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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221

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
1 杨兆军, 陈传海, 陈菲, 等. 数控机床可靠性技术的研究进展[J].机械工程学报, 2013, 49(20): 130-139.
Yang Zhao-jun, Chen Chuan-hai, Chen Fei, et al. Research progress on reliability technology of CNC machine tools[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(20): 130-139.
2 乔巍巍, 贾亚洲, 张海波, 等. 数控系统故障分析及可靠性提高措施[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2006, 36(): 69-72.
Qiao Wei-wei, Jia Ya-zhou, Zhang Hai-bo, et al. Numerical control system fault analysis and reliability improvement measure[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2006, 36(Sup.2): 69-72.
3 陈颖, 康锐. FMECA技术及其应用[M]. 2版. 北京: 国防工业出版社, 2014.
4 Renjith V R,Jose K M, Kumar P H, et al. Fuzzy FMECA(failure mode effect and criticality analysis) of LNG storage facility[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2018, 56: 537-547.
5 Liu Yong-kui, Kong Zhao-jun, Zhang Qing. Failure modes and effects analysis(FMEA) for the security of the supply chain system of the gas station in China[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2018, 164: 325-330.
6 Gajanand G, Rajesh P M.Comparative analysis of traditional and fuzzy FMECA approach for criticality analysis of conventional lathe machine[J]. International Journal of System Assurance Engineering and Management, 2020, 11(2): 379-386.
7 章浩然, 洪荣晶, 陈复兴, 等. 基于FMECA和模糊评判的数控机床可靠性分析方法[J]. 制造技术与机床, 2020(11): 125-129.
Zhang Hao-ran, Hong Rong-jing, Chen Fu-xing, et al.Reliability analysis method of CNC machine tools on FMECA and fuzzy evaluation[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2020(11): 125-129.
8 刘泽锐, 王红军, 李颖, 等. 基于数控机床FMECA与改进RPN的系统危害性评价方法[J]. 制造技术与机床, 2020(11): 40-45.
Liu Ze-rui, Wang Hong-jun, Li Ying, et al. System hazard evaluation method based on numerical control machine tool FMECA and improved RPN[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2020(11): 40-45.
9 申桂香, 贾亚洲, 马健, 等. CNC机床故障分析及其可靠性[J]. 中国机械工程, 1996(6): 67-69, 124.
Shen Gui-xiang, Jia Ya-zhou, Ma Jian, et al. Failure analysis and reliability of CNC machine tools[J]. China Mechanical Engineering, 1996(6): 67-69, 124.
10 牛东晓, 李金超. 电力能源综合评价理论[M]. 北京: 中国电力出版社, 2014.
11 唐小丽, 冯俊文. ANP原理及其运用展望[J]. 统计与决策, 2006(12): 138-140.
Tang Xiao-li, Feng Jun-wen. ANP principle and its application prospects[J]. Statistics and Decision, 2006(12): 138-140.
12 王恒田, 杨晓龙. 基于网络层次分析法的平价上网光伏电站站址优选的决策研究[J]. 太阳能, 2020(12): 24-32.
Wang Heng-tian, Yang Xiao-long. Decision-making research on site selection of affordable photovoltaic power station based on network analytic hierarchy process [J]. Solar Energy, 2020(12): 24-32.
13 孙铭忆. 层次分析法(AHP)与网络层次分析法(ANP)的比较[J]. 中外企业家, 2014(10): 67-68.
Sun Ming-Yi. Comparison between AHP and network analytic hierarchy process(ANP)[J]. Chinese and Foreign Entrepreneurs, 2014(10): 67-68.
14 李学平. 用层次分析法求指标权重的标度方法的探讨[J]. 北京邮电大学学报: 社会科学版, 2001(1): 25-27.
Li Xue-ping. Discussion on the scaling method of using analytic hierarchy process to obtain index weight[J]. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications(Social Science Edition), 2001(1): 25-27.
15 陈传海, 杨兆军, 陈菲, 等. 基于模糊数据包络分析的数控机床故障模式分析[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2013, 43(6): 1523-1528.
Chen Chuan-hai, Yang Zhao-jun, Chen Fei, et al.Analysis of failure modes of CNC machine tools based on fuzzy data envelopment analysis[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2013, 43(6): 1523-1528.
16 Kong W H, Fu T T. Assessing the performance of business colleges in Taiwan using data envelopment analysis and student based value added performance indicators [J]. Omega, 2012, 40(5): 541-549.
17 Chen T Y. Measuring firm performance with DEA and prior information in Taiwan's banks[J]. Applied Economics Letters, 2002, 9(3): 201-204.
18 Banker R D, Charnes A, Cooper W W. Some models for estimating technical and scale inefficiencies in data envelopment analysis[J]. Management Science, 1984, 30(9): 1078-1092.
19 马占新. 数据包络分析方法的研究进展[J]. 系统工程与电子技术, 2002, 24(3): 42-46.
Ma Zhan-xin. Research progress of data envelopment analysis methods[J]. System Engineering and Electronic Technology, 2002, 24(3): 42-46.
20 曹莉, 马占新, 马生昀. 复杂多层次指标合成技术及效率分析[J]. 运筹学学报, 2020, 24(4): 39-50.
Cao Li, Ma Zhan-xin, Ma Sheng-yun. Complex multi-level index synthesis technology and efficiency analysis[J]. Journal of Operations Research, 2020, 24(4): 39-50.
[1] 陈传海,王成功,杨兆军,刘志峰,田海龙. 数控机床可靠性建模研究现状及发展动态分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(2): 253-266.
[2] 章子玲,胡雄,亓寅,王微,陶志强,刘志峰. 基于向量投影响应面的数控机床几何误差分配方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(2): 384-391.
[3] 李国龙,陶小会,徐凯,李喆裕. 数控机床转台位置相关几何误差的快速测量与辨识[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(2): 458-467.
[4] 李洪洲, 杨兆军, 许彬彬, 王彦鹍, 贾玉辉, 侯超. 数控机床可靠性评估试验周期设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1520-1527.
[5] 齐兴达, 李显君, 刘丝雨, 孟东晖. 基于数据包络分析和主成分分析的产业技术创新能力差异化研究[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(3): 1017-1023.
[6] 杨兆军, 杨川贵, 陈菲, 郝庆波, 郑志同, 王松. 基于PSO算法和SVR模型的加工中心可靠性模型参数估计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(3): 829-836.
[7] 陈传海, 杨兆军, 陈菲, 郝庆波, 许彬彬, 阚英男. 基于Bootstrap-Bayes的加工中心主轴可靠性建模[J]. 吉林大学学报(工学版), 2014, 44(01): 95-100.
[8] 陈传海, 杨兆军, 陈菲, 郝庆波, 许彬彬, 阚英男. 基于模糊数据包络分析的数控机床故障模式分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(06): 1523-1528.
[9] 朱伟权, 杨晓光, 滕靖. 基于数据包络分析和随机前沿分析的公交线路绩效的外部运营环境影响分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(05): 1215-1221.
[10] 李小兵, 杨兆军, 李国发, 赵宏伟, 陈菲, 朱晓翠. 基于函数性数据分析的数控机床瞬时可用度建模[J]. , 2012, 42(05): 1151-1156.
[11] 许彬彬, 杨兆军, 陈菲, 郝庆波, 赵宏伟, 李国发. 非齐次泊松过程的数控机床可靠性建模[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(增刊2): 210-214.
[12] 魏领会1,2,申桂香1,张英芝1,陈炳锟1,薛玉霞1. 数控机床可用度建模与仿真[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(4): 993-997.
[13] 贾志新, 张宏斌, 郗安民. 利用神经网络扩充数控机床可靠性数据[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(02): 403-0407.
[14] 申桂香,邵娜,张英芝,何宇,郑锐,陈炳锟. 基于可拓学理论的数控机床可靠性评价[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(01): 106-0109.
[15] 申桂香, 樊少华, 张英芝, 李威, 何宇, 郑锐. 数控机床子系统可靠性影响度分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(增刊): 266-0269.
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