一种高端数控机床可靠性设计方法

本发明属于数控机床可靠性设计，更具体地涉及适用于高端数控机床新研机型或改进机型的可靠性设计方法。

背景技术：

1、数控机床的可靠性设计是指在设计阶段采取综合技术和措施，确保最终制造得到的机床在规定使用条件下，在规定寿命期限内稳定、可靠地执行规定功能。这一设计过程对于提升机床运行效益、降低维护成本至关重要。常用可靠性设计方法可分为可靠性分配、可靠性预测、参数概率设计、区间优化设计等。其中，可靠性分配和预测的迭代组合适用于复杂机电系统总体设计指导。

2、高端数控机床指代具有高速、高精、智能、复合、多轴联动等一种或多种特征的数控机床，其典型特点是研发成本高、生产批量小。当前高端机床制造企业的产品可靠性保障却很少采用可靠性设计方法，而是通过在研制过程贯彻设计准则和管理办法，利用技术管理和设计评审等手段，基于试错原理，不断循环“试验-分析-改进”等三个阶段来迭代提升机床可靠性水平。该提升过程往往成本较高，且存在盲目性，增长速度缓慢。

3、这是因为现行的可靠性设计技术都依赖于大量且长期的运行试验来积攒可靠性数据，从而充分认识故障机理，方能对具体改进参数进行精确度量。但高端数控机床的研发成本、制造费用都较高，具备单件小批，甚至是定制化生产的特点。特别是其新研机型或改进机型，型号批量小、市场份额薄弱，难以开展大规模的整机可靠性试验来累积可靠性数据。此时，应用模糊专家评价法、最小努力法、比例分配法等现有可靠性分配方法，往往由于方法过于通用，未能充分考虑具体机型的可靠性特点和企业的改进需求，因此在实际研发中的应用受限。同时，常用可靠性预计方法则过度依赖历史数据，对于样本量较小的高端数控机床新研机型或改进机型，往往只能依赖专家主观评分，缺乏实用性，难以指导机床企业对产品可靠性改进管理进行科学规划。

4、因此，针对高端数控机床的可靠性设计有必要提出一种新方案。

技术实现思路

1、基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种高端数控机床可靠性设计方法。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种高端数控机床可靠性设计方法，包括步骤：

4、s1、获取数控机床初始设计方案，对所述数控机床初始设计方案中的系统组成进行逐层分解直至具有批量试验能力或批量行业数据或便于实施可靠性管理的自制件或外协外购件层级，从而得到不同层级的总系统与子系统的构成关系、子系统与子系统的关联关系，并通过逐层连接成根节点与叶节点组成的结构树进行表征，其中每层所述子系统对应一个根节点，一个所述叶节点对应一个部件，所述部件为所述自制件或所述外协外购件；

5、s2、获取各层叶节点对应部件在前代数控机床和/或相似数控机床的服役过程中的故障数据及对应的维修和改进措施，以分别得到可靠性数据、可靠性提升方案以及各类故障影响；

6、s3、基于所述可靠性数据预估数控机床初始设计方案中各叶节点所对应部件的初始可靠性水平，基于所述可靠性提升方案以及各类故障影响评估各叶节点所对应部件在所述初始可靠性水平的基础上提升所需的改进成本、致使降低维护所节约的维护效益、致使用户免于损失所带来的潜在价值；

7、s4、基于所述改进成本、维护效益以及潜在价值构建可靠性分配目标，并结合所述可靠性提升方案分析部件参数改进约束，以整机可靠性设计要求作为设计边界条件，构建可靠性分配优化模型，基于所述可靠性分配优化模型对所述数控机床初始设计方案中各叶节点所对应部件配置可靠性改进要求，形成数控机床的可靠性分配方案。

8、作为一种优选的方案，步骤s2所述获取各层叶节点对应部件在前代数控机床和/或相似数控机床的服役过程中的故障数据及对应的维修、改进措施，以分别得到可靠性数据、可靠性提升方案以及各类故障影响，包括步骤：

9、获取各层叶节点对应部件在前代机床、相似机床的服役数据、维修记录，在独立功能试验台上的服役故障数据、服役退化轨迹，或相关行业资料或相关专家知识，并逐个部件依据故障机理分类并列举可能出现的故障模式；

10、所述可靠性数据类型包括故障表现、维修实施过程、故障时间分布、退化轨迹曲线、故障率、平均维修运行里程、循环次数或运行时间、90％失效寿命；

11、基于所述可靠性数据，应用统计与推理分析各个故障模式的故障率占比、故障危害、对应的多种维修方案与多种改进方案，为步骤s3及步骤s4提供分析和评估依据。

12、作为一种优选的方案，步骤s3所述基于所述可靠性数据预估数控机床初始设计方案中各叶节点所对应部件的初始可靠性水平，包括步骤：

13、获取各叶节点对应部件在前代数控机床和相似数控机床的服役过程中的无故障运行时间分布、退化轨迹曲线、平均维修运行里程、循环次数，并逐个部件记录其对应数据；

14、选取任一部件，结合该部件在行业内的故障分布共识，以及可靠性数据转换公式或蒙特卡洛仿真计算法，将该部件收集的各个数据的表现形式统一转换为在具体工况下的无故障运行时间分布；

15、应用相似比较法分析初始方案与收集数据对应机床的应用状况异同，选取差异因素，构建修正因子计算模型，并计算该部件的各个数据的修正因子，进而对上述数据进行修正，统一折算为初始方案对应工况下的无故障运行时间分布；

16、选取修正因子最接近1的故障率密度曲线作为基数据，采用贝叶斯融合方法将其余数据逐个融合。

17、作为一种优选的方案，所述贝叶斯融合方法步骤如下；

18、指定基数据分布为先验分布；

19、选取需要融合的数据，计算其在先验分布下的似然函数；

20、应用贝叶斯公式计算二者数据的后验分布，并将后验分布重新指定为基数据；

21、重复上述过程直到所有数据融合；

22、最终融合预测结果即为该部件的初始可靠性水平；

23、重复上述过程，直至所有叶节点对应部件都已经获取其初始可靠性水平。

24、作为一种优选的方案，步骤s3所述基于所述可靠性提升方案以及各类故障影响评估各叶节点所对应部件在所述初始可靠性水平的基础上提升所需的改进成本、致使降低维护所节约的维护效益、致使用户免于损失所带来的潜在价值，包括步骤：

25、获取各层根节点对应部件在前代数控机床和相似数控机床的服役过程中的故障模式、故障模式占比以及相应的改进措施和改进费用；

26、基于所述故障模式、故障模式占比以及相应的改进措施和改进费用，采用相对成本评估法评估数控机床初始方案中对应层级子系统在所述可靠性水平初始值的基础上提升可靠性水平所需的改进成本。

27、作为一种优选的方案，所述基于所述故障模式、故障模式占比以及相应的改进措施和改进费用，采用相对成本评估法评估数控机床初始方案中对应层级子系统在所述可靠性水平初始值的基础上提升可靠性水平所需的改进成本，包括步骤：

28、获取各个所述部件的基础改进成本，分析不同部件的基础改进成本，应用相对概念，并记为基础价格k1；

29、基于所述故障模式、故障模式占比以及相应的改进措施和改进费用，估算针对各层所述部件依照各类改进措施进行改进，所需要的费用并记为改进费用k2；

30、获取影响各层所述子系统对应的各个部件的所述改进费用k2的影响因素k2i；

31、基于所述基础价格k1、改进费用k2及其对应的影响因素k2i评估各层子系统在所述可靠性水平初始值的基础上提升可靠性水平所需的可靠性改进相对成本。

32、作为一种优选的方案，所述基于所述基础价格k1、改进费用k2及其对应的影响因素k2i评估各层子系统在所述可靠性水平初始值的基础上提升可靠性水平所需的可靠性改进相对成本之前，还包括步骤：

33、获取影响单层所述子系统对应的单个部件的所述改进费用k2的多个影响因素k2i，并依照数值大小对多个影响因素k2i进行排序。

34、作为一种优选的方案，所述基于所述基础价格k1、维修费用k2及其对应的影响因素k2i评估各层子系统在所述可靠性水平初始值的基础上提升可靠性水平所需的维护相对成本之后，还应采用owa算子修正群体决策过程中的分析误差，所述的owa算子修正包括步骤：

35、获取影响单层所述子系统对应的单个部件的所述维修费用k2的多个影响因素k2i，并依照数值大小对多个影响因素k2i进行排序。

36、作为一种优选的方案，步骤s4所述基于所述改进成本、维护效益以及潜在价值构建可靠性分配目标，并结合所述可靠性提升方案分析部件参数改进约束，以整机可靠性设计要求作为设计边界条件，构建可靠性分配优化模型，基于所述可靠性分配优化模型对所述数控机床初始设计方案中各叶节点所对应部件配置可靠性改进要求，形成数控机床的可靠性分配方案，包括步骤：

37、将各叶节点对应部件的可靠性水平提升值设为设计变量；

38、将上述设计变量更替为改进措施作为中间变量，对各叶节点对应部件的改进成本、维护效益以及潜在价值的解析公式进行求和整理，进而依照该部件的重要度权重，加权求和计算整机的改进收益，以整机的改进收益最大作为优化目标；借助中间变量对约束方程进行分析，使得可靠性水平提升总值大于整机可靠性要求与设计余量的和；

39、利用寻优算法解算上述数学优化问题，求解各个叶节点对应部件的最优改进要求；

40、基于所述各个叶节点对应部件的最优改进要求，形成可靠性分配方案。

41、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

42、1.本发明的可靠性设计流程中增加了对初始设计方案的可靠性预计评估，并通过实施寻优分配以保障通过本流程设计的可靠性指导方案具备更好的合理性。

43、2.本发明的各个分析指标均采用明确事务的相对经济价值分析，具有对应物理含义或明确易懂的共识概念，并为了信息采集方便和保护企业的成本相关秘密，以相对评分方法建立各部门间的交流协作，可令本发明流程实施具备更好的可推广性和实用性。

44、3.本发明中提出要对前代机床、相似机床的服役数据、维修记录、试验结果和零部件的行业、专家信息等多源信息进行收集和整理，通过贝叶斯融合方法，通过统一整合，提升已有客观信息的利用效率，从而实现对初始设计方案的准确预估，提升最终可靠性分配方案的设计准确性，便于研制成本高昂、小批定制生产的高端数控机床研制。

45、进一步地或者更细节的有益效果将在具体实施方式中结合具体实施例进行说明。

技术特征：

1.一种高端数控机床可靠性设计方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高端数控机床可靠性设计方法，其特征在于，步骤s2所述获取各层叶节点对应部件在前代数控机床和/或相似数控机床的服役过程中的故障情况及对应的维修措施、改进措施，以分别得到可靠性数据、可靠性提升方案以及各类故障影响，包括步骤：

3.根据权利要求2所述的一种高端数控机床可靠性设计方法，其特征在于，步骤s3所述基于所述可靠性数据预估数控机床初始设计方案中各叶节点所对应部件的初始可靠性水平，包括步骤：

4.根据权利要求3所述的一种高端数控机床可靠性设计方法，其特征在于，所述贝叶斯融合方法步骤如下：

5.根据权利要求4所述的一种高端数控机床可靠性设计方法，其特征在于，步骤s3所述基于所述可靠性提升方案以及各类故障影响评估各叶节点所对应部件在所述初始可靠性水平的基础上提升所需的改进成本、致使降低维护所节约的维护效益、致使用户免于损失所带来的潜在价值，包括步骤：

6.根据权利要求5所述的一种高端数控机床可靠性设计方法，其特征在于，所述基于所述故障模式、故障模式占比以及相应的改进措施和改进费用，采用相对成本评估法评估数控机床初始方案中对应层级子系统在所述可靠性水平初始值的基础上提升可靠性水平所需的改进成本，包括步骤：

7.根据权利要求6所述的一种高端数控机床可靠性设计方法，其特征在于，所述基于所述基础价格k1、改进费用k2及其对应的影响因素k2i评估各层子系统在所述可靠性水平初始值的基础上提升可靠性水平所需的可靠性改进相对成本之前，还包括步骤：

8.根据权利要求7所述的一种高端数控机床可靠性设计方法，其特征在于，所述基于所述基础价格k1、维修费用k2及其对应的影响因素k2i评估各层子系统在所述可靠性水平初始值的基础上提升可靠性水平所需的维护相对成本之后，还应采用owna算子修正群体决策过程中的分析误差，所述的owna算子修正包括步骤：

9.根据权利要求8所述的一种高端数控机床可靠性设计方法，其特征在于，步骤s4所述基于所述改进成本、维护效益以及潜在价值构建可靠性分配目标，并结合所述可靠性提升方案分析部件参数改进约束，以整机可靠性设计要求作为设计边界条件，构建可靠性分配优化模型，基于所述可靠性分配优化模型对所述数控机床初始设计方案中各叶节点所对应部件配置可靠性改进要求，形成数控机床的可靠性分配方案，包括步骤：

技术总结
本发明属于高端数控机床技术领域，公开了一种高端数控机床可靠性设计方法，包括步骤：获取数控机床初始设计方案并对其中系统组成进行逐层分解形成结构树；获取各层部件在前代机床和/或相似机床的服役过程中的故障数据及对应的维修和改进措施；基于可靠性数据预估数控机床初始设计方案中各应部件的初始可靠性水平，基于可靠性提升方案以及各类故障影响评估各叶节点所对应部件在初始可靠性水平的基础上提升所需的改进成本、致使降低维护所节约的维护效益、致使用户免于损失所带来的潜在价值；基于改进成本、维护效益以及潜在价值构建可靠性分配目标，形成数控机床的可靠性分配方案。本发明降低了企业研发成本并提升了产品可靠性。

技术研发人员：黎志杰,陈传海,刘志峰,严昊明,杨兆军,张扬,郭劲言,金桐彤,齐宝宝,杨尚,张亮,化春雷,周永胜
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5