CN103048951A - 一种用于评估数控***可靠性的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于评估数控***可靠性的试验方法，该方法在相同的实测物理环境下，开展对有限样本的数控***（包括主轴电机和进给电机）无替换模式的定时截尾试验，进行长时间批量化运行试验过程监控，采集运行数据、故障数据和维护数据等，获取2万小时及以上同等运行环境条件下准确、可比的数控***现场运行数据，并建立典型数控***实测数据库。对采集到的数控***实测数据库中的平均无故障运行时间（MTBF）、故障现象、诊断过程以及运行状态等大量数据信息进行处理分析和比较分析，进一步处理获得故障时间、故障特点、故障分布以及产品质量映射等情况，深入研究数控***可靠性数据特点、故障特征、模式分类及影响分析等。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于评估数控***可靠性的试验方法，具体是建立相同的实测物理环境，对有限样本的受试数控***开展无替换模式的定时截尾无间断连续运行试验，进行长时间批量化运行试验过程监控，采集运行数据、故障数据和维护数据等，根据所获得数据进行故障模式、影响及危害度分析（FMECA）、计算平均故障间隔时间（MTBF）、平均修复时间（MTTR）等数据。
背景技术
数控***和数控机床的可靠性水平，对于数控装备正常运行和数控生产厂商提高产品竞争力有着至关重要的作用。数控***可靠性试验测试是在可靠性工程理论指导下，按国家相关标准和规范，结合数控机床应用特点，通过实际试验测试获取反映数控***可靠性水平的平均故障间隔时间MTBF、故障信息以及运行状态等数据。为了充分测试和试验对比，除在加工现场对数控***进行可靠性记录外，在实验室对有限样本进行室内无间断连续运行实验。
数控***可靠性实测数据，是现代数控机床设计开发、性能评价和生产应用的关键基础性数据。研究解决数控***可靠性理论、测试评估方法和关键技术，准确、客观获得具有可比性的国产数控***可靠性的第一手数据，分析国产数控***及装备的可靠性现状和影响因素，对于实现数控***和数控机床的可靠性增长，解决国产数控产品可靠性不高的共性问题，提升我国数控机床技术水平、研究开发能力和生产应用水平，提高装备制造业的竞争力，具有重要的意义。
针对多达数十台不同厂家、不同型号的数控***性能测试，考虑到数控***高可靠、小样本、运行时间长等特点，建立相同的实测物理环境，对这些受试数控***开展无替换模式的定时截尾无间断连续运行试验，进行长时间批量化运行试验过程监控，采集运行数据、故障数据和维护数据等，根据所获得数据进行故障模式、影响及危害度分析（FMECA）、计算平均故障间隔时间（MTBF）、平均修复时间（MTTR）等数据。
发明内容
本发明的目的在于建立一种用于评估数控***可靠性的试验方法，针对数控***高可靠、小样本、运行时间长等特点，保证对不同的数控***建立统一的实验环境进行无替换模式的定时截尾无间断连续运行试验，用以对比和评价各数控***性能。
本发明为一种测试方法，该方法要求在相同的实测物理环境下，开展对有限样本的数控***无替换模式的定时截尾无间断连续运行试验，进行长时间批量化运行试验过程监控，采集运行数据、故障数据和维护数据等，获取2万小时及以上同等运行环境条件下准确、可比的数控***现场运行数据，并建立典型数控***实测数据库。
本发明采用的技术方案为：一种用于评估数控***可靠性的试验方法，该方法步骤如下：
试验开始，对数控***施加电应力，整个循环内保持通电。
通电后对数控***进行按键测试。在0~360s内，完成按键测试。
360s后对数控***进行空载测试。不加任何负载，从360s到365s，5s内主轴转速由零加速到正转的额定转速，在额定转速下运行300s，从665s到675s，10s内主轴转速由额定转速减速到零，再由零加速到反转的额定转速，在额定转速下运行300s，从975s到980s，5s内主轴转速由额定转速减速到零。
980s后对数控***进行主轴加速测试。从980s到990s，10s内主轴转速由零加速到正转极速的90%，在该速度下运行5s。
995s后对数控***进行主轴极速测试。从995s到1000s，5s内主轴转速由正转极速的90%加速到正转极速，在极速下运行5s，从1005s到1010s，5s内主轴转速由极速减速到极速的90%。
1010s后对数控***进行主轴减速测试。在90%极速下运行5s，从1015s到1025s，10s内主轴转速由极速的90%减速到零。
1025s后对数控***进行主轴加速测试。从1025s到1035s，10s内主轴转速由零加速到反转极速的90%，在该速度下运行5s。
1040s后对数控***进行主轴极速测试。从1040s到1045s，5s内主轴转速由反转极速的90%加速到反转极速，在极速下运行5s，从1050s到1055s，5s内主轴转速由极速减速到极速的90%。
1055s后对数控***进行主轴减速测试。在反转90%极速下运行5s，从1060s到1070s，10s内主轴转速由反转极速的90%减速到零。
1070s后对数控***进行XY面内的直线插补运动测试。从1070s到1670s，600s内X、Y两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。
1670s后对数控***进行XZ面内的直线插补运动测试。从1670s到2270s，600s内X、Z两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。
2270s后对数控***进行YZ面内的直线插补运动测试。从2270s到2870s，600s内Y、Z两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。
2870s后对数控***进行XY面内的圆弧插补运动测试。从2870s到3470s，600s内X、Y两轴在额定转速下，在XY平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。
3470s后对数控***进行ZX面内的圆弧插补运动测试。从3470s到4070s，600s内Z、X两轴在额定转速下，在ZX平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。
4070s后对数控***进行YZ面内的圆弧插补运动测试。从4070s到4670s，600s内Y、Z两轴在额定转速下，在YZ平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。
4670s后对数控***进行负载测试。在额定负载情况下，从4670s到5270s，600s内X、Y两轴做直线插补运动；从5270s到5870s，600s内X、Z两轴做直线插补运动；从5870s到6470s，600s内Y、Z两轴做直线插补运动；从6470s到7070s，600s内X、Y两轴做圆弧插补运动；从7070s到7670s，600s内Z、X两轴做圆弧插补运动；从7670s到8270s，600s内Y、Z两轴做圆弧插补运动。
试验不断循环直至运行30000台时，测试结束。
本发明方法与其他使用现场测试数据和使用数据的方法相比有以下优点：
1、区别于过去对数控***可靠性评估中存在的测试样本点少、测试时间短、测试环境各不相同等不足，本发明进行长时间连续无间断定时截尾实验；
2、本发明所采用的在完全相同的测试环境中进行批量产品的长时间无替换定时截尾试验方法，可以保证测试数据的客观性和可比性。
附图说明
图1测试***拓扑图；
图2视频采集***示意图；
图3***拓扑结构图；
图4网络传输***结构图；
图5信号采集***原理图；
图6测试箱设备示意图；
图7数据存储***初步方案设计图；
图8为运行测试循环流程。
具体实施方式
本发明包括数据采集***、数据访问与展示***、数据存贮***三个模块如附图1所示。
1、数据采集***
数据采集***包括视频采集模块和状态数据采集模块。
1）视频采集模块
视频采集模块主要由三部分组成，分别是：前端网络摄像机(IPC）、网络传输***、视频管理控制***。***结构示意图和***拓扑结构图分别如附图2、附图3所示；
针对不同厂家每个系列的数控***，都配有前段网络摄像机，另配有多个全景监控摄像机，选用支持红外摄像的半球机，以保证24小时不间断监控。网络传输***结构图如附图4所示，采用双核心交换机（支持POE功能）来接入所有的IPC和服务器以及存储***，确保了视频传输的安全可靠性。视频管理控制***采用Linux操作***，具有抵抗病毒与非法入侵的能力，支持7*24小时连续工作，具备双机热备功能，具备离线配置，快速备份配置文件和***配置快速恢复机制；支持大容量视频转发、大容量视频存储点播、帧标记以及业务支撑信息管理功能；具有完善的权限管理能力，多级权限分配机制；存储支持按照时间分级，支持流存储和通用文件存储；内建Web Server，可以支持CLIENT和WEB两种访问方式；具备高稳定性，支持防错冗余配置。
2）状态数据采集模块
状态数据采集模块主要包括数控***运行状态信号采集和环境信号采集两个方面。选用EtherCAT工业以太网具有高达100Mb/s的带宽，数据通信采用标准以太网数据帧，能够方便地实现与以太网的互联，具有很好的兼容性，尤其适用于高速的分布式数据采集。基本的原理图如附图5所示，将需要采集的信号直接从数控***的PLC引至EtherCAT模块。但是在实际的数控***中，对数控***进行了处理，将需要采集的数控***信号通过外加继电器变成与数控***信号一一对应的无源触点，这样便可以很方便的将信号引至EtherCAT模块。
为了了解数控***从开始运行到运行结束整个过程的运行情况，因此就需要对能够代表数控***运行状况的信号进行数据采集。需要采集的数控***的信号主要包括：NC电源、NC准备、24V接通、***运行脉冲输出、主轴准备/旋转、伺服轴（XYZ）准备/旋转；对于每个厂家不同系列的数控***都单独设计、制造了一套测试箱，如附图6所示。
在对数控***可靠性试验测试数据采集的过程中，主要用到3类EtherCAT模块，分别为EL1008、EL2004、EL3064，各模块的具体工作原理如下：
EL1008：8通道数字量输入端子24V DC，3ms；它的数字量输入端子从现场级获得二进制控制信号，并把数据以电隔离的信号形式传输到更高层的自动化单元。EL100x系列数字量输入端子有一个3ms输入滤波；每个端子可通过一个LED来显示其状态。
EL2004：4通道数字量输出端子24V DC，0.5A；它的数字量输出端子以电隔离的信号形式将自动化控制层传输过来的二进制控制信号传到设备层的执行机构。
EL3064：4通道模拟量输入端子模块0…10V单端，12位模拟量；它的输入端子模块用于处理0-10V范围内的信号。电流被数字化后的分辨率为12位，并在电隔离的状态下被传送到上一级自动化设备。在端子模块EL3064中，4个单端输入为2线制，并有一个公共的内部接地电位。端子模块的各个电源触点互相连接；所有输入端的基准接地点为0V电源触点。
被测数控***的信号与并联冗余的2个“信号集成模块”相连，通过双绞线以EtherCAT协议将两个信号集成模块串连，并且分别与PLC1-TWINCAT和PLC2-TWINCAT数据采集机相连，形成冗余的两路信号采集***。PLC1-TWINCAT和PLC2-TWINCAT以1分钟的采集周期实现数据信号的采集，采集得到的数据通过计算机网络存贮于数据存储***中。
对于环境信号的采集，需要另外增加一个温湿度变送器，当变送器周围的温度、湿度发生变化时，采集模块会将采集到的温度、湿度的变化情况实时的显示出来。
2、数据存储***（IPSAN）
数据存储***设计，***设计采用IPSAN进行集中存储，并采用通用文件***存储，支持归档管理。考虑到冗余安全因素，选用经计算容量的1.2倍的总容量来支持视频采集模块和状态采集模块的数据存储。IPSAN存储***运用了RAID5+热备、磁盘容量强制匹配、分布式元数据存储等技术，使得存储***具有节能、数据存储安全性高等优点。如附图7所示，包含3个模块：数据存储模块、数据备份模块及数据管理模块，各模块的基本原理分别如下：
1）数据存储模块：
该模块包含2台数据库服务器，2台存储交换机以及6套磁盘阵列。数据库服务器从数据采集处取得数据，通过双机热备份的方式与双存储交换机交叉连接，将数据存入磁盘阵列，以保证数据存储的安全可靠性；
2）数据备份模块：
该模块包含外部存储介质和1台PC机。PC机通过网络交换机连接到数据库服务器，然后再通过数据库服务器将磁盘阵列中的数据导入外部存储介质，导入完成后，可将外部存储介质与数据库服务器断开，单独存储，以防磁盘阵列出现故障后数据丢失；
3）数据管理模块：
该模块包含2台PC机。PC机可通过网络交换机连接到数据库服务器，并通过数据库服务器调用存储在磁盘阵列中的数据，以完成故障数据的查看、分析等操作；
3、数据访问与展示***：
该***包括网络展示模块和视频显示模块。
1）1）网络展示模块
网络展示模块包含1台Web服务器，1台应用服务器，1台认证服务器以及一个带VPN的防火墙。外部用户通过Internet申请访问数据时，首先通过带VPN的防火墙，之后经认证服务器认证后，最后由应用服务器处理访问申请。Web服务器提供网络连接支持。
2）2）视频显示模块
视频显示模块采用液晶屏拼接显示方案，通过VMX专业图像拼接控制器进行视频显示的控制。VMX专业图像拼接控制器具有数据运算能力强大、边缘屏蔽技术、RGB和Video窗口可任意漫游、叠加、缩放并支持单屏分割及多屏拼接等功能，可保证显示***清晰、流畅的完成视频展示功能。
本发明采用测试方法对受试***进行综合应力实验，综合应力包括：温度、湿度、电应力和工作应力等。温度和湿度应力采用试验现场的自然环境条件，试验过程中做实时监测和记录。试验剖面见附图8，试验过程如下：
试验开始，对数控***施加电应力，整个循环内保持通电。
通电后对数控***进行按键测试。在0~360s内，完成按键测试。
360s后对数控***进行空载测试。不加任何负载，从360s到365s，5s内主轴转速由零加速到正转的额定转速，在额定转速下运行300s，从665s到675s，10s内主轴转速由额定转速减速到零，再由零加速到反转的额定转速，在额定转速下运行300s，从975s到980s，5s内主轴转速由额定转速减速到零。
980s后对数控***进行主轴加速测试。从980s到990s，10s内主轴转速由零加速到正转极速的90%，在该速度下运行5s。
995s后对数控***进行主轴极速测试。从995s到1000s，5s内主轴转速由正转极速的90%加速到正转极速，在极速下运行5s，从1005s到1010s，5s内主轴转速由极速减速到极速的90%。
1010s后对数控***进行主轴减速测试。在90%极速下运行5s，从1015s到1025s，10s内主轴转速由极速的90%减速到零。
1025s后对数控***进行主轴加速测试。从1025s到1035s，10s内主轴转速由零加速到反转极速的90%，在该速度下运行5s。
1040s后对数控***进行主轴极速测试。从1040s到1045s，5s内主轴转速由反转极速的90%加速到反转极速，在极速下运行5s，从1050s到1055s，5s内主轴转速由极速减速到极速的90%。
1055s后对数控***进行主轴减速测试。在反转90%极速下运行5s，从1060s到1070s，10s内主轴转速由反转极速的90%减速到零。
1070s后对数控***进行XY面内的直线插补运动测试。从1070s到1670s，600s内X、Y两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。
1670s后对数控***进行XZ面内的直线插补运动测试。从1670s到2270s，600s内X、Z两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。
2270s后对数控***进行YZ面内的直线插补运动测试。从2270s到2870s，600s内Y、Z两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。
2870s后对数控***进行XY面内的圆弧插补运动测试。从2870s到3470s，600s内X、Y两轴在额定转速下，在XY平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。
3470s后对数控***进行ZX面内的圆弧插补运动测试。从3470s到4070s，600s内Z、X两轴在额定转速下，在ZX平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。
4070s后对数控***进行YZ面内的圆弧插补运动测试。从4070s到4670s，600s内Y、Z两轴在额定转速下，在YZ平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。
4670s后对数控***进行负载测试。在额定负载情况下，从4670s到5270s，600s内X、Y两轴做直线插补运动；从5270s到5870s，600s内X、Z两轴做直线插补运动；从5870s到6470s，600s内Y、Z两轴做直线插补运动；从6470s到7070s，600s内X、Y两轴做圆弧插补运动；从7070s到7670s，600s内Z、X两轴做圆弧插补运动；从7670s到8270s，600s内Y、Z两轴做圆弧插补运动。
试验不断循环直至30000台时测试结束。本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (1)
1.一种用于评估数控***可靠性的试验方法，其特征在于：该方法步骤如下：
试验开始，对数控***施加电应力，整个循环内保持通电；
通电后对数控***进行按键测试，在0~360s内，完成按键测试；
360s后对数控***进行空载测试，不加任何负载，从360s到365s，5s内主轴转速由零加速到正转的额定转速，在额定转速下运行300s，从665s到675s，10s内主轴转速由额定转速减速到零，再由零加速到反转的额定转速，在额定转速下运行300s，从975s到980s，5s内主轴转速由额定转速减速到零；
980s后对数控***进行主轴加速测试，从980s到990s，10s内主轴转速由零加速到正转极速的90%，在该速度下运行5s；
995s后对数控***进行主轴极速测试，从995s到1000s，5s内主轴转速由正转极速的90%加速到正转极速，在极速下运行5s，从1005s到1010s，5s内主轴转速由极速减速到极速的90%；
1010s后对数控***进行主轴减速测试，在90%极速下运行5s，从1015s到1025s，10s内主轴转速由极速的90%减速到零；
1025s后对数控***进行主轴加速测试，从1025s到1035s，10s内主轴转速由零加速到反转极速的90%，在该速度下运行5s；
1040s后对数控***进行主轴极速测试，从1040s到1045s，5s内主轴转速由反转极速的90%加速到反转极速，在极速下运行5s，从1050s到1055s，5s内主轴转速由极速减速到极速的90%；
1055s后对数控***进行主轴减速测试，在反转90%极速下运行5s，从1060s到1070s，10s内主轴转速由反转极速的90%减速到零；
1070s后对数控***进行XY面内的直线插补运动测试，从1070s到1670s，600s内X、Y两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回；
1670s后对数控***进行XZ面内的直线插补运动测试，从1670s到2270s，600s内X、Z两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回；
2270s后对数控***进行YZ面内的直线插补运动测试，从2270s到2870s，600s内Y、Z两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回；
2870s后对数控***进行XY面内的圆弧插补运动测试，从2870s到3470s，600s内X、Y两轴在额定转速下，在XY平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周；
3470s后对数控***进行ZX面内的圆弧插补运动测试，从3470s到4070s，600s内Z、X两轴在额定转速下，在ZX平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周；
4070s后对数控***进行YZ面内的圆弧插补运动测试，从4070s到4670s，600s内Y、Z两轴在额定转速下，在YZ平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周；
4670s后对数控***进行负载测试，在额定负载情况下，从4670s到5270s，600s内X、Y两轴做直线插补运动；从5270s到5870s，600s内X、Z两轴做直线插补运动；从5870s到6470s，600s内Y、Z两轴做直线插补运动；从6470s到7070s，600s内X、Y两轴做圆弧插补运动；从7070s到7670s，600s内Z、X两轴做圆弧插补运动；从7670s到8270s，600s内Y、Z两轴做圆弧插补运动；
试验不断循环直至运行30000台时，测试结束。
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