加工中心作為復雜機電一體化產(chǎn)品,其功能先 進性和結構復雜性導致內(nèi)部故障存在關聯(lián)性,_個 單元或子系統(tǒng)發(fā)生故障,可能導致系統(tǒng)其他部分出 現(xiàn)故障,引起多米諾效應,嚴重影響其可靠性[1].因 此,進行故障關聯(lián)分析并找出故障傳播對系統(tǒng)影響 的有效方法以阻止該情況發(fā)生很有必要.
近年來國內(nèi)外學者對故障關聯(lián)的研究主要集中 于單向關聯(lián)故障的研究.有基于可靠性模型的串聯(lián) 相關故障分析和共因失效分析等[2 _5 ].對于雙向故 障關聯(lián)性的研究還較少涉足,在文獻[1]中,采用自 相關矩陣考慮各因素間直接關系的同時卻忽視了多 層次故障傳遞鏈條中因素間的間接關聯(lián)關系.而作 為復雜系統(tǒng)分析方法的重要方法——解釋結構模型 (Interpretative Structural Modeling,ISM)卻能考 慮系統(tǒng)各故障子系統(tǒng)間直接間接關系,有效進行系 統(tǒng)故障分析.該法于1973年由美國Warfield教授 提出,可將復雜系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)要素,實現(xiàn)多 級遞階結構模型的構建[6 ].它借助圖形表示出系統(tǒng) 要素間所有直接、間接關系,并據(jù)此分析找出影響整 個系統(tǒng)可靠性的根本因素,進而對這些根本因素進 行重點改善,這也就為系統(tǒng)進行ISM模型分析提供 了理論依據(jù)[71].實踐證明,該方法既適用于分析社 會經(jīng)濟問題,又適用于學習理解相互關系較復雜的 各種問題[10].但就當前看,尚未有學者將其應用于 數(shù)控機床故障分析中,因此本文基于加工中心故障 關聯(lián)復雜性,立足宏觀,將其引入該領域,借助ISM 法將眾多要素相互影響的邏輯關系用多級遞階結構 進行直觀表示,明確關聯(lián)故障子系統(tǒng)層級,找出深層 子系統(tǒng),確定可靠性改進薄弱環(huán)節(jié).并對其進行故障 模式、影響及危害性分析(Failure ModeEffects and Criticality Analysis,FMECA),進而確定其關鍵故 障模式.
1 ISM與FMECA的原理與方法
1.1解釋結構模型(ISM)
ISM基本原理是采用各種創(chuàng)造性技術,提取系 統(tǒng)構成要素,利用有向圖、矩陣等工具,構造出_個 多級遞階結構模型,從而將要素間的依賴關系與系 統(tǒng)內(nèi)部結構直觀地展現(xiàn)出來,實現(xiàn)關系條理化、層次 化[11].本文將其應用于加工中心故障關聯(lián)分析中, 實施基本步驟為:
1. 2故障模式、影響及危害性分析(FMECA)
根據(jù)ISM所得結果,獲取深層要素,確定可靠 性薄弱環(huán)節(jié),從而對其進行FMECA分析,以獲取 關鍵故障模式.其中FMECA是一種用于可靠性分 析的主要方法,該方法有如下步驟[12].
準備工作.該步驟是在對系統(tǒng)做FMECA分 析之前進行的,是收集準備充分資料的階段,這些資 料包括系統(tǒng)設計、工藝流程與使用維護等方面,同時 還包括類似設備在使用、維護與安裝過程中的常見故障模式.
1) 功能定義.明確設備能完成的功能與在整個 系統(tǒng)中所處地位.
2) 確定故障模式.明確待分析設備系統(tǒng)中主要 零部件潛在故障模式.
3) 故障原因和后果分析.分析引發(fā)故障發(fā)生的 各可能因素,找到各故障模式所有可能潛在原因,并 預計故障產(chǎn)生后果.
4) 確定檢測方法.提出或收集以往對系統(tǒng)和各 元器件的故障模式檢測方法.
5) 危險性評估.危險性評估方法主要有危害度 等級評定法和危險順序數(shù)(RPN)排序法等.在此采 用RPN(Risk Priority Number)排序法,該方法兼 顧了故障模式的嚴酷程度與發(fā)生概率及其查明難易
程度,并給出了適當?shù)脑u定系數(shù),公式為
RPN = SXOXD.
式中:S表示嚴酷度,在1?10范圍內(nèi)取值;O表示 發(fā)生概率,在1?10范圍內(nèi)取值;D表示查明難度, 在1?10范圍內(nèi)取值.可通過統(tǒng)計方法或經(jīng)驗來確 定S,O,D的評定原則[13].另采用各部件故障模式 的平均值簡化計算部件對應的故障風險值,用 RPN表示.
2.1基于ISM的關聯(lián)故障子系統(tǒng)模型構建
通過對某系列加工中心故障數(shù)據(jù)進行分析整 理,得到各子系統(tǒng)關聯(lián)故障統(tǒng)計表,如表1所示.
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表1加工中心關聯(lián)故障統(tǒng)計表 Tab. 1 Associated failure statistics of machining center subsystem
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該模型為一個四級遞階層次結構 模型.其中刀庫(S1 )、進給系統(tǒng)(S2 )、主軸系統(tǒng) (S3 )、防護系統(tǒng)(S7 )、冷卻系統(tǒng)(S8 )是表層要素,
為易受其他子系統(tǒng)影響的故障子系統(tǒng),本身不對其 他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響.氣動系統(tǒng)(S6 )、數(shù)控系統(tǒng) (S9 )、液壓系統(tǒng)(S11 )是淺層要素,這三個要素對 第_層要素有直接影響,其中氣動系統(tǒng)(S )對第_ 層要素產(chǎn)生影響的同時,受到下一層要素對其產(chǎn)生 的影響,而數(shù)控系統(tǒng)(S9 )和液壓系統(tǒng)(S11 )僅對上 層要素產(chǎn)生影響,不受其他要素的影響.排屑系統(tǒng) (S5 )是中層要素,該要素對上層要素產(chǎn)生直接或間 接的影響,同時受下層子系統(tǒng)要素的影響.電氣系統(tǒng)(s4)和潤滑系統(tǒng)(s1())是深層要素,它們通過不同 方式對其他故障子系統(tǒng)產(chǎn)生直接或間接的影響,自 身并不受其他子系統(tǒng)的影響.說明這兩個故障子系 統(tǒng)地位尤其重要,為關鍵子系統(tǒng),要對其加強可靠性 改進.為明確關鍵子系統(tǒng)具體改進方向,需要對其進 行FMECA分析,以下以電氣系統(tǒng)為例進行關鍵故 障模式和關鍵設備的探尋.
1. 2 FMECA 分析
由對國內(nèi)某系列加工中心的故障數(shù)據(jù)收集信 息,可得到電氣系統(tǒng)的故障模式、影響和危害度分析 表格,如表4所示.主要包括各種開關、電燈、電源、 接觸器、變頻器、電源線、繼電器等的FMECA.
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表4 電氣系統(tǒng)FMECA表 Tab. 4 Electrical system FMECA table 故障影響
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由表4可知,該系列加工中心電氣系統(tǒng)中繼電 器、變頻器和接觸器的危險順序數(shù)最大,是需注意的 關鍵設備,因此應該重點檢測其安全狀態(tài).此外,單 就故障模式來說,危險順序數(shù)較大的故障模式依次 為繼電器損壞、變頻器損壞、接觸器損壞、電燈鎮(zhèn)流 器損壞、電磁感應開關損壞、制動開關損壞,這六個 故障模式是該系列加工中心的關鍵故障模式,應著 重進行可靠性改進.這些故障多為元器件損壞,電氣 系統(tǒng)元器件主要是外購獲得,因此,加工中心企業(yè)應 加強外購件采購質量管理,入廠前元器件進行篩選 實驗;同時設計部門在選用元器件時,須從優(yōu)選手冊 目錄中選取,若須采用目錄之外的元器件,需經(jīng)質量
部門認定為可靠補入目錄后才能用于選取.另外,用 戶也要在使用中注意對設備加強維護,加強操作培 訓,以提高設備使用可靠性.
由以上分析知,相比傳統(tǒng)FMECA方法并未考 慮故障之間的相互影響,只對各故障模式危害性獨 立地進行分析,本文所使用的ISM法則充分考慮和 反映故障間直接與間接關系,從系統(tǒng)角度出發(fā),確定 加工中心薄弱環(huán)節(jié),即關鍵子系統(tǒng),得出了符合工程 實際的結論,從而為系統(tǒng)可靠性分析提供了堅實的 理論基礎.接著對所得關鍵子系統(tǒng)進行FMECA分 析,確定了關鍵故障模式以及關鍵設備,更加明確了 可靠性改進方向.
1) 采用ISM法分析各子系統(tǒng)間關系,建立了加 工中心故障關聯(lián)子系統(tǒng)遞階結構模型,將故障關聯(lián) 子系統(tǒng)劃分為表層故障子系統(tǒng)、淺層故障子系統(tǒng)、中 層故障子系統(tǒng)和深層故障子系統(tǒng),從而使故障傳遞 關系得以直觀而深刻地表現(xiàn),為故障快速診斷提供 了新方法,并對可靠性改進具有重要意義.
2) 對運用ISM法所得深層子系統(tǒng)進行了 FMECA分析,確定了關鍵故障模式及關鍵設備,明 確了可靠性改進方向.
3) ISM與FMECA法為明確關鍵子系統(tǒng)及其 關鍵設備與關鍵故障模式提供了簡單快捷的新思 路,完善了現(xiàn)有故障分析方法體系.
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