基于性能退化的數控裝備維修決策

蘭 平

（成都晉林工業制造有限責任公司，四川成都 611930）

0 引言

數控機床廣泛應用于機械制造業和機床制造業，制造業是國家的重要產業，關系國計民生，也是支撐國家產業實力的關鍵。數控機床內部結構復雜、體積龐大，國內的高端數控機床領域與西方發達國家仍有一定差距。雖然在設計過程已對數控機床的可靠性進行多次實驗，但是在生產過程依舊會面臨一些問題，影響數控機床的可靠性，在任何時候、任何設備都會存在一定的故障概率。相關研究發現，數控機床的維修工作所占用的成本約為整個機床運行期間成本的30%左右，研究數控機床的目的是減少故障發生率，避免影響企業生產。在對數控機床進行維修檢修過程中，必須做到維修策略合理科學。

1 國內數控機床

研究和分析傳統的維護修理決策，根據當前我國常用的數控機床的具體特點，篩選維修決策模型，在機床正常工作的基礎上，最大可能地降低維修費用。近些年來，數控機床的可靠性多次引發關注，國內企業針對高端數控機床的一些關鍵性部件進行科研攻關，國產數控機床已在部分領域達到國際領先水平。然而在使用過程中，國產機床的問題層出不窮，企業對機床維修的重視不夠，造成了巨大的經濟損失。為了減少機床故障的發生頻率和故障造成的停機時間損失，數控機床維修決策的研究將成為我國制造業的重要研究課題之一。

2 數控機床維修

2.1 預防性維護

近幾十年來，國內外學者對數控機床維修進行了大量研究，提出了預防性維護的理念，預防性維護包括預防性檢查和預防性維修。傳統的糾正性維修是在機床發生故障時進行維修，將數控機床的工作狀態恢復到正常；預防性維護是在數控機床運行過程中對數控機床進行維護，對數控機床的各個系統進行檢測和預防性維修，避免產生故障，使整個數控機床系統在規定的條件下完成規定的操作。具體操作主要分為5 類：

（1）將數控機床恢復到全新狀態：通過對數控機床進行全面維護，整個數控機床具有同新系統同樣的壽命和運行效率，這一維修最常用的是更換故障部件。

（2）最低維護：將整個系統故障恢復到系統發生故障前的狀態，根據研究表明，系統工作狀態被稱為舊狀態，對風扇進行更換不屬于這一維修。

（3）不完全維護：在對數控機床系統進行維護后，沒有達到新的數控機床系統的狀態，不完全維護在實際中也被稱為一般維護，它主要包括不完全維護和最小維護。不完全維護的最常見例子是對發動機進行調整，因為對發動機進行調整不會導致發動機回到全新的狀態，但是會提高發動機的性能。

（4）差維護：通過這一維護能夠增加系統的使用壽命，降低系統的故障率，但對整個系統故障的維修工作不會產生直接影響，因此應用這一維護過程中，會導致整個系統的運行狀態相較于之前更差。

（5）最壞情況維護：在維護過程中由于受多種因素影響導致數控機床系統失效。

2.2 選擇維護策略

維修人員造成維修不徹底的原因：①只有部分故障零件被修理；②修理故障部件，但損壞相鄰部件；③誤判被檢零件的狀況。

導致更差或最差維護的原因：①維修過程中未發現隱患；②人為錯誤，如對維護期間造成的進一步損壞的錯誤評估；③在更換過程中使用故障部件。

維護策略是基于計劃檢查的，根據數控機床的使用壽命對數控機床進行定期檢查，通過對數控機床進行定期檢查，尋找到數控機床中出故障的部位和零件，如正常情況下火災探測裝置和備用電池是較容易出現故障的。檢查數控機床的各個部件的運行狀況，由于數控機床部件出現老化，隨著時間的延長應縮短檢查的間隔時間，更有利于數控機床的穩定運行。根據實際狀況合理選擇維修周期和隨機檢測時間，能夠有效優化當前的隨機檢查策略。

預防性維護指的是完全維護、最小維護、較差維護、不完善維護以及最常維護的預防性維護；糾正性維護指的是不完整的、完整的、最壞的或者更壞的情況。實際維護的程度和類型取決于不同數控機床的對象系統結構、安全性和可靠性要求，對預防性維護模型進行假設：①預防性維護或者維護后，系統應當與全新的數控機床系統以及正在使用中的數控機床系統的狀態保持一致；②應當對數控機床的維護時間進行忽略，單機系統由于結構較為簡單，對單機系統的完全維護是可行的。這兩種假設在現實應用并不具有實際意義，特別是在醫療設備、飛機等較為復雜的系統中，在實際維修過程中，許多維修工作并不存在上述極端情況，而是存在于中間狀態。當數控機床系統在運轉過程中其故障率介于全新的數控機床和舊的數控機床系統之間，不完全維護不會使數控機床系統保持新設備一樣的狀態，但是會提高數控機床的運行狀態，這一原理在維修工作中得到了廣泛的應用和實踐。

3 基于性能退化的數控裝備維修決策

對于不完整、更差和最壞情況下的維護，大多數研究集中在單部件系統上，一些研究者提出了不完全維修、嚴重維修和最壞情況維修的建模方法。維修單元建模方法雖然不能作為多部件系統的單一部件，但可作為一種有效的多部件決策方法。過去，大多數研究關注的是雙峰構件系統，然而在許多應用領域中，系統部件往往具有多個性能速率狀態，因此雙峰部件的選擇性維修模型不能應用于實際工程中。因此，以KVC650M 立式加工中心為研究對象，提出了一種基于多態部件的選擇性維修模型。

3.1 系統說明

機械系統設計用于在給定的環境中執行指定的任務，有些系統可以以不同的效率執行任務。在多狀態組件中，每個組件都有一個離散的性能速率狀態。在兩狀態部件的選擇維修決策模型中，可以方便地制定和優化多個兩狀態部件的維修策略。考慮到多狀態系統中的組件具有不同的性能狀態級別，根據維護前組件的狀態、下一個任務的需求級別和可維護資源來確定下一個任務后的系統狀態。

3.2 維修費

對于具有多狀態部件的多狀態系統維護，假設在維護期間已知部件的當前狀態，根據部件的維修性能，可分為不完全維修率和維修前更換率。如果部件在維修周期內未進行維修，則維修成本為0；在其他維護模式中，固定維護成本可以從經驗中得出。固定成本是指維修的安裝成本，與維修的昂貴程度無關。固定成本包括清潔、除塵、拆卸和組裝部件。變更的成本反映了零件修理和改進的程度?？勺兂杀救Q于組件從當前狀態到更高狀態的改進。缺乏對系統的維護和維修是無法彌補的，增加維護成本可以提高系統的性能，系統達到更高的性能狀態就需要更高的維護成本。不完全維護可以使部件的性能從當前狀態提高到更高的性能狀態，但不能達到最佳狀態，因為部件的最佳狀態只能通過更換和維護來實現。

3.3 任務完成率

如果多狀態系統的狀態高于任務的最低要求，則視為可接受狀態；否則，系統狀態低于任務的最低要求，則系統將進入不可接受狀態，通常稱為失敗。多狀態系統的可靠性定義為維修完成后維修間隔的增加，即系統保持在可接受狀態的可能性上。因此，可以使用不同的方法來評估系統安全性對系統性能的影響；如果系統達到維護間隔，則根據組件的當前狀態選擇不同的維護方法。因此，計算下一個部件完成后的狀態概率是非常重要的。

4 結束語

數控設備技術直接制約著國家的產業發展，數控設備在解決高端制造問題上的可靠性將越來越高，如何解決數控設備在工業生產中的可靠性問題將成為今后研究的重點。分析機床歷史數據的可靠性，研究基于機床性能退化的維修決策問題，優化機床系統的維修決策。雖然取得了一些成績，但還需要在實踐中進一步檢驗。