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学位论文相关科研报告本人的硕士开题报告是“基于可靠性评价体系的数控车床优化设计”。主要是根据“高档数控机床与基础制造装备科技重大专项”的要求，对国产数控机床进行可靠性增长技术的研究。重点进行机床的可靠性评价、故障分析以及子系统可靠性优化设计的研究。通过系统化的研究，最终实现机床整体可靠性的提高。这是一个很有研究价值和研究难度的选题，其延伸之后可以达到博士论文的水平，能实现一定的创新性成果。本文主要从选题的目的和意义、数控机床可靠性研究的具体内容和数控机床可靠性的发展趋势及研究方向三方面来论述。1. 选题目的和意义制造业是国民经济的基础，数控机床是先进制造技术的基础装备，其技术水平是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。大力发展装备制造业首先就要发展作为工作母机的数控机床产业。数控机床是当代机械制造业的主流设备，是中国机床市场上境内外各方争夺市场份额的焦点。市场竞争主要是产品质量，首要是可靠性的竞争，国产设备恰在可靠性方面是市场竞争的薄弱环节。因此，提高可靠性意识，分析机床可靠性现状，开发和应用高效的可靠性增长的实用技术，减少与进口产品可靠性的差距，已经成为推进我国装备制造业发展的关键。为改变我国机床工业的现状，实现民族装备制造业的振兴，“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项实施方案经过多次论证，最终将目标落在重点解决我国数控机床与基础制造装备行业自主开发能力薄弱，功能部件发展滞后，产品自动化水平低，可靠性、精度保持性差等突出问题上。高速、高效、高精度、高可靠性，是现代数控机床发展的主要趋势。目前国内数控机床的研发，主要面向高档次，追求高速、精密和多轴联动复合加工等。然而，随着复合功能的增多和密集型技术的引入，不可靠因素和故障隐患增多，在运转和使用过程中发生故障的几率增加，系统一旦发生故障，其先进性能和功能不能维持，降低或失去了使用价值。而且，由于高档数控装备具有复合功能密集、体积庞大、结构复杂、加工工况多变等特点，使得可靠性问题成为制约国内高档数控机床发展的主要瓶颈。我国是世界上数控机床消费的大国，数控机床，特别是高档数控机床的进口量居高不下。究其原因，产品的可靠性是影响市场占有率的关键因素。近些年来，虽然我国机床行业的许多企业与有关高校合作，实施可靠性技术，国产机床的可靠性水平在稳步增长，但与发达国家同类产品相比差距仍然明显。我国众多行业的数控机床用户不选购国产机床的主要原因就是产品的可靠性不能满足用户要求。机床市场的激烈竞争主要是产品可靠性的竞争，能否占领市场是影响我国数控装备产业存亡和发展的关键。一台高可靠性的机床可以收到几台机床同时运转的功效，可减少用户的停机损失和维修费用，减少主机厂售后服务和三包费用，也减少材料、工时和能源的消耗，经济效益显著。特别是在数控机床进口量不断增加的形势下，产品可靠性的提升对国产数控装备在国际市场竞争中取胜，促进民族工业的发展等方面意义尤为重大。目前，国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项，正在逐步实施，对数控装备（数控机床、数控系统和功能部件）的可靠性技术研究以及产品可靠性提升和考核给予高度关注。重大专项中共性技术课题的第一项就是“可靠性设计与性能试验技术”，其研究目标明确指出：“提供在数控机床、重型装备、数控系统及功能部件上能付诸应用的可靠性设计方法、试验分析方法和精度保持措施，在高速、精密数控机床、重型装备、数控系统及主要功能部件上验证应用”。在研究内容和考核指标中提出可靠性评价方法和评价指标以及可靠性增长的要求，“使本专项支持的一种或多种数控机床主机平均无故障时间（MTBF）达到900小时”。同时，重大专项对高档数控机床产品类课题，要求所研制的成果和样机，应达到产品化的要求，即得到应用验证，并在可靠性方面得到提升和考核。课题申报指南中明确要求：“提出提高可靠性的具体方法，建立基本的可靠性试验手段，消除产品早期故障”。对高档数控机床主机产品，提出了同样的可靠性考核目标，机床MTBF达到900小时。科技重大专项对产品可靠性研究的要求，抓住了当前数控机床行业的要害和急需解决的关键技术，是非常正确的战略决策。高档数控机床无论如何先进，如果其性能或功能在使用中不能维持，产品就失去“可用”价值，当然就失去了市场竞争力。激烈的市场竞争就是通过满足用户要求以直接争夺用户的竞争。广大用户选购数控机床时，极为关注产品在使用过程中的质量表现，即数控机床的可靠性。要在对外开放的市场竞争中立于不败之地，必须从提高产品可靠性作为切入点，实施重大专项，使所研制的样机，在可靠性方面得到提升和考核，大幅度提高国产机床可靠性声望，这是广大机床用户的强烈呼声和国人期待国产机床赶超世界先进水平的迫切愿望。当前国产数控机床可靠性的主要指标MTBF与国外同类产品相比几乎相差一倍，特别是高档数控机床的差距更明显。通过实施重大专项，促使国产高档数控机床的可靠性水平接近或达到世界先进水平，解决困扰数控机床产业技术发展的工程难题，扭转国际市场竞争的被动局面，难度很大，任务十分艰巨，可认为是重大专项的重中之重。2. 数控机床可靠性研究的具体内容数控机床可靠性研究主要分为以下几类：可靠性指标及评价体系的研究；可靠性故障分析；可靠性设计；可靠性维修策略和可靠性管理五个方面。（1）可靠性指标及评价体系的研究对于数控系统的可靠性评价，参数估计的理论方法主要包括概率图、退化分析、极大似然估计法（MLE）；置信限的确定方法有费希尔矩阵、似然比、贝塔二项式等。通过对产品的寿命分析，可以追踪产品的可靠性，根据数据进行校正，预测失效数，编制可靠性规范，确定薄弱部件最佳的替换时间等。国外的可靠性评价工作比较系统规范，理论已经比较成熟。而国内的可靠性工作相对来说比较零散，部分企业所进行可靠性的工作，还没有在全行业或国内各个行业内形成统一的工作规范。所以我们还需要进行更大的努力进行可靠性研究。对于可靠性指标的评价，如果数据量大，可以应用威布尔分布、正态分布或对数正态分布进行统计假设；对于可靠性特别高的产品，由于试验时间的局限，可能试验期间内没有故障发生，对于无失效的可靠性评价，可以应用 Bayes 方法进行分析。可靠性评价现在存在的问题是：可靠性指标（MTBF、）建立在故障指数分布随机性假设下，意味着产品随机故障无法避免。纯数学意义的指标不与产品故障机理挂钩，事实上无法进行设计，只能事后对物理样机进行验证，若验证不符合要求，设计返复会造成时间和资金浪费，采取放宽条件的豁免又会带来隐患。（2）可靠性故障分析数控车床在实际使用中，由于设计、制造、使用等因素引起的故障不断发生，因此对数控车床进行故障分析是十分必要的，故障分析也是对数控车床可靠性评估的重要内容之一。通过现场试验收集到的各个原始数据往往是没有明显的联系和规律的单个故障记录。也可能出现错误记录数据，故不能直接对故障记录直接进行分析判断，必须经过系统化的分析、整理，才能使现场试验数据显示出规律性。目前国内外进行故障分析的方法较多，一般常用的故障分析方法有直方图法、因果图法、主次图法、故障模式、影响及危害度分析FMECA、故障树分析、事件树分析ETA以及综合分析等。其中，故障模式影响及危害性分析（Failure Mode，Effects and Criticality Analysis ，记为FMECA）是一种重要的分析方法，是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。通过FMECA分析可以发现各种影响产品可靠性的缺陷和薄弱环节，为提高产品的质量和可靠性水平提供改进依据。基本思路是采取系统分割的概念，根据实际需要、分析的水平，把系统分割成子系统或进一步分割成元件。然后逐个分析元件可能的故障和故障呈现的状态（即故障类型），进一步分析故障类型对子系统的影响，最后采取措施解决。FMECA虽是有效的可靠性分析方法，但并非万能，它不能代替其他可靠性分析工作。应注意FMECA一般是静态的、单一因素的分析方法。在动态方面还很不完善，若对系统实施全面分析还需与其他分析方法（如FTA、 ETA等）相结合。此外，这些理论和模型基本都是以故障独立性的假设为前提的。然而，大量的工程实践证明故障独立性的假设是不现实的，并有可能使分析结果超差。针对此种弊端，Mosleh、Hoylana和Rausand相继提出了相关故障理论。讨论系统故障和子系统故障时有三种最典型的相关故障:串联故障、负相关故障和共因失效。串联故障是指系统中一个部件的故障会引发整个系统的故障。负相关故障是指可以预防系统中其他部件发生故障的故障。共因失效定义为由单一的公共原因引发的故障。当前对相关故障进行研究大多集中在共因失效上。（3）可靠性优化设计可靠性优化设计方法是在常规优化设计方法的基础上发展起来的一种全新的优化设计方法，它将可靠性分析理论与数学规划方法有机地结合在一起，也就是将可靠性要求作为追求的目标或者约束条件，运用最优化方法得到在概率意义下的最佳设计的一种数值计算方法。从工程实用性角度来看，可靠性优化设计方法是较传统的优化设计方法更为合理的设计模式，并且它有明显的高设计质量和获得明显的经济效益，因此对它的研究已成为目前国内外学者积极探索和研究的重要课题之一。可靠性优化设计开始于 20 世纪 60 年代初期，Hilton and Feigen 最早提出了基于可靠性的重量最小的优化公式，开创了可靠性优化设计研究的先河。随后许多学者都在这一领域做出了重要贡献。对工程中具有随机设计参数的优化设计问题，Charnes and Coope 首先提出随机规划方法，之后被众多学者广泛地应用于结构的安全设计中。陈立周等提出了一种基于概率密度函数矩不等式的契贝雪夫点法。该方法既保证了概率计算的精度，同时又克服了一次二阶矩法的不精确性和广义模拟优化方法计算量过大的缺点。王光远和谭东耀建立了基于随机模糊性的结构优化设计的概念和方法，并应用于结构抗震设计之中。由于神经网络和遗传算法的迅速发展，国内外已有一些学者尝试将它们应用到可靠性优化设计中。余建星等采用神经网络方法，较好地解决了含有混合设计变量的可靠性优化设计问题。文献尝试应用神经网络方法，来解决大型结构系统的可靠性优化设计问题。可靠性指标的分配、预计及其验证都是基于故障的统计规律性，忽略了故障的原因、机理发生及其发现的时机和发展过程。诸如此类的可靠性工作项目缺乏“与故障作斗争”所必须的信息及手段，实际限定了可靠性工作所能发挥的作用。因为在型号中的不适应性，波音公司评价道：“由于缺乏有效的数据支持，电子设备的可靠性要求以及为保证此要求确定的温度规范和系统冷却规范，多与实际情况不相符合”。（4）可靠性维修策略的研究在机械设备维修工程方面，国外自 1957 年美国学者 L.C 莫尔罗等人编写维修工程手册开始，维修逐渐由技术发展成为一门综合性的科学。并不断向维修管理和维修技术两大方向发展。在维修管理方面，随着系统科学的发展，二十世纪六十年代英国出现了“设备综合工程学”，七十年代美军提出了“维修工程学”等，使得维修管理方面从单纯的使用维修逐步发展为从产品的设计开发、生产管理、使用管理到维修报废全过程维修管理，在维修技术方面，二十纪五十年代之前机械维修主要局限于以具体维修生产为基本内容的机械维修技术51。自 1958 年美军科研人员 E.裴鲁契卡发表复杂设备的维修理论基础起，机械维修技术逐渐转入以故障及其检测研究为中心的可靠性与维修性理论的研究，并于二十世纪七十年代形成了较为完整成熟的可靠性理论。以此为依据，建立起了预防维修体系和可靠性管理机构等。国内外现代维修技术的发展方向：绿色再制造；智能化维修；网络化的协同维修；基于信息驱动的维修。可靠性维修存在的问题：难以制定有效维修保障方案。由于可靠性工作结果的输出对故障的预计或分析的故障信息不准确，使得难以制定有效的维修和保障计划，比如会出现“维修过剩”或“维修不足”的情况，保障资源的配备也困难。仅根据内外场故障数据的统计推断是不够的。必须在可靠性数学基础上，强调对可靠性故障物理学的研究，发展基于故障物理的可靠性技术，以充分了解产品的故障模式、故障机理和故障位置等信息，才能采取适当措施防止这些潜在故障的发生，并对产品可靠性进行有效设计和正确评价。（5）可靠性管理产品从设计、制造到使用的全过程，实行科学的管理，对提高和保证产品的可靠性关系极大。可靠性管理是质量管理的一项重要内容，可靠性管理不仅是单纯的保证技术，而且是企业中一项重要的经营决策，它有利于大大增强企业的素质，提高企业的可靠性水平，企业中一整套以可靠性为重点的质量管理制度的形成将大大改善人员的可靠性素质、厂风、厂貌，是企业长期生产可靠性产品的强大力量。为了满足产品可靠性的另一项重要措施是产品生产过程中的质量控制，即防止产品在制造上出现有缺陷的管理功能，要求对原材料进行控制及对制造工艺进行控制。可靠性管理和质量管理是两个不同的概念，可靠性管理包含时间的概念，而质量管理则没有时间要求。实施可靠性管理和质量控制，将使产品的总成本降低，可靠性增强，自然销售能力增强，也更有利于进一步的决策等。3. 数控机床可靠性的发展趋势及研究方向近几十年来，我国工业取得了巨大进展，由于入世以后，所有企业都将处在同一国际大市场展开竞争，竞争的焦点集中在产品的质量上，特别是可靠性上。开展可靠性设计技术及其应用研究，努力提高产品的可靠性水平，使之尽可能缩短与国外产品的差距，已成为各行各业每一个从业人员的义务和责任。因此，开展可靠性研究势在必行。在机床设计中选用高性能、高可靠性的数控系统、伺服驱动装置和优质的配套元部件可使国产数控机床的可靠性大大提高。国产数控机床和数控系统在精度和性能方面与进口数控机床相比，差距并不太大，而且在售后服务和价格上还占有一定的优势 ，但两者在用户心目中的信誉却不相同。这是摆在国内数控厂家面前亟待解决的问题。究其原因是多方面的，其关键还在于国内数控产品没有把产品自身的可靠性性能体现给用户，没有一种可接受的评价标准。可靠性研究的发展方向随着科学技术的不断进步 ，可靠性工程学的内容也得到不断完善。在数控机床、数控系统等方面今后应着力于如下几个方面的研究工作：（1）可靠性基础技术研究。开展数控系统可靠性计算机辅助设计研究，研制数控系统可靠性设计专家系统；进一步完善数控系统可靠性数据库系统 ，在条件许可的情况下，建立数控系统的可靠性网络平台，将数控系统的可靠性工作进行网络化。（2）继续完善数控装备的可靠性标准、规范、程序及其它相关技术文件，特别是数控系统可靠性标准、规范和相关技术文件以及软件可靠性标准、规范等；参照数控机床主机的可靠性指标体系研究制订硬件系统和软件的可靠性指标体系；研究制定本行业产品可靠性认定的方法、程序，使可靠性工作规范化、程序化；研究本行业产品在整个寿命期的各个阶段开展可靠性管理的方法和程序，形成规范，以指导本行业企业可靠性管理工作。（3）对于数控系统的可靠性研究结合主要结合数控机床等产品开展可靠性设计技术研究；探讨数控系统的可靠性分析方法；开展静电干扰及其控制技术等对产品可靠性的影响研究；继续深入开展计算机硬件可靠性、软件可靠性的研究。（4）软件可靠性研究结合典型软件系统，探讨软件可靠性预测模型；开展软件可靠性测试方法研究；探讨软件可靠性数据收集方法，力争形成规范；继续开展软件可靠性管理技术研究，力争形成规范或上升为标准；努力使软件可靠性的研究系统化、规范化、标准化。数控机床作为一种机电一体化装备和其他各种机电产品是有共通之处的，我们在研究其可靠性的时候应当多借鉴其他方向的研究成果。但是数控机床又有其固有的特点，所以在研究的时候还得针对其自身的问题进行相应的调整。可靠性工程专业性强、壁垒高，需要长期积累，并且核心竞争力很难复制。从全球范围看，真正能提供专业可靠性工程项目服务的大公司也不多。目前，可靠性工程研究在我国仍然属于边缘学科，仅有几家高校、科研院所与企业成立了专门的可靠性研究实验室。尽管存在着一系列的发展瓶颈，但我国可靠性工程的发展前景仍然是光明的。