基于级联故障分析的数控机床系统组件可靠性评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数控机床可靠性评价技术领域，设及一种基于级联故障分析的数控机 床系统组件可靠性评价方法。
【背景技术】
[0002] 数控机床是集机、电、液、气、光于一体的复杂系统相关"是其故障普遍特征，且 各零件及子系统之间的故障存在传递性，属于级联故障。可靠性建模与评价是可靠性设计、 分配与预计等研究的基础。传统的数控机床系统组件可靠性建模多基于机床运行中组件故 障信息，基于故障独立假设展开。据此评价组件可靠性水平存在偏差，给组件重要度分析、 系统可靠性分配、工艺设计和维修策略制定带来较大影响。因此，考虑故障传递性，进行基 于级联故障分析的数控机床系统组件可靠性评价研究具有重要意义。
[0003] 级联故障是指由一系列互为因果、在时间尺度上可区分的序列停运引起的故障事 件，运些故障事件往往就是从系统中某一元件的故障开始，继而引发系列元件故障，运种连 锁性故障的迅速传播最终导致了系统的崩溃。级联故障机理的研究引起了国内外学者的广 泛关注。
[0004] 国内外主要应用复杂系统相关理论对级联关联故障进行研究。研究内容主要包含 两个方面：一是基于复杂网络理论的"小世界网络"模型、Watts构造模型、化Ime和Kim的 相隔中屯、性模型、Motter与Lai模型等进行连锁关联故障机理分析；二是利用MonteCarlo 模拟法、递归算法、基于ΑΗΡ和灰色关联度选择故障序列等进行连锁关联故障路径捜索。 阳0化]Pickles借助Domino骨牌来描述故障相关性，将独立的可靠性评价扩展成连续 失效过程，借助指定的系数来刻画某一子系统故障对其相邻子系统的影响，但由于它假定 的失效序列比较单一，无法适用于故障的多路径传递方式；Sun化ng构建了定量化分析关 联故障的可靠性函数模型，并结合故障数据计算子系统的相关系数，但是该相关系数是一 个综合指标，子系统的影响度和被影响度对整个系统的影响并不相同。此外很多学者借 助Copula函数来研究故障相关性问题，张英芝初次将Copula函数引入到数控机床相关故 障的计算分析中，精准的计算出了相关子系统之间的相关系数值，为明确子系统之间的相 关作用程度开辟了新的途径，该方法的不足之处是运动相关关系的作用方向和作用形式不 能通过计算值体现出来，运种弊端在研究多系统之间错综复杂的相关关系时表现的尤为明 显。王晓燕根据生产跟踪数据，对故障链种类进行归类，建立了系列相关系数求解模型。
[0006] 数控机床系统复杂，其系统组件间关联关系不明确，不能直接套用其他产品关联 故障研究方法。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术因忽略故障传播影响和故障相关性分析而导致用组件综合可靠性 代替固有可靠性，使得评价结果存在偏差的缺陷。本发明提供一种基于级联故障分析的 数控机床系统组件可靠性评价方法，利用该方法对数控机床系统组件进行可靠性分析更准 确，更符合实际。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明的基于级联故障分析的数控机床系统组件可靠性 评价方法包括下述步骤：
[0009] 一、将整个数控机床系统部件划分为η个子系统；根据采集的数控机床现场故障 数据进行统计分析并借助于故障分析数据和系统结构功能方面的相关经验寻求到子系统 之间的故障传递关系，然后W各个子系统为节点集合V= (Vl，V2, ...V。}，节点之间的故障 传递关系为有向边集合E= {ei,}，i声j，构成故障传递有向图模型，其中η为子系统数量；
[0010] 二、用ηΧη的邻接矩阵C对故障传递有向图模型进行描述；
[0011]
阳01引 当i声j时，
阳〇1引 当i=j时，Cij=0;
[0014] 将邻接矩阵C的每行元素除W此行元素的总和，得到转移概率矩阵C'，然后对转 移概率矩阵C'进行转置变换得到其转置矩阵（C' )τ:
[0015] Ξ、利用式（1)进行迭代运算，得到各子系统的基于故障相关的被影响度CK值，某 一子系统的CK值代表该子系统被其它子系统影响的概率；
[0016]
[0017] 其中，d-一阻尼因子，取试验中关联故障数与总故障数的比值；
[0018] E-(ηXI)阶矩阵，并且元素全为1 ;
[0019] 迭代初始条件为：护=(1，1，......，1)Τ;
[0020] 设ε为指定的迭代收敛平稳阀值，迭代计算当满足|px"-Pl<ε时， 迭代结束；令迭代结束后Ρ=CK，则CK= (CK(1)，CK似，...CK(i)...，CK(n))T， CK(1)，CK(2)，. . .CK(i). . .，CK(n)即为各子系统的基于故障相关的被影响度CK值；
[0021] 四、利用式（2)计算得到各子系统的固有故障概率函数
[0022]
(2) 阳〇2引其中λ。为子系统i的固有故障概率函数，cKa)为子系统i的被影响度，λ1为 子系统i的综合故障概率函数，^是整个数控机床系统中除子系统i之外其他子系统构 成的子系统集合的综合故障概率函数；
[0024] 五、利用步骤四得到的各子系统的固有故障概率函数对数控机床系统组件进行可 靠性评价。
[00巧]本发明可靠性模型不仅考虑子系统自身元件的累计失效过程，还融入其他子系统 的故障相关影响度因子，与基于系统间相互独立假设的可靠性模型相比更符合实际。
【附图说明】
[00%] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0027] 图1是本发明的基于级联故障分析的数控机床系统组件可靠性评价方法流程图。
[0028] 图2日、图化是故障传递有向图模型。
[0029] 图3是实施例加工中屯、故障传递有向图。
[0030] 图4进给系统固有故障概率与综合故障概率曲线。
[0031] 图5进给系统固有可靠度与综合可靠度曲线。
[0032] 图6刀库固有故障概率与综合故障概率曲线。
[0033] 图7刀库固有可靠度与综合可靠度曲线。
[0034] 图8主轴固有故障概率与综合故障概率曲线。
[0035] 图9主轴固有可靠度与综合可靠度曲线。
【具体实施方式】
[0036] 如图1所示，本发明的基于级联故障分析的数控机床系统组件可靠性评价方法包 括下述步骤：将系统划分为η个子系统；对各子系统故障相互影响关系进行分析；构建故障 传递有向图模型；构建邻接矩阵；计算各子系统被影响度；计算各子系统的固有故障概率 函数；计算各子系统的固有MTBF。
[0037] 一、级联故障机理分析与组件相关度评估
[0038] 为清晰级联故障传递机理，实现系统部件可靠性评估，本发明引入图论中的故障 有向图方法构建故障传递有向图模型，通过矩阵化处理实现模型量化。系统部件的故障相 关度又分为影响度和被影响度，本发明重点关注部件被影响度计算。
[0039] 1、故障有向图模型
[0040] 将整个系统划分为若干个组成子系统，借助于故障分析数据和系统结构功 能方面的相关经验寻求子系统之间的故障传递关系。W各个子系统为节点集合v= {Vl，V2，...v。}，节点之间的故障传递关系为有向边集合E={el,}，i声j。节点一般是指系 统中的各子系统（也可W指元件、部件等），有向边则代表它们之间的故障传递关系。如果 子系统i出现故障会引发子系统j出现故障，那么则存在从节点Vi到节点Vj的一条有向边。 故障传递关系主要是依据现实的故障数据采集和故障原因分析，结合故障诊断手册进行确 定。如图2a是由