数控机床可靠性信息系统信息建模

收稿日期:2005-01-05

基金项目:山东省优秀青年科学家奖励基金资助项目(2001493-01BS36)

作者简介:张强(1966-),男,吉林长春人,副教授,工学博士.主要研究方向为数控技术、可靠性工程和物流技术等.

E -mail:z hangqiangd@https://www.360docs.net/doc/986414626.html,

文章编号:1672-3961(2005)04-0014-05

数控机床可靠性信息系统信息建模

张 强1

,艾 兴1

,贾亚洲

2

(1.山东大学 机械工程学院, 山东 济南 250061; 2.吉林大学 机械工程学院, 吉林 长春 130000)

摘要:可靠性信息建模是开发数控机床可靠性信息系统的关键.提出了一种数控机床可靠性信息建模的新方法)))功能元法,定义了功能元法的基本概念和基本理论,得出了基于功能元法的数控机床功能信息抽象方法和故障模式及原因等可靠性信息抽象方法,应用于某国产数控车床故障模式与影响分析(FME A)的信息建模.结果表明:该方法适用于对不同种类数控机床进行不同深度可靠性分析的信息建模.以此方法开发的数控机床信息系统已应用于国产

数控车床、数控冲床、数控轴承磨床、线切割机床等的可靠性增长,数控机床的平均无故障时间显著提高.关键词:可靠性;功能元法;数控机床;建模中图分类号:TH164 文献标识号:A

Study on reliability information system modeling of CNC machine tools

ZHANG Qiang 1

, AI Xing 1

, JI A Ya -zhou

2

(1.School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;2.School of Mechanical Engineering, Jilin University, Changchun 130000, China)

Abstract :Considering reliability information modeling as a key technology in C NC(Computerized Numerical Control)machine tool reliability information syste m,the function ele ment method,a kind of new CNC machine tool reliability information modeling method,is proposed.Basic conception and theory on function element method is defined.And information abstraction methods,such as CNC machine tool function method based on function element method and reliability method related to failure model and cause,are obtained.And FE MA information model applied in a certain home -made C NC lathe machine is introduced as well.The results ind-i cate that this method are suitable for the modeling of various kinds of CNC machine tools.C NC machine infor -mation syste m based on this method has been applied to improve reliability of home -made CNC lathe,C NC punch,C NC bearing grinding machine,linear cutting machine,and etc.Mean Time Between Failure (MT -BF)of a certain home -made CNC lathe is increased re markably.Key words :reliability;function element method;C NC machine tool;modeling

0 引言

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.

数控机床的可靠性是广大机床用户和社会在机床众

多技术指标中特别关注的质量特性,它是机床质量的核心和关键,国家在/九五0和/十五0期间都把可靠性作为/数控机床产业化工程0中的关键技术组织攻关研究.数控机床种类繁多,同一类型的数控机床

第35卷 第4期 Vol.35 No.4 山 东 大 学 学 报 (工 学 版)JO URN AL OF SHAND ONG UNIV ER SITY (ENGINEERIN G SCIENCE)

2005年8月

Aug.2005

也存在较大的差别,为建立通用的数控机床可靠性数据库系统,必须对数控机床进行抽象,建立其信息模型.对数控机床可靠性的研究表明,有相当部分的故障发生在子系统之间的联系上,传统的故障分析方法,或是忽略了这部分故障,或是把它们归结到比较相近的子系统中,往往掩盖了故障发生的实质.另外,由于收集的可靠性数据较少,初期进行可靠性分析时,主要是对较大子系统进行粗略分析,随着可靠性数据的增加,可靠性分析将深入到更小的环节,可见数控机床可靠性分析具有明显的层次性.根据以上特点,提出了数控机床可靠性信息建模的新方法)))功能元法.研究建立功能元法的基本理论,并结合实例提出基于功能元法的数控机床可靠性信息系统建模方法=1~4>.

1功能元法的基本概念

1.1功能元

数控机床是由多个具有特定功能的子系统组成,并通过它们之间的有机联系构成的系统.系统的组成可用具有特定功能的实体和实体间的联系概括.功能元:具有特定功能的可靠性分析的最小实体或实体间的联系定义为可靠性分析功能元,简称功能元.功能元分为实体型功能元和联系型功能元2种.最小实体是指为进行可靠性分析划分的最小功能实体,根据研究的深度具体界定.实体型功能元i 简记为I i,联系型功能元j简记为J j.为了相互区别,对每一个功能元人为地赋予一个唯一性标识号)))功能元编号.功能元名和描述值构成了功能元的2个基本要素.

1.2功能元组

若干个功能元的集合称为功能元组.功能元组名表示功能元组的意义.功能元组有唯一性标识)))功能元组号,以区分不同的功能元组.在数控机床可靠性分析中,功能元组是上一层可靠性分析的实体型功能元.功能元组是某系统的功能信息的全部或局部.单个功能元是功能元组的特例.

记功能元组k为G k.若I i(或J j)是G k里的一个功能元,则称I i(或J j)属于G k,记为I i I G k(或J j I G k).数控机床功能元组可定义为G k={I m,

I i,I mm,J n,J j,J n n}.

1.3功能结构树

采用如图1所示的树状分层结构来描述数控机床功能信息之间的结构关系,即功能结构树.功能结构树上的节点为功能元和功能元组,功能元又分为实体型功能元和联系型功能元.所有功能元组均是实体型的功能元组.树的顶功能元组表示需分析的数控机床系统,功能元组分枝表示数控机床的子系统、子功能单元和子部件,功能元分枝表示该功能元组所包含的功能元.图中的实线为路径,表示从某节点到其后另一节点的功能结构关系.在同一条路径上,相邻层次节点为父子关系.没有父节点的节点为根节点,没有子节点的节点为叶节点.数控机床系统为父节点,而功能元为功能结构树的叶节点.

图1功能结构树

Fi g.1Tree of function and structure

1.4功能元法及其特点

(1)功能元法

以功能元为基本实体进行数控机床功能信息建模和可靠性分析的方法称为功能元法.功能元法中的数控机床功能信息建模是建立数控机床功能信息抽象模型,为可靠性分析提供数控机床产品的分析基础;可靠性分析是在数控机床功能信息抽象模型的基础上,以功能元为基本实体进行的.

(2)功能元法的特点

功能元法的优点是能建立高度通用、柔性强、易于重新配置的数控机床可靠性信息系统的框架结构.由于数控机床种类繁多,实现功能千差万别,很难使数控机床可靠性信息系统做到完全意义上的通用,功能元法避免了可靠性分析对数控机床具体功能和功能实现的理解,用户可在数控机床产品可靠性分析的不同阶段,自由地决定分析的层次,通过实例化配置实现再开发.

2功能元法的基本理论

下面将从以下几个方面探讨功能元法的基本理论:数控机床功能信息模型及其描述方法,功能,可靠性信息的包容原则等.功能信息模型均采用

第4期张强,等:数控机床可靠性信息系统信息建模15

IDEF1X 方法表示.

2.1 数控机床功能信息模型及其描述方法

(1)功能信息模型

与功能结构树相对应,建立功能元组多层嵌套的数控机床功能信息模型,如图2所示.数控机床的功能可抽象为最高层的功能元组,其父功能元组号为空,功能元组号为数控机床的标识号,功能元组名称为数控机床的名称(包括型号如XXX 数控车床,其中XXX 表示数控车床的型号).数控机床的部件和子系统均可抽象为子功能元组.各部件和子系统之间的联系均可抽象为联系型功能元.每个功能元组根据其实际意义还可能有多个子功能元组./组-功能元0实体模型表示数控机床功能元组或子系统功能元组包括的功能元.实体中的/功能元组号0为对应的功能元组的编号;/组-功能元号0为该功能元的编号;/功能元号0为规定功能元的统一的编号

.

图2 数控机床的功能信息模型

Fi g.2 Function information model of machine tools

(2)数控机床功能信息模型的描述方法采用数据库来描述数控机床的功能信息.数控机床功能元组号的格式为Txx(Txx ,,(Y P Xxx)),xx 为两位的数字(00-99),编号中的T 表示功能元组,X 表示实体功能元,Y 表示联系功能元.表1为数控冲床功能信息描述实例.

表1 数控冲床的功能信息描述

T ab.1 Description of CNC machine tool .s functions 功能元(组)

名称功能元(组)号

数控机床功能元(组)描述数控冲床T01数控,冲床,板料送料机构T01T01按规定的程序拖动扳料

X 轴传动系统T01T01T01按规定的程序拖动扳料沿X 轴运动伺服单元T01T01T01T01交流伺服控制伺服电机T01T01T01T01X01交流伺服电机Z 轴传动系统

T01T01T02按规定的程序拖动扳料沿Z 轴运动夹钳

T01T01T03

夹持扳料

2.2 数控机床功能信息的包容原则

在图1所示的功能结构树中,功能信息之间存

在包容的关系:上层功能元组信息包容下层所属各功能元和功能元组的功能信息.

功能信息的包容可以减少信息的冗余,反映功能信息的一致性.数控机床的功能包容所有子系统的功能,同样也包容所有子系统的故障模式.例如,数控冲床送料机构功能包容X 轴传动系统、Z 轴传动系统、夹钳的功能,送料机构故障模式也包容其故障模式.

3 数控机床功能信息抽象

以功能元为基本实体进行数控机床功能信息建模,对数控机床进行功能抽象,建立功能信息模型.数控车床由C NC 系统、Z 进给系统、X 进给系统、转塔刀架等子系统组成.X 进给系统由伺服单元、进给拖板、导轨等构成,可得其功能结构树,如图3所示.图4为数控车床的功能信息模型实例./数控机床-子系统0实体中,子系统指各层次的功能元组,当子系统为第1层时,父系统编号为数控车床的编号;当子系统为第2层以下层次时,父系统编号为其上一层子系统的编号.在/数控机床-功能元0实体

中,数控机床-功能元号为该型号数控车床所有功能元的统一编号;数控机床-系统编号为功能元所属系统的编号;功能元号为规定功能元的统一的编号

.

图3 数控车床的功能结构图

Fig.3 Structure of the CNC machi ne tool .s function

图4 数控车床的功能信息模型实例Fi g.4 Instance of the CNC machine tool .s

function information model

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山 东 大 学 学 报 (工 学 版)第35卷

4 数控机床可靠性信息抽象

在采用FMEA 方法进行数控机床产品的可靠性分析时,首先确定故障发生的部位,由于可靠性分析是基于数控机床产品进行的,故障部位可根据实际情况由规定的分解重组的层次的功能元组和功能元确定.为使数控机床可靠性信息系统具有FMEA 的功能,基于数控机床功能模型,建立了数控机床可靠性信息模型.图5为以数控车床为例的基于功能模型的数控机床可靠性信息模型

.

图5 基于功能法的数控车床可靠性信息模型

Fig.5 The reliabili ty information model of C NC

machi ne tool based on function -method

由图5可见,功能元与故障模式和故障模式与故障原因均是一对多的关系.实体中的故障模式号和故障原因号为数控机床可靠性信息系统的统一编号,而数控车床-故障模式号和数控车床-故障原因号为某型号数控车床可靠性信息的统一编号.

5 应用实例

运用功能元法的理论和方法,基于文献=1>提出的控制模型,开发了文献=2>描述的框架结构的数控机床可靠性信息系统,并应用于国产数控车床、数控冲床、数控轴承磨床、线切割机床等的可靠性增长.

在国家/九五0和/十五0攻关项目中,首先对在全国使用的32台某系列国产普及型数控车床的故障数据进行了两年的跟踪记录,获得了较为丰富准

确的可靠性数据.机床故障间隔时间分布规律符合

威布尔分布,平均无故障时间260h,远低于600~700h 的国际先进水平.

为实现对数控车床的F ME A 分析,首先从上而下建立如图3所示的功能结构树,并从下而上分析可能出现的故障的模式、原因和影响,通过图6所示可靠性建模等用户实例配置模块,实现机床功能和可靠性信息的抽象.

图6 可靠性建模模块

Fig.6 Reliabili ty model

通过对该数控车床第一层功能结构树各功能元组故障的分析,CNC 系统发生故障最频繁.通过分析可建立如图7所示数控车床C NC 系统的功能结构树.分析各功能元的故障模式、原因和影响见表

2.按照功能元法的包容原则,由功能元FME A 分析的结果可进行C NC 系统和各层次子系统的FMEA,如表3所示.根据试验数据统计,C NC 系统故障主要集中在硬件部分,硬件部分故障又主要是主板经常烧坏,说明数控系统硬件部分存在较大问题.

图7 数控车床C NC 系统的功能结构图

Fig.7 Structure of the CNC system function

根据FMEA 的结果,提出了该系列数控车床改进的具体措施,并建立了可靠性设计、可靠性制造、采购等规范.改进后,通过对15台机床的跟踪,平均无故障时间超过480h,接近了国际先进水平.

第4期张 强,等:数控机床可靠性信息系统信息建模

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表2数控车床CNC系统硬件系统功能元组FMEA

Tab.2Function element.s FME A of CNC hard ware system

功能元模式原因局部影响最终影响主板主板故障元件损坏、线路故障、干扰系统失常系统失常显示器显示器损坏元器件损坏、线路故障不显示无法监控系统控制面板元器件损坏元件损坏、线路故障无法控制系统无法控制系统内存参数丢电池损坏、线路故障控制参数丢系统失常内存功能紊乱干扰、参数错、元器件损坏内存失常系统失常

,,

表3数控车床CNC系统FMEA

Tab.3CNC system FMEA of the CNC machine tool

功能元(组)模式原因局部影响最终影响系统硬件元器件损坏元件损坏、线路故障硬件功能失常系统失常参数丢电池损坏、线路故障控制参数丢系统失常内存功能紊乱干扰、参数错、元件损坏内存失常系统失常

通讯故障元件损坏P路故障P干扰P

接插件接触不良

无法实现与功能

模块的通讯

不能实现特定功能

系统软件软件功能失常干扰\系统程序坏\参数错系统功能失常系统失常误报警干扰、参数错系统功能失常系统失常

6结论

功能元法基本概念和理论的提出和应用,建立了可靠性分析与数控机床产品的柔性联系,提高了数控机床可靠性信息系统的通用性和柔性,并为数控机床可靠性分析的标准化提供了理论和技术保障,有利于可靠性技术的推广应用.

基于功能元法开发的数控机床信息系统已应用于国产数控车床、数控冲床、数控轴承磨床、线切割机床等的可靠性增长.某国产普及型数控车床应用结果表明:该方法适用于对不同种类数控机床进行不同深度可靠性分析的信息建模,数控车床的平均无故障时间由260h提高到480h以上,接近国际先进水平.

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(编辑:陈燕)

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