靠性曲线的分析提供支持,从而实现系统结构信息、系统运行信息、微观失效原因信息、宏观可靠性模型的高度集成,极大地提升了可靠性建模的适用范围。(3)基于运行状态包络的预防性维修策略建模与分析。建立了可靠运行区间以及可靠运行包络(Reliable Operating Envelope)的概念。定义了一维情况下的可靠运行区间重叠度(Coincidence Degree of Reliable Operating Range)。利用可靠运行空间包络对系统中不同故障敏感性、不同运行时间维度的部件进行分组,集成了部件的经济特性信息、结构信息、运行模式信息,使机电产品的预防性维修更加具有针对性。提出了维修策略矩阵,利用遗传算法(Genetic Algorithm)对维修策略组合矩阵进行优化遍历,给出了相应的算法并计算了算法的复杂度。以MKS16系列数控磨床和FMS80柔性生产线为例,分别验证了所建立的维修策略模型在数控机床和生产线不同行模式和不同故障敏感性条件下的适用性,并与经典维修策略进行了对比。(4)基于用户期望符合度的数控机床可靠性提升模型与分析。引入了用户期望分布描述产品质量的具体意义。以马氏距离(Mahalanobis Distance)计算用户期望分布与产品实际质量特性分布的差异,建立了相应的质量损失函数(Quality Loss Function),从而定义了数控机床产品的使用质量。根据该质量损失函数,分别计算各质量特性的质量损失,得到相应的用户期望符合度向量(Coincidence Degree Vectors of Customer Expectations)。计算各质量提升措施的效用费用比,得到机电系统可靠性提升的优化序列。以MKS16系列数控磨床为例,建立了产品的质量评价指标体系,得到了可靠性改进措施的优化控制序列,验证了该模型的实用性。(5)数控机床可靠性经济特性建模与分析。定义了可靠性边际效用(Marginal Utility)和边际成本(Marginal Cost)的概念。基于岁收需量法(Revenue Requirements Method)和区间分析方法推导了可靠性投入与可靠性效益之间的关系,并给出定量计算模型。具体建立了机电系统可靠性经济特性分析流程。利用仿真软件模拟机电系统可靠性经济模型的各项参数,计算了产品可靠性投入与可靠性回报动态更新的迭代过程,为产品可靠性控制点的选取提供了充分的决策依据。对产品生产关键工序的工序能力进行了计算,以主轴加工工序为例分析了产品生产过程的工序能力,消除了产品加工过程的经济损耗因素。
【图文】：

元动作,装配单元,数控机床

1 绪论构化分解方法，被用来分析机电系统的运行，，该分解方法是元动作理论的核心。动作在该理论中定义为系统中运动部件的状态变化，而元动作的定义为：结构关系相对独立、能够实现一定动作目标或达到一定目的，可控可分析不需要（也不能）再细分的动作单元（Meta-action）。该分析方法的优势在于：尽管机电系统的运动可以非常复杂，但是，分解到基本的元动作只有移动和转动两种，将机电系统分解到元动作能够充分对系统的运行状态进行精确描述。转动包括电机轴、螺栓、齿轮、轴系的转动等。移动包括螺母、活塞、汽缸的移动等。

框架图,框架,工序能力,产品生产

重庆大学博士学位论文取提供了充分的决策依据。对产品生产关键工序的工序能力进行了计算，以主轴工序分析了产品生产的工序能力，消除了产品加工过程的损耗因素。第七章：结论与展望归纳出全文的主要研究结论及创新之处，根据研究中存在的问题及研究特点，指出研究中存在的不足与缺陷，指明今后该领域的相关研究方向。1.4 论文整体架构本论文的研究方法与框架如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659

【参考文献】