一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法；旨在克服现有技术不能确定相互干扰故障(I.F)的故障链中，存在错综复杂的相关关系的多系统之间的相关程度的问题，步骤为：步骤1：利用FMECA分析技术对故障数据处理，进行机床各子系统的故障部位的划分，整理各个子系统之间具有相关故障的数据；步骤2：分析相关数据，总结归纳相关子系统之间的相互作用形式，定义故障链的种类及故障链要素；步骤3：针对不同的相关故障链，利用独立故障率、相关故障率和综合故障率的相依关系，求得相关故障子系统的综合故障率，分别建立所有故障链的相关系数计算模型，组成相关故障的相关系数模型体系；步骤4：考虑相关故障的维修策略的分析。
【专利说明】一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数控机床【技术领域】，涉及一种数控机床相关故障分析方法，尤其是涉及一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法。
技术背景
[0002]数控装备相关故障的存在造成了其固有故障率的变化，可靠性设计与分配阶段若忽视了子系统之间的故障相关性，则可靠性的设计值必然与生产实际发生值产生较大误差。同时相关故障的存在，如果以独立故障的可靠度进行预测维修，也造成了维修时间节点的后延。系统故障中有4种最典型的相关故障:串联故障、负相关故障、共因失效和相互干扰故障。本发明涉及相互干扰故障类型(Interactive failures,简称1.F),这类相关故障的共同特点为:部件A在发生故障时会加速或导致部件B的故障的发生，有时这种破坏作用是相互的。这种相互作用的结果导致了故障系统的故障率上升，上升的幅度与子系统之间相互影响的程度有关。机床的设计、加工制造、安装和操作不当均可能造成这类相关故障的发生，所以发生的概率较大，危害性较强。随着近些年国内外学者对相关故障的关注，相关的研究不断深入，但是普遍存在于数控机床上的子系统之间的相互干扰故障类型相关研究未见报道。
[0003]子系统之间的相互干扰作用的程度定义为相关系数。专注于相关作用程度的研究的文献较少，仅有的文献也是为了实现其它可靠性指标而把其作为参数进行粗略估计，忽略了其在可靠性计算当中的重要性和严谨性。虽然现有的分析方法和模型均在一定程度上实现了相关系数的确定，但都存在着一定的理论局限。主要的分析手段有:1.数理统计法，利用相关故障发生率作为相关系数，如此样本采集的数量的多少决定了相关系数的变化，误差较大；2.试验法，利用试验手段获得大量的试验数据确定相关系数模型。该方法针对性较强，且实现成本较高，不具有普遍推广性；3.主观赋值法，有经验的专家对相关系统之间的相关程度打分，计算综合评分值作为相关系数。该方法主观性较强，且赋值误差较大；
4.Copula函数法，Copula函数描述的是变量之间的相关性，将变量联合累积分布函数同变量边缘累积分布函数连接起来的函数，可利用子系统的相关故障数据计算出子系统之间的相关系数，这个相关系数是共同的唯一的。该方法计算较为复杂，且不能明确子系统之间的相互作用关系和作用方向，因此模型无法实现多系统之间错综复杂的相关关系的分析和多个相关系数的模型确立；5.窄界理论法，利用相关子系统的主要故障模式的功能函数计算相关系数，该方法只适合于零部件本身的多模相关，由于无法确定多系统之间主要故障模式的功能函数的相关关系，因此很难实现多系统之间的相关系数的计算；6.故障率法，建立相关子系统之间故障率的关系式，推导出相关系数，确定子系统的相关程度。但现有的故障率法的研究终止于两个子系统之间的相关系数的计算。
[0004]对于所有的相关子系统之间的相关程度的分析方法中，故障率法利用独立故障率和相关故障率的变化关系来体现相关程度更为精确，因为方法除了具有定量化结果，同时能够明确子系统之间的相互作用方向。但是现有的分析过程却存在着理论局限，该分析方法仅能够确定两个相关子系统之间的相关作用程度，多系统复杂的相关关系的情况下，由于每个子系统存在的相关关系不限于一个，所以对于同一个子系统故障数据，可能来源于不同的相关子系统，所以造成了进一步分析的困难。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术不能确定相互干扰故障(1.F)的故障链中，存在错综复杂的相关关系的多系统之间的相关程度的问题，提供一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法。
[0006]为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法，包括以下步骤:
[0007]步骤1:利用FMECA分析技术对故障数据进行处理，对机床各子系统的故障数据进行统计分析，整理各个子系统之间具有相关故障的数据。
[0008]步骤2:分析相关故障数据，归纳总结相关子系统之间的相互干扰故障1.F故障类型的作用形式，定义故障链的种类及故障链要素。
[0009]步骤3:针对不同的相关故障链，利用独立故障率、相关故障率和综合故障率的相依关系，利用相关故障子系统的综合故障率模型，分别推导出所有故障链的相关系数计算模型，所有故障链的相关系数模型组成相关故障的相关系数模型体系。
[0010]步骤4:考虑相关故障的维修策略的分析。
[0011]技术方案中所述故障链的种类包括五种:
[0012]第一种:故障链仅有两个子系统，且为单向作用，在机床运行过程中子系统i的不良运动状态会影响到子系统j，直至子系统j发生故障，而子系统j对子系统i不产生影响；
[0013]第二种:故障链仅有两个子系统，且两个子系统相互作用，两个子系统的不良运动状态相互影响，形成恶性循环，直至其中一个系统因故障终止运行；
[0014]第三种:故障链由多个子系统组成，子系统i的运动状态同时影响到多个子系统，而本身不受其它相关子系统的影响；
[0015]第四种:故障链由多个子系统组成，子系统j受到多个子系统的影响，而其对其它任何子系统没有相关作用；
[0016]第五种:故障链由三个或者三个以上子系统组成，是前述四种基本故障链的部分或全部的组合形式，至少有一个子系统受到两个以上子系统的相关作用，且存在故障中间点子系统，相关子系统之间形成了错综复杂的相关关系，属于复杂相关故障链的类型。
[0017]技术方案中所述定义故障链要素，是指根据故障链中故障子系统在故障发生过程中的位置和作用对故障子系统进行定义；故障链要素包括:
[0018](I)相关故障起点:
[0019]在具有相关关系的故障链中，只影响其它子系统但不受其它子系统影响的子系统称为相关故障起点；
[0020](2)相关故障终点:
[0021]在具有相关关系的故障链中，只受到其它子系统影响，而不影响其它子系统的子系统称为相关故障终点；[0022](3)故障中间点:
[0023]在具有相关关系的故障链中，同时存在影响与被影响关系的子系统称之为故障中间点。
[0024]技术方案中所述针对不同的相关故障链，利用独立故障率、相关故障率和综合故障率的相依关系，利用相关故障子系统的综合故障率模型，分别推导出所有故障链的相关系数计算模型，具体是依据综合故障率计算模型:
[0025]
【权利要求】
1.一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:利用FMECA分析技术对故障数据进行处理，对机床各子系统的故障数据进行统计分析，整理各个子系统之间具有相关故障的数据； 步骤2:分析相关故障数据，归纳总结相关子系统之间的相互干扰故障1.F故障类型的作用形式，定义故障链的种类及故障链要素； 步骤3:针对不同的相关故障链，利用独立故障率、相关故障率和综合故障率的相依关系，利用相关故障子系统的综合故障率模型，分别推导出所有故障链的相关系数计算模型，所有故障链的相关系数模型组成相关故障的相关系数模型体系； 步骤4:考虑相关故障的维修策略的分析。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法，其特征在于: 所述故障链的种类包括五种: 第一种:故障链仅有两个子系统，且为单向作用，在机床运行过程中子系统i的不良运动状态会影响到子系统j，直至子系统j发生故障，而子系统j对子系统i不产生影响；第二种:故障链仅有两个子系统，且两个子系统相互作用，两个子系统的不良运动状态相互影响，形成恶性循环，直至其中一个系统因故障终止运行； 第三种:故障链由 多个子系统组成，子系统i的运动状态同时影响到多个子系统，而本身不受其它相关子系统的影响； 第四种:故障链由多个子系统组成，子系统j受到多个子系统的影响，而其对其它任何子系统没有相关作用； 第五种:故障链由三个或者三个以上子系统组成，是前述四种基本故障链的部分或全部的组合形式，至少有一个子系统受到两个以上子系统的相关作用，且存在故障中间点子系统，相关子系统之间形成了错综复杂的相关关系，属于复杂相关故障链的类型。
3.根据权利要求1所述的一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法，其特征在于: 所述定义故障链要素，是指根据故障链中故障子系统在故障发生过程中的位置和作用对故障子系统进行定义；故障链要素包括: (1)相关故障起点: 在具有相关关系的故障链中，只影响其它子系统但不受其它子系统影响的子系统称为相关故障起点； (2)相关故障终点: 在具有相关关系的故障链中，只受到其它子系统影响，而不影响其它子系统的子系统称为相关故障终点； (3)故障中间点: 在具有相关关系的故障链中，同时存在影响与被影响关系的子系统称之为故障中间点。
4.据权利要求1所述的一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法，其特征在于: 所述针对不同的相关故障链，利用独立故障率、相关故障率和综合故障率的相依关系，利用相关故障子系统的综合故障率模型，分别推导出所有故障链的相关系数计算模型，具体是依据综合故障率计算模型:
5.根据权利要求2所述的一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法，其特征在于: 针对所述故障链的第一种和第三种，故障链的相关关系为简单单向相关，相关故障终点子系统j只受到一个子系统i的影响，则相关故障子系统j的综合故障率由公式(I)得到:
6.根据权利要求2所述的一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法，其特征在于: 针对所述故障链的第四种，故障链的相关关系为多系统单向相关，相关故障终点j同时受到多个子系统的相关作用，而j为相关故障终点，相关故障终点j运行状态不影响其他相关子系统；子系统j的综合故障率zj (t)由k个相关关系决定，为计算子系统j受子系统i作用的相关系数'?值，做如下假设: (I)子系统j与k个子系统相关的相关系数1(0之间线性无关，i = 1，2，...K;令
7.根据权利要求2所述的一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法，其特征在于: 针对所述故障链的第二种和第五种，故障链的相关关系为多系统复杂相关，计算每个子系统的综合故障率时，需要分别求出该子系统与其它相关子系统的相关故障率和相关系数；设子系统名称分别为:相关故障起点i，相关故障终点j，相关故障中间点k，则相关故障终点j的综合故障率模型如下:
8.根据权利要求7所述的一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法，其特征在于: 所述对子系统j产生相关作用的子系统k的相关故障率气Ws的取值分析过程如下，以子系统k为研究对象，子系统k为故障中间点，对子系统j影响的同时也受到子系统i的影响: zk(i) = zlk(i) + 0lt(i)zh:(i);4(9) Zk (t):为子系统k的综合故障率； Zlk (t):为子系统k的独立故障率； (K (th为子系统k受子系统i作用的相关系数；
=为对子系统k产生相关作用的子系统i的相关故障率； 由于i是相关故障起点，所以气Ws =zfi(t.h zk(t)由k的生产故障数据求得，Zlk (t)为子系统k的独立故障率为已知，^Ci)由公式(9)可确定；根据4(0々气(O相关与否，之(O为子系统j受子系统k作用的相关系数，取值分两种情况， 第一种:%i*)g = %⑴，Gkj(t)与ft⑴无关 第二种:气(t)g = ^it)，Ok it)与 Oh (I)相关 (10) 气Wg取值确定，％ (O根据公式⑶可求出。
9.根据权利要求1所述的一种数控机床故障相关关系动态变化分析方法，其特征在于: 所述考虑相关故障的维修策略的分析，具体是利用建立的子系统之间的相关系数模型体系修订子系统的可靠度，计算预测维修节点； 系统的维修策略是以可靠度为依据进行制定和优化的，当系统的或子系统的可靠度小于计划规定的阈值时，则需要对系统或子系统进行预防维修保养；如果子系统j的故障无相关故障，则其可靠性为: Rj (t) = exp(-j Zij (i)di(11) Rj (t):为子系统j的只有独立故障率情况下的可靠性模型； 考虑具有相关故障的子系统j的可靠性模型为:(O = exp(—J" Zj (t)dt = exp(—I (Zlj (t) + ^ Oii (I)Zij (t)n )dt(12) 有:Rj (t) ≥ Ri j(t)(13) Ri j(t):为以子系统j的综合故障率建立的可靠性模型； 所述以独立故障率计算的可靠度有偏大的可能，当子系统j的可靠性达到规定的阈值时，由子系统j的可靠性模型计算的时间点作为维修节点时，由于以独立故障率计算的时间节点要大于以相关故障率计算的时间节点，因此由公式(11)计算的子系统j的维修时间节点作为维修计划的依据时，必然导致了预防维修计划的后延。
【文档编号】G06F19/00GK103971025SQ201410230927
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】王晓燕, 张英芝, 申桂香, 孙曙光, 谷东伟, 尹志勇, 赵佳 申请人:吉林大学