基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法.pdf

本发明公开了一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法,包括现场数据采集、数据处理过程及实验室可靠性试验三步骤,其中数据处理过程包括实际工况下刀库机械手平均换刀频率α与平均故障间隔换刀次数MTBFn的计算、刀盘/刀仓插刀总重量Mi的统计分布模型的建立、刀盘/刀仓每个重量级可靠性试验时的平均插刀数的确定、每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型的建立、试验时所需选配的配重块参数的计算及试验时每个配重块需进行换刀的次数的计算六步骤。采用该方法对加工中心刀库机械手进行实验室可靠性试验，可以有效地缩短刀库机械手评估周期、提高评估精度。

1.  一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，包括以下步骤：
步骤一、现场数据采集，指试验单位采集并记录加工中心用户在使用加工中心过程中刀盘/刀仓的数据，每一目标刀库至少包括：目标刀库机械手名称、每天工作时间、统计天数、实际插刀数量、工件日产量、单次装夹换刀次数、单次装夹加工工件数、该刀具换刀次数；
步骤二、数据处理过程，包括：
1)实际工况下刀库机械手平均换刀频率α与平均故障间隔换刀次数MTBF_n计算：根据上述步骤一现场采集的刀库信息计算平均换刀频率α，将预期的平均故障间隔工作时间MTBF_t转换为平均故障间隔工作次数MTBF_n；
2)刀盘/刀仓插刀总重量M_i的统计分布模型的建立：根据上述步骤一现场采集的刀库信息整理出每个目标刀库机械手刀盘/刀仓的插刀总重量M_i，将每个目标刀库机械手刀盘/刀仓的插刀总重量M_i分成多个刀盘/刀仓插刀总重量重量级，将所有统计的刀盘/刀仓插刀总重量分配到所属的刀盘/刀仓插刀总重量重量级中，并计算每个刀盘/刀仓插刀总重量重量级可靠性试验时的换刀次数；
3)刀盘/刀仓每个重量级可靠性试验时的平均插刀数的确定：统计出某一重量级内每个刀库的插刀数量与相应的采集时间，由此计算出对该刀库重量级进行可靠性试验时需要插的刀具数量；
4)每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型的建立：根据上述步骤一现场采集的数据及步骤2)所划分的重量级，建立每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型，记录每个重量级刀盘/刀仓的插刀重量、插刀长度、统计周期内该刀具换刀次数；
5)试验时所需选配的配重块参数的计算：根据上述步骤4)建立的每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型，给每个重量级刀盘/刀仓的插刀重量及插刀长度分别划分重量级区间及长度区间，并依据划分的区间选取配重块；
6)试验时每个配重块需进行换刀的次数的计算：由上述步骤5)选取的配重块参数信息，根据步骤4)中每个刀库重量级的刀具长度、重量分布，得到每 个配重块在此分布中对应的换刀次数及该配重块换刀次数在该重量级配重块换刀次数的占比，即求出每个配重块的需进行换刀的次数；
步骤三、实验室可靠性试验，采用定时截尾试验方法进行加工中心刀库机械手可靠性试验，试验停止条件为每把模拟刀具均达到其需进行换刀的次数。

2.  按照权利要求1所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，其特征在于，所述步骤二数据处理过程中步骤1)实际工况下刀库机械手平均换刀频率α与平均故障间隔换刀次数MTBF_n计算具体过程为：

1.  1)计算采集数据中所有目标刀库机械手总工作时间T，单位：h
T＝∑T_i
T_i＝T_id×d_i
其中：
——T_i为统计周期内第i个目标刀库机械手的总工作时间，单位：h；
——T_id为统计周期内第i个目标刀库机械手每天的工作时间单位：h；
——d_i为统计周期内第i个目标刀库机械手的统计天数；

1.  2)计算总工作时间T对应的总的换刀次数N，单位：次
N_i＝(m×Q×d_i)/λ
N＝∑N_i
其中：
——Q为统计周期内目标刀库机械手加工工件的日产量，单位：件；
——m为统计周期内目标刀库机械手单次装夹换刀次数，单位：次；
——d_i为统计周期内目标刀库机械手的工作天数，单位：天；
——λ为统计周期内目标刀库机械手在每次加工过程中同时加工的工件个数，单位：件；
——N_i为统计周期内第i个目标刀库机械手总的换刀次数，单位：次；

1.  3)计算统计周期内所有目标刀库机械手的平均换刀频率α，单位：次/h
α＝N/T

1.  4)将预期平均故障间隔工作时间MTBF_t,单位：h,转化为平均故障间隔 工作次数MTBF_n，单位：次。
MTBF_n＝MTBF_t×α

3.  按照权利要求2所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，其特征在于，所述步骤二数据处理过程中步骤2)刀盘/刀仓插刀总重量M_i的统计分布模型的建立具体包括以下过程：

2.  1)目标刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量M_i数据统计
根据所述步骤一现场采集的刀库信息整理出每个目标刀库机械手刀盘/刀仓的插刀总重量M_i，单位：kg，并至少对目标刀库名称、对应的插刀总重量M_i和总工作时间T_i进行汇总；

2.  2)建立目标刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量M_i的统计分布
根据上述步骤2.1)的汇总结果，找到插刀总重量M_i的最大值M_max与最小值M_min，由此建立插刀总重量区间[M_min，M_max]；
将总重量区间[M_min，M_max]按以下方法等分为K个子区间，每个子区间代表一个刀盘/刀仓插刀总重量重量级：
I 子区间个数K由斯特奇斯经验公式确定，i_max为刀库编号最大值，即有效统计目标刀库总个数；
II 区间平均间距
分组完成后，将所有统计的刀盘/刀仓插刀总重量分配到各个区间中，并统计属于该刀盘/刀仓插刀总重量重量级Z_j，j为重量级子区间编号，j＝1、2、3......K内的所有刀库的总工作时间单位：h，并根据所有目标刀库机械手总工作时间T，计算出每个刀盘/刀仓插刀总重量级出现的比例系数统计并记录刀盘/刀仓插刀总重量重量级Z_j、属于该重量级的所有刀库总工作时间及其比例系数的分布情况；

2.  3)每个刀盘/刀仓插刀总重量重量级可靠性试验时换刀次数的计算
利用上述步骤2.2)计算出的比例系数将平均故障间隔换刀次数MTBF_n分配给每个插刀总重量重量级，得到每个插刀总重量重量级刀库在进行可靠性试验时，需进行的换刀次数单位：次。
NZj=MTBFn×kZj]]>

4.  按照权利要求3所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，其特征在于，所述步骤二数据处理过程中步骤3)刀盘/刀仓每个重量级可靠性试验时的平均插刀数的确定具体包括以下过程：
统计出重量级Z_j内每个刀库的插刀数量l为Z_j重量级内刀库的序号，l＝1,2,3……与相应的采集时间由此计算出对该刀库重量级进行可靠性试验时需要插的刀具数量
计算方法为：
VZj=(VZj1TZj1+VZj2TZj2+......)/TZj]]>
即求出该重量级刀盘/刀仓插刀数的加权平均值，权重为
记录刀盘/刀仓插刀总重量重量级Z_j及其对应的该重量级换刀次数和试验时该重量级插刀数V_Z的分布情况。

5.  按照权利要求4所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，其特征在于，所述步骤二数据处理过程中步骤4)每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型的建立中，所述统计周期内该刀具换刀次数的计算方法为：


6.  按照权利要求5所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，其特征在于，所述步骤二数据处理过程中步骤5)试验时所需选配的配重块参数的计算具体包括以下过程：

5.  1)插刀重量区间的划分
根据所述步骤4)统计并记录的信息，找到每个重量级子区间中插刀重量的最大值m_max与最小值m_min，由此建立该重量级内插刀的重量区间[m_max，m_min]，将该区间分组：
I 分组数由斯特奇斯经验公式确定；
II 组距δ′=mmax-mminKZj′;]]>
这样便得到重量级Z_j级内的个刀具重量区间，并统计分别出现这个区间的刀具的数量，由此得到每个区间的刀具数量比值；

5.  2)插刀长度区间的划分
找到每个重量级子区间中插刀长度的最大值L_max与最小值L_min，由此建立该重量级内插刀的长度区间[L_max，L_min]，将该区间分组：
I 分组数由斯特奇斯经验公式KZj′′=1+lgVZjlg2]]>确定,(KZj′′=KZj′);]]>
II 组距δ′′=mmax-mminKZj′′]]>
这样便得到重量级Z_j级内的个刀具长度区间，并统计分别出现这个区间的刀具的数量，由此得到每个区间的刀具长度比值；

5.  3)配重块的选取
选取个配重块，选取条件：
I 个配重块的重量和属于该重量级子区间；
II 个配重块的重量出现在相应刀具重量区间内的数量比例等于上述步骤5.1)中得到的每个重量区间的刀具数量比值；
III 个配重块的重量出现在相应刀具长度区间内的数量比例等于上述步骤5.2)中得到的每个重量区间的刀具数量比值。

7.  按照权利要求6所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，其特征在于，所述步骤二数据处理过程中步骤6)试验时每个配重块需进行换刀的次数的计算中，所述每个配重块的需进行换刀的次数的计算方法为：
nt=r×npnzj×NZj]]>
其中：
n_t——为试验时该配重块的换刀次数；
——为该重量级换刀次数；
r——试验系数，取2～3。

8.  按照权利要求1所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，其特征在于，所述步骤三实验室可靠性试验包括以下过程：
1)试验准备：按照抽样方案随机抽取刀库样机；
2)试验内容：所述定时截尾试验方法中所指的时间为广义时间，即换刀次数；
试验时，由低到高对每一个插刀重量级进行试验，先在刀盘上随机选取该重量级试验的V_Z个刀位，插上该重量级相应的模拟刀具进行随机换刀试验，直到达到试验停止条件，然后停止试验；
由于采用定时截尾试验方法，若在实验过程中，当还未达到停止条件就已出现故障，则应将故障处理后继续进行试验，并作好故障记录，直到达到试验停止条件方可停止试验；
3)故障记录。

基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法
技术领域
本发明涉及一种用于评估加工中心刀库机械手可靠性水平的实验室可靠性试验方法，更确切地说，本发明涉及一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法。
背景技术
随着我国机械行业水平的不断提高，国产加工中心在汽车、航空航天、精密模具等行业内应用越来越广泛。但随着加工中心功能的增加和性能指标的提高，其故障隐患也逐渐增多，可靠性问题愈发严重，已成为制约国产加工中心占领市场的一个重要因素。大量故障数据的统计分析表明，国产加工中心可靠性偏低的主要原因之一是其关键功能部件的可靠性水平较低，而作为加工中心关键功能部件之一的刀库机械手，是加工中心所有功能部件中故障频率较高的部件之一。因此进行加工中心刀库机械手可靠性试验，暴露和激发刀库机械手的故障，不仅为其自身可靠性增长及可靠性评估提供了实用的基础数据，对于提高加工中心整机的可靠性水平也具有重要的实际意义。
我国关于数控机床关键功能部件可靠性试验的研究起步较晚，目前虽然研制开发了一些能够对刀库机械手进行可靠性试验的试验装置，但缺乏完善的、能够尽量模拟真实工况的刀库机械手实验室可靠性试验方法。目前的试验方法主要根据受试刀库的出厂性能指标要求，对其进行简单的最大刀重、最大刀长、最大偏心矩换刀试验，即使进行一定时间内的随机换刀试验，但试验当中并未考虑刀盘负荷(插刀数量和重量)、刀具选配、试验时间(总的换刀次数)等可靠性试验必备的特征信息，试验过程更倾向于刀库机械手的性能试验，而不能称其为可靠性试验，故试验产生的故障数据往往也不能用于可靠性评估。刀库机械手作为一个复杂的可修复系统，对其进行实验室可靠性试验时必须具备两个前提条件：一是试验不能改变系统的故障模式，二是试验不能改变系统的故 障机理，这就要求其可靠性试验的试验装置和试验方法应该能尽量模拟刀库机械手的实际工况。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，其能够模拟真实工况，依据加工中心刀库机械手用户现场的广义工作载荷(插刀重量-刀柄和刀具总重、插刀长度-刀柄和刀具总长度、换刀次数及换刀频率等)数据，通过统计分析，确定刀库机械手实验室可靠性试验时的模拟载荷施加策略和可靠性试验流程，为准确、快速评价加工中心刀库机械手的可靠性水平提供了一种行之有效的方法。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，包括以下步骤：
步骤一、现场数据采集，指试验单位采集并记录加工中心用户在使用加工中心过程中刀盘/刀仓的数据，每一目标刀库至少包括：目标刀库机械手名称、每天工作时间、统计天数、实际插刀数量、工件日产量、单次装夹换刀次数、单次装夹加工工件数、该刀具换刀次数；
步骤二、数据处理过程，包括：
1)实际工况下刀库机械手平均换刀频率α与平均故障间隔换刀次数MTBF_n计算：根据上述步骤一现场采集的刀库信息计算平均换刀频率α，将预期的平均故障间隔工作时间MTBF_t转换为平均故障间隔工作次数MTBF_n；
2)刀盘/刀仓插刀总重量M_i的统计分布模型的建立：根据上述步骤一现场采集的刀库信息整理出每个目标刀库机械手刀盘/刀仓的插刀总重量M_i，将每个目标刀库机械手刀盘/刀仓的插刀总重量M_i分成多个刀盘/刀仓插刀总重量重量级，将所有统计的刀盘/刀仓插刀总重量分配到所属的刀盘/刀仓插刀总重量重量级中，并计算每个刀盘/刀仓插刀总重量重量级可靠性试验时的换刀次数；
3)刀盘/刀仓每个重量级可靠性试验时的平均插刀数的确定：统计出某 一重量级内每个刀库的插刀数量与相应的采集时间，由此计算出对该刀库重量级进行可靠性试验时需要插的刀具数量；
4)每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型的建立：根据上述步骤一现场采集的数据及步骤2)所划分的重量级，建立每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型，记录每个重量级刀盘/刀仓的插刀重量、插刀长度、统计周期内该刀具换刀次数；
5)试验时所需选配的配重块参数的计算：根据上述步骤4)建立的每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型，给每个重量级刀盘/刀仓的插刀重量及插刀长度分别划分重量级区间及长度区间，并依据划分的区间选取配重块；
6)试验时每个配重块需进行换刀的次数的计算：由上述步骤5)选取的配重块参数信息，根据步骤4)中每个刀库重量级的刀具长度、重量分布，得到每个配重块在此分布中对应的换刀次数及该配重块换刀次数在该重量级配重块换刀次数的占比，即求出每个配重块的需进行换刀的次数；
步骤三、实验室可靠性试验，采用定时截尾试验方法进行加工中心刀库机械手可靠性试验，试验停止条件为每把模拟刀具均达到其需进行换刀的次数。
本发明所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，步骤二数据处理过程中步骤1)实际工况下刀库机械手平均换刀频率α与平均故障间隔换刀次数MTBF_n计算具体过程为：
1.1)计算采集数据中所有目标刀库机械手总工作时间T，单位：h
T＝∑T_i
T_i＝T_id×d_i
其中：
——T_i为统计周期内第i个目标刀库机械手的总工作时间，单位：h；
——T_id为统计周期内第i个目标刀库机械手每天的工作时间单位：h；
——d_i为统计周期内第i个目标刀库机械手的统计天数；
1.2)计算总工作时间T对应的总的换刀次数N，单位：次
N_i＝(m×Q×d_i)/λ
N＝∑N_i
其中：
——Q为统计周期内目标刀库机械手加工工件的日产量，单位：件；
——m为统计周期内目标刀库机械手单次装夹换刀次数，单位：次；
——d_i为统计周期内目标刀库机械手的工作天数，单位：天；
——λ为统计周期内目标刀库机械手在每次加工过程中同时加工的工件个数，单位：件；
——N_i为统计周期内第i个目标刀库机械手总的换刀次数，单位：次；
1.3)计算统计周期内所有目标刀库机械手的平均换刀频率α，单位：次/h
α＝N/T
1.4)将预期平均故障间隔工作时间MTBF_t(单位：h)转化为平均故障间隔工作次数MTBF_n，单位：次。
MTBF_n＝MTBF_t×α
本发明所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，步骤二数据处理过程中步骤2)刀盘/刀仓插刀总重量M_i的统计分布模型的建立具体包括以下过程：
2.1)目标刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量M_i数据统计
根据所述步骤一现场采集的刀库信息整理出每个目标刀库机械手刀盘/刀仓的插刀总重量M_i，单位：kg，并至少对目标刀库名称、对应的插刀总重量M_i和总工作时间T_i进行汇总；
2.2)建立目标刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量M_i的统计分布
根据上述步骤2.1)的汇总结果，找到插刀总重量M_i的最大值M_max与最小值M_min，由此建立插刀总重量区间[M_min，M_max]；
将总重量区间[M_min，M_max]按以下方法等分为K个子区间，每个子区间代表一个刀盘/刀仓插刀总重量重量级：
I子区间个数K由斯特奇斯(Sturges)经验公式确定，i_max为刀库编号最大值，即有效统计目标刀库总个数；
II区间平均间距
分组完成后，将所有统计的刀盘/刀仓插刀总重量分配到各个区间中，并统计属于该刀盘/刀仓插刀总重量重量级Z_j，j为重量级子区间编号，j＝1、2、3……K内的所有刀库的总工作时间单位：h，并根据所有目标刀库机械手总工作时间T，计算出每个刀盘/刀仓插刀总重量级出现的比例系数统计并记录刀盘/刀仓插刀总重量重量级Z_j、属于该重量级的所有刀库总工作时间及其比例系数的分布情况；
2.3)每个刀盘/刀仓插刀总重量重量级可靠性试验时换刀次数的计算
利用上述步骤2.2)计算出的比例系数将平均故障间隔换刀次数MTBF_n分配给每个插刀总重量重量级，得到每个插刀总重量重量级刀库在进行可靠性试验时，需进行的换刀次数单位：次。
NZj=MTBFn×kZj]]>
本发明所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，步骤二数据处理过程中步骤3)刀盘/刀仓每个重量级可靠性试验时的平均插刀数的确定具体包括以下过程：
统计出重量级Z_j内每个刀库的插刀数量l为Z_j重量级内刀库的序号，l＝1,2,3……与相应的采集时间由此计算出对该刀库重量级进行可靠性试验时需要插的刀具数量
计算方法为：
VZj=(VZj1TZj1+VZj2TZj2+......)/TZj]]>
即求出该重量级刀盘/刀仓插刀数的加权平均值，权重为
记录刀盘/刀仓插刀总重量重量级Z_j及其对应的该重量级换刀次数和试验时该重量级插刀数V_Z的分布情况。
本发明所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，步骤二数据处理过程中步骤4)每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型的建立中，所述统计周期内该刀具换刀次数的计算方法为：
统计周期内该刀具换刀次数
本发明所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，步骤二数据处理过程中步骤5)试验时所需选配的配重块参数的计算具体包括以下过程：
5.1)插刀重量区间的划分
根据所述步骤4)统计并记录的信息，找到每个重量级子区间中插刀重量的最大值m_max与最小值m_min，由此建立该重量级内插刀的重量区间[m_max，m_min]，将该区间分组：
I分组数由斯特奇斯(Sturges)经验公式确定；
II组距δ′=mmax-mminKZj′;]]>
这样便得到重量级Z_j级内的个刀具重量区间，并统计分别出现这个区间的刀具的数量，由此得到每个区间的刀具数量比值；
5.2)插刀长度区间的划分
找到每个重量级子区间中插刀长度的最大值L_max与最小值L_min，由此建立该重量级内插刀的长度区间[L_max，L_min]，将该区间分组：
I分组数由斯特奇斯(Sturges)经验公式确定,(KZj′′=KZj′);]]>
II组距δ′′=mmax-mminKZj′′]]>
这样便得到重量级Z_j级内的个刀具长度区间，并统计分别出现这个区间的刀具的数量，由此得到每个区间的刀具长度比值；
5.3)配重块的选取
选取个配重块，选取条件：
I个配重块的重量和属于该重量级子区间；
II个配重块的重量出现在相应刀具重量区间内的数量比例等于上述步骤5.1)中得到的每个重量区间的刀具数量比值；
III 个配重块的重量出现在相应刀具长度区间内的数量比例等于上述步骤5.2)中得到的每个重量区间的刀具数量比值。
本发明所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，步骤二数据处理过程中步骤6)试验时每个配重块需进行换刀的次数的计算中，所述每个配重块的需进行换刀的次数的计算方法为：
nt=r×npnzj×NZj]]>
其中：
n_t——为试验时该配重块的换刀次数；
——为该重量级换刀次数；
r——试验系数，取2～3。
本发明所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，步骤三实验室可靠性试验包括以下过程：
1)试验准备：按照抽样方案随机抽取刀库样机；
2)试验内容：所述定时截尾试验方法中所指的时间为广义时间，即换刀次数；
试验时，由低到高对每一个插刀重量级进行试验，先在刀盘上随机选取该 重量级试验的V_Z个刀位，插上该重量级相应的模拟刀具进行随机换刀试验，直到达到试验停止条件，然后停止试验；
由于采用定时截尾试验方法，若在实验过程中，当还未达到停止条件就已出现故障，则应将故障处理后继续进行试验，并作好故障记录，直到达到试验停止条件方可停止试验；
3)故障记录。
本发明创新性地提出了一种能够模拟真实工况的加工中心刀库机械手可靠性实验室试验方法，该方法根据加工中心用户现场试验过程中采集的刀库机械手故障数据和载荷数据(刀库的刀盘/刀仓插刀重量、刀具长度及换刀频率等)，通过建模和统计分析，确定刀库机械手实验室可靠性试验的定时截尾时间(广义的，本发明指的是刀库机械手实验室试验时总的换刀次数)，并给出试验过程中模拟刀盘/刀仓和机械手负荷的模拟刀具(配重块)选配方案及每把模拟刀具的换刀次数等。采用该方法对加工中心刀库机械手进行实验室可靠性试验，可以有效地缩短刀库机械手评估周期、提高评估精度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，本发明所述的基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法包括现场数据采集、数据处理过程及实验室可靠性试验三步骤。其中数据处理过程包括实际工况下刀库机械手平均换刀频率α与平均故障间隔换刀次数MTBF_n的计算、刀盘/刀仓插刀总重量M_i的统计分布模型的建立、刀盘/刀仓每个重量级可靠性试验时的平均插刀数的确定、每个重量级刀盘/刀仓的插刀 分布模型的建立、试验时所需选配的配重块参数的计算及试验时每个配重块需进行换刀的次数的计算六步骤。
本发明所述的基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法的具步骤如下：
步骤一、现场数据采集
所述的现场数据采集，主要是通过试验单位(试验单位指要进行该试验的人员或机构)采集加工中心用户企业在使用加工中心过程中，刀盘/刀仓的各个刀套上插刀的重量(包括刀柄重量和刀具重量)、插刀的长度(刀柄和刀具安装在一起的长度)、换刀频率等信息，为后续进行数据处理和可靠性试验提供载荷数据。
现场数据采集的加工中心刀库机械手可以是应用于各行各业的加工中心刀库机械手，也可以针对某一个行业或者某一条生产线上的加工中心刀库机械手(对于已知生产工艺的某个生产线上的加工中心刀库机械手的载荷数据，可以根据其生产工艺直接获取)。现场数据采集的加工中心刀库机械手的实际工况取决于需要进行可靠性试验的刀库机械手将应用到的工况，例如：需要进行可靠性试验的刀库机械手(或者加工中心)将应用于汽车某零部件生产线，则现场采集的刀库机械手的载荷数据就在从事该汽车零部件生产的加工中心用户处采集。
在进行数据采集时，若刀盘/刀仓插刀状态相同且其对应的加工工件的工艺相同，则统计时该刀库就算作一个目标刀库。否则，两者中任一个发生变化都要算作一个新的目标刀库。
如表1所示，针对每一目标刀库，所述的刀库机械手现场数据采集的信息主要包括：
i.目标刀库机械手名称：目标刀库机械手名称格式为：刀库形式—刀库编号，以圆盘式刀库举例，如“圆盘式刀库—001”；
ii.每天工作时间T_id(单位：h)：指在统计周期内该目标刀库机械手每天实际工作时长(等于该目标刀库机械手配套的加工中心的在相同工况下的实际工作时长)；
iii.统计天数d_i(单位：天)：指在统计周期内该目标刀库机械手的工作天数；
iv.实际插刀数量v(单位：把)：指在数据采集过程中该目标刀库机械手刀盘/刀仓上实际插的刀具数量，既包括加工需要用到的刀具，也包括加工中不需要用到的刀具；
v.工件日产量Q(单位：件):指在统计周期内该目标刀库机械手加工工件的日产量；
vi.单次装夹换刀次数m(单位：次)：指在统计周期内的每次加工过程中，目标刀库机械手需要进行的换刀次数；
vii.单次装夹加工工件数λ(单位：件)：指在统计周期内的每次加工过程中，同时加工的工件个数，既每次装夹的工件个数；
viii.该刀具换刀次数β(单位：次)：指对于该目标刀库机械手，在统计周期内的每次加工过程中，该序号的刀具的换刀次数。
表1 刀库信息统计表

注：表1中，i为刀库标号，i＝1,2,3……；
步骤二、数据处理过程
参阅图1，数据处理过程包括实际工况下刀库机械手平均换刀频率α与平均 故障间隔换刀次数MTBF_n的计算、刀盘/刀仓插刀总重量M_i的统计分布模型的建立、刀盘/刀仓每个重量级可靠性试验时的平均插刀数的确定、每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型的建立、试验时所需选配的配重块参数的计算及试验时每个配重块需进行换刀的次数的计算六部分。
1)实际工况下刀库机械手平均换刀频率α与平均故障间隔换刀次数MTBF_n计算
根据采集的刀库信息计算平均换刀频率α，目的是将预期的平均故障间隔工作时间MTBF_t(目标刀库机械手平均故障间隔工作时间，单位：h，MTBF_t既可以是加工中心整机可靠性分配得到的刀库机械手可靠性指标，也可以是根据现场故障数据通过可靠性评价得到底刀库机械手的可靠性评估结果)转换为平均故障间隔工作次数MTBF_n(目标刀库机械手平均故障间隔工作次数，单位：次)。
1.1)计算采集数据中所有目标刀库机械手总工作时间T(单位：h)
T＝∑T_i
T_i＝T_id×d_i
其中：
——T_i为统计周期内第i个目标刀库机械手的总工作时间(h)；
——T_id为统计周期内第i个目标刀库机械手每天的工作时间(h)；
——d_i为统计周期内第i个目标刀库机械手的统计天数。
例如：目标刀库机械手圆盘式刀库—001每天工作12小时，在统计周期内其工作天数为5天，则T₁＝12×5＝60小时。
1.2)计算总工作时间T对应的总的换刀次数N(单位：次)
N_i＝(m×Q×d_i)/λ
N＝∑N_i
其中：
——Q为统计周期内目标刀库机械手加工工件的日产量(单位：件)；
——m为统计周期内目标刀库机械手单次装夹换刀次数(单位：次)；
——d_i为统计周期内目标刀库机械手的工作天数(单位：天)；
——λ为统计周期内目标刀库机械手在每次加工过程中同时加工的工件个数(单位：件)；
——N_i为统计周期内第i个目标刀库机械手总的换刀次数(单位：次)。
1.3)计算统计周期内所有目标刀库机械手的平均换刀频率α(单位：次/h)
α＝N/T
1.4)将预期平均故障间隔工作时间MTBF_t(单位：h)转化为平均故障间隔工作次数MTBF_n(单位：次)
MTBF_n＝MTBF_t×α
2)刀盘/刀仓插刀总重量M_i的统计分布模型的建立
2.1)目标刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量M_i数据统计
在表1的基础上整理出每个目标刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量M_i(单位：kg)，填写表2-刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量汇总表。
表2 刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量汇总表

2.2)建立目标刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量M_i的统计分布
根据表2，找到插刀总重量M_i的最大值M_max与最小值M_min，由此建立插刀总重量区间[M_min，M_max](为计算方便，将区间上下限取整；取整下限必须小于等于M_min，上限必须大于等于M_max，目的是为了保证采集到的所有重量均都能包含在该区间内)。
将该总重量区间按以下方法等分为K个子区间，每个子区间代表一个刀盘/刀仓插刀总重量重量级：
I子区间个数K由斯特奇斯(Sturges)经验公式确定，i_max为刀库编号最大值，即有效统计目标刀库总个数；
II区间平均间距Δ=Mmax-MminK;]]>
III分组需要不重不漏，此处规定子区间为左闭右开区间。
分组完成后，将所有统计的刀盘/刀仓插刀总重量分配到各个区间中，并统计属于该刀盘/刀仓插刀总重量重量级Z_j(j为重量级子区间编号，j＝1、2、3……K)内的所有刀库的总工作时间(单位：h)，并根据所有目标刀库机械手总工作时间T，计算出每个刀盘/刀仓插刀总重量级出现的比例系数并填入表3-刀盘/刀仓插刀总重量分布表。
表3 刀盘/刀仓插刀总重量分布表

2.3)每个刀盘/刀仓插刀总重量重量级可靠性试验时换刀次数的计算
利用计算出的比例系数将平均故障间隔换刀次数MTBF_n分配给每个插刀总重量重量级，得到每个插刀总重量重量级刀库在进行可靠性试验时，需进行的换刀次数(单位：次)
NZj=MRBFn×kZj]]>
3)刀盘/刀仓每个重量级可靠性试验时的平均插刀数的确定
在进行试验时，主要的变量有插刀总重、插刀数量、每把刀的重量和长度，在选定某个插刀总重量的级别后，需要插上模拟刀具，这时需要解决第一个问题就是插几把刀，为了最大程度上模拟实际工况，就需要把采集到的该重量级插刀数量求一个加权平均值。该步骤的具体过程如下：
统计出重量级Z_j内每个刀库的插刀数量(l为Z_j重量级内刀库的序号，l＝1,2,3……)与相应的采集时间由此计算出对该刀库重量级进行可靠性试 验时需要插的刀具数量并填入表4-换刀次数及平均插刀数分布表。
计算方法为：
VZj=(VZj1TZj1+VZj2TZj2+......)/TZj]]>
即求出该重量级刀盘/刀仓插刀数的加权平均值，权重为
例如：在采集的数据中，对于插刀总重20-30KG重量级，有插4、5、6把刀三种情况，但是插4把刀的情况出现了16小时，5把刀出现了24小时，6把刀出现了36小时，则试验时插刀数就是(4*16+5*24+6*36)/(16+24+36)＝5.26(取整为5)。
表4 换刀次数及平均插刀数分布表

4)每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型的建立
根据所划分的重量级，以及表1与表2的信息，填写表5-每个重量级区间内刀具信息统计表.
其中，统计周期内该刀具换刀次数
表5 每个重量级区间内刀具信息统计表


5)试验时所需选配的配重块参数的计算
5.1)插刀重量区间的划分
根据表5，找到每个重量级子区间中插刀重量的最大值m_max与最小值m_min，由此建立该重量级内插刀的重量区间[m_max，m_min](为了计算方便，将区间上下限取整；取整区间下限必须小于等于m_min，上限必须大于等于m_max，目的是为了保证采集到的所有重量均都能包含在该区间内)。类似于数据处理2中所用的方法，将该区间分组：
I分组数由斯特奇斯(Sturges)经验公式确定；
II组距δ′=mmax-mminKZj′;]]>
III分组需要不重不漏，此处规定“上组限不在内”。
这样便得到重量级Z_j级内的个刀具重量区间，并统计分别出现这个区间的刀具的数量，由此得到每个区间的刀具数量比值。
5.2)插刀长度区间的划分
与重量区间的划分方法相同，找到每个重量级子区间中插刀长度的最大值L_max与最小值L_min，由此建立该重量级内插刀的长度区间[L_max，L_min](为了计算方便，将区间上下限取整；取整区间下限必须小于等于L_min，上限必须大于等于L_max，目的是为了保证采集到的所有插刀长度均都能包含在该区间内)。将该区间分组：
I分组数由斯特奇斯(Sturges)经验公式确定,(KZj′′=KZj′);]]>
II组距δ′′=mmax-mminKZj′′]]>
III分组需要不重不漏，此处规定“上组限不在内”。
这样便得到重量级Z_j级内的个刀具长度区间，并统计分别出现这 个区间的刀具的数量，由此得到每个区间的刀具长度比值。
5.3)配重块的选取
选取个配重块，选取条件：
I个配重块的重量和属于该重量级子区间；
II个配重块的重量出现在相应刀具重量区间内的数量比例等于步骤1)中得到的每个重量区间的刀具数量比值；
III个配重块的重量出现在相应刀具长度区间内的数量比例等于步骤2)中得到的每个重量区间的刀具数量比值；
IV其余参数，如配重块具体长度、配重块具体重量值等均为随机选取。
6)试验时每个配重块需进行换刀的次数的计算
由上述步骤5)所选取的配重块参数信息，根据数据处理过程步骤4)中每个刀库重量级的刀具长度、重量分布，得到每个配重块在此分布中对应的换刀次数n_p(p为配重块的序号，)，将个配重块对应的换刀次数n_p相加得到则每个配重块的需进行换刀的次数为：
nt=r×npnzj×NZj]]>
其中：
n_t——为试验时该配重块的换刀次数；
——为该重量级换刀次数；
r——试验系数，一般取2～3。
三、实验室可靠性试验
定数截尾试验部分包括试验准备、可靠性实验内容及故障记录三部分。
1)试验准备
1.1)试验样机的选取
根据表6-抽样方案表,从有以下要求的刀库产品中按照抽样方案随机抽取刀库样机。
表6 抽样方案表