何文輝 樓婷婷

(中國(guó)計(jì)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(diǎn)，這些都滿足了現(xiàn)代制造業(yè)的加工需求，因而成為國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要裝備之一?？煽啃允窃跁r(shí)間尺度上衡量機(jī)床質(zhì)量的重要指標(biāo)，以數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)的加工中心可靠性評(píng)價(jià)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(duì)可靠性數(shù)據(jù)信息的來(lái)源、范圍、采集、存儲(chǔ)、分析、反饋、交換和信息利用等進(jìn)行規(guī)范化和系統(tǒng)化研究已成為當(dāng)務(wù)之急［1-3］。本文針對(duì)加工中心的售后維修數(shù)據(jù)和各項(xiàng)可靠性指標(biāo)計(jì)算方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)加工中心質(zhì)量與可靠性評(píng)價(jià)系統(tǒng)，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的采集和自動(dòng)的分析，為提高機(jī)床可靠性提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

加工中心質(zhì)量與可靠性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的主要功能為模塊劃分的標(biāo)準(zhǔn)，包括用戶界面，用戶管理，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)庫(kù)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(yàn)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(kuò)展性。數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)方法。數(shù)據(jù)處理的SPC 中包括故障部位統(tǒng)計(jì)分析和故障類型統(tǒng)計(jì)分析，其功能相似，在進(jìn)行完故障部位統(tǒng)計(jì)分析模塊的設(shè)計(jì)后，可以進(jìn)行模塊的復(fù)制，完成故障類型統(tǒng)計(jì)分析模塊。該系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)便于軟件功能的擴(kuò)充和維護(hù)，在使用上也顯得更加簡(jiǎn)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(jìn)行信息管理的重要保證，故它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)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(hào)、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(duì)某企業(yè)加工中心售后維修數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàng)目進(jìn)行編寫。界面設(shè)計(jì)了13 個(gè)功能子系統(tǒng)的選項(xiàng)卡，在每個(gè)選項(xiàng)卡里再進(jìn)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(jì)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖3 為主循環(huán)程序框圖，用來(lái)通知從循環(huán)何時(shí)何條件下進(jìn)行。在主循環(huán)中進(jìn)行菜單的引用，并編寫了菜單中各項(xiàng)的功能。運(yùn)行程序后，界面菜單會(huì)進(jìn)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(jì)

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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，尤其是主要故障模式或關(guān)鍵故障部位對(duì)整個(gè)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(duì)故障進(jìn)行明確的分類，圖4 為故障分類的編號(hào)。故障分類的編號(hào)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(guò)對(duì)加工中心的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類編號(hào)，能直接從編號(hào)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(jì)、分析和檢索［5-6］。

圖4 故障分類編號(hào)

表2 功能子系統(tǒng)分類

在采用LabVIEW 編寫測(cè)試測(cè)量應(yīng)用程序的時(shí)候，很多情況下都不可避免地需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)或者查詢。但是當(dāng)采用大量數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)和查詢。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW 本身不能夠直接建立數(shù)據(jù)庫(kù)，因此建立一個(gè)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(lái)標(biāo)識(shí)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(kù)。圖5 為數(shù)據(jù)查詢界面，通過(guò)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(hào)、機(jī)床編號(hào)、生產(chǎn)日期、出廠日期、用戶單位、故障時(shí)間、維修起始時(shí)間、維修終止時(shí)間、維修人員、故障編碼分類檢索。

1.4 SPC 設(shè)計(jì)

通常，加工中心出現(xiàn)問(wèn)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(tái)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(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)和防護(hù)裝置這13 個(gè)子系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)這些部位進(jìn)行全面系統(tǒng)的考察和分析，梳理出主要的故障部位，對(duì)及時(shí)有效地采取有針對(duì)性的措施、做好機(jī)床的可靠性工作具有非常重要的價(jià)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(jì)過(guò)程控制(SPC)是一種借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的過(guò)程控制工具。排列圖是SPC 中重要的工具，可以用來(lái)分析和抓住導(dǎo)致可靠性問(wèn)題的主要故障類型。本系統(tǒng)采用排列圖來(lái)分析和查找機(jī)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(kù)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(lái)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(jì)算

加工中心的可靠性指標(biāo)主要為平均無(wú)故障時(shí)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(shí)間MTTR和可用度A。平均無(wú)故障時(shí)間是指相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間，也稱為平均故障間隔時(shí)間。平均無(wú)故障時(shí)間的估計(jì)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(wú)故障工作的時(shí)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(duì)其分布作參數(shù)估計(jì)。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(gè)參數(shù)［9］，具體算法如下:

(1)對(duì)所得樣本進(jìn)行排序得到次序統(tǒng)計(jì)量，并記為x1，x2，…，xn;

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

(3)對(duì)可靠度進(jìn)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(jì)值。

(5)根據(jù)(t)= ce-at + b，通過(guò)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(gè)參數(shù)β=1/a，α=c，μ=b。

本文通過(guò)調(diào)用MathScript 節(jié)點(diǎn)，依據(jù)上述算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)威布爾分布，獲得可靠性指標(biāo)的計(jì)算值。

圖8 可靠性計(jì)算界面

2 結(jié)語(yǔ)

加工中心質(zhì)量與可靠性評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障數(shù)據(jù)的采集、查詢、SPC 統(tǒng)計(jì)分析和可靠性指標(biāo)的計(jì)算。本文研究了加工中心的故障分類方法，實(shí)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(guò)程統(tǒng)計(jì)SPC 工具，便于找出加工中心的主要缺陷，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，為提高機(jī)床可靠性提供依據(jù)，此外，本系統(tǒng)對(duì)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(yuǎn)程自動(dòng)采集功能模塊，使其更完善。

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