[發明專利]干法磨削無心磨床系統和單元的可靠性預測模型建立方法

有效

• 申請號: 202010144615.7
• 申請日: 2020-03-04
• 公開（公告）號: CN111251077B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 姜潮;趙申坤
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00;B24B5/18
• 代理公司: 長沙惟盛赟鼎知識產權代理事務所(普通合伙) 43228
• 代理人: 姚亮梅

1.一種干法磨削無心磨床系統和單元的可靠性預測模型建立方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

步驟1、按照無心磨床系統的物理結構及功能結構對其進行逐層分解與分析，進而建立干法磨削無心磨床系統的子系統和各關鍵組件功能上的邏輯關系；

步驟2、根據干法磨削無心磨床系統組件的故障機理及故障信息，進行干法磨削無心磨床系統故障模式、影響及危害分析，分析干法磨削無心磨床系統所有可能的故障模式及其影響，并按照每個故障模式影響的嚴重程度及其發生概率進行定性分析；

步驟3、按照無心磨床系統的故障因果邏輯劃分層次，逐層找出干法磨削無心磨床系統故障事件的必要而充分的直接原因，以形成導致干法磨削無心磨床系統重要故障發生的所有原因組合，進而構建干法磨削無心磨床系統的故障樹模型；

步驟4、基于所建立的干法磨削無心磨床系統的故障樹模型，利用貝葉斯網絡理論來建立干法磨削無心磨床系統和單元的可靠性預測模型；

在步驟1中，所述干法磨削無心磨床系統包括砂輪機構、導輪機構和控制系統，所述砂輪機構包括金剛滾輪Z軸進給機構、金剛滾輪Y軸進給機構、金剛滾輪驅動機構和砂輪驅動機構，所述導輪機構包括導輪進給機構、導輪驅動機構和導輪修整機構；

在步驟2中，定義所述故障模式的嚴酷度為I類：輕度故障、II類：嚴重故障、III類：致命性故障和IV類：災難性故障，所述I類：輕度故障的評分等級設為1,2,3，分級標準為可能導致系統預定功能下降，但不會造成停機，對環境和人員完全無害；所述II類：嚴重故障的評分等級設為4,5,6，分級標準為可能導致系統預定功能下降，造成短時間停機，增加非計劃性維護和修理，對環境和人員無害；所述III類：致命性故障的評分等級設為7,8，分級標準為可能導致系統預定功能喪失，造成較長時間停機，但幾乎不導致人身傷亡；所述IV類：災難性故障分級標準設為9,10，分級標準為可能導致系統預定功能喪失，造成長時間停機，甚至導致整個系統發生重大事故，導致人身傷亡；

在步驟2中，所述故障模式發生概率等級定義為A類：經常發生、B類：有時發生、C類：偶爾發生、D類：很少發生和E類：極少發生，所述A類：經常發生的評分等級設為9,10，分級標準為在產品工作期間內某一故障模式的發生概率大于產品在該期間內總的故障概率的20%；所述B類：有時發生的評分等級設為7,8，分級標準為產品工作期間內某一故障模式的發生概率大于產品在該期間內總的故障概率的10%，但小于20%；所述C類：極少發生的評分等級設為4,5,6，評分標準為在產品工作期間內某一故障模式的發生概率大于產品在該期間內總的故障概率的1%，但小于10%；所述D類：很少發生的評分等級設為2,3，評分標準為在產品工作期間內某一故障模式的發生概率大于產品在該期間內總的故障概率的0.1%，但小于1%；所述E類：極少發生的評分等級為1，評分標準為在產品工作期間內某一故障模式的發生概率小于產品在該期間內總的故障概率的0.1%；

在步驟2中，所述導輪進給機構的故障模式包括進給過程有噪聲、進給精度降低和無法進給，所述進給過程有噪聲的故障原因包括電動機噪聲、主軸噪聲和滾珠絲杠副噪聲，所述進給過程有噪聲的局部影響為導輪進給不良，最終影響為影響加工精度，嚴重度為I，故障概率等級為D，所述進給精度降低的故障原因包括電動機過熱、電動機工作沖擊大、滾珠絲杠副精度降低和導軌面研損，所述進給精度降低的局部影響為導輪進給精度下降，最終影響為影響加工精度，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為C，所述無法進給的故障原因包括所述導輪進給機構的電動機不轉，其局部影響為導輪無法進給，最終影響為無法加工，嚴重度為Ⅲ，故障概率等級為E；所述導輪驅動機構的故障模式包括導輪振動、導輪噪聲和導輪無法轉動，所述導輪振動的故障原因包括導輪松動、主軸振動和電動機振動，所述導輪振動的局部影響為工件振動，最終影響為影響加工精度，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為D，所述導輪噪聲的故障原因包括主軸噪聲和電動機噪聲，所述導輪噪聲的局部影響為導輪功能下降，最終影響為影響加工精度，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為D，所述導輪無法轉動的故障原因為該機構的電動機不轉，局部影響為導輪無法正常工作，最終影響為影響加工精度，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為C；所述導輪修整機構的故障模式包括導輪修整形狀不良和無法修整導輪，所述導輪修整形狀不良的故障原因包括電動機振動和噪聲、電動機工作沖擊大、刀具磨損、刀具振、滾珠絲杠副精度差和鎖死裝置未鎖死，局部影響為導輪精度下降，最終影響為影響加工精度，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為D，所述無法修整導輪的故障原因為所述導輪修整機構的電動機不轉，局部影響為工件進給異常，最終影響為影響加工精度，嚴重度為Ⅰ，故障概率等級為D；所述金剛滾輪Z軸進給機構的故障模式包括進給過程中有噪聲、進給精度降低、工作臺振動、爬行和Z軸方向不移動，所述進給過程中有噪聲的故障原因包括該機構的滾珠絲杠有噪聲、電動機振動和噪聲，局部影響為Z軸方向進給不良，最終影響為砂輪成形修整不良，嚴重度為Ⅲ，故障概率等級為D，所述進給精度降低的故障原因包括滾珠絲杠運動幾何精度不穩定、運動反向誤差變大、導軌面研損、導軌刮研質量低和床身相對地面地基傾斜，局部影響為Z軸方向進給精度下降，最終影響為砂輪成形修整不良，嚴重度為Ⅲ，故障概率等級為D，所述工作臺振動、爬行的故障原因包括該機構的電機故障、位置控制設定錯誤，進給與振動頻率設定錯誤，局部影響為Y軸方向進給不良，最終影響為砂輪成形修整不良，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為D，所述Y軸方向不移動的故障原因包括所述金剛滾輪Y軸進給機構的電機不轉，局部影響為金剛滾輪無法在Y軸方向進給，最終影響為無法進行砂輪修整，故障概率等級為Ⅱ，故障原因為D；所述金剛滾輪驅動機構的故障模式包括金剛滾輪轉動時有噪聲、金剛滾輪不轉或轉速不正常和金剛滾輪轉動不穩定，所述金剛滾輪轉動時有噪聲的故障原因包括所述金剛滾輪驅動機構的電機振動和噪聲、金剛主軸噪聲和振動，局部影響為金剛滾輪驅動機構工作不良，最終影響為砂輪成形修整不良，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為D，所述金剛滾輪不轉或轉速不正常的故障原因包括皮帶輪或傳動帶損壞、聯軸器損壞和負載力矩過大卡住，局部影響為金剛滾輪驅動機構無法工作，最終影響為砂輪成形修整不良，嚴重度為Ⅲ，故障概率等級為D，所述金剛滾輪轉動不穩定的故障原因包括滾輪振動、所述金剛滾輪驅動機構的電機過熱和電動機工作沖擊大；局部影響為金剛滾輪驅動機構工作不良，最終影響為砂輪成形修整不良，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為D；所述砂輪驅動機構的故障模式包括砂輪轉動時有噪聲、砂輪不轉或轉速不正常，砂輪轉動不穩定和工件表面有波紋痕跡，所述砂輪轉動時有噪聲的故障原因包括所述砂輪驅動機構的電機振動和噪聲、主軸噪聲和振動，局部影響為砂輪驅動機構工作不良，最終影響為磨削表面精度不良，出現波紋，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為D，所述砂輪不轉或轉速不正常的故障原因包括皮帶輪或傳動帶損壞、聯軸器損壞和負載力矩過大卡住，局部影響為砂輪驅動機構工作不良，最終影響為無法進行磨削工作，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為D，所述砂輪轉動不穩定的故障原因包括砂輪振動、電機過熱和電動機工作沖擊大，局部影響為砂輪驅動機構工作不良，最終影響為磨削表面精度不良，嚴重度為Ⅱ，故障概率等級為D，所述工件表面有波紋痕跡的故障原因包括砂輪脫粒，局部影響為砂輪驅動機構工作不良，最終影響為磨削表面精度不良，嚴重度為Ⅲ，故障概率等級為D；所述控制系統的故障模式包括控制系統故障，所述控制系統故障的故障原因包括控制系統失靈，局部影響為控制系統無法工作，最終影響為磨床無法工作，嚴重度為Ⅲ，故障概率等級為C；

在步驟2中，在故障模式及影響分析的基礎上，采用危害性矩陣法對各關鍵元器件的故障危害度進行分析并排序，繪制干法磨削無心磨床系統關鍵元器件故障危害性矩陣圖，所述故障危害性矩陣圖的矩陣橫坐標為干法磨削無心磨床系統關鍵元器件故障的嚴酷度等級，所述故障危害性矩陣圖的矩陣縱坐標為干法磨削無心磨床系統關鍵元器件故障的概率等級，將干法磨削無心磨床系統元器件代碼參照其嚴酷度等級及發生概率標在矩陣的相應位置，從坐標原點開始，干法磨削無心磨床系統元器件故障分布點向對角線投影；

在步驟3中，選取干法磨削無心磨床系統故障作為故障樹的頂事件建樹分析，記干法磨削無心磨床系統故障為頂事件S，頂事件S通過或門連接第一級事件A01：導輪進給系統故障、A02：導輪驅動系統故障、A03：導輪修整系統故障、A04：砂輪修整系統故障、A05：砂輪驅動系統故障和A06：控制系統故障；所述第一級事件A01：導輪進給系統故障通過或門連接其內部的第二級事件B01：滾珠絲杠副故障、B02：導軌故障、B03：伺服電機故障、B11：伺服電機驅動器故障和B05：主軸故障；所述第一級事件A01內部的第二級事件B01通過或門連接第一級事件A01內部的第三級事件C01：滾珠絲杠副噪聲、C02：滾珠絲杠運動不靈活、C03：幾何精度不穩定、C04：運動反向誤差大和C05：運動中轉矩過大；所述第一級事件A01內部的第二級事件B02：導軌故障連接第一級事件A01內部的第三級事件C14：導軌面研損；所述第一級事件A01內部的第二級事件B03：伺服電機故障通過或門連接第一級事件A01內部的第三級事件C06：電機不轉、C07：電機過熱、C08：電機噪聲大和C09：電機沖擊大；所述第一級事件A01內部的所述第二級事件B11：伺服電機驅動器故障通過或門連接第一級事件A01內部的第三級事件C21：電源模塊顯示不正常和C22：伺服驅動模塊報警；所述第一級事件A01內部的第二級事件B05：主軸故障通過或門連接第一級事件A01內部的第三級事件C11：主軸發熱、C12：主軸停轉和C13：主軸噪聲；所述第一級事件AO2：導輪驅動系統故障通過或門連接其內部的第二級事件B03：伺服電機故障、B05：主軸故障和B12：主軸停轉，所述第一級事件AO2：導輪驅動系統故障內部的第二級事件B03：伺服電機故障通過或門連接所述第一級事件AO2：導輪驅動系統故障內部的第三級事件C06：電機不轉、C07：電機過熱、C08：電機噪聲大和C09：電機沖擊大；所述第一級事件AO2：導輪驅動系統故障內部的第二級事件B05：主軸故障通過或門連接所述第一級事件AO2：導輪驅動系統故障內部的第三級事件C11：主軸發熱、C12：主軸停轉和C13：主軸噪聲；所述第一級事件AO2：導輪驅動系統故障內部的第二級事件B12：主軸停轉連接所述第一級事件AO2：導輪驅動系統故障內部的第三級事件C15：導輪振動；所述第一級事件A03：導輪修整系統故障通過或門連接其內部的第二級事件B01：滾珠絲杠副故障、B02：導軌故障、B03：伺服電機故障、B13：修整刀具故障和B14：鎖死裝置故障；所述第一級事件A03：導輪修整系統故障內部的第二級事件B01：滾珠絲杠副故障通過或門連接所述第一級事件A03：導輪修整系統故障內部的第三級事件C01：滾珠絲杠副噪聲、C02：滾珠絲杠運動不靈活、C03：幾何精度不穩定、C04：運動反向誤差大和C05：運動中轉矩過大；所述第一級事件A03：導輪修整系統故障內部的第二級事件B02：導軌故障連接所述第一級事件A03：導輪修整系統故障內部的第三級事件C14：導軌面研損；所述第一級事件A03：導輪修整系統故障內部的第二級事件B03：伺服電機故障通過或門連接所述第一級事件A03：導輪修整系統故障內部的第三級事件C06：電機不轉、C07：電機過熱、C08：電機噪聲大和C09：電機沖擊大；所述第一級事件A03：導輪修整系統故障內部的第二級事件B13：修整刀具故障通過或門連接所述第一級事件A03：導輪修整系統故障內部的第三級事件C16：刀具磨損和C17：刀具振動；所述第一級事件A03：導輪修整系統故障內部的第二級事件B14：鎖死裝置故障連接所述第一級事件A03：導輪修整系統故障內部的第三級事件C18：修整刀具不穩定；所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障通過或門連接其內部的第二級事件B01：滾珠絲杠副故障、B11：伺服電機驅動器故障、B02：導軌故障、B04：工作臺振動、B05：主軸故障、B03：伺服電機故障和B10：傳動帶故障；所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第二級事件B01：滾珠絲杠副故障通過或門連接所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第三級事件C02：滾珠絲杠運動不靈活、C05：運動中轉矩過大、C04：運動反向誤差大、C01：滾珠絲杠副噪聲和C03：幾何精度不穩定；所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第二級事件B11：伺服電機驅動器故障通過或門連接所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第三級事件C21：電源模塊顯示不正常和C22：伺服驅動模塊報警；所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第二級事件B02：導軌故障連接所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第三級事件C14：導軌面研損；所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第二級事件B04：工作臺振動連接所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第三級事件C20：沖擊負荷；所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第二級事件B05：主軸故障通過或門連接所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第三級事件C11：主軸發熱、C12：主軸停轉和C13：主軸噪聲；所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第二級事件B03：伺服電機故障通過或門連接所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第三級事件C06：電機不轉、C07：電機過熱、C08：電機噪聲大、C09：電機沖擊大和C10：電機振動；所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第二級事件B10：傳動帶故障通過或門連接所述第一級事件A04：砂輪修整系統故障內部的第三級事件C19：皮帶折曲和C20：沖擊負荷；所述第一級事件A05：砂輪驅動系統故障通過或門連接其內部的第二級事件B11：伺服電機驅動器故障、B10：傳動帶故障、B05：主軸故障、B06：三相異步電機故障；所述第一級事件A05：砂輪驅動系統故障內部的第二級事件B11：伺服電機驅動器故障通過或門連接所述第一級事件A05：砂輪驅動系統故障內部的第三級事件C21：電源模塊顯示不正常和C22：伺服驅動模塊報警；所述第一級事件A05：砂輪驅動系統故障內部的第二級事件B10：傳動帶故障通過或門連接所述第一級事件A05：砂輪驅動系統故障內部的第三級事件C19：皮帶折曲和C20：沖擊負荷；所述第一級事件A05：砂輪驅動系統故障內部的第二級事件B05：主軸故障通過或門連接所述第一級事件A05：砂輪驅動系統故障內部的第三級事件C11：主軸發熱、C12：主軸停轉和C13：修整刀具故障；所述第一級事件A05：砂輪驅動系統故障內部的第二級事件B06：三相異步電機故障通過或門連接第一級事件A05：砂輪驅動系統故障內部的第三級事件C06：電機不轉、C07：電機過熱、C08：電機噪聲大、C09：電機沖擊大和C10：電機振動；所述第一級事件A06:控制系統故障通過或門連接其內部的第二級事件B15：傳感器故障、B16：控制主機故障和B17：電源故障；所述第一級事件A06：控制系統故障內部的第二級事件B15：傳感器故障通過或門連接所述第一級事件A06：控制系統故障內部的第三級事件C24：傳感器內部失效、C27：線路斷路和C28：線路接觸不良；所述第一級事件A06：控制系統故障內部的第二級事件B17：電源故障通過或門連接所述第一級事件A06：控制系統故障內部的第三級事件C26：電源接入故障、C27：線路斷路和C28：線路接觸不良；

在步驟4中，干法磨削無心磨床系統中各單元壽命處理為服從指數分布的隨機變量；

對于干法磨削無心磨床系統的某單元，當其在時刻開始工作，其實際壽命T的概率密度函數為：

(1)

其中，參數為單元的故障率，干法磨削無心磨床系統單元的可靠度函數為：

(2)

干法磨削無心磨床系統單元的平均無故障工作時間MTTF為：

(3)

根據貝葉斯網絡理論，經過篩選關鍵元器件后，建立干法磨削無心磨床系統的貝葉斯網絡模型，所述貝葉斯網絡內節點包括子系統節點和單元節點，所述子系統節點為M_i，i=1,2,...,n，所述單元節點為X_i，i=1,2,...,n；

對于干法磨削無心磨床系統貝葉斯網絡中的各節點，設置為兩種狀態：工作和故障，在概率公式中，分別表示為1和0，對于所分析的干法磨削無心磨床系統，各元器件與子系統、子系統與總系統之間都為串聯系統，根據建立的貝葉斯網絡，干法磨削無心磨床系統發生故障的概率表示如下：

(4)

Pr(S=0)記為，則干法磨削無心磨床系統的可靠度函數為：

(5)；

在步驟4中，根據同型號或類似關鍵零部件的可靠性數據，對干法磨削無心磨床系統的平均無故障工作時間進行估算，為干法磨削無心磨床系統的設計提供一種安全性評估指標，如果所設計的干法磨削無心磨床系統的平均無故障工作時間達不到所要求的設計指標，則需要進行系統可靠度分配分析，即為各關鍵零部件規定相應的可靠度指標來重新指導關鍵零部件的設計與選型，進而使得干法磨削無心磨床系統滿足規定的可靠性要求；

基于所述的干法磨削無心磨床系統的可靠性預測模型建立方法而使用一種可靠性分配分析方法：

基于系統的狀態，貝葉斯網絡反向推理出子系統或元器件的狀態及其發生故障的概率，基于干法磨削無心磨床系統故障時各元器件故障概率推理結果，可以確定各元器件對系統的重要性權重，各元器件的重要性權重為：

(6)

其中，v_i代表元器件i對系統的重要程度，v_i越大，表示元器件i對系統越重要，Pr(X_i=0|S=0)表示系統故障時元器件i發生故障的概率，基于所求的元器件重要性權重，元器件i的可靠度分配系數k_i為：

(7)

若干法磨削無心磨床系統的故障率指標為，可靠度指標為，平均無故障工作指標為，則元器件i所分配的故障率為：

(8)

元器件i所分配的可靠度為：

(9)

元器件i所分配的平均無故障工作時間為：

(10)

對各元器件提出相應的可靠性指標，并根據指標來重新選配元器件，使干法磨削無心磨床系統的可靠性達到設計指標，基于上述分析，對干法磨削無心磨床系統各關鍵零部件的重要性權重及可靠性指標分配；

基于干法磨削無心磨床系統和單元的可靠性預測模型建立方法而使用干法磨削無心磨床系統的維修策略分析方法：

根據所建立的可靠性分析模型來估算干法磨削無心磨床系統在t時刻的可靠度，當t時刻系統的可靠度達到了預設的閾值，則在t時刻對系統進行人為維修作業；

考慮維修因素，基于干法磨削無心磨床系統可靠性模型，對其進行維修策略分析，干法磨削無心磨床系統可靠度函數可表示為：

(11)

干法磨削無心磨床系統故障率在其服役期間不隨時間發生變化，則干法磨削無心磨床系統的故障率和平均無故障工作時間MTTF之間的關系可表示為：

(12)

由于已經得到各個元器件的平均無故障工作時間，可以得到元器件可靠度函數與平均無故障工作時間的關系為：

(13)

進而可以得到干法磨削無心磨床系統的可靠度函數和各元器件可靠度函數之間的關系：

(14)

選取干法磨削無心磨床系統中故障率較大的易損件作為干法磨削無心磨床系統維修可靠性的研究對象，則干法磨削無心磨床系統可簡化；

為了保證維修后系統的可靠性較高的水平，在每次維修時維修可靠度較低的部分元器件，在對干法磨削無心磨床系統的維修可靠性研究中，采取維修可靠度較低的關鍵元器件；

選取系統可靠度臨界值，記為，則首次維修時間可由式（14）求解：

(15)；

所述干法磨削無心磨床系統可簡化為，所述干法磨削無心磨床系統包括砂輪機構、導輪驅動機構、導輪進給機構和控制系統，所述砂輪機構包括第一驅動電機和傳送帶，所述導輪驅動機構包括第二驅動電機，所述導輪進給機構包括第三驅動電機，所述控制系統包括傳感器和控制主機；

進行i（i=1,2,…,n）次維修后，各個元器件以及干法磨削無心磨床系統的可靠度函數可表示為：

(16)

(17)

......

(18)

(19)

式中：表示對某一元器件進行維修后該元器件的可靠度函數，j表示干法磨削無心磨床系統中元器件的個數，表示維修的時間，根據上述分析，可以得到干法磨削無心磨床系統在服役期間內進行維修的次數、每次維修的時間、具體更換的元器件以及維修后系統的可靠度。