CN102023636A - 一种机床数控系统的加速寿命试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床数控系统的加速寿命试验方法，该方法通过对机床数控系统进行加速寿命试验，然后通过对试验数据进行分析、处理，进而评估机床系统的平均无故障时间；用本发明的加速试验方法，所获得的试验数据的一致性要好于现场收集数据的一致性；可以快速对机床数控系统的寿命分布情况和故障发生情况做出评估。

Description

一种机床数控系统的加速寿命试验方法

技术领域

本发明涉及机床数控系统可靠性评估试验领域，尤其涉及一种机床数控系统的加速寿命试验方法。

背景技术

机床数控系统的平均无故障工作时间指标是机床数控系统可靠性的一项综合性指标，直接影响产品的市场占有率。目前，机床数控系统的平均无故障工作时间评估有两种方法：1)用户现场统计法；2)利用加速寿命试验获取试验数据，然后进行统计分析。用户现场统计法是通过收集用户现场使用的故障数据，然后对数据进行统计处理，进而实现对机床数控系统的无故障时间评估。但由于用户的类型、地区、运行环境、工况、操作人员水平、实际加工的零件、使用技术条件等方面存在差异，导致数据记录准确度、系统故障与机床故障的甄别准确程度难以保证，同时现场收集故障数据的周期很长，一般要2年以上。利用加速寿命试验获取试验数据，可以弥补上述缺点，但目前存在的三种加速寿命试验方法(恒定应力加载寿命试验方法、步进应力加速寿命试验方法和序进应力加速寿命试验方法)不能实现快速获得机床数控系统的故障数据的目的，主要原因为：恒定应力加速寿命试验需要分组试验，试验周期长；步进应力和序进应力加载过程具有不可逆的特点，不适用于可维修的产品。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种机床数控系统加速寿命试验方法，该方法可以用来快速获得机床数控系统的故障数据，进而实现快速评估机床数控系统的平均无故障工作时间的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种机床数控系统的加速寿命试验方法，它包括以下步骤：

(1)对机床数控系统进行抽样，将抽样的机床数控系统放置在温度可自动调节、控制的高温试验箱中。

(2)控制试验箱温度自动以阶梯式周期性变化，温度依次为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆，对应运行时间范围为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆，升温平均速度设定为1～1.5℃/min，降温平均速度设定为1.5～2.5℃/min，湿度设定为恒定值。每步温度及对应的运行时间和湿度应力选择范围如下表所示：

	温度(T/℃)	运行时间(小时/h)	相对温度(RH)
				T1	50≤T≤55	2～2.5	65％～85％

T2	55＜T≤60	2～2.5	65％～85％
				T3	60＜T≤65	3.5～4.5	65％～85％
T4	65＜T≤70	3.5～4.5	65％～85％
				T5	70＜T≤75	4～5.5	65％～85％
T6	75＜T≤80	4～5.5	65％～85％

(3)接通机床数控系统电源，并让机床数控系统连续运行。在累积试验时间等于t_E时，当每个试验样品均出现了1次时，试验终止；在累积试验时间等于t_E时，当有未出现故障的样品时，试验需要继续进行，直至每个试验样品均出现了1次故障，试验终止。累积试验时间t_E为100～1200小时。

(4)根据试验记录，利用公式

$t=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\exp \left(\frac{T_i-T_0}{10-{\mathrm{RH}}_i}\right)$ 和 $\mathrm{MTBF}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{i\; j}}\right)$

对试验数据进行处理，最终得到数控系统的平均无故障工作时间。其中，各温度应力权系数取值如步骤(2)的表中所示，折算特定基准温度T₀为45℃。

进一步地，所述对机床数控系统进行抽样为简单随机抽样，其优选的抽样数量为10-12台，最佳抽样数量为15-20台。

本发明的有益效果是，本发明的方法通过对机床数控系统进行加速寿命试验，然后通过对试验数据进行分析、处理，进而评估机床系统的平均无故障时间，因此具有以下优点：

1、节省试验时间。用本发明的加速试验方法，可以快速对机床数控系统的寿命分布情况和故障发生情况做出评估。

2、试验数据的一致性好。用本发明的加速试验方法所获得的试验数据的一致性要好于现场收集数据的一致性。

附图说明

图1为试验过程中温度控制过程图。

具体实施方式.

通常，影响机床数控系统可靠性的主要因素包括温度、湿度、电压。根据电子产品寿命特点，其它条件相同情况下，环境温度越高，数控系统内部电子器件老化越快，而产品的寿命也就越短。本发明是在同一环境温度、湿度、电压条件下，设定试验箱温度以阶梯式周期性的变化，加速机床数控系统的寿命衰竭过程，从而实现快速评估机床数控系统平均无故障工作时间的目的。

根据上述理论和经验，本发明专利中温度应力加载方式详见附图1。试验过程中控制试验箱温度自动以阶梯式周期性变化：每隔指定的时间，将温度以平均1～1.5℃/min速度从T₁逐步升高到T₂、T₃、T₄、T₅、T₆，对应运行时间范围为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆，期间湿度设定为恒定值(RH 65％～85％)。当T₆运行结束时，再以1.5～2.5℃/min的降温速度将温度降到T₁，继续保持上述控制过程不变进行试验。在选定T₁～T₆时，要合适选择每次升高温度的差值，且保证大于或等于4℃；在确定每步运行时间时，为便于试验过程的管理，建议每个周期用时为24小时。

试验过程中，系统的故障判别依据用户使用说明书。对于出现故障的系统，等到试验箱温度运行到T₁时，可以对故障进行修复。经修复后的系统，需在下一个周期的起始时刻(T₁开始运行时刻)放入试验箱继续进行试验。

试验终止条件分为下述两种情况：1)在累积试验时间等于t_E时，当每个试验样品均出现了1次时，试验终止；2)在累积试验时间等于t_E时，当有未出现故障的样品时，试验需要继续进行，直至每个试验样品均出现了1次故障，试验终止。

为了对数控系统的平均无故障工作时间进行评估，需要进行当量无故障工作时间计算，即将每个试样在各温度应力下的无故障工作时间按公式(1)折算为某一特定基准温度下的无故障工作时间：

$t=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\exp \left(\frac{T_i-T_0}{10-{\mathrm{RH}}_i}\right)\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

式中T_i-第i步温度应力；T₀-折算特定基准温度；RH_i-与第i步温度应力对应的湿度应力；q_i-第i步温度应力权系数；

说明：在试验终止时，故障次数均取整数部分，即不考虑截尾无故障试验时间。

根据计算所得的每个试样的当量无故障工作时间，样本的平均无故障时间(MTBF)计算按式(2)计算：

$\mathrm{MTBF}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{i\; j}}\right)---\left(2\right)$

式中n-试验样本量；m-每个样本发生故障的次数。

综上所述，为了达到本发明的技术目的，本发明机床数控系统的加速寿命试验方法，包括以下步骤：

1、对机床数控系统进行抽样，将抽样的机床数控系统放置在温度可自动调节、控制的高温试验箱中。本发明中，所述对机床数控系统进行抽样，为简单随机抽样，其优选的抽样数量为10-12台，最佳抽样数量为15-20台。

2、如附图1所示，控制试验箱温度自动以阶梯式周期性变化，温度依次为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆，对应运行时间范围为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆，升温平均速度设定为1～1.5℃/min，降温平均速度设定为1.5～2.5℃/min，湿度设定为恒定值。每步温度及对应的运行时间和湿度应力选择范围如表1所示。

表1

温度(T/℃)

运行时间(小时/h)

相对温度(RH)

T1	50≤T≤55	2～2.5	65％～85％
				T2	55＜T≤60	2～2.5	65％～85％
T3	60＜T≤65	3.5～4.5	65％～85％
				T4	65＜T≤70	3.5～4.5	65％～85％
T5	70＜T≤75	4～5.5	65％～85％
				T6	75＜T≤80	4～5.5	65％～85％

3、接通数控系统电源，并让数控系统按设定程序连续运行。在累积试验时间等于t_E时，当每个试验样品均出现了1次时，试验终止；在累积试验时间等于t_E时，当有未出现故障的样品时，试验需要继续进行，直至每个试验样品均出现了1次故障，试验终止。本发明建议累积试验时间t_E为100～1200小时。

4、根据试验记录，利用公式(1)和(2)对试验数据进行处理，最终得到数控系统的平均无故障工作时间。本发明中所述公式(1)中各温度应力权系数取值如表2所示，折算特定基准温度T₀为45℃。

表2

应力

T1

T2

T3

T4

T5

T6

q

0.80～0.95

0.80～0.95

0.90～0.98

0.93～0.99

0.95～1.10

0.98～1.20

实例及对比试验

随机抽取两台相同批次的HNC21T机床数控系统，放置于试验箱内(编号分别为01和02)，按照使用说明书要求，连接电源并调试程序。设定试验箱程序，按附图1所示，控制试验箱温度自动以阶梯式周期性变化，温度依次为55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃，对应运行时间为3h，3h，4h，4h，5h，5h，湿度恒定为RH 75％，升温速度设定为1℃/min，降温(80-55℃)速度设定为1.5～2.5℃/min。连续运行数控系统。由于试验过程中，出现的故障为死机，因此每次只用重新启动系统即可回复正常运行。试验所得数据如表3所示。

表3

表1表明，利用阶梯式周期性温度加载方式进行加速寿命试验，所获得的故障现象与真实情况相符。利用公式(1)，并取表2中各权系数最大值，折算到45℃时的当量无故障工作时间如表4所示。从表中可知，系统第一次出现故障时的平均无故障工作时间为15047小时，第二次出现故障时的平均无故障工作时间为6029小时。

表4

将相同批次的两台HNC21T(编号分别为03和04)放置于室内自然环境中(温度为18℃～37℃，相对湿度为RH35％～80％)，其它运行试验条件保持与01、02号样品相同，当试验进行到8350小时时，两台均未出现故障。

通过上述对比试验可知道，本发明中的阶梯式周期性加载温度方法可以缩短试验时间，快速获得机床数控系统的故障数据，进而实现快速评估机床数控系统的平均无故障工作时间的目的。

Claims (2)

1.一种机床数控系统的加速寿命试验方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)对机床数控系统进行抽样，将抽样的机床数控系统放置在温度可自动调节、控制的高温试验箱中。

(2)控制试验箱温度自动以阶梯式周期性变化，温度依次为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆，对应运行时间范围为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆，升温平均速度设定为1～1.5℃/min，降温平均速度设定为1.5～2.5℃/min，湿度设定为恒定值。每步温度及对应的运行时间和湿度应力选择范围如下表所示：

  温度(T/℃)   运行时间(小时/h)   相对温度(RH)   T₁   50≤T≤55   2～2.5   65％～85％   T₂   55＜T≤60   2～2.5   65％～85％   T₃   60＜T≤65   3.5～4.5   65％～85％   T₄   65＜T≤70   3.5～4.5   65％～85％   T₅   70＜T≤75   4～5.5   65％～85％   T₆   75＜T≤80   4～5.5   65％～85％

(3)接通机床数控系统电源，并让机床数控系统连续运行。在累积试验时间等于t_E时，当每个试验样品均出现了1次时，试验终止；在累积试验时间等于t_E时，当有未出现故障的样品时，试验需要继续进行，直至每个试验样品均出现了1次故障，试验终止。累积试验时间t_E为100～1200小时。

(4)根据试验记录，利用公式

$t=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\exp \left(\frac{T_i-T_0}{10-{\mathrm{RH}}_i}\right)$ 和 $\mathrm{MTBF}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{i,j}\right)$

对试验数据进行处理，最终得到数控系统的平均无故障工作时间。其中，各温度应力权系数取值如步骤(2)的表中所示，折算特定基准温度T₀为45℃。

2.根据权利要求1所述机床数控系统的加速寿命试验方法，其特征在于，所述对机床数控系统进行抽样为简单随机抽样，其优选的抽样数量为10-12台，最佳抽样数量为15-20台。

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