數(shù)控系統(tǒng)可靠性控制模型研究*

張海波 賈亞洲

（①東北電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院，吉林 長春 132012；②吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130025）

數(shù)控系統(tǒng)可靠性控制模型研究*

張海波①賈亞洲②

（①東北電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院，吉林 長春 132012；②吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130025）

對在進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮的其全壽命周期各個階段的可靠性工作進(jìn)行了論述，提出了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性控制模型，為數(shù)控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計工作的開展提供了理論基礎(chǔ)。

數(shù)控系統(tǒng) 可靠性設(shè)計 全壽命周期

加強可靠性工作是數(shù)控系統(tǒng)廠家在產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要內(nèi)容，在數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程及各子系統(tǒng)設(shè)計活動中，都存在著可靠性的分析與設(shè)計[1-2]，而且可靠性工程也一直貫穿于數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品全壽命周期。數(shù)控系統(tǒng)的全壽命周期包括了概念與定義、設(shè)計與開發(fā)、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試、運行和維修、報廢處理等階段[3-4]，無論在哪個階段忽視了可靠性工作，都將給數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性帶來隱患。當(dāng)然，在數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品全壽命周期的各階段可靠性工作的重點不同，開展的工作也不一樣，在數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計開發(fā)時要對上述全壽命周期的各個階段的可靠性工作進(jìn)行有效的規(guī)劃與控制。本文對在進(jìn)行設(shè)計活動時應(yīng)考慮的各個階段的可靠性工作進(jìn)行了論述。

1 數(shù)控系統(tǒng)全壽命周期的可靠性工作

1.1 概念和定義階段

在此階段，定義要開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，確定產(chǎn)品的需求和制訂產(chǎn)品初步開發(fā)計劃。對數(shù)控系統(tǒng)來說，要確定系統(tǒng)的類型、規(guī)格、性能指標(biāo)、可靠性、壽命周期費用和市場定位等。這個階段對數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性和全壽命周期成本的影響最大。

本階段的可靠性工作就是廣泛收集國內(nèi)外同類型數(shù)控系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)和本廠同類型和相似類型的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)，并根據(jù)市場對可靠性的需求（經(jīng)濟型、普及型、高級型），確定合適的可靠性指標(biāo)。盲目地追求高可靠性指標(biāo)勢必增加不必要的成本，從而提高產(chǎn)品的市場價格；而可靠性指標(biāo)偏低則會影響數(shù)控系統(tǒng)的市場競爭力?？煽啃灾笜?biāo)決定了產(chǎn)品全壽命周期其他各階段的可靠性工作，同時將極大地影響產(chǎn)品全壽命周期的成本和產(chǎn)品的銷售。在此階段還應(yīng)建立所開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)可靠性大綱，可靠性大綱是后續(xù)階段中控制可靠性的基礎(chǔ)，是開展數(shù)控系統(tǒng)可靠性工作的綱領(lǐng)性文件。它包括為使數(shù)控系統(tǒng)達(dá)到預(yù)計的可靠性指標(biāo)，在研制、生產(chǎn)、使用各階段的任務(wù)內(nèi)容、進(jìn)度要求、保證條件及為實現(xiàn)計劃的組織、技術(shù)措施等。

1.2 設(shè)計與開發(fā)階段

此階段是在概念和定義階段確立的需求的基礎(chǔ)上，綜合考慮數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、數(shù)控軟件等部分的功能、結(jié)構(gòu)及它們之間的關(guān)系，設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)的硬件及軟件，編制硬件詳細(xì)的生產(chǎn)規(guī)范（包括系統(tǒng)原理圖、系統(tǒng)裝配圖、電氣原理圖、電氣線路圖等），編制使用、維修指南等其它產(chǎn)品文件，定義軟件體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)行軟件的概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計，直到設(shè)計完善到足以能實現(xiàn)的地步，并編制規(guī)范、使用和維護(hù)說明。

在此階段應(yīng)充分考慮數(shù)控系統(tǒng)全壽命周期的各種影響因素，并不要盲目地追求高性能，而應(yīng)考慮到產(chǎn)品功能、性能、可靠性和成本等綜合效能。本階段可靠性工作主要有：

（1）通過應(yīng)用FMECA、FTA和容差分析等方法，發(fā)現(xiàn)和確定原有數(shù)控系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進(jìn)措施，反饋給設(shè)計部門進(jìn)行產(chǎn)品改進(jìn)，同時在新系統(tǒng)中對原系統(tǒng)的可靠性薄弱環(huán)節(jié)在設(shè)計上采取預(yù)防措施，提高系統(tǒng)固有可靠性。

（2）通過采用耐環(huán)境設(shè)計、維修性設(shè)計、人機工程設(shè)計、安全性設(shè)計、降額設(shè)計、簡化設(shè)計、冗余設(shè)計等設(shè)計方法，與數(shù)控系統(tǒng)的整體性能設(shè)計工作相結(jié)合，提高產(chǎn)品固有可靠性[1-2]。

（3）對于數(shù)控系統(tǒng)軟件，通過結(jié)構(gòu)化設(shè)計、模塊化設(shè)計、面向?qū)ο笤O(shè)計、軟件容錯設(shè)計、軟件冗余設(shè)計、安全設(shè)計等設(shè)計方法，提高數(shù)控系統(tǒng)軟件的可靠性，減少軟件發(fā)生故障的次數(shù)和危害，編寫相應(yīng)的設(shè)計說明，明確對軟件實現(xiàn)階段的具體要求[5-6]。

（4）應(yīng)建立系統(tǒng)的可靠性模型，并進(jìn)行硬件和軟件可靠性指標(biāo)的預(yù)計與分配。確定元器件的可靠性要求，制定元器件可靠性一覽表；確定各功能模塊的可靠性要求，制定功能模塊的可靠性一覽表。

（5）分別規(guī)定硬件和軟件可靠性的確認(rèn)、檢驗及試驗規(guī)范，在可靠性需求的基礎(chǔ)上予以實施；進(jìn)行可靠性增長試驗，對試驗樣機進(jìn)行可靠性評估[7]。

（6）外購件/外協(xié)件的可靠性必須加以重視。通過對多種數(shù)控系統(tǒng)可靠性的跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，外購/外協(xié)件引起的故障遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他因素引起的故障，因此必須重視外購件的質(zhì)量改善。只有加強對外購件的質(zhì)量控制，才能使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性水平得到大幅度的提高。

1.3 生產(chǎn)階段

在此階段，根據(jù)設(shè)計規(guī)范，制造、裝配數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)等，生產(chǎn)出數(shù)控系統(tǒng)整機。本階段的可靠性工作的中心是通過制造和裝配，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性水平達(dá)到設(shè)計規(guī)定要求。本階段的主要可靠性工作有：

（1）對數(shù)控系統(tǒng)的制造關(guān)鍵工序和裝配過程采取有力的保證措施，防止由于人為的因素導(dǎo)致影響系統(tǒng)可靠性的情況發(fā)生。

（2）可靠性應(yīng)力篩選。數(shù)控系統(tǒng)是典型的機電一體化產(chǎn)品，其電氣部分設(shè)計復(fù)雜，對元器件可靠性要求較高，在使用之前進(jìn)行應(yīng)力篩選實驗，是保證可靠性的重要工作。

（3）進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)早期故障試驗，并對試驗中的可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，盡早發(fā)現(xiàn)影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的不利因素，盡快采取防范措施，確定產(chǎn)品是否符合設(shè)計的要求并消除早期故障，使得用戶在使用時直接進(jìn)入到比較穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

1.4 安裝與調(diào)試階段

此階段一般在數(shù)控機床整機廠進(jìn)行，通過安裝、調(diào)試數(shù)控系統(tǒng)，使數(shù)控系統(tǒng)和機床達(dá)到完美的結(jié)合。本階段的可靠性工作重點是保持?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的固有可靠性水平。本階段的主要可靠性工作有：

（1）數(shù)控系統(tǒng)驗收試驗（包括軟件的驗收）。

（2）可靠性數(shù)據(jù)的收集與分析。收集和分析安裝、調(diào)試的可靠性數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與機床在結(jié)構(gòu)或工作性能等方面可能出現(xiàn)的有沖突或配合不當(dāng)?shù)牡胤?，同時采取相應(yīng)的修改或防范措施。

1.5 運行和維護(hù)階段

此階段一般發(fā)生在數(shù)控機床用戶的現(xiàn)場。由于用戶使用情況復(fù)雜，現(xiàn)場條件有的可能比較惡劣，因此數(shù)控系統(tǒng)在用戶的使用情況最能真實地反映可靠性水平和故障情況。收集和分析用戶現(xiàn)場可靠性數(shù)據(jù)是進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)可靠性設(shè)計和改進(jìn)設(shè)計的重要依據(jù)。本階段可靠性工作的主要任務(wù)是監(jiān)視產(chǎn)品的特性，主要工作有：

（1）可靠性測定試驗，考核數(shù)控系統(tǒng)在實際現(xiàn)場的可靠性狀況和指標(biāo)。

（2）用戶現(xiàn)場可靠性數(shù)據(jù)的收集與分析，同時通過故障分析，暴露出數(shù)控系統(tǒng)在設(shè)計、制造、使用和維護(hù)等方面的薄弱環(huán)節(jié)，找出故障原因，提出改進(jìn)措施，達(dá)到可靠性增長和挖潛的目的，為可靠性改進(jìn)設(shè)計和新產(chǎn)品可靠性設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 建立數(shù)控系統(tǒng)可靠性控制模型

數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)過程中各設(shè)計活動都是圍繞數(shù)控系統(tǒng)全壽命周期中各個階段的可靠性工作來進(jìn)行的，差異在于設(shè)計活動不同，其可靠性分析設(shè)計活動的側(cè)重點不同。因此，本文根據(jù)可靠性工程是面向全壽命周期工程的思想，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程，提出了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性控制模型，如圖1所示。

數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的開始階段是進(jìn)行總體方案設(shè)計，在這個階段要對國內(nèi)外同檔次的產(chǎn)品進(jìn)行對比分析，確定可靠性的目標(biāo)值，并根據(jù)市場的需求進(jìn)行總體設(shè)計。在總體設(shè)計后要分別進(jìn)行各分系統(tǒng)的設(shè)計，在設(shè)計過程中各分系統(tǒng)之間也是相互協(xié)調(diào)的，并要著重進(jìn)行可靠性的預(yù)計與分配，可靠性的設(shè)計與分析，同時將各分系統(tǒng)的設(shè)計信息反饋給數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計，進(jìn)行總體設(shè)計的修正，在系統(tǒng)硬件設(shè)計的同時也應(yīng)進(jìn)行元器件的可靠性篩選工作，并根據(jù)篩選情況進(jìn)行設(shè)計的調(diào)整，元器件的可靠性是系統(tǒng)可靠性的重要保證。當(dāng)硬件設(shè)計與軟件測試完成后，要進(jìn)行整個系統(tǒng)的整機調(diào)試，在此階段的可靠性增長試驗是提高系統(tǒng)可靠性的重要內(nèi)容。通過可靠性增長試驗，可以發(fā)現(xiàn)在設(shè)計和元器件篩選及軟件測試中所沒有發(fā)現(xiàn)的問題，將信息再反饋到設(shè)計中進(jìn)行相應(yīng)的修改。經(jīng)過可靠性增長試驗后產(chǎn)品的開發(fā)研制階段也基本完成，系統(tǒng)的固有可靠性也確定下來，可進(jìn)入隨后的批量生產(chǎn)階段。應(yīng)的改進(jìn)。數(shù)控系統(tǒng)銷售給用戶后，就進(jìn)入了使用和維護(hù)階段，數(shù)控系統(tǒng)的用戶包含兩部分，一是指數(shù)控機床整機制造廠，負(fù)責(zé)數(shù)控系統(tǒng)和機床主體的安裝與調(diào)試；二是終端用戶，數(shù)控機床的使用者。由于很多故障是由于機床使用者對數(shù)控系統(tǒng)不熟悉而導(dǎo)致的誤操作或參數(shù)設(shè)定錯誤，因此對操作人員加強培訓(xùn)是十分必要的，這可大大地提高數(shù)控系統(tǒng)的使用可靠性。在此階段可同時進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的可靠性評定工作，以考察在實際的生產(chǎn)環(huán)境中數(shù)控系統(tǒng)的真實可靠性狀況，并針對在可靠性考核中出現(xiàn)的問題進(jìn)行故障分析。使用者對數(shù)控系統(tǒng)各方面的建議和意見再反饋回來，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)早期故障試驗中的分析結(jié)果，從而進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的可靠性改進(jìn)設(shè)計工作。

3 結(jié)語

在進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的批量生產(chǎn)時，制造和裝配過程的可靠性保證措施能夠使系統(tǒng)的可靠性更接近其固有可靠性，同時由于是批量生產(chǎn)，這時所進(jìn)行的早期故障實驗也可發(fā)現(xiàn)在可靠性增長試驗中由于產(chǎn)品數(shù)量過少而難于發(fā)現(xiàn)的問題，并對制造工藝和裝配過程進(jìn)行相

可靠性數(shù)據(jù)的收集與分析貫穿數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的全壽命周期，產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計一開始就要考慮到產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素，包括產(chǎn)品功能、性能、可靠性、用戶要求、制造、裝配、檢測、質(zhì)量保證、銷售服務(wù)、成本和進(jìn)度計劃等，把不同階段可能出現(xiàn)的問題，在設(shè)計時加以研究和處理，找出解決的途徑，使產(chǎn)品設(shè)計一次成功，避免出現(xiàn)大的反復(fù)。數(shù)控系統(tǒng)的可靠性控制模型為數(shù)控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計工作提供了理論基礎(chǔ)。

[1]陸廷孝，鄭鵬洲.可靠性設(shè)計與分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[2]賀國芳，許海寶.可靠性數(shù)據(jù)的收集與分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[3]張強，吳耀華，賈亞洲.面向并行工程的數(shù)控機床可靠性控制模型[J].機械工程學(xué)報，2001，37（7）：26-29.

[4]何國偉.可信性工程[M].北京∶中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[5]李新星.軟件生存期的可靠性保證[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，1999（1）：10-14.

[6]何國偉.軟件可靠性[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[7]梅文華.可靠性增長試驗[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

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Reliability Control Model of CNC System

ZHANG Haibo①，JIA Yazhou②
（①School of Energy Resource and Mechanical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，CHN；②College of Mechanical Science and Engineering，JiLin University，Changchun 130025，CHN）

The inherent reliability of product is determined by product design.The reliability work of various phases in full-life-cycle of CNC system design was discussed.Reliability control model of CNC system was proposed，which provided the theoretical basis for the reliability design of CNC system.

CNC System；Reliability Design；Full-life-cycle

TG659.1

A

* 國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（2002AA424058），吉林省教育廳科研計劃項目（吉教科200754）

張海波，男，1970年生，博士，教授，研究方向為數(shù)控機床及數(shù)控系統(tǒng)可靠性篇。

（編輯 譚弘穎） （

2009-08-26）

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