数控系统可靠性控制模型研究*

张海波 贾亚洲

（①东北电力大学能源与机械工程学院，吉林 长春 132012；②吉林大学机械科学与工程学院，吉林 长春 130025）

数控系统可靠性控制模型研究*

张海波①贾亚洲②

（①东北电力大学能源与机械工程学院，吉林 长春 132012；②吉林大学机械科学与工程学院，吉林 长春 130025）

对在进行数控系统设计时应考虑的其全寿命周期各个阶段的可靠性工作进行了论述，提出了数控系统的可靠性控制模型，为数控系统的可靠性设计工作的开展提供了理论基础。

数控系统 可靠性设计 全寿命周期

加强可靠性工作是数控系统厂家在产品开发过程中的重要内容，在数控系统产品开发过程及各子系统设计活动中，都存在着可靠性的分析与设计[1-2]，而且可靠性工程也一直贯穿于数控系统产品全寿命周期。数控系统的全寿命周期包括了概念与定义、设计与开发、生产、安装和调试、运行和维修、报废处理等阶段[3-4]，无论在哪个阶段忽视了可靠性工作，都将给数控系统产品的可靠性带来隐患。当然，在数控系统产品全寿命周期的各阶段可靠性工作的重点不同，开展的工作也不一样，在数控系统产品进行设计开发时要对上述全寿命周期的各个阶段的可靠性工作进行有效的规划与控制。本文对在进行设计活动时应考虑的各个阶段的可靠性工作进行了论述。

1 数控系统全寿命周期的可靠性工作

1.1 概念和定义阶段

在此阶段，定义要开发的数控系统产品，确定产品的需求和制订产品初步开发计划。对数控系统来说，要确定系统的类型、规格、性能指标、可靠性、寿命周期费用和市场定位等。这个阶段对数控系统产品的可靠性和全寿命周期成本的影响最大。

本阶段的可靠性工作就是广泛收集国内外同类型数控系统的可靠性指标和本厂同类型和相似类型的数控系统产品的可靠性数据，并根据市场对可靠性的需求（经济型、普及型、高级型），确定合适的可靠性指标。盲目地追求高可靠性指标势必增加不必要的成本，从而提高产品的市场价格；而可靠性指标偏低则会影响数控系统的市场竞争力。可靠性指标决定了产品全寿命周期其他各阶段的可靠性工作，同时将极大地影响产品全寿命周期的成本和产品的销售。在此阶段还应建立所开发的数控系统可靠性大纲，可靠性大纲是后续阶段中控制可靠性的基础，是开展数控系统可靠性工作的纲领性文件。它包括为使数控系统达到预计的可靠性指标，在研制、生产、使用各阶段的任务内容、进度要求、保证条件及为实现计划的组织、技术措施等。

1.2 设计与开发阶段

此阶段是在概念和定义阶段确立的需求的基础上，综合考虑数控装置、伺服驱动系统、PLC系统、数控软件等部分的功能、结构及它们之间的关系，设计数控系统的硬件及软件，编制硬件详细的生产规范（包括系统原理图、系统装配图、电气原理图、电气线路图等），编制使用、维修指南等其它产品文件，定义软件体系结构，进行软件的概要设计和详细设计，直到设计完善到足以能实现的地步，并编制规范、使用和维护说明。

在此阶段应充分考虑数控系统全寿命周期的各种影响因素，并不要盲目地追求高性能，而应考虑到产品功能、性能、可靠性和成本等综合效能。本阶段可靠性工作主要有：

（1）通过应用FMECA、FTA和容差分析等方法，发现和确定原有数控系统的薄弱环节，并提出改进措施，反馈给设计部门进行产品改进，同时在新系统中对原系统的可靠性薄弱环节在设计上采取预防措施，提高系统固有可靠性。

（2）通过采用耐环境设计、维修性设计、人机工程设计、安全性设计、降额设计、简化设计、冗余设计等设计方法，与数控系统的整体性能设计工作相结合，提高产品固有可靠性[1-2]。

（3）对于数控系统软件，通过结构化设计、模块化设计、面向对象设计、软件容错设计、软件冗余设计、安全设计等设计方法，提高数控系统软件的可靠性，减少软件发生故障的次数和危害，编写相应的设计说明，明确对软件实现阶段的具体要求[5-6]。

（4）应建立系统的可靠性模型，并进行硬件和软件可靠性指标的预计与分配。确定元器件的可靠性要求，制定元器件可靠性一览表；确定各功能模块的可靠性要求，制定功能模块的可靠性一览表。

（5）分别规定硬件和软件可靠性的确认、检验及试验规范，在可靠性需求的基础上予以实施；进行可靠性增长试验，对试验样机进行可靠性评估[7]。

（6）外购件/外协件的可靠性必须加以重视。通过对多种数控系统可靠性的跟踪分析发现，外购/外协件引起的故障远远高于其他因素引起的故障，因此必须重视外购件的质量改善。只有加强对外购件的质量控制，才能使数控系统的可靠性水平得到大幅度的提高。

1.3 生产阶段

在此阶段，根据设计规范，制造、装配数控系统的数控装置、伺服驱动系统、PLC系统等，生产出数控系统整机。本阶段的可靠性工作的中心是通过制造和装配，使数控系统的可靠性水平达到设计规定要求。本阶段的主要可靠性工作有：

（1）对数控系统的制造关键工序和装配过程采取有力的保证措施，防止由于人为的因素导致影响系统可靠性的情况发生。

（2）可靠性应力筛选。数控系统是典型的机电一体化产品，其电气部分设计复杂，对元器件可靠性要求较高，在使用之前进行应力筛选实验，是保证可靠性的重要工作。

（3）进行数控系统早期故障试验，并对试验中的可靠性数据进行收集和分析，尽早发现影响数控系统可靠性的不利因素，尽快采取防范措施，确定产品是否符合设计的要求并消除早期故障，使得用户在使用时直接进入到比较稳定的运行状态。

1.4 安装与调试阶段

此阶段一般在数控机床整机厂进行，通过安装、调试数控系统，使数控系统和机床达到完美的结合。本阶段的可靠性工作重点是保持数控系统的固有可靠性水平。本阶段的主要可靠性工作有：

（1）数控系统验收试验（包括软件的验收）。

（2）可靠性数据的收集与分析。收集和分析安装、调试的可靠性数据能够发现数控系统与机床在结构或工作性能等方面可能出现的有冲突或配合不当的地方，同时采取相应的修改或防范措施。

1.5 运行和维护阶段

此阶段一般发生在数控机床用户的现场。由于用户使用情况复杂，现场条件有的可能比较恶劣，因此数控系统在用户的使用情况最能真实地反映可靠性水平和故障情况。收集和分析用户现场可靠性数据是进行数控系统可靠性设计和改进设计的重要依据。本阶段可靠性工作的主要任务是监视产品的特性，主要工作有：

（1）可靠性测定试验，考核数控系统在实际现场的可靠性状况和指标。

（2）用户现场可靠性数据的收集与分析，同时通过故障分析，暴露出数控系统在设计、制造、使用和维护等方面的薄弱环节，找出故障原因，提出改进措施，达到可靠性增长和挖潜的目的，为可靠性改进设计和新产品可靠性设计提供基础数据。

2 建立数控系统可靠性控制模型

数控系统开发过程中各设计活动都是围绕数控系统全寿命周期中各个阶段的可靠性工作来进行的，差异在于设计活动不同，其可靠性分析设计活动的侧重点不同。因此，本文根据可靠性工程是面向全寿命周期工程的思想，结合数控系统产品开发过程，提出了数控系统的可靠性控制模型，如图1所示。

数控系统产品设计的开始阶段是进行总体方案设计，在这个阶段要对国内外同档次的产品进行对比分析，确定可靠性的目标值，并根据市场的需求进行总体设计。在总体设计后要分别进行各分系统的设计，在设计过程中各分系统之间也是相互协调的，并要着重进行可靠性的预计与分配，可靠性的设计与分析，同时将各分系统的设计信息反馈给数控系统的总体设计，进行总体设计的修正，在系统硬件设计的同时也应进行元器件的可靠性筛选工作，并根据筛选情况进行设计的调整，元器件的可靠性是系统可靠性的重要保证。当硬件设计与软件测试完成后，要进行整个系统的整机调试，在此阶段的可靠性增长试验是提高系统可靠性的重要内容。通过可靠性增长试验，可以发现在设计和元器件筛选及软件测试中所没有发现的问题，将信息再反馈到设计中进行相应的修改。经过可靠性增长试验后产品的开发研制阶段也基本完成，系统的固有可靠性也确定下来，可进入随后的批量生产阶段。应的改进。数控系统销售给用户后，就进入了使用和维护阶段，数控系统的用户包含两部分，一是指数控机床整机制造厂，负责数控系统和机床主体的安装与调试；二是终端用户，数控机床的使用者。由于很多故障是由于机床使用者对数控系统不熟悉而导致的误操作或参数设定错误，因此对操作人员加强培训是十分必要的，这可大大地提高数控系统的使用可靠性。在此阶段可同时进行数控系统的可靠性评定工作，以考察在实际的生产环境中数控系统的真实可靠性状况，并针对在可靠性考核中出现的问题进行故障分析。使用者对数控系统各方面的建议和意见再反馈回来，结合数控系统早期故障试验中的分析结果，从而进行数控系统的可靠性改进设计工作。

3 结语

在进行数控系统的批量生产时，制造和装配过程的可靠性保证措施能够使系统的可靠性更接近其固有可靠性，同时由于是批量生产，这时所进行的早期故障实验也可发现在可靠性增长试验中由于产品数量过少而难于发现的问题，并对制造工艺和装配过程进行相

可靠性数据的收集与分析贯穿数控系统产品的全寿命周期，产品开发人员在设计一开始就要考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括产品功能、性能、可靠性、用户要求、制造、装配、检测、质量保证、销售服务、成本和进度计划等，把不同阶段可能出现的问题，在设计时加以研究和处理，找出解决的途径，使产品设计一次成功，避免出现大的反复。数控系统的可靠性控制模型为数控系统的可靠性设计工作提供了理论基础。

[1]陆廷孝，郑鹏洲.可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社，1995.

[2]贺国芳，许海宝.可靠性数据的收集与分析[M].北京：国防工业出版社，1995.

[3]张强，吴耀华，贾亚洲.面向并行工程的数控机床可靠性控制模型[J].机械工程学报，2001，37（7）：26-29.

[4]何国伟.可信性工程[M].北京∶中国标准出版社，1997.

[5]李新星.软件生存期的可靠性保证[J].电子产品可靠性与环境试验，1999（1）：10-14.

[6]何国伟.软件可靠性[M].北京：国防工业出版社，1998.

[7]梅文华.可靠性增长试验[M].北京：国防工业出版社，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

* 国家863高技术研究发展计划资助项目（2002AA424058），吉林省教育厅科研计划项目（吉教科200754）

张海波，男，1970年生，博士，教授，研究方向为数控机床及数控系统可靠性篇。

（编辑 谭弘颖） （

2009-08-26）

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