何文輝 樓婷婷

(中國計量學(xué)院，浙江 杭州310018)

加工中心具有加工精度高、加工速度快、加工質(zhì)量穩(wěn)定和適用于復(fù)雜產(chǎn)品制造的特點，這些都滿足了現(xiàn)代制造業(yè)的加工需求，因而成為國防建設(shè)和國民經(jīng)濟發(fā)展的重要裝備之一。可靠性是在時間尺度上衡量機床質(zhì)量的重要指標，以數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)的加工中心可靠性評價系統(tǒng)的研究是目前加工中心可靠性研究的薄弱環(huán)節(jié)，對可靠性數(shù)據(jù)信息的來源、范圍、采集、存儲、分析、反饋、交換和信息利用等進行規(guī)范化和系統(tǒng)化研究已成為當務(wù)之急［1-3］。本文針對加工中心的售后維修數(shù)據(jù)和各項可靠性指標計算方法，設(shè)計開發(fā)加工中心質(zhì)量與可靠性評價系統(tǒng)，通過軟件對數(shù)據(jù)進行及時的采集和自動的分析，為提高機床可靠性提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

1.1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

加工中心質(zhì)量與可靠性評價系統(tǒng)的主要功能為模塊劃分的標準，包括用戶界面，用戶管理，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)庫管理和數(shù)據(jù)處理，如圖1 所示。在用戶管理的用戶密碼管理中，驗證用戶名和密碼后加入了中間判斷的層次，提高了程序的可擴展性。數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)庫管理和數(shù)據(jù)處理模塊也是采取自上而下逐步求精的設(shè)計方法。數(shù)據(jù)處理的SPC 中包括故障部位統(tǒng)計分析和故障類型統(tǒng)計分析，其功能相似，在進行完故障部位統(tǒng)計分析模塊的設(shè)計后，可以進行模塊的復(fù)制，完成故障類型統(tǒng)計分析模塊。該系統(tǒng)的模塊化設(shè)計便于軟件功能的擴充和維護，在使用上也顯得更加簡便。

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 用戶界面

友好的用戶界面是使用戶能很方便和直觀地進行信息管理的重要保證，故它是系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

可靠性數(shù)據(jù)是指在產(chǎn)品壽命周期各階段的可靠性工作及活動中所產(chǎn)生的能夠反映產(chǎn)品可靠性水平和狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)，可以是數(shù)字、圖表、符號、文字和曲線等形式［4］。根據(jù)本系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)分析的內(nèi)容和目的，可靠性數(shù)據(jù)是指產(chǎn)品在工作中的故障和維修數(shù)據(jù)。所以在對某企業(yè)加工中心售后維修數(shù)據(jù)進行深入分析和歸類整理后，確定了故障記錄表格，如表1 所示。

表1 故障記錄表

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序按照故障記錄表中的項目進行編寫。界面設(shè)計了13 個功能子系統(tǒng)的選項卡，在每個選項卡里再進行相應(yīng)的故障模式的輸入，圖2 為數(shù)據(jù)采集界面。程序采用主/從設(shè)計模式進行設(shè)計，圖3 為主循環(huán)程序框圖，用來通知從循環(huán)何時何條件下進行。在主循環(huán)中進行菜單的引用，并編寫了菜單中各項的功能。運行程序后，界面菜單會進入自定義的菜單。

圖2 數(shù)據(jù)采集界面

圖3 主循環(huán)程序框圖

1.3 故障編碼與數(shù)據(jù)檢索設(shè)計

收集產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)最終目的是要根據(jù)所提供的故障信息對產(chǎn)品進行改進，尤其是主要故障模式或關(guān)鍵故障部位對整個系統(tǒng)的影響是很大的。因此在故障數(shù)據(jù)的收集中需要對故障進行明確的分類，圖4 為故障分類的編號。故障分類的編號前兩位數(shù)代表功能子系統(tǒng)，具體分類如表2，第三位數(shù)代表故障類型，最后兩位數(shù)代表相應(yīng)的故障模式，具體分類如表3。

通過對加工中心的故障數(shù)據(jù)進行分類編號，能直接從編號中了解故障發(fā)生的功能子系統(tǒng)、故障類型和故障模式，便于故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和檢索［5-6］。

圖4 故障分類編號

表2 功能子系統(tǒng)分類

在采用LabVIEW 編寫測試測量應(yīng)用程序的時候，很多情況下都不可避免地需要對數(shù)據(jù)進行存儲或者查詢。但是當采用大量數(shù)據(jù)的時候，需要利用數(shù)據(jù)庫進行管理、存儲和查詢。因為LabVIEW 本身不能夠直接建立數(shù)據(jù)庫，因此建立一個Access 的數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源是由數(shù)據(jù)源名DSN(Data Source Name)來標識的［7-8］。

表3 故障模式分類

本系統(tǒng)將所有采集的數(shù)據(jù)保存為Access 數(shù)據(jù)庫。圖5 為數(shù)據(jù)查詢界面，通過數(shù)據(jù)查詢可以獲取全部的故障信息數(shù)據(jù)，也可以按照產(chǎn)品型號、機床編號、生產(chǎn)日期、出廠日期、用戶單位、故障時間、維修起始時間、維修終止時間、維修人員、故障編碼分類檢索。

1.4 SPC 設(shè)計

通常，加工中心出現(xiàn)問題、發(fā)生故障的部位有床身系統(tǒng)、立柱系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、工作臺系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)、托盤交換系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)和防護裝置這13 個子系統(tǒng)，通過對這些部位進行全面系統(tǒng)的考察和分析，梳理出主要的故障部位，對及時有效地采取有針對性的措施、做好機床的可靠性工作具有非常重要的價值，這也是可靠性數(shù)據(jù)分析要完成的任務(wù)之一。

圖5 數(shù)據(jù)查詢界面

統(tǒng)計過程控制(SPC)是一種借助數(shù)理統(tǒng)計方法的過程控制工具。排列圖是SPC 中重要的工具，可以用來分析和抓住導(dǎo)致可靠性問題的主要故障類型。本系統(tǒng)采用排列圖來分析和查找機床的主要故障部位和故障類型。圖6 為故障部位SPC 分析程序框圖，程序中根據(jù)從數(shù)據(jù)庫中讀取的各故障部位的頻次，利用Lab-VIEW 的DSC 模塊中的排列圖分析來生成故障部位的排列圖。圖7 為故障部位SPC 分析界面。

1.5 可靠性計算

加工中心的可靠性指標主要為平均無故障時間MT-

圖6 故障部位SPC 分析程序框圖

圖7 故障部位SPC 分析界面

BF、平均修復(fù)時間MTTR和可用度A。平均無故障時間是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，也稱為平均故障間隔時間。平均無故障時間的估計值可表示為:

式中:n為故障次數(shù)，ti為第i次故障前連續(xù)無故障工作的時間。

研究表明，加工中心的故障服從威布爾分布，本系統(tǒng)可對其分布作參數(shù)估計。本文利用一階灰色模型直接建模法求取威布爾分布的3 個參數(shù)［9］，具體算法如下:

(1)對所得樣本進行排序得到次序統(tǒng)計量，并記為x1，x2，…，xn;

(2)根據(jù)次序統(tǒng)計量計算可靠度R(x)，采用中位秩公式計算

(3)對可靠度進行變換，得到t值:ti= -lnln［1/R(xi)］;根據(jù)灰色模型理論可知其中b =u/a即為威布爾分布的位置參數(shù)的灰色估計值。

(5)根據(jù)(t)= ce-at + b，通過最小二乘法求得b、c的最優(yōu)值;

(6)據(jù)此可得威布爾分布的3 個參數(shù)β=1/a，α=c，μ=b。

本文通過調(diào)用MathScript 節(jié)點，依據(jù)上述算法對數(shù)據(jù)進行計算，根據(jù)威布爾分布，獲得可靠性指標的計算值。

圖8 可靠性計算界面

2 結(jié)語

加工中心質(zhì)量與可靠性評價系統(tǒng)實現(xiàn)了對故障數(shù)據(jù)的采集、查詢、SPC 統(tǒng)計分析和可靠性指標的計算。本文研究了加工中心的故障分類方法，實現(xiàn)了故障數(shù)據(jù)按可靠性規(guī)范收集和處理的功能，并整合了質(zhì)量過程統(tǒng)計SPC 工具，便于找出加工中心的主要缺陷，實現(xiàn)質(zhì)量控制，為提高機床可靠性提供依據(jù)，此外，本系統(tǒng)對故障的分類查詢功能也為加工中心可靠性分析提供了方便。結(jié)合本系統(tǒng)，也可以增加故障數(shù)據(jù)的遠程自動采集功能模塊，使其更完善。

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