陈秋发
东莞市巨冈机械工业有限公司 广东东莞 523000
摘要：数控机床是典型的基础制造装备，其质量及运行健康是工业生产的保证。可靠性问题是数控机床有待进一步发展的首要问题,运用试验模型方法进行机床运行故障的检测是提高数控机床可靠性的关键技术之一。本文研究数控机床的可靠性评价技术,认为整机寿命可利用重要环节部件的寿命试验进行预测，探讨利用威布尔分布模型来制定数控机床系统可靠性指标的方法，并对模型数据利用方差分析法进行数据检验，从而确立了一套适合数控机床系统的加速寿命试验模型及其数据检验方案。
关键字：加速寿命试验、威布尔分布模型、方差分析法
长期以来，数控装备产品的寿命与可靠性评估问题一直是机械电子工程和可靠性工程面临的技术难题之一，其中的常见典型如磨损寿命、电子元件贮存寿命等。准确的对产品寿命进行评估是我国装备产品在研制与使用过程中的焦点，并且随着机械装备可靠性水平的不断提高，这种高可靠、长使用期产品的寿命评估需求会越来越迫切。
1、数控机床寿命评价的背景
目前对材料、电子元器件、结构件等部件寿命方面的研究比较多也比较成熟，但是对复杂的机械电子整机开展的寿命快速评价方面的研究相对较少。对于数控机床这类装备，因其包括大量价值高、重要的电子部件，其整机寿命一般以其重要部件的质量特性和寿命周期作为参考[1][2]。
自1967年加速寿命试验被定义以来，近50年间国内外学者对加速寿命试验技术开展了大量研究，包括在各种应力施加方式下加速寿命试验方法优化设计方法、在各种典型寿命分布下加速寿命模型及寿命评估方法。一般而言，基于人工加速环境条件下的加速试验技术有多种分类方式：按照试验实施方式，分成恒定应力、步进应力、步降应力、序进应力、综合应力等施加方式及其综合。按照核心技术特点可以分成两大类：（1）定性加速试验——可靠性强化试验，主要用于寻找产品缺陷，健壮产品可靠性；（2）定量加速试验——用于评价产品可靠性、寿命指标。根据加速试验技术的发展，定量加速试验又可以分成两类：（1）加速寿命试验，以故障为判据评价产品可靠性和寿命；（2）加速退化试验，以关键性能参数退化为征兆预测产品可靠性和寿命[1][2]。当前，在机床加速寿命试验领域，以各种应力施加方式下的寿命评估方法和各种寿命分布模型下的寿命评估方法为常用。另外还有一些新的可靠性试验技术：加速退化试验（Accelerated Degradation Testing，ADT）、可靠性强化试验(Reliability Enhancement Testing，RET)、高加速寿命试验（Highly Accelerated Life Testing，HALT）等不断的问世[3][4]。
本文介绍的数控机床可靠性技术方案中，针对数控机床电子整机系统，考虑其温度应力因素，采用威布尔分布模型作为寿命分布模型，并为其进行参数估计，最后对加速寿命试验的数据处理方法及其结论进行介绍。
2、威布尔分布模型及其参数估计
威布尔分析法是目前广泛用于研究机械、化工、电气、电子、材料的失效预测的方法，在所有可用的可靠性计算的分布当中，威布尔分布是一类在实际工程领域也备受认可的分析方法。
2.1威布尔分布模型
威布尔分布模型有多种形式，包括一参数威布尔分布、二参数威布尔分布、三参数威布尔分布或混合威布尔分布。本文的主要试验分析采用的是二参数威布尔分布，它是一种典型的连续性概率分布，具体分布形式如下：
（1）
其中，t是随机变量，是比例参数，是形状参数。这类分布的累积分布函数是扩展的指数分布函数，如，当，它是指数分布；且时，是瑞利分布[1]。
2.2参数估计
本文介绍矩估计法和最小二乘法两种参数估计法，并于下节介绍针对最小二乘法的数据检验。
3、数据检验
对于线性化模型，需对回归效果检验，以检验数据是否满足线性要求。常用检验方法有方差分析法和相关系数检验法两种。本方案采用方差分析法对最小二乘法参数估计值进行数据检验。
（下转第389页）
方差分析法的检验公式为
（16）
式中：，。
对于给定的置信水平，查阅F分布表得临界值，若，则认为相关关系显著，反之，则相关关系不显著。温度应力试验中部分F分布临界值如表1所示。
结论：本文研究数控机床的可靠性评价技术,探讨利用威布尔分布模型来制定可靠性指标的方法，并对模型数据利用方差分析法进行数据检验，从而确立了一套适合数控机床的加速寿命试验模型及其数据检验方案。
参考文献：
[1]茆诗松,王玲玲.《加速寿命试验》[M].科学出版社,2000:52
[2] Meeker W.Q., Escobar L.A. Statistical Methods of Reliability Data [DB/OL], John Wiley & Sons, 1998,V14(9):98
[3] 赵建印.基于性能退化数据的可靠性建模与应用研究，国防科学技术大学：2005
[4]李晓阳. 多态退化系统加速试验技术研究[D].北京航空航天大学：2007
论文作者:陈秋发
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/17
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