数控机床是复杂的机电液一体化系统,是装备制造业和国防现代化的基础制造装备,长期以来,其可靠性一直备受关注。国产数控机床,特别是国产中高档数控机床在精度、功能方面与国外先进的数控机床相比差距不大,但在可靠性方面差距较大,致使国产数控机床市场占有率低,尤其高档数控机床几乎全部依赖进口,严重制约了我国装备制造业和国防现代化的发展,因此急需提高国产数控机床的可靠性水平。准确建立数控机床的可靠性模型是对其进行可靠性评价、可靠性设计,实现可靠性增长的重要基础。许多专家学者从故障信息处理、模型分布及其参数估计、试验类型、维修程度等角度研究了数控机床可靠性模型的建立方法,使数控机床可靠性评估的精度不断得以提高。目前数控机床可靠性建模方法主要是基于故障信息的建模,尚未考虑数控机床所处工况对其可靠性的影响。研究表明:同型号产品处于不同的工况条件下,产品表现出的可靠性水平有很大不同。众所周知,批量生产的通用数控机床的用户遍及各个行业与地区,同一规格型号的机床承担的加工任务各不相同,所处环境也相差较大。在可靠性评估时,若仅考虑故障信息,而忽略其工况和环境影响,会致使可靠性评估结果具有较大的差异。因此,在考虑数控机床工况条件下,如何准确建立其可靠性模型,以提高其可靠性评估精度是急需解决的问题。本文在国家科技重大专项课题支持下,以国产数控机床为研究对象,结合数控机床的工况差异特性,分析了数控机床用户现场可靠性试验时故障信息与工况信息的采集流程及方法;对不同工况条件下的数控机床进行了可靠性建模与评估;研究了数控机床可靠性区间估计方法;开展了数控机床定时截尾试验的试验周期设计,并分别给出了具体实例。本文主要研究如下:(1)首先对数控机床可靠性的国内外研究现状进行了分析,结合实际工程需求,提出了考虑工况差异的数控机床可靠性建模与试验周期设计方法。(2)针对现场可靠性试验的特点,分析了数控机床用户现场可靠性试验中工况信息的种类,制定了多种工况信息采集和记录方法。为使各故障信息和工况信息准确对应,设计了故障信息与工况信息记录的对应标识。数控机床用户现场可靠性试验是以不影响用户正常生产为前提的,因而无法安装测力装置,故采用可靠性现场试验获得的切削工艺参数,根据切削力经验公式获得切削力值;根据工艺规程或现场观察试验方法得到换刀次数等信息。最后采用数控机床用户现场定时截尾试验方法,对数控机床进行了未考虑工况差异的可靠性建模,并得到了机床的可靠性水平。(3)数控机床所处工况对机床可靠性会产生一定的影响,而现有数控机床可靠性建模方法尚未考虑工况的影响,使得可靠性评估结果与实际具有一定偏差。对描述工况与产品可靠性关系的常用可靠性模型进行了分析,采用比例故障率函数来描述数控机床可靠性与不同工况的相互关系,采用二步参数估计方法估计模型参数,用似然比检验方法剔除对机床可靠性无影响的工况协变量,在此基础上,提出了一种基于比例故障率函数的数控机床可靠性建模方法。实例分析表明该模型能够建立工况与数控机床可靠性的相互关系,并进一步结合实例分析了切削力、换刀次数、环境温度、切削液等工况协变量对数控机床可靠性的影响规律。(4)在对现有数控机床可靠性参数的区间估计方法进行分析的基础上,针对参数Bootstrap方法重抽样时无法利用数控机床定时截尾数据的问题,提出了一种能够充分利用定时截尾数据的数控机床可靠性Bootstrap区间估计方法。根据数控机床定时截尾试验中完整数据与定时截尾数据的时间关系,在重抽样时重新生成Bootstrap重抽样样本,采用极大似然估计和Newton-Raphson方法得到了数控机床试验样本的点估计,采用纠偏加速方法对极大似然估计的偏性误差进行纠偏,从而得到了数控机床可靠性参数的区间估计值。以数控机床可靠性的区间估计覆盖率为评价指标,采用仿真试验方法对各方法得到的区间估计优劣进行了对比验证。结合实例讨论了重抽样时初步生成完整数据的个数k值和试验时间长度T的设定原则。(5)针对数控机床现场可靠性试验周期无法确定而造成的试验周期过长引起试验成本上升或试验周期过短而造成的评估精度降低的问题,提出了一种基于Bootstrap重抽样的数控机床可靠性试验周期的设计方法。以数控机床平均故障间隔工作时间(Mean Time Between Failures,MTBF)的区间估计宽度变化率作为判定试验周期长度的依据,以被试机床历史故障信息为研究对象,采用Bootstrap重抽样方法抽样得到不同试验周期的可靠性区间估计的上下限值,采用Power函数对该区间估计的上下限值进行拟合,并进行拟合优度检验,对拟合函数求导建立了MTBF区间估计变化率模型,进而得到了可靠性评估试验的试验周期。结合实例讨论了机床台数p、形状参数m和置信水平1-?对可靠性试验周期的影响规律。论文的主要创新点:(1)提出了一种考虑工况差异的数控机床可靠性建模方法,克服了传统可靠性建模方法因尚未考虑工况条件而造成的数控机床可靠性评估结果产生偏差的问题,该模型描述了工况条件与数控机床可靠性水平之间的变化规律,为数控机床的可靠性改进设计提供了基础依据。(2)针对采用参数Bootstrap方法进行数控机床可靠性区间估计时,在重抽样过程中因缺失定时截尾数据而产生较大估计误差的问题,提出了一种能够充分利用数控机床定时截尾数据的可靠性Bootstrap区间估计方法,减少了传统Bootstrap方法区间估计的误差。针对本文考虑工况差异的数控机床可靠性评估方法中,因同时含有故障间隔工作时间和工况协变量两种变量,使得一般区间估计方法难以进行的问题,进一步提出了适用于该模型的Bootstrap区间估计方法。(3)以数控机床平均故障间隔工作时间的区间估计宽度变化率作为确定数控机床可靠性试验周期的判据,建立了基于重抽样的数控机床可靠性评估试验周期的设计方法,解决了可靠性试验周期难以确定的问题。