加工中心部件故障相关度评估_CNC加工中心

前言：

加工中心功能先进性及其结构复杂性，导致系统故障存在相关性，使系统多模、连锁故障频率有增加趋势.早在50年代,在核反应堆设计和操作的初始阶段就发现了相关失效现象，1962年Lerniox等将其称为交叉摇合故障.相关失效分析主要包括定性分析和定量计算.定性分析常用方法是显示模型法，如事件树、故障树、因果表等;定量计算主要指参数模型，如5因子模型、C因子模型、基本参数（BP)模型、a因子模型、多希腊字母（MGL)模型等数，但这些定量模型多以共因失效为主Pickles⁰借助Domino骨牌将独立的可靠性评价扩展成连续失效过程，借助指定的系数来刻画某一子系统故障对其相邻子系统的影响，但因假定的失效序列比较单一,

无法适用于故障的多路径传递方式;s™等^[^构建了定量化分析关联故障的可靠性模型，并结合故障数据计算子系统的相关系数，但是该相关系数是_个综合指标.很多学者借助Copula函数来研究故障相关性问题文献[8]用GumhH Cupula函数建立数控装备部件故障间函数关系，但无法体现相关关系的作用方向.还有一些学者应用复杂系统相关理论对连锁关联故障进行研究，主要包含两个方面：一是基于复杂网络理论的“小世界网络”模型⁰、Watts构造模型^[11)1「等^Dfl的相隔中心性模型、>l₍m«•与Ui模型^[1>1'³等进行连锁关联故障机理分析：二是利用Monte Carlo模拟法^M、递归算法^M、基于aiii>和灰色关联度选择故障序列等进行连锁关联故障路径搜索^[|^^17].加工中心部件相关故障是连锁故障类型，且不存在冗余，因此，不能直接照搬电力系统连锁故障分析及相关度计算方法.

本文将相关故障机理分析与图论相结合，建立系统部件故障传递有向图，使系统部件相关度评估

转化为复杂网络节点重要度计算，由邻接矩阵及其转置变换并结合Pagenmk算法，实现加工中心系统部件故障相关度求解.

1系统关联故障建模与评估原理

工程实际中，系统部件的故障事件可能从系统中某一故障源开始，继而引发系列元件故障,这种关联故障的迅速传播最终导致系统崩溃.本文引入图论构建系统部件故障传递有向图模型，将部件节点相关度转化为节点重要度.应用邻接矩阵量化图中节点关联关系，邻接矩阵归_及转置变换形成系统状态转移矩阵，结合pagerank算法实现故障传递有向图中节点相关度计算.

建模与评估流程如图1所示.

图1关联故障建模与评估流程Fig.l The tree of relevant failure ^ s modeling and evaluation

i.i系统部件关联故障建模

故障传递有向图是将系统中各元件或子系统简化为图中的节点，单元间的故障传递关系则被简化为节点之间的有向边^衣据系统各个元件或单元之间的故障相关关系，构建整个系统的故障有向传递模型•如果单元；出现故障会引发单元_;•出现故障，则存在从节点〗到节点_;•的一条有向边.

单纯的故障有向图虽能反映节点间的传递关系,但无法进行量化分析.为此本文引入邻接矩阵，对于具有》个节点的故障传递有向图，可用邻接矩阵c=表示.

当^參i时,若存在从节点/指向节点j的边，则c,:,. = 1;否则 C&. = 0.当 € 时，s = 0.

I.²基于pagerank算法的部件相关度评估

pagerank算法原理:若部件M故障导致部件W故障,则可认为部件M传递给部件Af —个重要度户值，此值的大小取决于部件M的重要度_p (M)以及出链数.设任何部件的重要度都被平均传递到它所链接的部件•由于部件故障之间存在相互链接关系，这个过程会一直迭代下去,最后部件重要度根据故障部件迭代后_P值进行排序.

设故障传递是一个马尔可夫过程.对于《个部件和链接关系组成的有向图其邻接矩阵C中元素为1的数量为有向图的链接数.将矩阵C每行元素除以此行元素的总和（行元素全为〇除外）会得到一个归一化矩阵矩阵c'可看作马尔可夫状态转移概率矩阵.对矩阵进行转置得到其转置矩阵^T,若定义_个《维向量p,它的分量分别代表各个节点的重要度值，严+¹表示第U +1)次迭代所得到的各个节点的重要度所组成的U x

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结束语：

1) 故障相关度的大小与部件间故障关联关系成正比,存在故障相关关系的部件的故障相关度大于不存在故障相关关系的部件的故障相关度；

2) 故障相关度反映部件在故障传递中的位置.若部件被影响度大，影响度小,说明其是故障表象部件;反之，影响度大而被影响度小的是故障源部件，这有助于故障诊断与维护.

3) 通过对某加工中心相关故障数据分析发现,进给系统、刀库和主轴系统的被影响度比较高，这些子系统属于执行机构，是故障表象子系统；电气系统、润滑系统、液压系统、气动系统等子系统的影响度比较高，它们属于动力或控制系统，属于故障源子系统.这与故障相关性定性分析结果一致，说明该方法是合理有效的.

基于I’a^ank算法的子系统相关度计算，能够定量评价系统部件故障相关度，为后续的系统部件故障率计算、可靠性评价及可靠性分配等研究奠定理论基础.

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加工中心部件故障相关度评估

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