數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃研究*

張海波，申桂香，賈亞洲

(1.東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132012;2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的更新?lián)Q代過(guò)程加速，用戶希望新的系統(tǒng)除了具有更先進(jìn)的功能外，同時(shí)還應(yīng)有更高的可靠性，而數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商總是希望能用最短的時(shí)間和最少的經(jīng)費(fèi)使新系統(tǒng)的可靠性就提高到規(guī)定的指標(biāo)，因此，可靠性問(wèn)題往往成為系統(tǒng)開發(fā)研制過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，僅憑工程上經(jīng)常采用的“試驗(yàn)——暴露故障——改進(jìn)——再試驗(yàn)”方法［1］，雖然可以使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到一定的提高，但難以避免因?qū)Ξa(chǎn)品的盲目改動(dòng)而造成時(shí)間、人力與資金的浪費(fèi)，甚至可能在系統(tǒng)已經(jīng)定型生產(chǎn)投放市場(chǎng)后才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性根本未達(dá)到規(guī)定的要求，還要對(duì)設(shè)計(jì)或工藝進(jìn)行二次改進(jìn)，這一方面會(huì)使生產(chǎn)商造成大量的資金浪費(fèi)并貽誤商機(jī)，另一方面也使生產(chǎn)商的聲譽(yù)受到極大的打擊而難于在隨后的市場(chǎng)開拓中占得先機(jī)。

目前數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家雖然也在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)后進(jìn)行相關(guān)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，但鑒于各方面的原因，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)的規(guī)劃和管理帶有很大的隨意性和盲目性，沒(méi)有形成系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)管理文件，在試驗(yàn)中只側(cè)重對(duì)故障的分析和排除，而對(duì)數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)的規(guī)劃和管理很少研究。

針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃應(yīng)當(dāng)從全局規(guī)劃和分段規(guī)劃兩方面入手［2-3］。因數(shù)控系統(tǒng)元器件較多，對(duì)可靠性又有很高的要求［4-5］，可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)往往要持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間，所以對(duì)于全局規(guī)劃應(yīng)根據(jù)工程需要與現(xiàn)實(shí)可能性首先確定數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)目標(biāo)，然后根據(jù)適當(dāng)?shù)哪Ｐ屠L制理想增長(zhǎng)曲線來(lái)判斷增長(zhǎng)目標(biāo)是否能按時(shí)達(dá)到［6-7］，并通過(guò)對(duì)增長(zhǎng)率、經(jīng)費(fèi)、進(jìn)度等計(jì)劃因素的管理來(lái)保證最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。而數(shù)控系統(tǒng)的分段規(guī)劃則是以理想增長(zhǎng)曲線為基礎(chǔ)，并結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的原理樣機(jī)、試驗(yàn)樣機(jī)的開發(fā)研制周期，將可靠性增長(zhǎng)過(guò)程分作幾個(gè)階段，確定在各階段的起止點(diǎn)上系統(tǒng)必須達(dá)到的可靠性指標(biāo)，繪制計(jì)劃增長(zhǎng)曲線，并根據(jù)對(duì)時(shí)間和資源的分配情況估計(jì)達(dá)到目標(biāo)值風(fēng)險(xiǎn)的大小，從而對(duì)各階段的規(guī)劃和總規(guī)劃進(jìn)行綜合調(diào)整。

1 數(shù)控系統(tǒng)的失效修正策略

在制定數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃時(shí)，一些相關(guān)的管理策略會(huì)影響到系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)的極限值和增長(zhǎng)率等關(guān)鍵參數(shù)［8］，從而進(jìn)一步影響到增長(zhǎng)規(guī)劃能否如期實(shí)現(xiàn)，因此必須對(duì)這些管理策略進(jìn)行詳細(xì)的考慮，其中失效修正策略的制定就尤為關(guān)鍵。

數(shù)控系統(tǒng)的故障分為關(guān)聯(lián)故障和非關(guān)聯(lián)故障，關(guān)聯(lián)故障是數(shù)控系統(tǒng)在規(guī)定條件下使用，由于其本身?xiàng)l件而引起的故障，在評(píng)價(jià)檢驗(yàn)結(jié)果或計(jì)算可靠性特征量的數(shù)值時(shí)必須計(jì)入，而非關(guān)聯(lián)故障是非數(shù)控系統(tǒng)本身?xiàng)l件引起的，是試驗(yàn)要求之外因素所造成的故障，在評(píng)價(jià)檢驗(yàn)結(jié)果和可靠性特征時(shí)不計(jì)入，但應(yīng)做記錄便于進(jìn)行可靠性的分析和判斷。

在此根據(jù)引起系統(tǒng)失效的不同原因及是否需要采取糾正措施將關(guān)聯(lián)故障分為系統(tǒng)性失效和殘余性失效兩大類:

(1）系統(tǒng)性失效

系統(tǒng)性失效是由系統(tǒng)性薄弱環(huán)節(jié)引起的，如果只進(jìn)行修復(fù)性維修通常不能排除失效原因，在適當(dāng)?shù)臈l件下可能重復(fù)出現(xiàn)，只能通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)、制造工藝、操作方法、文件及其它相關(guān)因素的修正才能排除。(2）殘余性失效。

殘余性失效是由殘余性薄弱環(huán)節(jié)引起的，經(jīng)修復(fù)后不會(huì)再次出現(xiàn)，因此不必采取糾正措施。

如在數(shù)控系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)元器件管腳焊接不良引發(fā)失效的事例，這就需要對(duì)其進(jìn)行分析，如果是由人工焊接偶然失誤造成，則可進(jìn)行維修并判為殘余性失效;如果是由自動(dòng)焊完成，則很可能是焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致在某些條件下引發(fā)管腳開焊，如在其它系統(tǒng)中存在同樣失效的情況，則可判為系統(tǒng)性失效并應(yīng)對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

然而，并非對(duì)于所有發(fā)生的系統(tǒng)性失效都必須進(jìn)行修正，所謂的失效修正策略就是根據(jù)是否對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正而將系統(tǒng)性失效分為A型和B型失效兩類，A型失效是指由于費(fèi)用、時(shí)間、技術(shù)上的限制或其他原因而不必進(jìn)行糾正性更改的系統(tǒng)性失效;B型失效指必須進(jìn)行糾正性更改的系統(tǒng)性失效，在制定失效修正策略時(shí)應(yīng)綜合考慮失效的危害度、修正的技術(shù)難度與費(fèi)用、對(duì)達(dá)到可靠性目標(biāo)的影響等。

將數(shù)控系統(tǒng)的A型失效的系統(tǒng)失效率記為λA，并設(shè)B型失效有n種，失效Bi(i=1，2，…n）的系統(tǒng)失效率記為λi，則B型失效的系統(tǒng)失效率為:

而在數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)開始時(shí)系統(tǒng)性失效的初始失效率為:

根據(jù)上述的分類原則，數(shù)控系統(tǒng)的失效修正策略系數(shù)K可按以下公式計(jì)算:

對(duì)于開發(fā)研制新的數(shù)控系統(tǒng)，K的取值范圍可在0.85 ～0.95，一般可取0.9。

2 數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃的相關(guān)參數(shù)

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的改進(jìn)有效性系數(shù)

對(duì)失效Bi的修正，通常不可能徹底消除，被消除的失效率與λi之比記為di，稱為對(duì)失效Bi的改進(jìn)有效性系數(shù)，而系統(tǒng)的B型失效的改進(jìn)有效性系數(shù)記為d，則改進(jìn)后系統(tǒng)的B型失效率變?yōu)?1－d）λB，因此

在可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中，如果到時(shí)刻t系統(tǒng)已發(fā)現(xiàn)m種B型失效并立即進(jìn)行了修正，則系統(tǒng)在時(shí)刻t的失效率應(yīng)為:

對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要對(duì)個(gè)別的di做出準(zhǔn)確的判斷是不可能的，但我們可根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)di的加權(quán)平均值d做出估計(jì)，在制定數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃時(shí)，一般可取d=0.7。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)潛力

數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)潛力是指在特定的增長(zhǎng)管理策略下數(shù)控系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大可靠性，即當(dāng)系統(tǒng)中所有的B型失效都得到修正時(shí)，系統(tǒng)的失效率λp將減少到最低限度，此時(shí):

而數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)的平均故障間隔時(shí)間(MTBF）為:

可見(jiàn)，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)潛力Mp與d和K的關(guān)系非常大，如果增長(zhǎng)管理策略完善，所有能經(jīng)濟(jì)地修正的失效都得以暴露并劃入B型失效而得到有效修正，則數(shù)控系統(tǒng)的Mp與其固有可靠性Minh相等，但由于在可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中，系統(tǒng)性失效不一定能夠全部暴露出來(lái)及考慮到失效修正策略，因此Mp通常會(huì)低于數(shù)控系統(tǒng)在成熟期的固有可靠性。

2.3 數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)率

在各種系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃管理中，通常都按Duane模型來(lái)描述系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)［9］，因此本文也應(yīng)用Duane模型來(lái)制定數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃，即:

式中Mc(t）為數(shù)控系統(tǒng)的累積MTBF，a為尺度參數(shù)，m為增長(zhǎng)率。m的大小與失效的分布狀況、K值及可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的各種條件有關(guān)。對(duì)于開發(fā)研制新的數(shù)控系統(tǒng)，在制定增長(zhǎng)規(guī)劃時(shí)m的取值范圍可在0.3～0.4，一般可取0.35。

3 數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃的制定

為了制定數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃，首先將數(shù)控系統(tǒng)可靠性的理想增長(zhǎng)曲線劃分為三個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)可靠性理想增長(zhǎng)曲線階段劃分

在時(shí)刻tΙ之前，為原理樣機(jī)的驗(yàn)證與確認(rèn)階段，此時(shí)要驗(yàn)證系統(tǒng)的初始可靠性水平M1，這種預(yù)試驗(yàn)要求系統(tǒng)出現(xiàn)一次以上的失效，同時(shí)一般對(duì)原理樣機(jī)出現(xiàn)的失效只做記錄、分析和維修而不進(jìn)行設(shè)計(jì)或工藝上的更改，在階段試驗(yàn)完成后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，其可靠性水平達(dá)到M2，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正式的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。時(shí)刻tΙ和tΠ之間為試驗(yàn)樣機(jī)的全尺寸工程研制階段，此階段可分段完成，也可由同一批試驗(yàn)樣機(jī)完成，試驗(yàn)結(jié)束后要求系統(tǒng)的可靠性水平至少應(yīng)滿足技術(shù)要求達(dá)到M3，在以往的數(shù)控系統(tǒng)研制過(guò)程中，在tΠ時(shí)刻要求進(jìn)行可靠性鑒定試驗(yàn)來(lái)確定系統(tǒng)的可靠性水平，但如果可靠性增長(zhǎng)管理過(guò)程完善，可靠性增長(zhǎng)模型合理，則可以利用此階段的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)定，從而節(jié)省了鑒定試驗(yàn)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。tΠ時(shí)刻后，數(shù)控系統(tǒng)就可進(jìn)入正樣批量生產(chǎn)階段，此時(shí)經(jīng)過(guò)幾個(gè)批次的現(xiàn)場(chǎng)使用試驗(yàn)，再次暴露及修正缺陷，同時(shí)隨著生產(chǎn)技術(shù)的熟練與工藝改進(jìn)，使其可靠性水平達(dá)到目標(biāo)要求MF，這樣在時(shí)刻tF系統(tǒng)就可轉(zhuǎn)入成熟定型生產(chǎn)階段。

按照上述原則，針對(duì)某型號(hào)數(shù)控系統(tǒng)，其相應(yīng)的指標(biāo)確定過(guò)程如下:

(1）數(shù)控系統(tǒng)在定型生產(chǎn)后其可靠性水平應(yīng)不低于國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［10］，因此

(2）數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)潛力MP應(yīng)考慮到系統(tǒng)在時(shí)刻tF達(dá)到可靠性目標(biāo)值MF的風(fēng)險(xiǎn)，可認(rèn)為如MP≥1.25MF，則該風(fēng)險(xiǎn)很小，因此

(3）數(shù)控系統(tǒng)全尺寸工程研制階段完成后應(yīng)達(dá)到的可靠性水平M3應(yīng)滿足技術(shù)要求，在此確定

(4）由前面的論述，確定d=0.7，K=0.9，m=0.35，則由7式和3式，得:

(5）起始時(shí)間tΙ的確定要考慮到在觀測(cè)區(qū)間內(nèi)至少需要觀測(cè)到一個(gè)B型失效之后才能對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，因此，令在時(shí)間區(qū)間(0，tΙ）內(nèi)觀測(cè)到一次B型失效的概率P應(yīng)足夠高，在此令P=0.9，并假定B型失效的發(fā)生服從齊次Poisson過(guò)程，則

(6）由8式，可確定數(shù)控系統(tǒng)理想增長(zhǎng)曲線的表達(dá)式如下:

由上述數(shù)據(jù)繪出數(shù)控系統(tǒng)理想增長(zhǎng)曲線如圖2所示。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)可靠性理想增長(zhǎng)曲線

當(dāng)然，考慮到系統(tǒng)研制的具體要求和工程進(jìn)展情況，在數(shù)控系統(tǒng)可靠性理想增長(zhǎng)曲線的基礎(chǔ)上，還可以對(duì)系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)規(guī)劃，即將理想曲線的第二和第三階段按工程實(shí)際再劃分為若干個(gè)小階段，由此可制定出數(shù)控系統(tǒng)可靠性計(jì)劃增長(zhǎng)曲線并進(jìn)行跟蹤分析與定量評(píng)估，在此不做討論。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃的研究，并采用科學(xué)的方法建立系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)模型，可以評(píng)價(jià)并預(yù)測(cè)系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)速度，判斷它們是否符合增長(zhǎng)規(guī)劃要求，如不符合則通過(guò)對(duì)人力、資金和時(shí)間進(jìn)度的統(tǒng)一調(diào)配來(lái)修正相關(guān)參數(shù)，達(dá)到對(duì)數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)進(jìn)行定量控制的目的，從而將數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)與分析納入科學(xué)管理之下，由此可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］汪啟華，王欣，趙琥.產(chǎn)品研制和批產(chǎn)階段可靠性問(wèn)題分析［J］. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2009，229(2）:31-33.

［2］梅文華.可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

［3］何國(guó)偉.可靠性試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［4］張英杰，韓慶瑤，賈桂紅.現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2004(9）:106-108.

［5］賈亞洲.數(shù)控系統(tǒng)可靠性國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及對(duì)策［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2006(5）:51-53.

［6］周源泉，張立堂，劉振德.渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)［J］. 推進(jìn)技術(shù)，2001，22(6）:496-499.

［7］陽(yáng)紅成，蘇小光.電子產(chǎn)品研制階段可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)研究［J］.國(guó)外電子元器件，2006(12）:32-35.

［8］王曉紅.可靠性試驗(yàn)與可靠性增長(zhǎng)管理［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004，23(12）:17-19.

［9］陳其偉.可靠性試驗(yàn)、評(píng)估技術(shù)及應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2009(3）:116-119.

［10］JB/T 8832-2001機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)通用技術(shù)條件［S］.中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)，2001，9.