系统级产品可靠性统计建模与试验评价方法的研究

The Numerical Control System (NCS) with a high-fault-rate is one of the key factors which could hamper the development of the manufacture industry of numerical control machine tool. Thus, it is badly need to establish a reliability testing method used to assess the reliability of NCS in a short period, and then improve the reliability of NCS according to the testing results. However, for the system-level product such as the CNS with a requirement of high reliability, there is no suitable accelerated life testing (ALT). To assess the reliability of NCS in a short period, the HNC-21 NCS is taken as an example to research on the reliability statistical modeling and assessment method for the system-level product by using theoretical deduction and experimental verification. The method for deducing the lifetime model and accelerated failure model are developed, a new stress loading method for planning the ALT loading profile, and a statistical analysis method for system-level product with competing risks is developed. The achievements of this project could be used to solve the problem how to conduct the ALT of system-level product, and realize the goal that it could assess the reliability of NCS in a short period.

国产数控系统可靠性水平较低是制约我国数控机床行业发展的瓶颈之一。我国亟需建立数控系统可靠性快速测评试验方法。通过对数控系统可靠性的快速测评，可实现在短期内获知其可靠性水平、暴露潜在设计缺陷知薄弱环节，并依此改进设计，实现提升数控系统可靠性水平。本项目以实现快速测评国产数控系统可靠性水平为目标，针对因尚无系统级产品加速寿命试验方法而难以开展数控系统可靠性快速测评试验的问题，以华中HNC-21型数控系统为对象，采用理论推证和试验相结合方法，对系统级产品可靠性统计建模与试验评价方法进行研究，建立系统级产品可靠性统计建模方法、加速寿命试验应力施加方式，以及小样本试验场合下相关竞争失效数统计分析方法，解决如何对数控系统这类系统级产品进行加速寿命试验的问题，实现对数控系统可靠性的快速测评。

本项目针对因无数控系统加速寿命试验方法而难以开展可靠性快速测评试验的问题，以数控系统为研究对象，采用理论推证和试验相结合的方法，对系统级产品可靠性统计建模与试验评价方法进行研究，目标是建立一种可靠性试验方，解决如何进行数控系统加速试验的问题，为实现数控系统可靠性快速测评提供试验评价方法。. 通过开展数控系统故障机理分析和可靠性摸底试验，确定了伺服控制器、伺服驱动器和伺服电机的主要失效形式和机理，发现了数控系统性能退化表征参量；通过对摸底试验数据的统计分析，发现了性能退化参数的变化规律、提出了失效阀值的判定方法；在此基础上，提出了一种数控系统加速退化试验应力施加方法，确定了加速试验应力水平的选取准则；通过开展加速退化试验以及对试验数据的统计分析，推断出了控制器和伺服系统的性能退化模型，并依此通过计算获得了控制器和伺服驱动系统的伪寿命；综合利用图分析法、拟合优度检验和蒙特卡洛模拟方法对伪寿命数据进行分析，获得了控制器和伺服系统的寿命分布，实现了对数控系统在正常温度应力下的可靠寿命的评估。研究结果表明，利用本文提出的加速退化试验方法能够实现对数控系统这类系统级产品的可靠性进行快速测评。. 本项目研究为建立数控系统可靠性快速测评规范提供了试验评价方法及其理论支撑，也在一定程度上促进了加速寿命试验理论与方法的发展以及系统级产品加速试验技术发展。另外，本研究成果也可用于对一些工作在环境温度循环变化且温差较大的控制系统的剩余寿命预测，以及一些对输出转矩精度要求较高的驱动系统的剩余寿命预测。