1.2課題相關內容國內外研究發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1數(shù)控機床可靠性現(xiàn)狀
在科技R新月異的今天，可靠性工程正變得円益重要，可靠性已變成衡量一個系統(tǒng) 性能好壞的重要指標，一個系統(tǒng)只有在長期穩(wěn)定可靠地工作前提下I能發(fā)揮其備種功 能，系統(tǒng)屮各裝置、模塊之間必須嚴格控制協(xié)調一致地工作。對于高度復雜和高度自動 化的數(shù)控機床來說，人們對其依賴性越來越大，其不可靠和不安全因素會造成自身嚴重 損壞，甚至傷及人的生命，給國家和企業(yè)造成重大的損失[6]。
近些年，我國數(shù)控機床技術取得突飛猛進的發(fā)展，使我國的制造業(yè)也取得了長足進 步，但與國外的同級產品相比，無論是在設計水平，還是在實際使用過程中，表現(xiàn)并不 如意。其原因主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)機械傳動結構及功能部件的設計可靠性有待提高，數(shù)控機床的機械傳動結構及 功能部件的設計可靠性在很大程度上也決定了整機的可靠性。我國歷來只重視主機的設 計和制造，造成我國數(shù)控機床的功能部件（如滾珠絲桿，滾動導軌，數(shù)控車床轉塔刀架 加工中心刀庫和機械手）質量差、可靠性低。為此，需要機床選用高性能、髙可靠性的 數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅動裝置配套功能部件、電器元件、檢測元件，以保證機床可靠性。此 外，還要大力發(fā)展刀具產業(yè)，開展新穎刀具材料的研究，設計新穎的數(shù)控機床刀具，提 高刀具耐用度，延長數(shù)控機床的精度保持時間，從而提高機床的可靠性。
(2)機床可靠性試驗工藝不規(guī)范。機床部件可靠性無相應的試驗標準，評價體系不 完整。由于不同的評價標準，導致機床可靠性水平評價不一致。
(3)機床數(shù)控系統(tǒng)故障較多，國產機電元器件（附件）質量較差，我國的低壓電器、 機電元器件粗制濫造，任意銷售，相互仿造，真假難分。電源及工藝技術水平低，據國 外統(tǒng)計，往往強電設備對電源系統(tǒng)有“污染”，它產生很強的脈沖噪聲，通過傳導影響 電子設備的安全運行。
(4)伺服系統(tǒng)的設計可靠性差，伺服系統(tǒng)的性能決定數(shù)控機床的運動速度定位 及跟蹤精度，零件加工的表面質量、生產效率及工作可靠性等技術指標，是數(shù)控系統(tǒng)和機床本體間的電傳動聯(lián)系環(huán)節(jié)。提高伺服系統(tǒng)的設計可靠性可采取諸如交流驅動取代直 流驅動、數(shù)字控制取代模擬控制，產生交流數(shù)字驅動系統(tǒng)等增強柔性，大大提高可靠性。
(5)在機床可靠性研究方面，吉林大學的申桂香等提出通過一種客觀賦權的熵權法 來評價數(shù)控機床的可靠性，有效克服了加權綜合評價法中主觀確定權重的缺陷。根據所 構建的綜合評價指標體系(平均故障間隔時間MTTF、平均故障間隔時間MTBF和 當量故障率D)和兩種加工中心的可靠性數(shù)據，計算出各個指標的權重并對加工中心的 可靠性進行了綜合評價[7]。裝甲兵工程學院的賈志成[8]等認為產品壽命分布模型是評價 和提高產品可靠性水平的基礎，提出對加工中心進行可靠性現(xiàn)場試驗，對獲取的故障數(shù) 據進行曲線擬合和假設檢驗等數(shù)據分析和處理，得出加工中心壽命分布的數(shù)學模型，從 而為加工中心可靠性特征量的評定和采取可靠性增長的技術措施提供了理論依據[9]。
1.2.2國內外FMECA分析技術應用的發(fā)展概況
FMEA技術是由美方提出的，早在20世紀50年代初，美國格魯門飛機公 司在研制飛機主操作系統(tǒng)時采用了 FMECA，當時只進行了故障模式及影響分析 (FMEA),而未進行危害性分析（CA)，僅屬于定性分析，但取得了良好的效果。60 年代中期，F(xiàn)MEA技術正式應用于航天工業(yè)（Apollo計劃)。70年代末，F(xiàn)MEA技術開 始進入汽車工業(yè)和醫(yī)療設備工業(yè)。1980年，美國頒布了 FMECA的標準，即 MIL-STD-1629《故障模式、影響及危害性分析程序》。80年代中期，汽車工業(yè)開始應用 FMECA確認其制造過程。1988年，美國聯(lián)邦發(fā)布資訊通報，要求所有航空系統(tǒng) 的設計及分析都必須使用FMECA。美國宇航局對FMECA特別重視，在長壽命通信衛(wèi) 星上幾乎無一例外地采用了這種分析手段。美國衛(wèi)星成功的關鍵之一，就是采用了 FMECA技術[9~12]。此外，美國宇航局在總結衛(wèi)星故障原因及研究應采取的技術對策時， 也把重點放在了 FMECA上。目前，F(xiàn)MECA已在工程實踐中形成一套完整的分析方法， 并根據產品故障產生機理的不同，F(xiàn)MECA與設計、制造、使用、承包商、供應商以及 服務等整個產品壽命周期聯(lián)系起來，又被細分為設計FMECA、過程FMECA、使用 FMECA和服務FMECA四類。
盡管FMECA得到非常廣泛的應用和認可，但從分析方法上看，F(xiàn)MECA仍然存在 缺陷與不足：系統(tǒng)復雜時，很難明確確定每一故障模式的故障影響；當系統(tǒng)中元器件過 多，分析工作枯燥繁瑣，工作量大，難免造成遺漏和錯誤。為此，人們不斷進行研究來 改善FMECA的分析效果。目前，主要改進方法有：
(1)基于MIL.HDBK.217的FMECA方法。這種分析方法是目前可靠性分析使用比較廣泛的一種分析方法。是美國在大量統(tǒng)計數(shù)據的支撐下，1995年2月頒發(fā) MIL.HDBK.217標準。該標準給出大量電子元器件的基本可靠性數(shù)據。以此為基礎，各 工業(yè)部門及其相關的一些公司研制、開發(fā)FMECA軟件，如Relex系統(tǒng)和Item系統(tǒng)。這 些分析系統(tǒng)主要采用硬件法，適用于從零部件級開始，最后擴展到系統(tǒng)級，即自下而上 進行分析。以元器件的可靠性數(shù)據為基礎，能計算故障的危害程度。但這種分析方法只 能在系統(tǒng)設計比較確定的情況下進行，并且分析結果較簡單、不夠細致，不同分析人員 分析結果的一致性很難保證。
(2)矩陣法FMECA。1977年，美國人Barbour在從事長壽命通訊的可靠性分析中提 出矩陣法FMECA。同一般FMECA方法相比，矩陣法具有更強的結構性和系統(tǒng)性，對 系統(tǒng)中的每一個故障提供更有效的跟蹤性。矩陣法FMECA優(yōu)點是：能更好的表達系統(tǒng) 故障因果關系，推理算法簡單直接，便于在系統(tǒng)設計完成以后對系統(tǒng)進行有效的分析。 但矩陣法FMECA對系統(tǒng)的信息完備性要求較高，比較適合應用于電子系統(tǒng)。
(3)基于性能仿真的FMECA?；谛阅芊抡娴腇MECA實際是通過對構成系統(tǒng)元器 件的參數(shù)進行蒙特卡洛仿真，確定在超出系統(tǒng)容一些參數(shù)的變化關系，作為FMECA 分析結果。這種分析方法在電子系統(tǒng)中比較常見。目前已有一些軟件系統(tǒng)支持這種分析 方法，如的機電系統(tǒng)仿真軟件Saber的附加FMECA模塊，獲得1999年度測試 設計軟件的TestDesigner工具。這種方法的優(yōu)點在于得出的結果可信性比較髙，但速度 比較慢。
(4)基于功能模型的FMECA。為達到效益，美國Stanford大學的C. F. Eubanks
等人利用目前功能建模技術的成果，提出采用系統(tǒng)的行為模型作為FMECA分析的基礎， 通過構造行為模型的因果鏈來完成故障分析，取得一定的成果，并將這種方法應用于制 冰器和電吹風的FMECA中。但不夠完善，還沒有形成一套成熟的系統(tǒng)來支持整個 FMECA的分析過程。以上是FMECA技術國外的研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀。
國內在80年代初期，隨著可靠性技術在工程中的應用，F(xiàn)MECA的概念和方法也逐 漸被接受。目前在航空、航天、兵器、艦船、電子、機械、汽車、家用電器等工業(yè)領域， FMEA方法均獲得了一定程度的普及，為保證產品的可靠性發(fā)揮了重要作用?？梢哉f該 方法經過長時間的發(fā)展與完善，已獲得了廣泛的應用與認可，成為在系統(tǒng)的研制中必須 完成的一項可靠性分析工作。
目前，國內在機械、航空、電子等領域均已成功地應用了 FMECA技術，并且明確 規(guī)定此項技術為設計人員必須掌握的技術，F(xiàn)MECA的有關資料亦被規(guī)定為的 設計文件[13~15]。我用標準GJB450在可靠性設計及評價中指出，在設計和生產營運中應用FMECA找出設計上的潛在缺陷，是設計分析和設計審查中必須重視的資料之一。 軍標還規(guī)定：實施FMEA是設計者和承制方必須完成的任務。
1.2.3加工中心FMECA分析、信息管理平臺的技術發(fā)展
在加工中心的FMECA分析方面，吉林大學的賈亞洲等根據某型號數(shù)控系統(tǒng)1年半 的故障數(shù)據，對其進行了故障部位和故障模式分析，并應用FMECA法對故障多發(fā)部位 進行了進一步的研究；指出了該數(shù)控系統(tǒng)及其相關功能部件的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，為數(shù)控 系統(tǒng)的可靠性設計和分析提供了依據。
盡管FMECA方法多種多樣、各具特點，但還不能滿足設計過程中對FMECA 的要求。及時性是成功實施FMECA的最重要因素之一，F(xiàn)MECA應與產品設計同步進 行，從產品功能的角度進行基于功能模型的FMECA。它是一個“事前行為"，而不是“事 后行為"。因此，基于功能模型進行FMECA，需進一步完善，是值得深入、系統(tǒng)研究的 課題。另外，在20世紀50年代，美國將“結構FMECA"技術應用在飛機制造業(yè)的發(fā)動 機故障防范中，應用過程中發(fā)現(xiàn)：某故障模式可能是上層系統(tǒng)的故障原因，同時又是下 層系統(tǒng)的結果；環(huán)境因素、人為因素或多種因素相互組合也可能對事件產生影響； 還有，“結構FMECA”進行風險分析時，數(shù)據的采集具有很大模糊性，直接影響分析結 果的準確性。而FMECA和故障樹（FTA)綜合進行故障分析及FMECA模糊風險分析 分別可以解決以上兩種問題，對改善系統(tǒng)可靠性具有很大應用價值。
軟件平臺方面，國內軟件的應用情況才剛剛起步。分析技術人員和工程師們將大量 寶貴時間浪費在信息管理上，更重要的是由于人為的判斷誤差、計算誤差和信息管理誤 差等使得報告的分析誤差很大，計算精度很低，從而降低產品可靠性。近年來，國內的 相關高校和研究院也相應地開發(fā)過一些FMECA應用軟件，如國防科技大學、中國機械 科學研究院、北京航空航天大學等單位都從事過此方面的研究。尤其是國防科技大學系 統(tǒng)工程研究所成功開發(fā)了基于矩陣法FMECA的GeFMECA系統(tǒng)，以及北京運通恒達科 技有限公司開發(fā)的FMECA系統(tǒng)，但其功能都遠落后于國外。
1.3主要研究內容
數(shù)控機床在實際使用中，由于設計、制造、使用等因素引起的故障不斷發(fā)生，因此 對數(shù)控機床進行故障分析是十分必要的，故障分析也是對數(shù)控機床可靠性評估的重要內 容之一。加工中心的FMECA故障數(shù)據缺乏有效的管理，F(xiàn)MECA又是一項煩瑣、乏味 的工作，實際運行中會出現(xiàn)各種故障模式。而這些故障模式對今后的加工中心設計改進、 使用維護有重要的參考價值，所以急切需要建立加工中心FMECA數(shù)據庫軟件。其研究 內容主要包括以下幾個方面：
(1)廣泛深入調研，收集VMC650加工中心的故障情況。通過對故障數(shù)據的整理歸 納，得出故障模式。
(2)建立故障模式數(shù)據庫，合理分類存儲故障模式。
(3)編制VMC650加工中心數(shù)據庫管理系統(tǒng)軟件。
(4)分析用戶需求，包括：軟件的功能性，即滿足用戶的各項功能需求；工程適用 性，即適應用戶的工程分析流程和習慣；安全性，即保證數(shù)據的一致性和安全訪問； 幵放性，即應具有與其他軟件的良好接口，軟件自身功能、結構的擴展和數(shù)據庫的擴 展；以及用戶友好性等。
(5)深入分析工程中的FMECA流程，將其作為軟件流程控制的基礎。分析FMECA 中涉及的數(shù)據及其相互關系，建立完善的數(shù)據模型，為數(shù)據庫的設計打下堅實的基礎。
(6)從軟件體系結構的設計層次建立FMECA軟件的總體框架，功能劃分，數(shù)據庫， 軟件接口規(guī)范，及運行環(huán)境和運行方式等。
(7)從應用角度出發(fā)，可能實現(xiàn)可視化和自動化，使軟件使用直觀，簡單和高 效；建立強大基礎數(shù)據庫以支持分析工作，提高分析水平。
(8)通過應用編制的軟件平臺進行VMC650加工中心的FMECA分析，找出整機設 計運行過程中的薄弱環(huán)節(jié)，給出相應的建設性意見。
