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数控系统软件可靠性设计与故障分析技术

谷岩  
【摘要】:数控机床是加工制造业的基础装备,数控系统作为数控机床的核心功能部件,对数控机床的整体性能起着关键作用。国产数控系统与国外产品相比,功能和精度水平已逐渐接近,但在可靠性方面尚有较大的差距。我国每年都要进口国外大量高精数控系统,不仅价格昂贵而且还受到各种制约。因此提高国产数控系统可靠性,大力发展国产数控系统已经成为提高我国装备制造业的发展进程的必由之路。 由于硬件技术越来越成熟,软件故障成为了导致数控系统故障的主要原因。随着计算机技术的飞速发展,软件的规模不断增大,层次更加复杂,系统的并发性不断增强。数控系统软件故障也随之增多,为了避免相应的损失,研究数控系统软件可靠性对提高我国数控系统产品性能变得非常重要。 本文结合国家科技重大专项课题“数控系统可靠性技术及重型机床运行可靠性研究”和“国产滚动功能部件在中高档数控机床上的示范应用”的研究工作。针对数控系统软件可靠性,对可靠性分配、组件装配建模、软件故障定位、软件可靠性预测技术进行了研究,论文的主要研究工作如下: (1)提出了基于体系结构的数控系统软件可靠性分配方法。 分析了数控系统结构和组件技术,建立了基于组件技术的数控系统软件体系结构。把数控系统可靠性指标分配给功能组件,以系统实用性为目标函数,功能组件的可靠度和费用函数为约束条件提出了可靠性分配方法。用AHP方法计算了数控系统软件体系结构各层元素相对权值,通过文化算法求出各个组件的分配指标。开展了数控系统软件可靠性分配实验,得到了各个功能组件的分配指标。结果表明该方法保证了数控系统可靠性指标满足要求,同时有效地节省了开发成本,提高分配方法的有效性,并为子系统的开发提供了依据。 (2)建立了基于可靠性的数控系统组件装配模型。 研究了数控系统软件可靠性评价指标体系,提出基于可靠性的数控系统组件装配技术,建立了基于可靠性的数控系统组件装配模型。将数控系统功能组件化,以数控系统软件可靠性度量参数作为主要评价指标,搭建数控系统。针对粒子群局部收敛的缺点,提出了惯性权重伸缩法改进粒子群算法,并且根据组件装配方案优选的特点,提出了基于改进粒子群算法的组件装配模型求解方法。对数控系统实时性要求较高的插补功能进行了组件装配,实例结果表明该方法不但使数控系统软件具有灵活性,易于修改和扩充,更可以简单、高效地装配出符合制造需求的高可靠性数控系统。 (3)提出了基于体系结构扩展的数控系统软件故障定位方法。 分析了数控系统软件故障机理,提出数控系统软体系结构扩展方法。建立数控系统软件体系结构扩展组件,监测数据形态和运行路径,得到了失效路径。采用相似路径集算法生成失效路径的相似路径集,建立了基于最小二乘支持向量机怀疑度计算模型,确定故障语句,排除故障,从数控系统结构层面进行软件的故障定位。在多轴运动控制卡PCI-7344上进行了故障定位实验。实验结果表明,以数控系统软件整体结构特性为基础,进行的体系结构扩展,并且通过相似路径和最小二乘支持向量机定位故障的方法,避免了程序员的反复测试和调试,不受人为因素和水平的限制,是种可行的数控系统软件故障定位方法。 (4)建立了数控系统软件可靠性预测模型。 分析了数控系统软件的故障原因,对发生故障较频繁的数控系统功能组件进行故障模式及故障原因分析。针对BP神经网络收敛速度慢的缺点,提出基于粒子群优化的BP神经网络算法。根据数控系统软件可靠性预测的特点,建立了改进BP神经网络算法的数控系统软件可靠性预测模型。把采集到的某型号数控系统软件故障数据进行处理,得到了神经网络输入样本集。通过网络训练,满足设定的误差值后,预测了某型号数控系统软件的可靠性。


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