導(dǎo)航：安全管理網(wǎng)>> 安全論文>> 綜合安全論文>>正文

基于故障樹(shù)分析的數(shù)控裝置硬件平臺(tái)功能安全設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文檔作者：袁曉慧尹震宇黃祖廣王帥華文檔來(lái)源： 1．中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 2．中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所總線實(shí)驗(yàn)室3．沈陽(yáng)高精數(shù)控技術(shù)有限公司 4．山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月05日
下載地址：點(diǎn)擊這里	文件大?。?425.83 KB 共5頁(yè)	文檔格式： PDF	下載點(diǎn)數(shù)： 1 點(diǎn)（VIP免費(fèi)）

全屏查看

內(nèi)容預(yù)覽 [文件共5頁(yè)]

本文件共5頁(yè)，如需編輯使用，請(qǐng)下載。

注：預(yù)覽效果可能會(huì)出現(xiàn)部分文字亂碼（如口口口）、內(nèi)容顯示不全等問(wèn)題，下載是正常的。

	文件大小：425.83 KB 共5頁(yè) 文件格式：PDF 下載點(diǎn)數(shù)：1 點(diǎn)（VIP會(huì)員免費(fèi)）

下一篇：基于GSM模塊的家庭安全警報(bào)裝置設(shè)計(jì)

上一篇：關(guān)于局域網(wǎng)安全維護(hù)分析

文本預(yù)覽

僅提取頁(yè)面文字內(nèi)容，供快速閱讀使用。

第8期
2015年8月
組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)
M odular M achine Tool&amp;amp; Automatic M anufacturing Technique
No．8
Aug．2015
文章編號(hào)：1001—2265(2015)08—0070—04 DOI：10．13462／j．cnki．mmtamt．2015．08．018
基于故障樹(shù)分析的數(shù)控裝置硬件平臺(tái)功能
安全設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)木
袁曉慧 ，一，尹震宇 ，黃祖廣 ，王帥華 '
(1．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2．中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所總線實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110168；
3．沈陽(yáng)高精數(shù)控技術(shù)有限公司，沈陽(yáng) 110168；4．山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；5．國(guó)家機(jī)
床質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，北京 100102)
摘要：針對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝置硬件平臺(tái)安全性能不足且缺乏有效定量評(píng)估方法的現(xiàn)狀，提出基于故障模
式影響診斷分析和簡(jiǎn)化故障樹(shù)法的數(shù)控裝置硬件失效評(píng)估模型。通過(guò)計(jì)算裝置硬件失效概率及失
效原因重要度分析的結(jié)果，對(duì)影響裝置失效的薄弱模塊增加冗余、診斷設(shè)計(jì)。驗(yàn)證改進(jìn)后的數(shù)控裝
置硬件平臺(tái)可達(dá)到IEC62061標(biāo)準(zhǔn)中sIL2等級(jí)要求，在工程上具有很好的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：數(shù)控裝置；功能安全；故障樹(shù)分析法；IEC62061；安全完整性等級(jí)
中圖分類號(hào)：TH122；TG506 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Design and Im plementation of Functional Safety of the Hardware Platform of
Domestic Numerical Control Device Based on FTA
YUAN Xiao-hui r，YIN Zhen．yu ，HUANG Zu guang ．一，WANG Shuai—hua ，
(1．University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China；2．NC Bus Lab，Shenyang Institute of
Computing Technology，Chinese Academy of Science，Shenyang 1 10168，China)
Abstract：Considering the current situation of the hardware platform of domestic numerical control device
has an insufi cient safety perform ance and lack of effective quantitative evaluation method，Coming up with
a numerical control device hardware platform failure assessment model based on failure model effect diagnostic
analysis an d simplify fault tree method．After the analysis of computing device hardware failure probabili—
ty and the importance of failure cause，redundant and diagnose measures are taken for the weak part which
causes the platform failure．Experiments verified that the improved numerical control device hardware plat—
fo rm achieved IEC62061 standard and it has a good application value in engineering．
Key words：numerical control device；functional safety；failure tree analysis；IEC62061；safe integrity level
O 引言
機(jī)床安全是現(xiàn)代制造業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，
涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門及人們的安全與健康。據(jù)有
關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)制造工業(yè)的大中型企業(yè)中，由于機(jī)床
安全性不足而引起的不同程度人員傷亡事故每年都能
達(dá)到數(shù)百起 。同時(shí)，機(jī)床的安全性能對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)
床能否走出國(guó)門，進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)也起到了至關(guān)緊要的
作用 。
眾所周知，數(shù)控裝置作為數(shù)控系統(tǒng)乃至機(jī)床的控
制中樞，為保證數(shù)控機(jī)床正常工作，數(shù)控裝置必須具有
安全功能以控制機(jī)床在出現(xiàn)隨機(jī)失效時(shí)能依舊降級(jí)運(yùn)
行，不造成停機(jī)損失。目前，國(guó)外先進(jìn)的安全數(shù)控系統(tǒng)
開(kāi)發(fā)廠商Siemens、FANUC、PILZ等公司都陸續(xù)推出了
自己經(jīng)第三方認(rèn)證的安全數(shù)控產(chǎn)品 。如西門子達(dá)到
SIL3等級(jí)認(rèn)證的840D數(shù)控系統(tǒng)中運(yùn)用安全集成技
術(shù)，通過(guò)改進(jìn)軟、硬件的設(shè)計(jì)在原有數(shù)控系統(tǒng)中集成了
安全控制功能，從而保正機(jī)床的安全需求：如安全停
車，即當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)意外時(shí)能安全可靠的停車；或安全速
度監(jiān)控，在設(shè)定方式下，監(jiān)控各軸的移動(dòng)速度不超過(guò)安
全速度等 。然而，我國(guó)由于功能安全標(biāo)準(zhǔn)引入時(shí)間
較晚，相較于歐美國(guó)家已經(jīng)研制出成熟的SIL3等級(jí)高
檔數(shù)控系統(tǒng)，及國(guó)內(nèi)目前技術(shù)、成本、需求等現(xiàn)實(shí)因素
的綜合考量，開(kāi)發(fā)滿足IEC62061標(biāo)準(zhǔn)SIL2等級(jí)的中
檔安全數(shù)控裝置已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需求，成為業(yè)
內(nèi)要突破的首要任務(wù)。因此，本文以中科院沈陽(yáng)計(jì)算
收稿日期：2014—10—23；修回日期：2014—11—24
基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題：高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”數(shù)控系統(tǒng)功能安全技術(shù)研究”(2014ZX04009031)
作者簡(jiǎn)介：袁曉慧(199O一)，女，山東東營(yíng)人，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)硬件功能安全，(E—mm1)471716311@qq．corn。
2015年8月 袁曉慧，等：基于故障樹(shù)分析的數(shù)控裝置硬件平臺(tái)功能安全設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ．71．
所自主研發(fā)的LT—B10數(shù)控系統(tǒng)為平臺(tái)，研究適用于數(shù)
控裝置硬件平臺(tái)的功能安全評(píng)估及實(shí)現(xiàn)方法，為進(jìn)一
步研制國(guó)產(chǎn)安全數(shù)控系統(tǒng)提供探索方向。
1 功能安全概述
1．1 功能安全概念及標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)控裝置的功能安全，是指數(shù)控裝置具備故障安
全處理的行為。即當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠進(jìn)入安全狀態(tài)
或進(jìn)行故障消除的數(shù)控裝置，又稱之安全數(shù)控裝置[5]。
換句話說(shuō)，當(dāng)安全數(shù)控系統(tǒng)滿足以下條件時(shí)就認(rèn)為是
功能安全的：當(dāng)任一隨機(jī)故障、系統(tǒng)故障或共因失效發(fā)
生時(shí)，都不會(huì)導(dǎo)致安全系統(tǒng)故障，從而避免引發(fā)人員的
傷亡、設(shè)備財(cái)產(chǎn)的損失。
近年來(lái)，隨著安全相關(guān)控制系統(tǒng)功能安全這一課
題的研究深入，有關(guān)國(guó)際組織陸續(xù)出臺(tái)了一系列有關(guān)
控制系統(tǒng)功能安全的標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC功能安全標(biāo)準(zhǔn)系
列：功能安全基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC61508、針對(duì)過(guò)程工業(yè)的
IEC6151 1、機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的IEC62061、IEC60204等 。
我國(guó)相關(guān)部門也積極開(kāi)展了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化工作，如
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)于2012年發(fā)布的我國(guó)首部數(shù)控系
統(tǒng)功能安全強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 28526．2012《機(jī)械電氣安
全一安全相關(guān)電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功
能安全》。此類標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，對(duì)數(shù)控裝置功能安全的
研究起到了極大的推動(dòng)及指導(dǎo)作用。
1．2 功能安全評(píng)估參數(shù)及指標(biāo)
在研制安全數(shù)控裝置的過(guò)程中，將安全完整性等
級(jí)SIL作為總體設(shè)計(jì)的依據(jù)和衡量數(shù)控裝置安全性能
的指標(biāo)，SIL等級(jí)越高，裝置發(fā)生失效的概率越低，安
全性能越好。安全完整性等級(jí)是一定條件下安全功能
得到正確執(zhí)行的概率，其數(shù)值代表著風(fēng)險(xiǎn)降低的數(shù)量
級(jí) 。IEC62061標(biāo)準(zhǔn)中將對(duì)安全相關(guān)控制功能的安
全完整性等級(jí)SIL要求，等效為裝置每小時(shí)危險(xiǎn)失效
概率P朋，兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表1所示 。
表1 SIL等級(jí)對(duì)照表
3
2
l
≥10一 到<10一’
≥10一’到<10‘
≥1O 到<10
同時(shí)，硬件的最高安全完整性等級(jí)還受限于硬件
的故障裕度和安全失效分?jǐn)?shù)SFF。硬件結(jié)構(gòu)約束表示
在安全失效分?jǐn)?shù)確定下，安全完整性等級(jí)與最低硬件
故障裕度之間的關(guān)系，所以，硬件最高安全完整性等級(jí)
與硬件的故障裕度和安全失效分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。由于本
文所討論的數(shù)控裝置屬于IEC62061標(biāo)準(zhǔn)中定義的B
類子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)約束如下表2所示。
表2 B類相關(guān)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)約束表
安全失效分?jǐn)?shù) Js 硬件故障裕度
O l 2
<6O％ 不允許 SILl SIL2
60％ ～ <90％ S也l SI【2 SIL3
90％ ～ <99％ SIL2 SIL3 SIL3
>99％ SIL3 SIL3 SII3
注：SFF指系統(tǒng)中不會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)狀態(tài)的失效占全部失效的比率。
1．3 功能安全評(píng)估模型
功能安全基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC61508附錄c中對(duì)于如何
計(jì)算裝置的失效概率給出了如下幾種可用方法：簡(jiǎn)化
公式法、馬爾可夫模型法、故障樹(shù)分析法FTA、可靠性
框圖法RBD及蒙特卡勒仿真法等 ]，但具體的方法則
要專業(yè)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇確定。對(duì)比上述幾
種方法可知，對(duì)于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的數(shù)控裝置而言，馬爾
可夫模型雖然計(jì)算結(jié)果精度高，但在計(jì)算時(shí)存在狀態(tài)
轉(zhuǎn)移矩陣指數(shù)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算量大甚至無(wú)法計(jì)算，在
工程計(jì)算上不適合應(yīng)用；簡(jiǎn)化公式法相較馬爾可夫模
型計(jì)算量小但結(jié)果精度較低，有時(shí)不能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)
需要。權(quán)衡計(jì)算復(fù)雜度與結(jié)果精度的雙重要求，本文
選用簡(jiǎn)化的}-"FA分析法對(duì)數(shù)控裝置硬件進(jìn)行失效概
率的計(jì)算。
}-TA分析法是在裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)可能造
成裝置失效的各種原因進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖，自上
而下建立從現(xiàn)象到原因的有向邏輯圖的方法 。通
過(guò)確定引起失效的各基本事件發(fā)生概率，計(jì)算頂事件
的發(fā)生概率即要求時(shí)的平均失效概率及各底事件的重
要度。該方法在驗(yàn)證裝置是否滿足相應(yīng)安全完整性等
級(jí)的同時(shí)，亦能確定影響裝置失效貢獻(xiàn)度最大的基本
原因，為后續(xù)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。傳統(tǒng)
FTA分析法通過(guò)確定故障樹(shù)的全部最小割集，再利用
不交布爾代數(shù)法計(jì)算求得頂事件的發(fā)生概率F( )：
，(r)=ΣA。一ΣhiA + Σ AIA A +
? +(一1) 一。AfA／-．A (1)
注：表示第i個(gè)底事件的發(fā)生概率。
考慮到數(shù)控裝置各模塊的失效概率一般都控制在
1O 數(shù)量級(jí)以下，故本文在故障樹(shù)計(jì)算過(guò)程中采取適
當(dāng)簡(jiǎn)化的方法，計(jì)算精度完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備要求。
即設(shè)對(duì)于“或門”連接的頂事件發(fā)生概率近似為：
F( )=ΣA (2)
由于裝置發(fā)生危險(xiǎn)失效主要有兩種模式：檢測(cè)到
的危險(xiǎn)失效和未檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效。因此，對(duì)于單通
道1oo1結(jié)構(gòu)裝置，即裝置的各模塊均為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，任
一模塊發(fā)生失效均導(dǎo)致裝置失效，此結(jié)構(gòu)要求時(shí)失效
概率PFD計(jì)算公式 ：
PED =Aoo×MTTR+A。 ×TI (3)
平均要求時(shí)失效概率JP肋?計(jì)算公式：
P肋 = “6J (A肋×MTTR+A × )dt
1 ， l”
= 1(A ×MTTR+ 1 A ×t。)l
11 l 0
=A ×MTTR+ ×T1 (4)
公式中A舳、A跗、Aoo、AOV分別表示檢測(cè)到的安全
失效、未檢測(cè)到的安全失效、檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效和未檢
測(cè)到的危險(xiǎn)失效概率。 表示裝置測(cè)試周期，MTTR
表示故障平均維修時(shí)間。
· 72· 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù) 第8期
2 數(shù)控裝置失效分析
2．1 數(shù)控裝置硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)LT—B10數(shù)控裝置的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可將其劃
分為四個(gè)主要的功能模塊，如下圖1所示。
口
[— [—I]二
購(gòu)匿 圓豳
圖1 數(shù)控裝置功能結(jié)構(gòu)示意圖
四模塊在功能上構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即其中任一模塊
發(fā)生危險(xiǎn)失效，將導(dǎo)致裝置發(fā)生故障，停止工作。
2．2 硬件模塊失效模式影響及診斷分析
失效模式影響及診斷分析FMEDA是計(jì)算裝置失
效概率的基礎(chǔ)，它通過(guò)對(duì)裝置中的元件逐一進(jìn)行詳細(xì)
的失效分析，以表格的形式列出各元件的失效模式、失
效影響、重要性及各類失效數(shù)據(jù)，從而得到各功能模塊
的失效數(shù)據(jù)、診斷覆蓋率DC及安全失效分?jǐn)?shù)SFF，為
后續(xù)的功能安全評(píng)估提供必要的信息。
分別對(duì)LT-B10數(shù)控裝置的底板、電源模塊、核心
板模塊及顯示板進(jìn)行FMEDA分析。采用國(guó)軍標(biāo)GJB／
Z299C一2006(電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中的數(shù)據(jù)作
為失效數(shù)據(jù)來(lái)源 ，元器件失效模式按照機(jī)械安全標(biāo)
準(zhǔn)IEC62061中的失效模式劃分。由于FMEDA分析
過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，篇幅有限，本文只列出各模塊最終分析
結(jié)果如表3所示。
表3 裝置FMEDA匯總表
模塊 失效模式 (1E-9／h)
A A A。。 A。
底板 0 l885．444 l37．8104 1262．432
顯示板 0 348．465 O 958．845
核心板 0 614．8632 244．326 905．0941
電源 0 125．601 28．862 93．953
3 數(shù)控裝置功能安全評(píng)估建模
3．1 底板模塊故障樹(shù)構(gòu)建算例
由LT—B10數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)可知，造成裝置危
核心板危險(xiǎn)失效及顯示板危險(xiǎn)失效。首先，對(duì)底板模
塊進(jìn)行FTA分析，底板模塊失效是由電源單元、控制
單元、NCSF總線單元、外圍接口單元及BOOT選擇單
元的失效造成，因此構(gòu)建底板模塊故障樹(shù)模型如圖2
所示。
結(jié)合圖2中基本失效事件及核心板FMEDA分析
所得的失效數(shù)據(jù)，代入公式(3)、公式(4)，計(jì)算可得：
PFD底板= 137．8104 X 10一 ×8 + 1262．432 × 10一 ×
8760 = 1．106 × 10一
PFDm 底板= 137．8104 × 10一 × 8 + 1262．432 × 10一 ×
8760／2 = 5．531 × 10一
用要求時(shí)失效概率除以檢測(cè)周期” 得到底板每
小時(shí)危險(xiǎn)失效概率：
PFD底板= 1．106 x 10_ ／8760 = 1．263 × 10 ‘
同理，分別再對(duì)電源模塊、核心板及顯示板進(jìn)行故
障樹(shù)構(gòu)建，并計(jì)算相應(yīng)模塊的要求時(shí)平均失效概率
P肋及每小時(shí)失效概率P刪值。由于篇幅限制，本文
只給出最終計(jì)算結(jié)果，模型構(gòu)建及計(jì)算過(guò)程不再贅述。
3．2 評(píng)估結(jié)果
將上述各模塊FTA分析計(jì)算所得的結(jié)果匯總于
表4中，并將各模塊失效數(shù)據(jù)相加得到LT．B10數(shù)控裝
置各項(xiàng)失效概率指標(biāo)如下：
表4 數(shù)控裝置各模塊失效率核對(duì)表
對(duì)應(yīng)表1，LT—B10數(shù)控裝置在高要求操作模式下
的每小時(shí)失效概率為各模塊PF日之和3．284×10一，
即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中定義的安全完整性SILl等級(jí)。
4 改進(jìn)及驗(yàn)證
4．1 改進(jìn)方案
通過(guò)表4各功能模塊FMEDA分析可知，影響數(shù)
控裝置功能安全等級(jí)的模塊依次為：底板、顯示裝置、
圖2 底板故障樹(shù)分析圖
對(duì)各模塊進(jìn)行改進(jìn)設(shè)
計(jì)，通過(guò)提高各模塊
危險(xiǎn)自診斷能力或
增加冗余裝置來(lái)提
高裝置的安全完整
性等級(jí)。具體改進(jìn)
措施如下：
(1)由于底板的
診斷覆蓋率DC(診
斷覆蓋率指檢測(cè)出
的危險(xiǎn)失效率與總
危險(xiǎn)失效率的比值)
僅為9．84％ ，結(jié)合底
板的FMEDA分析，
在對(duì)失效率貢獻(xiàn)較
2015年8月 袁曉慧，等：基于故障樹(shù)分析的數(shù)控裝置硬件平臺(tái)功能安全設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ．73．
大的電源單元、控制單元及NCSF總線單元增加診斷
電路。底板電源單元主要指3．3V部分，除了正常的
故障排查外，增加了指示電路，可通過(guò)LED的狀態(tài)直
觀的判斷出3．3V電源故障，如圖3所示。
控制單元中FPGA上電加載程序是通過(guò)主串模式
由專用的配置芯片完成的，如圖4，增加了配置完成標(biāo)
志狀態(tài)DONE指示電路，每次配置完成且配置成功時(shí)，
該指示燈點(diǎn)亮。
NCSF總線單元中，如圖5，對(duì)總線接收到的差分
信號(hào)對(duì)RD+／一增加差分放大及檢測(cè)電路，當(dāng)差分信
號(hào)RD+／一進(jìn)入電路時(shí)，輸出信號(hào)在正、負(fù)兩狀態(tài)之間
轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生方波輸出Signa1．A；若輸入端差分信號(hào)RD
+／一有噪聲來(lái)回多次穿越臨界電壓時(shí)，輸出端即受到
干擾，其正負(fù)狀態(tài)產(chǎn)生不正常轉(zhuǎn)換，即可視為故障狀
態(tài)。
y DgDSV i： i 1 3 U17 '2 ．．．．+3 3V． ．． ．．．
圖3 底板電源診斷電路圖
圖4 底板控制單元診斷電路圖
圖5 底板NCSF總線單元診斷電路圖
(2)顯示裝置的安全失效分?jǐn)?shù)SFF =26．66％ ，達(dá)
不到標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)硬件的結(jié)構(gòu)約束。應(yīng)提高危險(xiǎn)自診斷能
力，如圖6，對(duì)顯示板液晶屏接口的行同步信號(hào)、場(chǎng)同
步信號(hào)、像素時(shí)鐘信號(hào)增加故障診斷電路，將其光耦隔
離、反相驅(qū)動(dòng)輸出的信號(hào)接人底板的控制單元，通過(guò)內(nèi)
置計(jì)數(shù)器功能，監(jiān)控顯示板的故障。
(3)核心板在對(duì)失效率貢獻(xiàn)較大的控制單元和時(shí)
鐘電路增加診斷電路，即對(duì)核心板CPU加WDG看門
狗復(fù)位電路，由專門的芯片MAX813L實(shí)現(xiàn)，如圖7，
MAX813L芯片和CPU的一個(gè)10引腳相連，通過(guò)程序
控制該引腳在小于1．6s的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送一個(gè)脈沖
信號(hào)，若程序超過(guò)1．6s發(fā)送脈沖信號(hào)，則內(nèi)部定時(shí)器
溢出。
(4)電源模塊增加冗余配置，將原設(shè)計(jì)的1ool結(jié)
構(gòu)改為1002結(jié)構(gòu)。本文所涉及的電源模塊中，主要是
指VCC5V低壓冗余電源，采用傳統(tǒng)的冗余電源設(shè)計(jì)方
案即由2個(gè)5V電源分別連接二極管陽(yáng)極，以“或門”
的方式并聯(lián)輸出至電源總線上。如圖8所示，可以讓
1個(gè)電源單獨(dú)工作，也可以讓多個(gè)電源同時(shí)工作。當(dāng)
其中1個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，由于二極管的單向?qū)ㄌ?
性，不會(huì)影響電源總線的輸出。
圖6 顯示模塊診斷電路圖
MAX813L
圖7 核心板診斷電路圖
D l】
DIODE
圖8 電源模塊示意圖
4．2 評(píng)估結(jié)果
再次構(gòu)建改進(jìn)后BlO數(shù)控裝置故障樹(shù)，計(jì)算裝置
P肋、pFD。 及P朋值，所得的結(jié)果匯總于表5中：
表5 數(shù)控裝置各模塊失效率核對(duì)表
對(duì)比表4，表5數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)后的數(shù)控裝置在
P肋、PFD? 及 日值上都降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)到
10一 ，且安全失效分?jǐn)?shù)SFF滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)B類系統(tǒng)的
結(jié)構(gòu)約束。對(duì)應(yīng)表1得改進(jìn)后的LT．BIO數(shù)控裝置硬
件平臺(tái)可達(dá)到SIL2等級(jí)，達(dá)到改進(jìn)目的0
5 結(jié)束語(yǔ)
改進(jìn)后的LT．B10數(shù)控裝置采用雙通道帶診斷
10o2D結(jié)構(gòu)，通過(guò)提高各模塊的危險(xiǎn)自診斷能力或增
加冗余配置使裝置的安全完整性等級(jí)從SILl提升至
SIL2，滿足國(guó)內(nèi)中檔市場(chǎng)設(shè)備安全要求。本文對(duì)數(shù)控
裝置硬件平臺(tái)的安全完整性等級(jí)評(píng)估(下轉(zhuǎn)第78頁(yè))
· 78· 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù) 第8期
的最大長(zhǎng)度與回轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系圖。 與 的長(zhǎng)
度數(shù)據(jù)均為在理想半徑的基礎(chǔ)上疊加相應(yīng)轉(zhuǎn)角的偏心
距與圓度誤差構(gòu)成的。
調(diào)用Matlab中工具箱函數(shù)計(jì)算，在區(qū)間(0，2,rr)
上，兩個(gè)函數(shù)關(guān)系圖的最大值均為65．100mm，最小值
均為64．9081mm。最大值與最小值的差值為該截面徑
向圓跳動(dòng)誤差0．1919mm。在截面偏心距為0．05mrn，
圓度誤差為0．1mm之內(nèi)時(shí)，兩種測(cè)量方法達(dá)到的效果
一致。在橋殼實(shí)際測(cè)量中，徑向圓跳動(dòng)要求在0．1mm
之內(nèi)，要求截面偏心距的2倍與圓度誤差相加的數(shù)
值≤0．1mm，上述分析極限性的假設(shè)了截面偏心距為
0．05mm，截面圓度為0．1mm，兩者相加為0．2mm，所
以，在實(shí)際測(cè)量c型橋殼徑向圓跳動(dòng)測(cè)量中，兩種測(cè)
量方法的測(cè)量數(shù)據(jù)之差更小，在小誤差理論基礎(chǔ)上，測(cè)
量效果一致。
圖12 測(cè)量數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系圖
4 結(jié)束語(yǔ)
大型軸類工件不僅尺寸大、形狀復(fù)雜，而且還要考
慮生產(chǎn)加工節(jié)拍的需求，現(xiàn)今的測(cè)量手段不能夠滿足
生產(chǎn)加工過(guò)程中的測(cè)量任務(wù)?？紤]到實(shí)際工程應(yīng)用，
針對(duì)大型軸類工件徑向圓跳動(dòng)誤差，提出了兩種測(cè)量
方法，從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的定義出發(fā)，在理論與實(shí)際環(huán)境中
進(jìn)行了分析證明，以重卡驅(qū)動(dòng)橋殼為例，建立了測(cè)量數(shù)
據(jù)疊加多種誤差之后與工件轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系圖。結(jié)果
表面了兩種測(cè)量方法的可行性，實(shí)現(xiàn)了快速又不失準(zhǔn)
確的測(cè)量橋殼軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差，并為求解此類工
程問(wèn)題提供了一種新的思路。
[參考文獻(xiàn)]
[1]楊將新，徐旭松，曹衍龍，等．基于裝配定位約束的功能公
差規(guī)范設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(2)：1—8．
[2]葛磊，鄒鯤．基于Matlab的圓度誤差精確評(píng)定[J]．機(jī)床
與液壓，2011，39(22)：99—101．
[3]蔣余廠，劉愛(ài)倫．基于GLR—NT的顯著誤差檢測(cè)與數(shù)據(jù)協(xié)
調(diào)[J]．華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然學(xué)報(bào))，2011，37(4)：
502 —508．
[4]袁小江．曲軸同軸度與徑向圓跳動(dòng)的轉(zhuǎn)換測(cè)量[J]．機(jī)械
設(shè)計(jì)與研究，2010，26(5)：98—100．
[5]張春陽(yáng)，雷賢卿，李濟(jì)順，等．基于幾何優(yōu)化的圓度誤差評(píng)
定算法[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(12)：8—23．
[6]孫秋成，譚慶昌，唐武生，等．基于CCD的軸頸檢測(cè)方法
[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010，40(5)：1273—1277．
[7]董兆鵬，黃富貴．圓度誤差測(cè)量及評(píng)定方法綜述[J]．工具
技術(shù)，2011，45(2)：14—19．
[8]鄭翔，阮志強(qiáng)，夏衛(wèi)明，等．同軸度誤差最小包容圓有限元
后處理算法[J]．東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39(6)：
1156—1160．
[9]葉宗茂．用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)正確測(cè)量同軸度誤差[J]．工具
技術(shù)，2007，41(3)：77—80．
[10]黃美發(fā)，宮文峰，陳磊磊．新一代GPS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系的
研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，
33(5)：402—407．
[11]胡仲勛，王伏林，周海萍．空間直線度誤差評(píng)定的新算法
[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27(7)：879—882．
(編輯趙蓉)
(上接第73頁(yè))方法及改進(jìn)方案進(jìn)行了探索性研究，
為下一步研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)功能安全數(shù)控
產(chǎn)品提供了有效方法。
[參考文獻(xiàn)]
[1]陳磊．高速機(jī)床系統(tǒng)安全性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化方法的研究
[D]．青島：山東科技大學(xué)，2005．
[2]楊志波，林滸，陶耀東．?dāng)?shù)控裝置可靠性預(yù)計(jì)方法的研究
[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011(1)：1—4．
[3]靳江紅，吳宗之，趙壽堂，等．安全儀表系統(tǒng)的功能安全國(guó)
內(nèi)外發(fā)展綜述[J]．化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(5)：
1—5．
[4]趙?。?40D數(shù)控系統(tǒng)中的安全控制在數(shù)控機(jī)床中的的應(yīng)
用[J]．黑龍江科技信息，2011(27)：14．
[5]黃祖廣，張承瑞，趙欽志，等．?dāng)?shù)控系統(tǒng)功能安全標(biāo)準(zhǔn)綜述
[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2013(8)：163—166．
[6]張建國(guó)．淺談機(jī)械安全一E／E／PE控制系統(tǒng)的功能安全標(biāo)
準(zhǔn)IEC62061[J]．中國(guó)儀器儀表，2009(5)：49—55．
[7]周亞，徐皚冬，白占元，等．功能安全溫度變送器設(shè)計(jì)和可
靠性分析[J]．自動(dòng)化儀表，2012，34(6)：70—73．
[8]International Electrotechnical Commission．IEC 62061 Safety
of machinery——Functional safety of safety related electrical，
electronic and programmable electronic control systems[J]．
20o5．
[9]International Electrotechnieal Commission．IEC 61508 Func—
tional safety of electrical／ electronic／ programmable elec·
tronic safety—related systems f J]．2010．
[10]許榮，車建國(guó)，楊作賓，等．故障樹(shù)分析法及其在系統(tǒng)可
靠性分析中的應(yīng)用[J]．指揮控制與仿真，2010，32(1)：
112 —1l5．
[11]徐玉娟，陽(yáng)憲惠．用故障樹(shù)法計(jì)算不同結(jié)構(gòu)變送器失效
率[J]．石油化工自動(dòng)化，2007(3)：1—5．
[12]GJB／Z299C一2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：
中國(guó)人民解放軍總裝備部，2006．
(編輯趙蓉)

網(wǎng)友評(píng)論 more

綜合安全論文最新內(nèi)容

05-04