1.2课题相关内容国内外研究发展现状
1.2.1数控机床可靠性现状
在科技R新月异的今天  ，可靠性工程正变得円益重要  ，可靠性已变成衡量一个系统 性能好坏的重要指标  ，一个系统只有在长期稳定可靠地工作前提下I能发挥其备种功 能  ，系统屮各装置、模块之间必须严格控制协调一致地工作 。对于高度复杂和高度自动 化的数控机床来说  ，人们对其依赖性越来越大  ，其不可靠和不安全因素会造成自身严重 损坏  ，甚至伤及人的生命  ，给国家和企业造成重大的损失[6] 。
近些年  ，我国数控机床技术取得突飞猛进的发展  ，使我国的制造业也取得了长足进 步  ，但与国外的同级产品相比  ，无论是在设计水平  ，还是在实际使用过程中  ，表现并不 如意 。其原因主要表现在以下几个方面：
(1) 机械传动结构及功能部件的设计可靠性有待提高  ，数控机床的机械传动结构及 功能部件的设计可靠性在很大程度上也决定了整机的可靠性 。我国历来只重视主机的设 计和制造  ，造成我国数控机床的功能部件（如滚珠丝杆  ，滚动导轨  ，数控车床转塔刀架 加工中心刀库和机械手）质量差、可靠性低 。为此  ，需要机床选用高性能、髙可靠性的 数控系统、伺服驱动装置配套功能部件、电器元件、检测元件  ，以保证机床可靠性 。此 外  ，还要大力发展刀具产业  ，开展新颖刀具材料的研究  ，设计新颖的数控机床刀具  ，提 高刀具耐用度  ，延长数控机床的精度保持时间  ，从而提高机床的可靠性 。
(2) 机床可靠性试验工艺不规范 。机床部件可靠性无相应的试验标准  ，评价体系不 完整 。由于不同的评价标准  ，导致机床可靠性水平评价不一致 。
(3) 机床数控系统故障较多  ，国产机电元器件（附件）质量较差  ，我国的低压电器、 机电元器件粗制滥造  ，任意销售  ，相互仿造  ，真假难分 。电源及工艺技术水平低  ，据国 外统计  ，往往强电设备对电源系统有“污染”  ，它产生很强的脉冲噪声  ，通过传导影响 电子设备的安全运行 。
(4) 伺服系统的设计可靠性差  ，伺服系统的性能决定数控机床的最高运动速度定位 及跟踪精度  ，零件加工的表面质量、生产效率及工作可靠性等技术指标  ，是数控系统和机床本体间的电传动联系环节 。提高伺服系统的设计可靠性可采取诸如交流驱动取代直 流驱动、数字控制取代模拟控制  ，产生交流数字驱动系统等增强柔性  ，大大提高可靠性 。
(5) 在机床可靠性研究方面  ，吉林大学的申桂香等提出通过一种客观赋权的熵权法 来评价数控机床的可靠性  ，有效克服了加权综合评价法中主观确定权重的缺陷 。根据所 构建的综合评价指标体系(平均首次故障间隔时间MTTF、平均故障间隔时间MTBF和 当量故障率D)和两种加工中心的可靠性数据  ，计算出各个指标的权重并对加工中心的 可靠性进行了综合评价[7] 。装甲兵工程学院的贾志成[8]等认为产品寿命分布模型是评价 和提高产品可靠性水平的基础  ，提出对加工中心进行可靠性现场试验  ，对获取的故障数 据进行曲线拟合和假设检验等数据分析和处理  ，得出加工中心寿命分布的数学模型  ，从 而为加工中心可靠性特征量的评定和采取可靠性增长的技术措施提供了理论依据[9] 。
1.2.2国内外FMECA分析技术应用的发展概况
FMEA技术最早是由美国军方提出的  ，早在20世纪50年代初  ，美国格鲁门飞机公 司在研制飞机主操作系统时采用了 FMECA  ，当时只进行了故障模式及影响分析 (FMEA),而未进行危害性分析（CA)  ，仅属于定性分析  ，但取得了良好的效果 。60 年代中期  ，FMEA技术正式应用于航天工业（Apollo计划) 。70年代末  ，FMEA技术开 始进入汽车工业和医疗设备工业 。1980年  ，美国国防部颁布了 FMECA的军用标准  ，即 MIL-STD-1629《故障模式、影响及危害性分析程序》 。80年代中期  ，汽车工业开始应用 FMECA确认其制造过程 。1988年  ，美国联邦航空局发布资讯通报  ，要求所有航空系统 的设计及分析都必须使用FMECA 。美国j9九游会平台局对FMECA特别重视  ，在长寿命通信卫 星上几乎无一例外地采用了这种分析手段 。美国卫星成功的关键之一  ，就是采用了 FMECA技术[9~12] 。此外  ，美国j9九游会平台局在总结卫星故障原因及研究应采取的技术对策时  ， 也把重点放在了 FMECA上 。目前  ，FMECA已在工程实践中形成一套完整的分析方法  ， 并根据产品故障产生机理的不同  ，FMECA与设计、制造、使用、承包商、供应商以及 服务等整个产品寿命周期联系起来  ，又被细分为设计FMECA、过程FMECA、使用 FMECA和服务FMECA四类 。
尽管FMECA得到非常广泛的应用和认可  ，但从分析方法上看  ，FMECA仍然存在 缺陷与不足：系统复杂时  ，很难明确确定每一故障模式的故障影响；当系统中元器件过 多  ，分析工作枯燥繁琐  ，工作量大  ，难免造成遗漏和错误 。为此  ，人们不断进行研究来 改善FMECA的分析效果 。目前  ，主要改进方法有：
(1) 基于MIL.HDBK.217的FMECA方法 。这种分析方法是目前可靠性分析使用比较广泛的一种分析方法 。是美国国防部在大量统计数据的支撑下  ，1995年2月颁发 MIL.HDBK.217标准 。该标准给出大量电子元器件的基本可靠性数据 。以此为基础  ，各 工业部门及其相关的一些公司研制、开发FMECA软件  ，如Relex系统和Item系统 。这 些分析系统主要采用硬件法  ，适用于从零部件级开始  ，最后扩展到系统级  ，即自下而上 进行分析 。以元器件的可靠性数据为基础  ，能计算故障的危害程度 。但这种分析方法只 能在系统设计比较确定的情况下进行  ，并且分析结果较简单、不够细致  ，不同分析人员 分析结果的一致性很难保证 。
(2) 矩阵法FMECA 。1977年  ，美国人Barbour在从事长寿命通讯的可靠性分析中提 出矩阵法FMECA 。同一般FMECA方法相比  ，矩阵法具有更强的结构性和系统性  ，对 系统中的每一个故障提供更有效的跟踪性 。矩阵法FMECA优点是：能更好的表达系统 故障因果关系  ，推理算法简单直接  ，便于在系统设计完成以后对系统进行有效的分析 。 但矩阵法FMECA对系统的信息完备性要求较高  ，比较适合应用于电子系统 。
(3) 基于性能仿真的FMECA 。基于性能仿真的FMECA实际是通过对构成系统元器 件的参数进行蒙特卡洛仿真  ，确定在超出系统容限时一些参数的变化关系  ，作为FMECA 分析结果 。这种分析方法在电子系统中比较常见 。目前已有一些软件系统支持这种分析 方法  ，如著名的机电系统仿真软件Saber的附加FMECA模块  ，获得1999年度最佳测试 设计软件的TestDesigner工具 。这种方法的优点在于得出的结果可信性比较髙  ，但速度 比较慢 。
(4) 基于功能模型的FMECA 。为达到最佳效益  ，美国Stanford大学的C. F. Eubanks
等人利用目前功能建模技术的成果  ，提出采用系统的行为模型作为FMECA分析的基础  ， 通过构造行为模型的因果链来完成故障分析  ，取得一定的成果  ，并将这种方法应用于制 冰器和电吹风的FMECA中 。但不够完善  ，还没有形成一套成熟的系统来支持整个 FMECA的分析过程 。以上是FMECA技术国外的研究发现现状 。
国内在80年代初期  ，随着可靠性技术在工程中的应用  ，FMECA的概念和方法也逐 渐被接受 。目前在航空、航天、兵器、舰船、电子、机械、汽车、家用电器等工业领域  ， FMEA方法均获得了一定程度的普及  ，为保证产品的可靠性发挥了重要作用 。可以说该 方法经过长时间的发展与完善  ，已获得了广泛的应用与认可  ，成为在系统的研制中必须 完成的一项可靠性分析工作 。
目前  ，国内在机械、航空、电子等领域均已成功地应用了 FMECA技术  ，并且明确 规定此项技术为设计人员必须掌握的技术  ，FMECA的有关资料亦被规定为不可缺少的 设计文件[13~15] 。我国军用标准GJB450在可靠性设计及评价中指出  ，在设计和生产营运中应用FMECA找出设计上的潜在缺陷  ，是设计分析和设计审查中必须重视的资料之一 。 军标还规定：实施FMEA是设计者和承制方必须完成的任务 。
1.2.3加工中心FMECA分析、信息管理平台的技术发展
在加工中心的FMECA分析方面  ，吉林大学的贾亚洲等根据某型号数控系统1年半 的故障数据  ，对其进行了故障部位和故障模式分析  ，并应用FMECA法对故障多发部位 进行了进一步的研究；指出了该数控系统及其相关功能部件的可靠性薄弱环节  ，为数控 系统的可靠性设计和分析提供了依据 。
尽管FMECA方法多种多样、各具特点  ，但还不能完全满足设计过程中对FMECA 的要求 。及时性是成功实施FMECA的最重要因素之一  ，FMECA应与产品设计同步进 行  ，从产品功能的角度进行基于功能模型的FMECA 。它是一个“事前行为"  ，而不是“事 后行为" 。因此  ，基于功能模型进行FMECA  ，需进一步完善  ，是值得深入、系统研究的 课题 。另外  ，在20世纪50年代  ，美国将“结构FMECA"技术应用在飞机制造业的发动 机故障防范中  ，应用过程中发现：某故障模式可能是上层系统的故障原因  ，同时又是下 层系统的结果；j9九游会平台因素、人为因素或多种因素相互组合也可能对顶级事件产生影响； 还有  ，“结构FMECA”进行风险分析时  ，数据的采集具有很大模糊性  ，直接影响分析结 果的准确性 。而FMECA和故障树（FTA)综合进行故障分析及FMECA模糊风险分析 分别可以解决以上两种问题  ，对改善系统可靠性具有很大应用价值 。
软件平台方面  ，国内软件的应用情况才刚刚起步 。分析技术人员和工程师们将大量 宝贵时间浪费在信息管理上  ，更重要的是由于人为的判断误差、计算误差和信息管理误 差等使得报告的分析误差很大  ，计算精度很低  ，从而降低产品可靠性 。近年来  ，国内的 相关高校和研究院也相应地开发过一些FMECA应用软件  ，如国防科技大学、中国机械 科学研究院、北京航空航天大学等单位都从事过此方面的研究 。尤其是国防科技大学系 统工程研究所成功开发了基于矩阵法FMECA的GeFMECA系统  ，以及北京运通恒达科 技有限公司开发的FMECA系统  ，但其功能都远落后于国外 。
1.3主要研究内容
数控机床在实际使用中  ，由于设计、制造、使用等因素引起的故障不断发生  ，因此 对数控机床进行故障分析是十分必要的  ，故障分析也是对数控机床可靠性评估的重要内 容之一 。加工中心的FMECA故障数据缺乏有效的管理  ，FMECA又是一项烦琐、乏味 的工作  ，实际运行中会出现各种故障模式 。而这些故障模式对今后的加工中心设计改进、 使用维护有重要的参考价值  ，所以急切需要建立加工中心FMECA数据库软件 。其研究 内容主要包括以下几个方面：
(1) 广泛深入调研  ，收集VMC650加工中心的故障情况 。通过对故障数据的整理归 纳  ，得出故障模式 。
(2) 建立故障模式数据库  ，合理分类存储故障模式 。
(3) 编制VMC650加工中心数据库管理系统软件 。
(4) 分析用户需求  ，包括：软件的功能性  ，即满足用户的各项功能需求；工程适用 性  ，即适应用户的工程分析流程和习惯；安全性  ，即保证数据的一致性和安全访问； 幵放性  ，即应具有与其他软件的良好接口  ，软件自身功能、结构的扩展和数据库的扩 展；以及用户友好性等 。
(5) 深入分析工程中的FMECA流程  ，将其作为软件流程控制的基础 。分析FMECA 中涉及的数据及其相互关系  ，建立完善的数据模型  ，为数据库的设计打下坚实的基础 。
(6) 从软件体系结构的设计层次建立FMECA软件的总体框架  ，功能划分  ，数据库  ， 软件接口规范  ，及运行j9九游会平台和运行方式等 。
(7) 从应用角度出发  ，最大可能实现可视化和自动化  ，使软件使用直观  ，简单和高 效；建立强大基础数据库以支持分析工作  ，提高分析水平 。
(8) 通过应用编制的软件平台进行VMC650加工中心的FMECA分析   ，找出整机设 计运行过程中的薄弱环节  ，给出相应的建设性意见 。