數控系統可靠性控制模型研究*

張海波 賈亞洲

（①東北電力大學能源與機械工程學院，吉林 長春 132012；②吉林大學機械科學與工程學院，吉林 長春 130025）

數控系統可靠性控制模型研究*

張海波①賈亞洲②

（①東北電力大學能源與機械工程學院，吉林 長春 132012；②吉林大學機械科學與工程學院，吉林 長春 130025）

對在進行數控系統設計時應考慮的其全壽命周期各個階段的可靠性工作進行了論述，提出了數控系統的可靠性控制模型，為數控系統的可靠性設計工作的開展提供了理論基礎。

數控系統 可靠性設計 全壽命周期

加強可靠性工作是數控系統廠家在產品開發過程中的重要內容，在數控系統產品開發過程及各子系統設計活動中，都存在著可靠性的分析與設計[1-2]，而且可靠性工程也一直貫穿于數控系統產品全壽命周期。數控系統的全壽命周期包括了概念與定義、設計與開發、生產、安裝和調試、運行和維修、報廢處理等階段[3-4]，無論在哪個階段忽視了可靠性工作，都將給數控系統產品的可靠性帶來隱患。當然，在數控系統產品全壽命周期的各階段可靠性工作的重點不同，開展的工作也不一樣，在數控系統產品進行設計開發時要對上述全壽命周期的各個階段的可靠性工作進行有效的規劃與控制。本文對在進行設計活動時應考慮的各個階段的可靠性工作進行了論述。

1 數控系統全壽命周期的可靠性工作

1.1 概念和定義階段

在此階段，定義要開發的數控系統產品，確定產品的需求和制訂產品初步開發計劃。對數控系統來說，要確定系統的類型、規格、性能指標、可靠性、壽命周期費用和市場定位等。這個階段對數控系統產品的可靠性和全壽命周期成本的影響最大。

本階段的可靠性工作就是廣泛收集國內外同類型數控系統的可靠性指標和本廠同類型和相似類型的數控系統產品的可靠性數據，并根據市場對可靠性的需求（經濟型、普及型、高級型），確定合適的可靠性指標。盲目地追求高可靠性指標勢必增加不必要的成本，從而提高產品的市場價格；而可靠性指標偏低則會影響數控系統的市場競爭力。可靠性指標決定了產品全壽命周期其他各階段的可靠性工作，同時將極大地影響產品全壽命周期的成本和產品的銷售。在此階段還應建立所開發的數控系統可靠性大綱，可靠性大綱是后續階段中控制可靠性的基礎，是開展數控系統可靠性工作的綱領性文件。它包括為使數控系統達到預計的可靠性指標，在研制、生產、使用各階段的任務內容、進度要求、保證條件及為實現計劃的組織、技術措施等。

1.2 設計與開發階段

此階段是在概念和定義階段確立的需求的基礎上，綜合考慮數控裝置、伺服驅動系統、PLC系統、數控軟件等部分的功能、結構及它們之間的關系，設計數控系統的硬件及軟件，編制硬件詳細的生產規范（包括系統原理圖、系統裝配圖、電氣原理圖、電氣線路圖等），編制使用、維修指南等其它產品文件，定義軟件體系結構，進行軟件的概要設計和詳細設計，直到設計完善到足以能實現的地步，并編制規范、使用和維護說明。

在此階段應充分考慮數控系統全壽命周期的各種影響因素，并不要盲目地追求高性能，而應考慮到產品功能、性能、可靠性和成本等綜合效能。本階段可靠性工作主要有：

（1）通過應用FMECA、FTA和容差分析等方法，發現和確定原有數控系統的薄弱環節，并提出改進措施，反饋給設計部門進行產品改進，同時在新系統中對原系統的可靠性薄弱環節在設計上采取預防措施，提高系統固有可靠性。

（2）通過采用耐環境設計、維修性設計、人機工程設計、安全性設計、降額設計、簡化設計、冗余設計等設計方法，與數控系統的整體性能設計工作相結合，提高產品固有可靠性[1-2]。

（3）對于數控系統軟件，通過結構化設計、模塊化設計、面向對象設計、軟件容錯設計、軟件冗余設計、安全設計等設計方法，提高數控系統軟件的可靠性，減少軟件發生故障的次數和危害，編寫相應的設計說明，明確對軟件實現階段的具體要求[5-6]。

（4）應建立系統的可靠性模型，并進行硬件和軟件可靠性指標的預計與分配。確定元器件的可靠性要求，制定元器件可靠性一覽表；確定各功能模塊的可靠性要求，制定功能模塊的可靠性一覽表。

（5）分別規定硬件和軟件可靠性的確認、檢驗及試驗規范，在可靠性需求的基礎上予以實施；進行可靠性增長試驗，對試驗樣機進行可靠性評估[7]。

（6）外購件/外協件的可靠性必須加以重視。通過對多種數控系統可靠性的跟蹤分析發現，外購/外協件引起的故障遠遠高于其他因素引起的故障，因此必須重視外購件的質量改善。只有加強對外購件的質量控制，才能使數控系統的可靠性水平得到大幅度的提高。

1.3 生產階段

在此階段，根據設計規范，制造、裝配數控系統的數控裝置、伺服驅動系統、PLC系統等，生產出數控系統整機。本階段的可靠性工作的中心是通過制造和裝配，使數控系統的可靠性水平達到設計規定要求。本階段的主要可靠性工作有：

（1）對數控系統的制造關鍵工序和裝配過程采取有力的保證措施，防止由于人為的因素導致影響系統可靠性的情況發生。

（2）可靠性應力篩選。數控系統是典型的機電一體化產品，其電氣部分設計復雜，對元器件可靠性要求較高，在使用之前進行應力篩選實驗，是保證可靠性的重要工作。

（3）進行數控系統早期故障試驗，并對試驗中的可靠性數據進行收集和分析，盡早發現影響數控系統可靠性的不利因素，盡快采取防范措施，確定產品是否符合設計的要求并消除早期故障，使得用戶在使用時直接進入到比較穩定的運行狀態。

1.4 安裝與調試階段

此階段一般在數控機床整機廠進行，通過安裝、調試數控系統，使數控系統和機床達到完美的結合。本階段的可靠性工作重點是保持數控系統的固有可靠性水平。本階段的主要可靠性工作有：

（1）數控系統驗收試驗（包括軟件的驗收）。

（2）可靠性數據的收集與分析。收集和分析安裝、調試的可靠性數據能夠發現數控系統與機床在結構或工作性能等方面可能出現的有沖突或配合不當的地方，同時采取相應的修改或防范措施。

1.5 運行和維護階段

此階段一般發生在數控機床用戶的現場。由于用戶使用情況復雜，現場條件有的可能比較惡劣，因此數控系統在用戶的使用情況最能真實地反映可靠性水平和故障情況。收集和分析用戶現場可靠性數據是進行數控系統可靠性設計和改進設計的重要依據。本階段可靠性工作的主要任務是監視產品的特性，主要工作有：

（1）可靠性測定試驗，考核數控系統在實際現場的可靠性狀況和指標。

（2）用戶現場可靠性數據的收集與分析，同時通過故障分析，暴露出數控系統在設計、制造、使用和維護等方面的薄弱環節，找出故障原因，提出改進措施，達到可靠性增長和挖潛的目的，為可靠性改進設計和新產品可靠性設計提供基礎數據。

2 建立數控系統可靠性控制模型

數控系統開發過程中各設計活動都是圍繞數控系統全壽命周期中各個階段的可靠性工作來進行的，差異在于設計活動不同，其可靠性分析設計活動的側重點不同。因此，本文根據可靠性工程是面向全壽命周期工程的思想，結合數控系統產品開發過程，提出了數控系統的可靠性控制模型，如圖1所示。

數控系統產品設計的開始階段是進行總體方案設計，在這個階段要對國內外同檔次的產品進行對比分析，確定可靠性的目標值，并根據市場的需求進行總體設計。在總體設計后要分別進行各分系統的設計，在設計過程中各分系統之間也是相互協調的，并要著重進行可靠性的預計與分配，可靠性的設計與分析，同時將各分系統的設計信息反饋給數控系統的總體設計，進行總體設計的修正，在系統硬件設計的同時也應進行元器件的可靠性篩選工作，并根據篩選情況進行設計的調整，元器件的可靠性是系統可靠性的重要保證。當硬件設計與軟件測試完成后，要進行整個系統的整機調試，在此階段的可靠性增長試驗是提高系統可靠性的重要內容。通過可靠性增長試驗，可以發現在設計和元器件篩選及軟件測試中所沒有發現的問題，將信息再反饋到設計中進行相應的修改。經過可靠性增長試驗后產品的開發研制階段也基本完成，系統的固有可靠性也確定下來，可進入隨后的批量生產階段。應的改進。數控系統銷售給用戶后，就進入了使用和維護階段，數控系統的用戶包含兩部分，一是指數控機床整機制造廠，負責數控系統和機床主體的安裝與調試；二是終端用戶，數控機床的使用者。由于很多故障是由于機床使用者對數控系統不熟悉而導致的誤操作或參數設定錯誤，因此對操作人員加強培訓是十分必要的，這可大大地提高數控系統的使用可靠性。在此階段可同時進行數控系統的可靠性評定工作，以考察在實際的生產環境中數控系統的真實可靠性狀況，并針對在可靠性考核中出現的問題進行故障分析。使用者對數控系統各方面的建議和意見再反饋回來，結合數控系統早期故障試驗中的分析結果，從而進行數控系統的可靠性改進設計工作。

3 結語

在進行數控系統的批量生產時，制造和裝配過程的可靠性保證措施能夠使系統的可靠性更接近其固有可靠性，同時由于是批量生產，這時所進行的早期故障實驗也可發現在可靠性增長試驗中由于產品數量過少而難于發現的問題，并對制造工藝和裝配過程進行相

可靠性數據的收集與分析貫穿數控系統產品的全壽命周期，產品開發人員在設計一開始就要考慮到產品整個生命周期中從概念形成到產品報廢處理的所有因素，包括產品功能、性能、可靠性、用戶要求、制造、裝配、檢測、質量保證、銷售服務、成本和進度計劃等，把不同階段可能出現的問題，在設計時加以研究和處理，找出解決的途徑，使產品設計一次成功，避免出現大的反復。數控系統的可靠性控制模型為數控系統的可靠性設計工作提供了理論基礎。

[1]陸廷孝，鄭鵬洲.可靠性設計與分析[M].北京：國防工業出版社，1995.

[2]賀國芳，許海寶.可靠性數據的收集與分析[M].北京：國防工業出版社，1995.

[3]張強，吳耀華，賈亞洲.面向并行工程的數控機床可靠性控制模型[J].機械工程學報，2001，37（7）：26-29.

[4]何國偉.可信性工程[M].北京∶中國標準出版社，1997.

[5]李新星.軟件生存期的可靠性保證[J].電子產品可靠性與環境試驗，1999（1）：10-14.

[6]何國偉.軟件可靠性[M].北京：國防工業出版社，1998.

[7]梅文華.可靠性增長試驗[M].北京：國防工業出版社，2003.

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Reliability Control Model of CNC System

ZHANG Haibo①，JIA Yazhou②
（①School of Energy Resource and Mechanical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，CHN；②College of Mechanical Science and Engineering，JiLin University，Changchun 130025，CHN）

The inherent reliability of product is determined by product design.The reliability work of various phases in full-life-cycle of CNC system design was discussed.Reliability control model of CNC system was proposed，which provided the theoretical basis for the reliability design of CNC system.

CNC System；Reliability Design；Full-life-cycle

TG659.1

A

* 國家863高技術研究發展計劃資助項目（2002AA424058），吉林省教育廳科研計劃項目（吉教科200754）

張海波，男，1970年生，博士，教授，研究方向為數控機床及數控系統可靠性篇。

（編輯 譚弘穎） （

2009-08-26）

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