数控系统是现代机床的“大脑”,由于能控制机床的不同运动状态,所以在整个产品中有着举足轻重的作用。随着我国工业的发展以及“中国制造2025”的战略规划要求,机床行业对数控系统要求越来越高。然而国内对数控系统全寿命周期的认知较为贫乏,导致关键部件的辨识不够明确,优化效果不明显等问题,这成为了我国数控系统走向国际高端市场的绊脚石,因此对国产数控系统的升级换代刻不容缓。本文依托国家《高档数控机床与基础制造装备》科技重大专项“面向航空发动机典型零部件制造的国产数控系统换脑工程”(项目号:2017ZX04011013),针对国内某企业GNC60型号的数控系统为研究对象,在TRIZ理论的相关进化法则指导下,提出了一种基于全寿命周期故障数据分析的进化设计方法。首先,通过全寿命周期的分析方法,确定了数控系统的薄弱子系统;其次,基于决策与实验室方法和优劣解距离法(DEMATEL-TOPSIS),得到了数控系统薄弱子系统的关键部件;最后,应用遗传算法和数值模拟的方法对关键部件进行了散热设计。该研究方法对故障数据较多、寿命周期较长、关键部件不明确的系统同样适用。论文的主要内容包括以下几个方面:(1)TRIZ理论基本研究。首先,根据相关文献资料,定义了数控系统全寿命周期进化设计的概念,并确定了TRIZ理论中进化法则的应用范围;其次,结合数控系统的实际使用情况,选取了适合数控系统全寿命周期进化设计的进化法则;最后应用这些法则指导数控系统全寿命周期进化设计的研究工作。(2)数控系统全寿命周期故障分析。基于“向微观级进化法则”对数控系统全寿命周期的故障数据进行两个层次的递进分析。其中,第一层从数控系统的全寿命周期进行考虑,应用动态重要性测度模型和频率统计,得到伺服驱动系统为薄弱子系统;第二层从伺服驱动系统结构层次出发,结合伺服驱动系统硬件情况,采用聚类的思想,通过遍历算法确定了六个故障模式以及对应的重要部件(普通电源,直线电机,伺服驱动模块等),从而缩小了数控系统的分析范围。(3)伺服驱动系统关键部件辨识。根据“S-曲线法则”提出了基于DEMATELTOPSIS的评价方法。首先,将设计FMECA(故障模式、影响度及危害性分析)的R PN(风险优先数法)计算值与过程FMECA的RPN计算值的关系值作为DEMATEL的输入数据得到TOPSIS所需的权重值;然后,应用改进的TOPSIS距离公式对故障模式进行排序。由于故障模式与故障部件相对应,从而辨识出伺服驱动模块为关键部件,并通过试验验证了高温是造成伺服驱动模块发生故障的主要原因。(4)伺服驱动模块的散热进化设计。依据“矛盾产生及克服法则”中的物-场模型来指导伺服驱动模块的散热进化设计。首先,建立了散热的物理模型,得到伺服驱动模块的机箱尺寸参数、散热器尺寸参数为散热设计的主要参数,然后采用遗传算法对其散热能力进行了迭代计算;其次,通过ANSYS Icepak数值模拟对风扇与散热器间距以及风扇偏转角度进行了优化;最终实现了伺服驱动模块整体温度降低21.24%的效果。