本發(fā)明涉及機械設(shè)備的一種可靠性分析方法，特別的涉及一種基于元動作單元的任務(wù)可靠性預(yù)計分析方法。

背景技術(shù)：

機械設(shè)備的可靠性尤其是機床的可靠性在國內(nèi)外引起了越來越多的關(guān)注，設(shè)備可靠性研究可以為設(shè)計、加工和裝配過程提供指導(dǎo)，進(jìn)而提升設(shè)備自身使用精度和使用壽命，同時能夠在很大程度上改善設(shè)備加工制造和維修過程中的經(jīng)濟(jì)性。目前最為主流的可靠性預(yù)計方法是通過結(jié)構(gòu)分解的方法將整個系統(tǒng)分解到零部件級別，再計算零部件的可靠性指標(biāo)，最后從零部件的可靠性指標(biāo)推算整個系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，從而對設(shè)計加工進(jìn)行指導(dǎo)。然而對于機構(gòu)復(fù)雜、工況多變、載荷多變或故障模式繁多的機械系統(tǒng)，將結(jié)構(gòu)分解到零部件再進(jìn)行可靠性分析的工作量非常巨大，而且中間過程的增多對最終結(jié)果的影響也會相應(yīng)提升。由此專家提出將基于結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解的方法轉(zhuǎn)化為基于功能進(jìn)行分解的方法，即將機械系統(tǒng)的總功能按照“功能—運動—動作”的分解流程，分解成不能進(jìn)一步再分解的最小動作單元，稱為元動作單元，將對零部件的可靠性研究轉(zhuǎn)移為對元動作單元的可靠性研究。目前已有學(xué)者從元動作單元層面進(jìn)行了故障模式、影響和危害性分析(fmeca)以及元動作單元故障的根本原因的定性定量分析(故障樹分析fta)。

但是，機械設(shè)備的可靠性分析技術(shù)是一個系統(tǒng)性的分析技術(shù)，必須做到層層推進(jìn)，在fmeca和fta分析之前對系統(tǒng)可靠性的預(yù)計和分配研究是必不可少的，而任務(wù)可靠性是機械系統(tǒng)能在規(guī)定條件下完成其功能的重要體現(xiàn)，然而現(xiàn)有任務(wù)可靠性預(yù)計方法的準(zhǔn)確性還有待提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：如何提供一種基于元動作單元的任務(wù)可靠性預(yù)計分析方法，將對機械零部件的可靠性預(yù)計轉(zhuǎn)變?yōu)閷υ獎幼鲉卧目煽啃灶A(yù)計，基于元動作單元結(jié)構(gòu)簡單、安裝形式單一的特點，能夠更加方便的對其應(yīng)用相似產(chǎn)品預(yù)計法進(jìn)行可靠性預(yù)計。另外，對待評估元動作單元和相似元動作單元之間的相似性進(jìn)行了量化分析，提高了應(yīng)用相似產(chǎn)品法進(jìn)行可靠性預(yù)計的準(zhǔn)確性。最后，從運動和功能角度進(jìn)行可靠性預(yù)計，更好的與機械設(shè)備任務(wù)可靠性進(jìn)行聯(lián)系。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種基于元動作單元的任務(wù)可靠性預(yù)計分析方法，包括如下步驟：

a、將整機按照功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解至子系統(tǒng)，再將各子系統(tǒng)按照“功能—運動—動作”的步驟逐步分解到元動作單元層；

b、根據(jù)整機的技術(shù)要求和用戶需求，確定整機的任務(wù)可靠性指標(biāo)，并將可靠性指標(biāo)分配到步驟a中的各子系統(tǒng)中，確定各子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；

c、采用相似產(chǎn)品法找出與所述步驟a中的各元動作單元相對應(yīng)的相似單元，將影響元動作單元與相似單元之間的相似程度的因素作為相似性評價點，對二者的相似性進(jìn)行量化分析，確定各評價點對可靠性的相對影響程度；然后應(yīng)用模糊綜合評判法對相似單元的可靠性數(shù)據(jù)和相似單元與元動作單元之間的相似性進(jìn)行綜合分析，從而求出元動作單元的可靠性預(yù)計值；

d、根據(jù)各子系統(tǒng)的功能實現(xiàn)過程，建立元動作—運動—子系統(tǒng)功能之間的關(guān)系模型，結(jié)合步驟c中得到的元動作單元的可靠性預(yù)計值對運動可靠性和子系統(tǒng)功能可靠性進(jìn)行預(yù)計，得到各子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；

e、將步驟d中得到的各子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)分別與步驟b中該子系統(tǒng)分配的可靠性指標(biāo)進(jìn)行比較，若各子系統(tǒng)在步驟b中分配的可靠性指標(biāo)均小于步驟d中求解的可靠性指標(biāo)，則完成系統(tǒng)可靠性的預(yù)計和分配；否則，重復(fù)步驟b～e。

在傳統(tǒng)的可靠性預(yù)計中機械設(shè)備設(shè)計階段的可靠性預(yù)計通常應(yīng)用相似產(chǎn)品法和評分預(yù)計法，但相似產(chǎn)品法對新研制的產(chǎn)品或者結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的產(chǎn)品應(yīng)用比較困難，而且對相似程度的高低沒有進(jìn)行明確的界定，對于復(fù)雜機械系統(tǒng)或者子系統(tǒng)來說要界定相似程度也比較困難。本發(fā)明將元動作單元引入到可靠性預(yù)計技術(shù)中，將針對零部件的相似產(chǎn)品預(yù)計方法轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍υ獎幼鲉卧南嗨飘a(chǎn)品預(yù)計。由于元動作單元是將機械功能進(jìn)行最大程度劃分的結(jié)果，其運動形式只包含“轉(zhuǎn)動”和“移動”，安裝結(jié)構(gòu)只包含元動作執(zhí)行件及相關(guān)聯(lián)的支撐件和緊固件，因此其運動形式簡單，安裝方式單一，這使得尋找元動作單元的相似單元與尋找復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)的相似產(chǎn)品相比容易得多。而且，針對元動作單元所尋找的相似單元的相似性也較高。另外，本發(fā)明對相似單元數(shù)據(jù)和待評估單元同相似單元之間的相似性進(jìn)行了綜合分析，從而求出可信性較高的元動作單元可靠性預(yù)計值。最后，在元動作單元可靠性預(yù)計的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對運動和功能進(jìn)行了可靠性預(yù)計，保證了產(chǎn)品任務(wù)可靠性預(yù)計的有效性。

進(jìn)一步的，所述步驟c中，還包括如下步驟：

c1、確定元動作單元的相似單元后，收集該相似單元的故障數(shù)據(jù)，并對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到該相似單元的可靠性指標(biāo)的范圍為r1～r2；

c2、將影響元動作單元與相似單元之間的相似程度的因素作為相似性評價點，建立相似性評價點集為

u＝(u1，u2，u3,…,un)

其中，u1～un表示各相似性評價點；

c3、在相似單元的可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各相似性評價點進(jìn)行初步分析，得到待評估元動作單元的可靠性范圍為并在此范圍內(nèi)間隔取值建立待評估元動作單元可靠性指標(biāo)的備擇集為

v＝(v1，v2，v3,…,vp)；

c4、將在各相似性評價點下的相似程度分為“完全不相似、少量不相似、相似、很相似和非常相似”五個等級，用三角正模糊數(shù)對這5個等級進(jìn)行標(biāo)度，三角模糊數(shù)為三元組(l，m，μ)，其中，l和μ分別為三角模糊數(shù)的上限和下限，中間值m為標(biāo)度值；

c5、對n個相似性評價點進(jìn)行m次相互獨立的相似程度評價，第k次對n個相似性評價點的評價結(jié)果用向量表示

其中，表示第k次評價時對相似性評價點i的評價結(jié)果，i＝1，2,3…n；

c6、綜合m次相互獨立的相似程度的評價結(jié)果，對第i個相似性評價點的綜合評價結(jié)果為取

li＝min(lki)

μi＝max(μki)

上式中i＝1,2,3…n,k＝1,2,3…m，則對n個相似性評價點的相似性的綜合評價向量可表示為：

c7、采用層次分析法中判斷矩陣的構(gòu)建原理對各評價點進(jìn)行相似性比較，確定各評價點的相似性對可靠性的相對影響程度；對向量中的綜合評價結(jié)果進(jìn)行兩兩比較得出相似性模糊比較矩陣

矩陣中的元素為第i個相似性評價點的相似性綜合評價結(jié)果和第j個相似性評價點的相似性綜合評價結(jié)果的比值，即

c8、通過模糊運算，求出各個相似性評價點對可靠性的相對影響程度

式中i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…n，由此將各評價點對可靠性的相對影響程度用向量表示：

c9、采用模糊綜合評判法對待評估元動作單元進(jìn)行可靠性預(yù)計，針對各相似性評價點對備擇集中p個元素進(jìn)行m次隸屬度評價，對同一備擇元素進(jìn)行m次隸屬度評價的平均值作為該元素的隸屬度評價結(jié)果，得到第i個相似性評價點下備擇集中各元素的隸屬度向量為

其中，i＝1,2,3…n，進(jìn)而得到考慮所有相似性評價點得出隸屬度模糊綜合評判矩陣

c10、綜合考慮隸屬度矩陣和各評價點對可靠性的相對影響向量得到綜合評價指標(biāo)向量

式中“?！笔悄：阕樱@里表示“×”；將中的元素作為權(quán)數(shù)對備擇集v中的各元素vε進(jìn)行加權(quán)平均，并將結(jié)果作為待評估元動作單元的可靠性指標(biāo)，即：

式中ε＝1,2,3…p，求解的λ截集將模糊數(shù)作為常數(shù)區(qū)間求其平均值作為待評估元動作單元的可靠性預(yù)計結(jié)果r，即

式中和分別為模糊數(shù)的上下限。

進(jìn)一步的，所述步驟d中的關(guān)系模型由多個基本關(guān)系模型組合而成，所述基本關(guān)系模型包括串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、混聯(lián)模型、表決型模型、旁聯(lián)模型或橋聯(lián)模型。

綜上所述，本發(fā)明將對機械零部件的可靠性預(yù)計轉(zhuǎn)變?yōu)閷υ獎幼鲉卧目煽啃灶A(yù)計，基于元動作單元結(jié)構(gòu)簡單、安裝形式單一的特點，能夠更加方便的對其應(yīng)用相似產(chǎn)品預(yù)計法進(jìn)行可靠性預(yù)計。另外，對待評估單元和相似單元之間的相似程度進(jìn)行了定量分析，提高了相似產(chǎn)品法進(jìn)行可靠性預(yù)計的準(zhǔn)確性。最后，從運動和功能角度進(jìn)行可靠性預(yù)計，更好的與機械設(shè)備任務(wù)可靠性進(jìn)行了聯(lián)系。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程示意圖。

圖2為fma分解模型。

圖3為數(shù)控機床子系統(tǒng)的劃分示意圖。

圖4為進(jìn)給傳動系統(tǒng)元動作的劃分示意圖。

圖5為絲桿轉(zhuǎn)動元動作單元的結(jié)構(gòu)簡圖(不包含螺母)。

具體實施方式

下面結(jié)合數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)對本發(fā)明的具體實施過程進(jìn)行說明。

具體實施時：先按照“功能(function)--運動(motion)--動作(action)”(fma)分解模型將數(shù)控機床整機功能映射到子系統(tǒng)功能層，并完成子系統(tǒng)劃分，fma分解模型如圖2。對數(shù)控機床進(jìn)行分析，可將其劃分為主軸系統(tǒng)、進(jìn)給傳動系統(tǒng)、托盤交換架系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)、切削處理系統(tǒng)和分度系統(tǒng)，子系統(tǒng)分解結(jié)果見圖3，整機功能的實現(xiàn)依靠各個子系統(tǒng)分別完成相應(yīng)的加工、傳動、更換工件、更換刀具、切削處理等一些列子系統(tǒng)功能進(jìn)行保證。以進(jìn)給傳動系統(tǒng)為例將其按照圖2中的fma分解模型劃分到元動作層，分解結(jié)果如圖4。通過上述分解可見，元動作都是機械系統(tǒng)中最為基本的運動形式，在大多數(shù)機械設(shè)備中都可以找到，故其相似產(chǎn)品的尋找比較容易，而且元動作單元的組成和安裝都比較固定。以圖4中絲杠轉(zhuǎn)動元動作單元為例，其結(jié)構(gòu)單元一般包含動作執(zhí)行件絲桿，支撐件軸承、支撐座和機架，緊固件螺釘、螺母等，其一般安裝形式如圖5(不包含螺母)所示。

根據(jù)數(shù)控機床使用方要求，確定其任務(wù)可靠性指標(biāo)，并將可靠性指標(biāo)分配給各個子系統(tǒng)，將各個子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)依照圖3中的順序分別命名為z1～z6，則進(jìn)給傳動系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)為z2。

以絲杠轉(zhuǎn)動元動作單元為例，對其進(jìn)行可靠性預(yù)計。假設(shè)現(xiàn)已找到多臺某型號機械設(shè)備中絲桿轉(zhuǎn)動元動作單元與待評估絲桿轉(zhuǎn)動元動單元相似，對這些設(shè)備中的相似元動作單元分別進(jìn)行故障數(shù)據(jù)收集(在收集故障數(shù)據(jù)時，應(yīng)以元動作單元動作不能完成為分析目標(biāo)，比如動作超程、不能動作、動作卡頓等)，然后對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算求出各相似單元的可靠性指標(biāo)，通過這幾個有限的可靠性指標(biāo)值，可以估計相似單元的可靠性的范圍，設(shè)為r1～r2。

待評估絲桿轉(zhuǎn)動單元和相似單元在某些方面不能完全一樣，例如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能、設(shè)計、材料和制造工藝、使用剖面等，兩相似單元之間這些因素的相似程度不同對可靠性的影響程度也不相同，在進(jìn)行分析時可將這些因素作為相似性評價點進(jìn)行相似性量化分析，并確定各評價點因相似性不同對可靠性的相對影響程度，最后應(yīng)用模糊綜合評判法對相似單元數(shù)據(jù)和相似性進(jìn)行綜合分析求解待評估絲桿轉(zhuǎn)動單元的靠性度，具體方法如下：

(1)首先建立相似性評價點集和待評估單元可靠性指標(biāo)備擇集。實際應(yīng)用過程中可根據(jù)實際對上述評價點進(jìn)增減和展開，假設(shè)所選評價點用u1～un表示，則評價點集為：

u＝(u1，u2，u3,…,un)

前面通過相似產(chǎn)品法求出了相似單元的可靠性范圍在r1～r2之間，在各因素的影響下，待評估絲桿轉(zhuǎn)動單元的可靠性水平相對于相似單元會升高或降低，例如待評估絲桿轉(zhuǎn)動單元的工作環(huán)境更惡劣時，其可靠性相應(yīng)有所降低，但待評估絲桿轉(zhuǎn)動單元中關(guān)鍵零件(如絲杠)若采用了更好的材料和加工工藝，則會提高其可靠性。由此待評估絲桿轉(zhuǎn)動單元的可靠性范圍可在相似單元得出的可靠性范圍的基礎(chǔ)上適當(dāng)擴(kuò)大為擴(kuò)大原則為：根據(jù)待評估單元和選取的相似單元間差異較大且相對重要的評價點進(jìn)行判定，具體增大范圍由經(jīng)驗豐富的專家進(jìn)行確定。此范圍不易變化太大，否則會加大專家評分的難度和不確定性，在此范圍取合理間隔的可靠性數(shù)據(jù)值構(gòu)成待評估絲桿轉(zhuǎn)動元動作單元的可靠性可靠性指標(biāo)備擇集：

v＝(v1，v2，v3,…,vp)

(2)然后求解評價點因相似性不同對可靠性的相對影響程度向量由于各評價點的相似性是一個模糊概念，這里應(yīng)用模糊理論對其進(jìn)行評分量化。

為便于專家評分，將各個評價點的相似程度分成五個等級，即“完全不相似、少量不相似、相似、很相似、非常相似”，用三角正模糊數(shù)(tfn)這5個等級進(jìn)行標(biāo)度。三角模糊數(shù)通常用三元組(l，m，μ)表示，標(biāo)度值中的數(shù)值代表三角模糊數(shù)的中間值m，l和μ分別為三角模糊數(shù)的上下限，當(dāng)兩者之間的差值δ＝μ-l越大時，所表示的模糊性也就越大，在專家評價過程中l(wèi)和μ由專家評定。使用模糊數(shù)進(jìn)行評分可使評分結(jié)果更符合實際。

從專家?guī)熘衅刚坢位專家(專家應(yīng)覆蓋到設(shè)計人員、加工人員、裝配人員和質(zhì)量管理人員)對n個評價點進(jìn)行相似性評價。第k個專家對n個評價點的評價結(jié)果用向量表示，設(shè)：

其中表示第k個專家對評價點i的評價結(jié)果。對m位專家的評價結(jié)果進(jìn)行處理，使得：

li＝min(lki)

μi＝max(μki)

上式中i＝1,2,3…n,k＝1,2,3…m。令則m位專家對n個評價點相似性的綜合評價向量可表示為：

得出各個評價點的評價結(jié)果后，采用層次分析法中評判矩陣構(gòu)建原理對結(jié)果進(jìn)行兩兩比較得出相似性模糊比較矩陣：

矩陣中的元素為第i個評價點和第j個評價點評分結(jié)果的比值，即：

由此可知，矩陣b為模糊互反矩陣，即：

當(dāng)評價點的相似性越高時，其對元動手單元的可靠性影響就越??；反之，對可靠性的影響就越大，則通過對各相似性評價點的相似進(jìn)行比較分析，可確定各評價點因相似性不同對可靠性的相對影響程度。對上述模糊比較矩陣進(jìn)行模糊運算，可求出各個評價點的相對影響程度值

式中i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…n。

由此求出各評價點相似性不同對可靠性的相對影響程度向量：

(3)最后在相似單元數(shù)據(jù)分析和處理得出的待評估單元可靠性備擇集基礎(chǔ)上，通過模糊綜合評判法對待評估絲桿轉(zhuǎn)動單元可靠性備擇集元素進(jìn)行隸屬度評價并求出待評估單元的可靠性指標(biāo)。由于隸屬度同樣具有模糊性，依然可用三角模糊數(shù)對其進(jìn)行評價。假設(shè)針對第i個評價點m位專家對待評估單元可靠性備擇集中p個元素的隸屬度評價如表1所示。

表1針對評價點i對各備擇集元素隸屬度評價

求出m位專家對同一備擇集元素評價的平均值作為評價結(jié)果，則對于相似性評價點i各備擇集元素的隸屬度向量為：

其中i＝1,2,3…n，考慮所有評價點得出隸屬度模糊綜合評判矩陣：

綜合考慮隸屬度模糊綜合評判矩陣和各評價點對可靠性的相對影響程度得綜合評價指標(biāo)向量：

式中“?！笔悄：阕樱@里表示“×”。

將d中的元素作為權(quán)數(shù)對各備擇集元素vε進(jìn)行加權(quán)平均，并將結(jié)果作為待評估絲杠轉(zhuǎn)動元動作單元的可靠性度，即：

式中ε＝1,2,3…p，所求結(jié)果也是一個模糊數(shù)，即是一個區(qū)間值，當(dāng)可靠性要求較高時可通過求解的λ截集來提高預(yù)計值的精確度，最后可將模糊數(shù)當(dāng)做普通常數(shù)區(qū)間求其平均值作為待評估絲桿轉(zhuǎn)動單元的可靠性預(yù)計結(jié)果r，即：

式中分別為模糊數(shù)的上下限。

預(yù)計出元動作單元的可靠性指標(biāo)后，由于子系統(tǒng)的功能都是由各個元動作單元前后驅(qū)動完成的，從任務(wù)可靠性角度出發(fā)，首先以實現(xiàn)運動為目標(biāo)分析動作傳遞過程，建立運動和動作之間的關(guān)系模型，并通過關(guān)系模型計算運動可靠性；然后以子系統(tǒng)完成具體功能為目標(biāo)建立運動和功能之間的關(guān)系模型，通過此關(guān)系模型進(jìn)一步對子系統(tǒng)功能可靠性進(jìn)行求解(如需對整機進(jìn)行任務(wù)可靠性預(yù)計，還應(yīng)建立子系統(tǒng)功能同整機功能之間的關(guān)系模型)。通常關(guān)系模型中包含的基本模型有：串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、混聯(lián)模型、表決型模型、旁聯(lián)模型、橋聯(lián)模型。值得注意的是，建模的依據(jù)是各元動作單元之間的功能關(guān)系(運動關(guān)系)而不是結(jié)構(gòu)關(guān)系(裝配關(guān)系)。復(fù)雜系統(tǒng)中的關(guān)系模型也比較復(fù)雜，但都是由這些基本的關(guān)系模型組合而成，其中較常見的基本模型為：串聯(lián)模型、并聯(lián)模型和混聯(lián)模型。在元動作單元可靠性指標(biāo)已求出的基礎(chǔ)上根據(jù)關(guān)系模型可進(jìn)行運動和子系統(tǒng)功能可靠性指標(biāo)求解。假設(shè)各單元壽命服從指數(shù)分布，則上述基本關(guān)系模型中常見基本模型(串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、混聯(lián)模型)求解公式見表2(其他模型求解公式可查《型號可靠性工程》)。重復(fù)以上方法可以求出進(jìn)給系統(tǒng)中各個元動作單元的可靠性指標(biāo)，此處進(jìn)給系統(tǒng)沿各坐標(biāo)軸進(jìn)給運動是通過各元動作串聯(lián)完成的，故可按照表2中串聯(lián)模型求解公式對進(jìn)給運動可靠性進(jìn)行求解，由于進(jìn)給系統(tǒng)只完成各軸向的進(jìn)給運動，故運動可靠性即為功能可靠性。

表2常見基本模型及其求解公式

利用同樣的方法即可求解其他子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，最后將求得的子系統(tǒng)可靠性指標(biāo)同步驟b中分配的可靠性指標(biāo)z1～z5進(jìn)行對比，如果預(yù)計結(jié)果中某些系統(tǒng)的可靠性水平較分配值大，則表示現(xiàn)有技術(shù)下這些系統(tǒng)能達(dá)到較分配結(jié)果更高的可靠性要求，這時可對原機械設(shè)備中薄弱環(huán)節(jié)的預(yù)計和分配進(jìn)行比較，確定是否需要重新進(jìn)行可靠性分配，以便對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行降額設(shè)計；若預(yù)計結(jié)果中某系統(tǒng)的可靠性水平較分配值小，則表示現(xiàn)有技術(shù)下該系統(tǒng)的可靠性達(dá)不到分配要求，這時必須對該系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，以保證其可靠性；這兩種情況同時存在時，表示原機械設(shè)備的可靠性在子系統(tǒng)層面的分配或預(yù)計結(jié)果不合理，必須進(jìn)行重新分配或預(yù)計。通過預(yù)計過程與分配過程的相輔相成、相互迭代，不斷改進(jìn)設(shè)計中的缺陷，能有效提高新研制產(chǎn)品的可靠性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不以本發(fā)明為限制，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。