基于性能参数的数控装备服役可靠性评估方法与应用

论文摘要

国产数控装备的可靠性是制约数控装备行业发展的重大共性和关键性工程问题之一。作为一种对数控装备可靠性进行定量控制的必要手段,数控装备服役可靠性评估的主要任务是衡量数控装备是否达到预期的设计目标及使用要求,指出数控装备运行中的薄弱环节,为改进数控装备的设计、制造、工艺与维护等指明方向,从而实现数控装备的可靠性增长,保证数控装备长期安全可靠运行。本文根据数控装备的固有特征,分别从理论方法、工程应用、软件系统三个层面对数控装备服役可靠性评估进行了较为深入系统地研究与探索。首先,综述了目前数控装备可靠性研究及其相关领域的理论方法和研究现状,指出传统的基于二元状态(正常和故障)的可靠性评估研究的诸多缺陷。在此基础上,定义数控装备服役可靠性评估的内涵,给出数控装备服役可靠性指标,提出数控装备服役可靠性评估的核心内容与方法。构建数控装备服役可靠性评估的三层结构,并论述数控装备的性能状态监测与加工过程动力学建模方法。围绕着数控装备服役可靠性评估的三层结构,开展基于性能参数的数控装备服役可靠性评估研究,具体包括:(1)分析了数控装备使用过程中的性能劣化现象,考虑性能状态变化特征,提出基于性能状态监测的数控装备性能劣化建模与分析的原理。建立基于非平稳ARIMA时间序列法的数控装备性能劣化模型,探索数控装备的性能劣化时变性规律。引入离散隐Markov链分析多观测序列下数控装备可靠性变动状况,较好地解决了数控装备使用过程中所观测到的性能特征参数不能与性能状态——对应的问题。在此过程中,采用Lloyd算法实现性能特征参数的矢量量化,建立性能劣化的状态变迁模型及其可靠性变动计算模型,该方法能够准确地感知数控装备隐状态变迁过程,并能推断数控装备完成规定功能的概率以及处于不同状态下的概率。(2)分析了传统方法应用于数控装备服役可靠性评估时的困境,考虑数控装备结构特性和加工工艺特征等因素,采用动力学建模手段,分析数控装备处于某一性能状态时不同因素对数控装备输出性能的影响,提出小样本条件下数控装备服役可靠性评估的新思路。引入统计学习理论(SLT),建立数控装备服役可靠性评估模型,并给出相应的模型选择算法和模型求解算法,得到数控装备在某一性能状态下的概率型可靠性指标。在此基础上,将Bootstrap与SLT相结合进行可靠性置信区间估算,并对评估结果进行可靠性敏感度和重要度分析,以发现影响服役可靠性的最敏感因素以及不同单元对系统服役可靠性影响的重要度顺序等。该方法较好地解决了小样本条件下数控装备服役可靠性评估中非线性、评估准确度低等问题,提高了数控装备服役可靠性评估模型的稳健性和准确性。(3)以数控DM4600型立式铣床为研究对象,通过结构综合动刚度实验和铣削力实验,得到相应的动力学模型参数和铣削力模型参数,建立该装备的铣削加工过程非线性动力学模型,并进行实验校验。在此基础上,采用仿真手段分析数控装备机械结构与工艺系统的动态特性对数控装备铣削加工输出性能的影响,进而对数控装备在一个加工周期内的服役可靠性进行了评估。(4)自主设计与开发了数控装备可靠性建模与评估(MRME)原型软件系统,介绍系统的功能模块及特点,并以具体的工程应用实例为例演示MRME系统的运行过程。最后,对全文进行总结,指出进一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 英文缩写含义索引表
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 数控装备可靠性研究综述
• 1.3 性能劣化建模与分析方法综述
• 1.4 小样本条件下可靠性评估方法综述
• 1.5 综述总结与问题提出
• 1.6 课题来源和本文研究工作的意义
• 1.7 本文的主要内容
• 2 数控装备服役可靠性评估的体系框架
• 2.1 数控装备服役可靠性评估的内涵
• 2.2 数控装备服役可靠性评估的三层结构
• 2.3 数控装备的性能状态监测与加工过程动力学建模
• 2.4 本章小结
• 3 数控装备的性能劣化建模与分析方法
• 3.1 问题分析
• 3.2 数控装备性能劣化建模与分析的原理
• 3.3 数控装备的性能劣化建模方法
• 3.4 隐Markov链及算法改进
• 3.5 多观测序列下基于隐Markov链的数控装备可靠性分析
• 3.6 实例分析
• 3.7 本章小结
• 4 小样本条件下数控装备的服役可靠性评估方法
• 4.1 问题分析
• 4.2 小样本条件下数控装备服役可靠性评估的思路
• 4.3 统计学习理论及算法改进
• 4.4 基于统计学习理论的数控装备服役可靠性评估建模
• 4.5 服役可靠性评估的置信区间估算
• 4.6 服役可靠性评估的敏感度与重要度分析
• 4.7 实例分析
• 4.8 本章小结
• 5 基于动力学模型的数控装备服役可靠性评估应用及系统开发
• 5.1 数控 DM4600型立式铣床的简介
• 5.2 数控装备铣削加工过程的非线性动力学模型
• 5.3 数控装备的铣削加工过程动力学实验
• 5.4 数控装备铣削过程非线性动力学模型校验
• 5.5 数控装备铣削加工过程的仿真分析
• 5.6 数控装备服役可靠性评估
• 5.7 MRME系统的开发与运行实例
• 5.8 本章小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 附录 2 攻读博士学位期间申请的软件著作权
• 附录 3 攻读博士学位期间参加的科研项目