DK77系列電火花線切割機床可靠性評價模型*

張宏斌 賈志新 郗安民 姜 坤

對數(shù)控機床可靠性進(jìn)行評價的目的是掌握其可靠性狀況，提出可靠性設(shè)計工作的目標(biāo)和任務(wù)，為下一步可靠性研究工作指明方向。加權(quán)綜合評價法是目前普遍使用的可靠性綜合評價方法，其優(yōu)點是簡單，缺點是反映信息不全面［1］。模糊綜合評價法是模糊技術(shù)同經(jīng)典的綜合評判理論相結(jié)合的產(chǎn)物。它運用模糊統(tǒng)計方法，綜合考慮各種因素后對產(chǎn)品的優(yōu)劣做出科學(xué)的評價［2］。模糊綜合評價法被廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品可靠性預(yù)計［3］、分配［4］等方面。但是，該方法存在著計算復(fù)雜，且人為因素影響較大的缺點。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是將模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)訓(xùn)練，對模糊推理系統(tǒng)中的隸屬函數(shù)等進(jìn)行自動修正，從而最大程度上避免人為因素的影響。

本文以模糊綜合評價法為基礎(chǔ)，選取DK77系列電火花線切割機床可靠性指標(biāo) MTBF、MTTR、使用有效度A和故障頻度γ作為可靠性評價參量，應(yīng)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立DK77系列電火花線切割機床可靠性評價模型。

1 可靠性評價模型的建立

DK77系列電火花線切割機床可靠性評價模型采用 ANFIS推理系統(tǒng)［5，6］。以 MTBF、MTTR、使用有效度A和故障頻度γ作為模型的輸入，以對應(yīng)的單臺DK77系列電火花線切割機床可靠性綜合評估值作為模型的輸出，構(gòu)造了一個DK77系列電火花線切割機床可靠性綜合評價模型，如圖1所示。

2 可靠性評價參量的計算

平均無故障工作時間（Mean Time Between Failures，MTBF）是指整機在無故障的情況下工作時間。

DK77系列電火花線切割機床的MTBF由觀測值按下述公式進(jìn)行計算出點估計值

式中N0——在評定周期內(nèi)線切割機床累計故障頻數(shù)

n——線切割機床抽樣臺數(shù)

ti——在評定周期內(nèi)第i臺機床的實際工作時間（h）

ri——在評定周期內(nèi)第i臺機床出現(xiàn)的故障頻數(shù)

平均維修時間（Mean Time To Repair，MTTR）是指系統(tǒng)出現(xiàn)故障到故障消除所需的時間。計算公式如下

式中tmi——第i次維修時間

n——維修（故障）總次數(shù)

使用有效度A是指產(chǎn)品無故障工作時間占整個工作時間的比值，反映的是產(chǎn)品的工作效率。使用有效度的公式如下式所示

故障頻度的計算公式為

根據(jù)上述各計算公式，將收集的20臺DK77系列電火花線切割機床可靠性數(shù)據(jù)代入其中進(jìn)行計算后，其各個可靠性指標(biāo)如表1所示。

各臺機床可靠性綜合評價值通過模糊綜合評價法進(jìn)行計算。

取DK77系列電火花線切割機床可靠性指標(biāo)MTBF（h）、MTTR（h）、使用有效度 A 和故障頻度γ構(gòu)成評價指標(biāo)集 U=｛u1，u2，u3，u4｝，即：

由于這4個評價指標(biāo)對電火花線切割機床使用可靠性的影響程度不同，因此在評價電火花線切割機床的可靠性時應(yīng)該有不同的權(quán)值。本文參考有關(guān)數(shù)控機床可靠性評定標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)專家建議，給出如下權(quán)重分配關(guān)系：

表1 DK77系列電火花線切割機床可靠性數(shù)據(jù)表

評價標(biāo)準(zhǔn)是評價電火花線切割機床使用可靠性高低的標(biāo)尺，它和評價指標(biāo)相對應(yīng)，共同反映電火花線切割機床的使用可靠性水平。評價標(biāo)準(zhǔn)包括評價等級和評價界限兩部分，根據(jù)電火花線切割機床 MTBF，MTTR，A及γ的分析，參考有關(guān)數(shù)控機床及電火花線切割機床可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)，對于電火花線切割機床使用可靠性取4個等級，即：“優(yōu)、良、一般、差”。構(gòu)成評價等級集 V=｛v1，v2，v3，v4｝。這樣分級方法既有利于發(fā)現(xiàn)問題的差距，又可拉開檔次，便于具體進(jìn)行可靠性綜合評估［7］。評價界限是評價等級中等級分界點的具體數(shù)值，它是定性與定量的結(jié)合。主要參照國家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)具體的電火花線切割機床使用條件來確定各個指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)值見表2。

表2 各項指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)界限值

根據(jù)各項指標(biāo)的評價界限建立評價指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。

根據(jù)給出的評價指標(biāo)的隸屬度函數(shù)及評價指標(biāo)權(quán)重分配系數(shù)，應(yīng)用模糊綜合評價法對20臺DK77系列電火花線切割機床可靠性綜合評價值進(jìn)行計算，具體結(jié)果如表3所示。

3 建立可靠性評價模型實例

選取17臺DK77系列電火花線切割機床可靠性數(shù)據(jù)作為可靠性評價模型的訓(xùn)練樣本，其余3個作為測試樣本。將各樣本進(jìn)行歸一化處理后輸入可靠性評價模型。

表3 DK77系列電火花線切割機床可靠性評估值

可靠性評價模型的具體參數(shù)及訓(xùn)練結(jié)果如下：選擇兩邊型高斯隸屬函數(shù)（Gauss2mf函數(shù)）作為輸入數(shù)據(jù)的隸屬函數(shù)，每一個輸入變量的隸屬函數(shù)個數(shù)為3個。選擇線形函數(shù)作為輸出的隸屬函數(shù)。選擇反向傳播算法與最小二乘法相結(jié)合的混合算法作為ANFIS網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法，令誤差容忍限為0，訓(xùn)練步數(shù)為30，對ANFIS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。經(jīng)過13步訓(xùn)練后，訓(xùn)練誤差達(dá)到了1.9533×10—6。由此可見，ANFIS完成了對訓(xùn)練數(shù)據(jù)的高度擬合。仿真結(jié)果如圖2所示。

將檢測樣本輸入訓(xùn)練完成的可靠性評價模型，其平均誤差為0.035978。其擬合結(jié)果如圖3所示。

基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性評價模型輸出結(jié)果反歸一化處理后與應(yīng)用模糊綜合評價法計算所得結(jié)果比較如表4所示。

表4 可靠性評價模型結(jié)果比較

由表4可見，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性評價模型實現(xiàn)了對DK77系列電火花線切割機床可靠性的準(zhǔn)確評價，其最大相對誤差僅為0.026，具有很好的實用價值。

4 結(jié)語

基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DK77系列電火花線切割機床可靠性評價模型實現(xiàn)了對DK77系列電火花線切割機床可靠性快速、準(zhǔn)確的評價。需要輸入具體某一臺機床的相應(yīng)可靠性數(shù)據(jù)即可得到其對應(yīng)的可靠性綜合評價值，避免了應(yīng)用模糊綜合評價法進(jìn)行的復(fù)雜計算。同時由于ANFIS的自適應(yīng)性避免了可靠性評價過程中人為因素的影響。該模型對輸入和輸出要求并不嚴(yán)格，具有很好的泛化能力。

［1］李海泉，李剛.系統(tǒng)可靠性分析與設(shè)計［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［2］汪培莊.模糊集合理論及其應(yīng)用［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1983.

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