CN103240633B - 数控机床主轴零件的寿命同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床主轴零件的寿命同步控制方法。根据数控机床主轴运行参数，拟合主轴零件瞬态寿命系数，建立数控机床主轴零件瞬态寿命模型；根据数控机床主轴零件瞬态寿命模型，计算固定周期的主轴零件寿命同步时刻瞬时失效概率，依据准失效零件判定准则，动态选取存在故障隐患的主轴准失效零件，分配寿命同步控制措施，消除主轴零件故障隐患；根据零件寿命同步修正模型，修正数控机床主轴零件工作寿命，实现主轴零件间的工作寿命同步以及主轴零件工作寿命与数控机床主轴设计工作寿命同步。本发明针对数控机床主轴运行过程中各零件工作寿命不一致导致的问题，具有方法简便，适用性强，通用性和扩展性好的特点。

Description

数控机床主轴零件的寿命同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种装备运行维护与管理方法，尤其是涉及一种数控机床主轴零件的寿命同步控制方法。

背景技术

高速化、高精度已成为当今机床发展的方向，而主轴部件是结构最复杂的部件，也是故障率较高的部件。主轴系统的工作寿命就直接关系到整个数控机床的使用寿命和工作性能。主轴系统由于其组成零件的耗损、运动副间隙或摩擦的变化等，出现突发性故障导致整机失效，最终使得数控机床不能达到其规定的工作寿命。例如，主轴系统的齿轮过度磨损及间隙增大，导致工作齿面材料大量磨损，齿厚明显减薄，齿廓形状破坏，齿轮工作寿命减少，发生齿牙折断等。传统的数控机床主轴零件寿命控制方法采用定期检查主轴零件状态的方法，通过经历相同时间段后对主轴零件维修或更换。该方法缺乏对主轴零件的寿命状态判断，导致零件过度维护或维护不足，即需要调整的零件得不到维修或更换，不需要调整的零件被维修或更换，造成数控机床主轴的潜在失效可能增加，降低了数控机床整机的利用率，增加了维修费用，减少了使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控机床主轴零件的寿命同步控制方法，通过循环计算固定周期的主轴零件寿命同步时刻瞬时失效概率，依据准失效零件判定准则，动态选取寿命同步时刻存在故障隐患的主轴准失效零件，分配寿命同步控制措施，消除故障隐患，实现主轴零件间的工作寿命同步以及主轴零件工作寿命与数控机床主轴设计工作寿命同步。

为了实现上述目的，本发明采用技术方案是：

1、一种数控机床主轴零件的寿命同步控制方法，该方法的步骤如下：

1.1）启动被告知的数控机床，记录机床主轴的运行参数，拟合数控机床主轴零件瞬态寿命系数η和β，建立数控机床主轴零件瞬态寿命模型，描述数控机床主轴零件连续运行时间内任意时刻的零件瞬时工作寿命，数控机床主轴零件瞬态寿命模型公式为：

$v_i\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_i}{{\mathrm{\η}}_i}{\left(\frac{t}{{\mathrm{\η}}_i}\right)}^{{\mathrm{\β}}_i-1}$

式中，t为主轴零件工作寿命，v_i(t)为主轴零件瞬态寿命函数，i为主轴零件编号；

1.2）根据数控机床主轴零件瞬态寿命模型，计算固定周期的主轴零件寿命同步时刻瞬时失效概率；

1.3）依据准失效零件判定准则，动态选取存在故障隐患的主轴准失效零件；

1.4）对准失效零件分配寿命同步控制措施，根据零件寿命同步修正模型，修正主轴零件的工作寿命；其中，零件寿命同步修正模型包括零件维修寿命修正模型与零件更换寿命修正模型，维修寿命修正模型修正维修后的零件工作寿命，更换寿命修正模型修正更换后的零件工作寿命；

1.5）数控机床主轴被要求具有一定且有限时间的设计工作寿命T，在[0,T]期间进行J次主轴零件寿命同步，每次的时间间隔固定为T/J，J为自然数；

循环重复J-1次1.2）～1.4），计算每个主轴零件寿命同步时刻的瞬时失效概率，依次选取各寿命同步时刻的准失效零件，分配准失效零件的寿命同步控制措施，消除数控机床主轴故障隐患，实现主轴零件间的工作寿命同步以及主轴零件工作寿命与数控机床主轴设计工作寿命同步。

2、建立数控机床零件瞬态寿命模型过程中，由于现场非线性因素和运行工况随机因素的影响，零件很难建立准确的瞬态寿命数学模型，主轴零件很难建立准确的瞬态寿命数学模型，因此，利用数控机床主轴运行状态系统拟合主轴零件瞬态寿命系数η和β，建立数控机床主轴零件的两参数威布尔分布瞬态寿命模型，模型公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{\mathrm{wi},j+1}^{-}=t_{\mathrm{wi},j}^{+}+{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{wi},j}\\ t_{\mathrm{wi},j}^{+}=t_{\mathrm{wi},j}^{-}+(t_j-t_{j-1})\end{array};\right.$

式中，i为主轴零件编号，j为零件寿命同步的序号，为零件P_i在第j个零件寿命同步周期开始时刻零件工作寿命，为零件P_i在第j个零件寿命同步周期结束时刻零件工作寿命，t_j为第j次零件寿命同步的时间，Δt_wi,j为零件P_i在第j个零件寿命同步周期的修正零件工作寿命。

3、根据建立的数控机床主轴零件瞬态寿命模型，可以精确计算主轴零件当前时刻前任意时刻的零件失效概率，也可以近似计算主轴零件当前时刻后有限时间内任意时刻的零件失效概率，零件失效概率计算公式为：

$F_{\mathrm{Fi},j}=1-\exp [{\mathrm{\η}}_i^{-{\mathrm{\β}}_i}{\left(t_{\mathrm{wi},j}^{-}\right)}^{{\mathrm{\β}}_i-1}-{\mathrm{\η}}_i^{-{\mathrm{\β}}_i}{\left(t_{\mathrm{wi},j}^{+}\right)}^{{\mathrm{\β}}_i-1}];$

4、准失效零件判定准则根据主轴零件特性和数控机床主轴特性建立，建立准失效零件判定准则的方法：

4.1）对零件样本手册定义的失效工作寿命进行分类，按失效工作寿命的升序排列，获得第一类准失效零件判定准则；

4.2）对零件重要性进行分类，按零件采购价格和采购周期的降序排列，获得零件重要度，根据零件重要程度设置失效概率阀值，获得第二类准失效零件判定准则。

6、零件维修寿命修正模型，通过对准失效零件进行维修，降低部分零件失效概率，修正零件工作寿命，修正值计算公式为：式中，ε_i,j为零件P_i在第j个零件寿命同步的修正系数。

7、维修准失效零件，部分降低寿命修正周期内运行增加的零件失效概率，不能完全使准失效零件的失效概率回复的到全新初始状态，修正后零件瞬态寿命为： $t_{\mathrm{wi},j+1}^{-}=t_{\mathrm{wi},j}^{+}-{\mathrm{\ϵ}}_{i,j}\·t_{\mathrm{wi},j}^{+}=\underset{k=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=0}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{\ϵ}}_{i,j-r})\·(t_{j-k}-t_{j-k-1});$

8、零件更换寿命修正模型，是通过对准失效零件进行更换，降低零件失效概率，修正零件工作寿命，修正值计算公式为：

9、更换准失效零件，完全降低寿命修正周期内运行增加的零件失效概率，完全使准失效零件的失效概率回复的到全新初始状态，修正后零件瞬态寿命为： $t_{\mathrm{wi},j+1}^{-}=0\·t_{\mathrm{wi},j}^{+}=0;$

本发明具有的有益效果是：

1．采用本发明可实现数控机床主轴零件的寿命同步控制，通过数控机床主轴零件瞬态寿命模型计算固定周期的主轴零件寿命同步时刻瞬时失效概率，动态选取存在故障隐患的主轴准失效零件，分配寿命同步控制措施，解决现有数控机床主轴零件工作寿命不同步，主轴零件工作寿命与数控机床主轴设计工作寿命不一致的问题。

2．本发明提出的准失效零件判定准则建立方法，可以准确识别数控机床主轴的潜在故障零件，解决了数控机床主轴故障零件难以预警识别定位的问题。

3．本发明提出的零件寿命同步修正，可以对维修和更换过后的零件瞬态寿命进行调整修正，准确调整系统参数和同步控制策略，解决了零件瞬态寿命缺乏准确定量计算的问题。

附图说明

图1数控机床主轴零件的寿命同步控制方法流程图；

图2准失效零件判定准则构建方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示为本发明相应的一种数控机床主轴零件的寿命同步控制方法流程图。本发明以数控机床主轴零件工作寿命控制为核心，针对固定寿命修正周期时刻数控机床主轴零件不同的瞬态失效率进行工作寿命调整控制。具体体现在两个方面，一方面是通过准失效零件判定准则动态选取寿命同步时刻的存在故障隐患的主轴准失效零件，分配寿命同步控制措施，减少或消除数控机床主轴零件故障发生；另一方面在通过零件寿命同步修正模型，修正数控机床主轴零件工作寿命，能够在下一个固定寿命修正周期时刻合理分配寿命同步控制措施，达到主轴零件间的工作寿命同步以及主轴零件工作寿命与数控机床主轴设计工作寿命同步的目的。

实施例

1、被告知的数控机床，例如TKG46100高精度数控卧式坐标镗床，正常运转，记录该机床的主轴零件的结构尺寸、零件采购件样本手册信息和该机床的主轴运行参数，拟合数控机床主轴零件瞬态寿命系数，建立数控机床主轴零件瞬态寿命模型，描述数控机床主轴零件连续运行时间内任意时刻的零件瞬时工作寿命：

1.1）启动被告知的数控机床，记录机床的主轴运行参数；

1.2）利用数控机床主轴运行状态系统拟合数控机床主轴零件瞬态寿命系数η和β；

表1  主轴零件瞬态寿命系数拟合值

1.3）建立数控机床主轴零件的两参数威布尔分布瞬态寿命模型，模型公式为：

$v_i\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_i}{{\mathrm{\η}}_i}{\left(\frac{t}{{\mathrm{\η}}_i}\right)}^{{\mathrm{\β}}_i-1};$

2、根据数控机床主轴零件瞬态寿命模型，计算固定周期的主轴零件寿命同步时刻瞬时失效概率，依据准失效零件判定准则，动态选取存在故障隐患的主轴准失效零件；

2.1）根据建立的数控机床主轴零件瞬态寿命模型，可以精确计算数控机床主轴零件当前时刻前任意时刻的零件失效概率，也可以近似计算数控机床主轴零件当前时刻后有限时间内任意时刻的零件失效概率，零件失效概率计算公式为： $F_{\mathrm{Fi},j}=1-\exp [{\mathrm{\η}}_i^{-{\mathrm{\β}}_i}{\left(t_{\mathrm{wi},j}^{-}\right)}^{{\mathrm{\β}}_i-1}-{\mathrm{\η}}_i^{-{\mathrm{\β}}_i}{\left(t_{\mathrm{wi},j}^{+}\right)}^{{\mathrm{\β}}_i-1}];$

表2寿命同步周期时刻的零件失效概率

2.2）图2是本发明相应的准失效零件判定准则构建方法流程图。准失效零件判定准则根据主轴零件特性和数控机床主轴特性建立，建立准失效零件判定准则的方法：

第一步，对零件样本手册定义的失效工作寿命进行分类，按失效工作寿命的升序排列，获得第一类准失效零件判定准则；

第二步，对零件重要性进行分类，按零件采购价格和采购周期的降序排列，获得零件重要度，根据零件重要程度设置失效概率阀值，获得第二类准失效零件判定准则。

2.3）获得主轴准失效零件集合{p₁,p₃,p₄,p₆}；

3、对准失效零件分配寿命同步控制措施，根据零件寿命同步修正模型，修正主轴零件的工作寿命；其中，零件寿命同步修正模型包括零件维修寿命修正模型与零件更换寿命修正模型，维修寿命修正模型修正维修后的零件工作寿命，更换寿命修正模型修正更换后的零件工作寿命；

3.1）零件维修寿命修正模型，通过对准失效零件进行维修，降低部分零件失效概率，修正零件工作寿命，修正值计算公式为

3.2）维修准失效零件，部分降低寿命修正周期内运行增加的零件失效概率，不能完全使准失效零件的失效概率回复的到全新初始状态，修正后零件工作寿命为：

$t_{\mathrm{wi},j+1}^{-}=t_{\mathrm{wi},j}^{+}-{\mathrm{\ϵ}}_{i,j}\·t_{\mathrm{wi},j}^{+}=\underset{k=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=0}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{\ϵ}}_{i,j-r})\·(t_{j-k}-t_{j-k-1});$

3.3）零件更换寿命修正模型，是通过对准失效零件进行更换，降低零件失效概率，修正零件工作寿命，修正值计算公式为

3.4）更换准失效零件，完全降低寿命修正周期内运行增加的零件失效概率，完全使准失效零件的失效概率回复的到全新初始状态，修正后零件工作寿命为： $t_{\mathrm{wi},j+1}^{-}=0\·t_{\mathrm{wi},j}^{+}=0;$

表3零件寿命修正后的零件失效概率

4、计算下一主轴零件寿命同步时刻的瞬时失效概率，循环重复2～3，依次选取各寿命同步时刻的准失效零件，分配准失效零件的寿命同步控制措施，消除数控机床主轴故障隐患，实现主轴零件间的工作寿命同步以及主轴零件工作寿命与数控机床主轴设计工作寿命同步。

以上所述仅为本发明的一个具体实施方式，不构成对本发明的任何限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数控机床主轴零件的寿命同步控制方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

1.1)启动被告知的数控机床，记录机床主轴的运行参数，拟合主轴零件瞬态寿命系数η和β，建立数控机床主轴零件瞬态寿命模型，描述数控机床主轴零件连续运行时间内任意时刻的零件工作寿命，数控机床主轴零件瞬态寿命模型公式为：

$v_i\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_i}{{\mathrm{\η}}_i}{\left(\frac{t}{{\mathrm{\η}}_i}\right)}^{{\mathrm{\β}}_i-1}$

式中，t为主轴零件工作寿命，v_i(t)为主轴零件瞬态寿命函数，i为主轴零件编号；

1.2)根据数控机床主轴零件瞬态寿命模型，计算固定周期的主轴零件寿命同步时刻瞬时失效概率；

1.3)依据准失效零件判定准则，动态选取存在故障隐患的主轴准失效零件；所述的准失效零件判定准则根据主轴零件特性和数控机床主轴特性建立，建立准失效零件判定准则的方法如下：

对零件样本手册定义的失效工作寿命进行分类，按失效工作寿命的升序排列，获得第一类准失效零件判定准则；

对零件重要性进行分类，按零件采购价格和采购周期的降序排列，获得零件重要度，根据零件重要程度设置失效概率阀值，获得第二类准失效零件判定准则；

1.4)对准失效零件分配寿命同步控制措施，根据零件寿命同步修正模型，修正主轴零件的工作寿命；其中，零件寿命同步修正模型包括零件维修寿命修正模型与零件更换寿命修正模型，维修寿命修正模型修正维修后的零件工作寿命，更换寿命修正模型修正更换后的零件工作寿命；

1.5)数控机床主轴被要求具有一定且有限时间的设计工作寿命T，在设计工作寿命期间进行J次主轴零件寿命同步，每次的时间间隔固定为T/J，J为自然数；

循环重复J-1次步骤1.2)～1.4)，计算每次主轴零件寿命同步时刻的瞬时失效概率，依次选取各寿命同步时刻的准失效零件，分配准失效零件的寿命同步控制措施，消除数控机床主轴故障隐患，实现主轴零件间的工作寿命同步以及主轴零件工作寿命与数控机床主轴设计工作寿命同步。

2.根据权利要求1所述的数控机床主轴零件的寿命同步控制方法，其特征在于：所述的建立数控机床主轴零件瞬态寿命模型过程中，建立数控机床主轴零件的两参数威布尔分布瞬态寿命模型，模型公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{\mathrm{wi},j+1}^{-}=t_{\mathrm{wi},j}^{+}+{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{wi},j}\\ t_{\mathrm{wi},j}^{+}=t_{\mathrm{wi},j}^{-}+(t_j-t_{j-1})\end{array}\right.;$

式中，i为主轴零件编号，j为零件寿命同步的序号，为零件P_i在第j个零件寿命同步周期开始时刻零件工作寿命，为零件P_i在第j个零件寿命同步周期结束时刻零件工作寿命，t_j为第j次零件寿命同步的时间，Δt_wi,j为零件P_i在第j个零件寿命同步周期的修正零件工作寿命。

3.根据权利要求2所述的数控机床主轴零件的寿命同步控制方法，其特征在于：根据建立的数控机床主轴零件瞬态寿命模型，计算主轴零件当前时刻前任意时刻的零件失效概率，或计算主轴零件当前时刻后有限时间内任意时刻的零件失效概率，零件失效概率计算公式为： $F_{\mathrm{Fi},j}=1-\exp [{\mathrm{\η}}_i^{{-\mathrm{\β}}_i}{\left(t_{\mathrm{wi},j}^{-}\right)}^{{\mathrm{\β}}_i-1}-{\mathrm{\η}}_i^{-{\mathrm{\β}}_i}{\left(t_{\mathrm{wi},j}^{+}\right)}^{{\mathrm{\β}}_i-1}],$ 式中，η_i、β_i为主轴零件P_i瞬态寿命系数。

4.根据权利要求2所述的数控机床主轴零件的寿命同步控制方法，其特征在于：所述的零件维修寿命修正模型，是通过对准失效零件进行维修，降低部分零件失效概率，修正零件工作寿命，修正值计算公式为：式中，ε_i,j为零件P_i在第j个零件寿命同步的修正系数。

5.根据权利要求4所述的数控机床主轴零件的寿命同步控制方法，其特征在于：所述的零件维修寿命：维修准失效零件，部分降低寿命修正周期内运行增加的零件失效概率，不能使准失效零件的失效概率恢复到全新初始状态，修正后零件瞬态寿命为：

$t_{\mathrm{wi},j+1}^{-}=t_{\mathrm{wi},j}^{+}-{\mathrm{\ϵ}}_{i,j}\·t_{\mathrm{wi},j}^{+}=\underset{k=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=0}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{\ϵ}}_{i,j-r})\·(t_{j-k}-t_{j-k-1}).$

6.根据权利要求2所述的数控机床主轴零件的寿命同步控制方法，其特征在于：所述的零件更换寿命修正模型，是通过对准失效零件进行更换，降低零件失效概率，修正零件工作寿命，修正值计算公式为：

7.根据权利要求6所述的数控机床主轴零件的寿命同步控制方法，其特征在于：所述的零件更换寿命修正模型：更换准失效零件，降低寿命修正周期内运行增加的零件失效概率，使准失效零件的失效概率恢复到全新初始状态，修正后零件瞬态寿命为： $t_{\mathrm{wi},j+1}^{-}=0\·t_{\mathrm{wi},j}^{+}=0.$