吉林大学学报(工学版) ›› 2022, Vol. 52 ›› Issue (2): 400-408.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20211197

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基于网络层次和数据包络的数控机床可靠性分析

于立娟1,2,3(),刘昂1,2,3,杨兆军1,2,田海龙1,2,3(),陈传海1,2,3,高景文2   

  1. 1.吉林大学 数控装备可靠性教育部重点实验室，长春 130022
    2.吉林大学 机械与航空航天工程学院，长春 130022
    3.吉林大学 重庆研究院，重庆 400037
  • 收稿日期:2021-11-15 出版日期:2022-02-01 发布日期:2022-02-17
  • 通讯作者: 田海龙 E-mail:tallyu@163.com;tianhl.jlu@foxmail.com
  • 作者简介:于立娟（1972-），女，教授，博士.研究方向：数控装备可靠性技术与理论.E-mail：tallyu@163.com
  • 基金资助:
    吉林省重点研发项目(20210201040GX);国家自然科学基金项目(51975249);重庆市自然科学基金项目(cstc2021jcyj-msxmX0935);吉林省教育厅项目(JJKH20220985KJ)

Reliability analysis of numerical control machine tools based on analytic network process and date enevalopment analys

Li-juan YU1,2,3(),Ang LIU1,2,3,Zhao-jun YANG1,2,Hai-long TIAN1,2,3(),Chuan-hai CHEN1,2,3,Jing-wen GAO2   

  1. 1.Key Laboratory of CNC Equipment Reliability，Ministry of Education，Jilin University，Changchun 130022，China
    2.College of Mechanical and Aerospace Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China
    3.Chongqing Research Institute，Jilin University，Chongqing 400037，China
  • Received:2021-11-15 Online:2022-02-01 Published:2022-02-17
  • Contact: Hai-long TIAN E-mail:tallyu@163.com;tianhl.jlu@foxmail.com

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183

摘要：

针对现有数控机床故障模式影响及危害分析（FMECA）中分析因素少、未考虑因素间相互影响、各因素权重相同等问题，将网络层次分析法（ANP）和数据包络分析OCD模型应用于数控机床使用阶段FMECA的研究，以各因素打分作为输入指标，以经济损失作为输出指标建立OCD模型，并得到各故障模式的效率值，进而提出一种计算风险优先数RPN的新方法，根据（RPN）值得到故障模式的危害度排序。以某型数控机床为例，应用该方法对其进行故障模式影响及危害性分析，验证了该方法的有效性。

关键词: 数控机床, 网络层次分析法, 数据包络分析, 模式影响及危害性分析

Abstract:

In view of the existing numerical control machine tool FMECA analysis factors are few， the interaction between factors is not considered and the weight of each factor is the same， the analytic network process（ANP ） and data envelopment analysis（OCD ） model are applied to the study of FMECA in the use stage of numerical control machine tool， with the score of each factor as the input index. Taking economic loss as output index， the OCD model is established and the efficiency value of each failure mode is obtained. Then a new method is proposed to calculate the risk priority number and the damage degree of failure mode is ranked according to RPN. Taking a numerical control machine tool as an example， the influence and effect of the failure modes are analyzed by using the proposed method， and the effectiveness of the proposed method is verified.

Key words: CNC machine tools, the analytic network process, date envelopment analysis, failure mode effects and criticality analysis

中图分类号: 

  • TH17

图1

风险因子指标结构图"

表1

故障发生频率等级划分表"

发生频率类别描述故障频率参考值评分
Ⅰ类经常发生>20%10
Ⅱ类有时发生10~20%7、8、9
Ⅲ类偶尔发生1~10%4、5、6
Ⅳ类较少发生0.1~1%2、3
Ⅴ类极少发生<0.1%1

表2

故障对机床危害等级划分表"

机床危害类别描述评分
Ⅰ类系统丧失规定功能，系统严重受损8、9、10
Ⅱ类系统规定功能减退，性能部分丧失4、5、6、7
Ⅲ类系统性能尚可接受1、2、3

表3

故障对人身危害等级划分表"

人身危害类别描述评分
Ⅰ类重大安全事故，可能引起人员伤亡8、9、10
Ⅱ类一般安全事故，可能引起人员伤亡4、5、6、7
Ⅲ类很小事故，基本不会引起人员伤亡1、2、3

表4

故障部位结构复杂性等级划分表"

故障部位结构复杂性类别描述评分
Ⅰ类非常复杂9、10
Ⅱ类复杂6、7、8
Ⅲ类一般3、4、5
Ⅴ类简单1、2

表5

故障检测成本等级划分表"

检测成本类别描述评分
Ⅰ类

几乎无法检测，若检测必须将部件

破坏或采用先进设备（非常高）

9、10
Ⅱ类

小机会检测出，仍需要低成本的

检测设备（高）

6、7、8
Ⅲ类当场检测出，不需要设备 （一般）3、4、5
Ⅳ类目视即可检测 （低）2
Ⅴ类可自动报警（很低）1

表6

可维护度的技术要求等级划分表"

技术要求类别描述评分
Ⅰ类需要修复要求非常高9、10
Ⅱ类需要修复技术要求比较高8、7、6
Ⅲ类需要修复技术要求一般5、4、3
Ⅳ类需要修复技术要求低2
Ⅴ类需要修复技术要求很低1

表7

可维护度的维护成本等级划分表"

维护成本类别描述评分
Ⅰ类维护成本非常高10
Ⅱ类维护成本比较高7、8、9
Ⅲ类维护成本一般4、5、6
Ⅳ类维护成本低2、3
Ⅴ类维护成本很低1

图2

典型网络层次分析法结构图"

表8

指标优势度释义表"

优势度优势度释义
1同样重要
3稍微重要
5明显重要
7非常重要
9极度重要
2、4、6、8重要程度介于上述标准之间
上述数值的倒数

i拥有上述不为0的值之一，与j比较时，

j的值与其互为倒数

表9

随机一致性指标表"

nR.I.
10.00
20.00
30.52
40.89
51.12
61.26
71.36
81.41

表10

数控车床主要故障"

序号系统故障模式主要故障原因
FM1主传动系统几何精度超标主轴中心线与导轨不平行，螺栓松动
FM2主传动系统机械零部件损坏轴承研伤损坏
FM3主传动系统预紧机构松动轴承预紧力小，松动，间隙过大
FM4主传动系统继电器损坏压力继电器故障，变频器故障
FM5刀架编码器损坏刀架编码器损坏，24 V电压没加上，锁紧开关位置变动
FM6刀架刀架失调电机断路，刀架卡死，液压换向阀卡死
FM7刀架继电器损坏刀架电压为24 V的线路断线，继电器输出接口被击穿
FM8CNC系统线路电缆断路光缆断线，控制板故障
FM9CNC系统线路板损坏系统故障，电源板故障
FM10CNC系统电源故障显示器损坏，24 V电源故障
FM11进给系统松动联轴节松动，齿轮比设置错误，镶条贴合不好
FM12进给系统驱动器损坏伺服模块故障
FM13进给系统电机损坏伺服电机故障，抱闸
FM14电气系统电子器件损坏传感器故障
FM15电气系统线路接触不良电源接触不良，变压器击穿
FM16液压系统液、气、油渗漏调压阀阀芯漏油
FM17液压系统液压油压力失调密封圈损坏，电磁阀故障，漏油
FM18排屑系统运动部件卡死链板卡死，离合器故障
FM19润滑系统润滑不良/无润滑润滑站电机故障，润滑计量件故障

表11

故障模式专家评分"

序号O1S1S2D1D2M1M2
FM18738668
FM26828856
FM37335433
FM45562234
FM56552224
FM67645443
FM76654634
FM84426522
FM93724635
FM103614635
FM117435644
FM125514554
FM134614246
FM146422332
FM154752334
FM167221222
FM177878877
FM184163232
FM198123131

图3

指标权重的网络分析模型"

表12

关于发生度O的判断矩阵"

OSDM权重
C.R.=0<0.1，判断矩阵具有较好的一致性
S1280.615 39
D1/2140.307 69
M1/81/410.076 92

表13

直接经济损失评分等级划分表"

直接经济损失描述评分
Ⅰ类非常高（机床价格的5%以上）10、9
Ⅱ类比较高（机床价格的3~5%）8、7、6
Ⅲ类一般（机床价格的1~3%）5、4、3
Ⅳ类低（机床价格的1‰~1%）2
Ⅴ类很低（机床价格的1‰以下）1

表14

间接经济损失评分等级划分表"

直接经济损失描述评分
Ⅰ类非常高（机床价格的10%以上）10、9
Ⅱ类比较高（机床价格的5~10%）8、7、6
Ⅲ类一般（机床价格的1~5%）5、4、3
Ⅳ类低（机床价格的1‰~1%）2
Ⅴ类很低（机床价格的1‰以下）1

表15

输出指标评价表"

序号E1E2序号E1E2序号E1E2
FM123FM817FM1522
FM257FM915FM1611
FM311FM1025FM1713
FM415FM1123FM1811
FM525FM1235FM1912
FM622FM1367
FM712FM1411

图4

评价指标集成图"

表16

故障模式评估结果表"

FM1FM2FM3FM4FM5FM6FM7FM8FM9FM10FM11FM12FM13FM14FM15FM16FM17FM18FM19
O11-0.000.001.670.000.001.340.000.000.000.002.890.000.000.000.000.001.000.000.00
S21-0.000.00-1.350.000.000.440.440.000.000.00-1.730.000.000.003.430.000.000.000.00
S22-0.000.001.000.000.00-0.330.560.000.000.001.280.000.000.001.160.005.000.000.00
D31-0.000.001.790.000.002.110.870.000.000.001.170.000.000.00-1.380.000.000.000.00
S22-0.000.000.330.000.000.882.870.000.000.001.950.000.000.000.530.000.000.000.00
M41-0.000.000.000.000.001.560.440.000.000.000.720.000.000.00-0.270.002.000.000.00
M42-0.000.000.000.000.00-1.33-0.380.000.000.00-0.620.000.000.000.230.001.000.000.00
φ1.001.003.061.001.001.942.651.001.001.001.661.001.001.001.431.003.001.001.00
η1.001.000.331.001.000.510.381.001.001.000.601.001.001.000.701.000.331.001.00

表17

故障模式RPN排序表"

序号改进后RPN值改进后排序
FM16.376
FM25.678
FM311.473
FM44.169
FM53.9512
FM68.914
FM712.612
FM83.0717
FM94.1510
FM103.8314
FM117.545
FM124.0211
FM133.9013
FM143.1415
FM156.017
FM162.6918
FM1722.071
FM183.1016
FM192.6519
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