可靠性實用技術：提升國產(chǎn)數(shù)控機床核心競爭力的關鍵

吉林大學數(shù)控裝備可信性研究所 賈亞洲

提高數(shù)控機床可靠性是 “高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項中特別關注的話題，也是機床市場競爭的焦點。開展可靠性工作應該重在實效，真正提高產(chǎn)品可靠性水平，即要通過現(xiàn)場運行驗證，得到用戶的實際認可，應該避免紙上談兵。怎樣理解數(shù)控機床可靠性的內(nèi)涵？如何評估讓用戶認可的可靠性水平？如何開發(fā)具有實際可操作性的可靠性實用技術？這些問題是需要我們探討和明確的。

一、數(shù)控機床可靠性的內(nèi)涵和特殊性

數(shù)控機床可靠性的內(nèi)涵要符合國內(nèi)外公認的可靠性相關標準。關于可靠性的定義，最初是盧瑟爾（Robert Lusser）在1952年提出的 “產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力”。 可靠性定義的五要素中，對于數(shù)控機床產(chǎn)品而言，產(chǎn)品對象就是數(shù)控機床，規(guī)定的條件就是數(shù)控機床的工作環(huán)境和工況，規(guī)定的時間就是數(shù)控機床工作壽命，規(guī)定功能就是數(shù)控機床指定的性能和功能。所謂能力就是數(shù)控機床性能和功能的維持性或使用的持續(xù)期。機床用戶對產(chǎn)品可靠性所關心的正是數(shù)控機床性能和功能的維持性或使用的持續(xù)期，也就是降低機床現(xiàn)場運行過程中故障率，減少故障的發(fā)生。

這里必須強調(diào)，可靠性是產(chǎn)品實際運行或現(xiàn)場使用過程中所暴露出來的屬性，是使用時間大于零的質(zhì)量特征。沒有經(jīng)過使用的產(chǎn)品，這種質(zhì)量屬性還不能真實暴露出來。

數(shù)控機床可靠性有其特殊性，它是集機、電、液、氣、光等高新技術于一身的現(xiàn)代化工作母機，不僅要求功能可靠性，而且要求參數(shù)可靠性。數(shù)控機床的基本功能就是通過數(shù)控實現(xiàn)多軸聯(lián)動自動化加工，機床發(fā)生功能性故障屬于功能可靠性；工作母機還有加工精度要求，要求具有精度保持性，精度達不到要求，屬于參數(shù)可靠性。

當前，數(shù)控機床在現(xiàn)場運行過程中所發(fā)生的故障絕大多數(shù)是功能性故障，如加工中心刀庫不轉(zhuǎn)位、不回零、不執(zhí)行程序指令，機械手掉刀、拔不下刀、撞刀；數(shù)控車床的轉(zhuǎn)塔刀架不轉(zhuǎn)位、換刀旋轉(zhuǎn)不停、定位不準；旋轉(zhuǎn)工作臺不定位，裝卡附件誤動作；潤滑系統(tǒng)不通暢，摩擦副研傷；排屑系統(tǒng)堵塞；CNC系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的大量故障；液、氣、油滲漏或堵塞等。國產(chǎn)機床的功能性故障，機床操作者最為敏感，是廣大機床用戶急盼解決的。

機床用戶心目中的可靠性涵義，就是機床使用和運行過程中少發(fā)生故障，減少因故障而停機的時間。因此，當前對數(shù)控機床可靠性技術的開發(fā)，要針對用戶關切的故障，特別是頻繁發(fā)生的功能性故障。機床可靠性不能偏向于學究式研究，羅列大量名詞術語和理論模型，把可靠性說得玄而又玄；同時切忌 “紙上談兵”，可靠性規(guī)范辦法一大堆，紙質(zhì)文件一大摞，成果看似顯赫，然而產(chǎn)品在用戶使用過程中，故障還是頻繁發(fā)生，可靠性水平依然如故。開展數(shù)控機床可靠性工作，要做些真實操作的實事，真實解決用戶關切的可靠性實際問題，真正看到用戶認可的實效。

二、評估讓用戶認可的可靠性真實水平

數(shù)控機床是可修復的產(chǎn)品，即發(fā)生故障后，通過維修可恢復原有的工作狀態(tài)。評價可靠性方法要符合國內(nèi)外公認的可靠性評估標準。當前評估數(shù)控機床可靠性普遍認可的特征量是平均故障間隔時間MTBF，英文是Mean Time Between Failures，過去曾翻譯為平均無故障工作時間，它是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，即平均故障間隔時間。也就是說數(shù)控機床在生產(chǎn)現(xiàn)場，發(fā)生故障修復后，平均說來又連續(xù)工作多長時間發(fā)生下一次故障。

當然評估機床可靠性，先制定評估辦法（規(guī)范），例如選擇典型工況、典型用戶和典型樣機，有明確的故障判據(jù)和MTBF的計算方法……等。評價MTBF的方法很直觀，通常用機床累計工作時間t（小時）除以累計故障數(shù)r，可以用下面簡單公式進行計算:

很容易理解，計算結(jié)果就是數(shù)控機床相鄰兩次故障之間的平均工作時間。這里要強調(diào)的是必須保證評估可靠性的原始數(shù)據(jù)本身的真實可靠。

累計工作時間t是指機床在用戶現(xiàn)場實際運行的工作時間。如果預計機床的MTBF大約有600多小時，現(xiàn)場考核采集的實際運行的工作時間大約有1800小時就夠了，這樣可以有3個故障間隔數(shù)。那么是否需要我們現(xiàn)場跟蹤1800小時呢？有方便跟蹤條件當然更好，實際上也不一定要跟蹤那么長時間才能獲取到所需要的工作時間數(shù)據(jù)。例如，有些設備管理完善的機床用戶，有比較正規(guī)的設備運行檔案，機床生產(chǎn)運行過程發(fā)生的故障都有記載，并納入計算機管理。筆者曾在汽車行業(yè)、汽輪機行業(yè)的某些用戶就采集到多臺國內(nèi)外機床兩年多現(xiàn)場運行的故障記錄，每臺機床的現(xiàn)場運行時間都達到8000多小時，除以在此期間的累計故障數(shù)，就計算出MTBF了。另外，機床主機制造廠的售后服務記錄，特別是在保修期內(nèi)發(fā)生故障后，用戶普遍都找生產(chǎn)廠，故障記載較全，現(xiàn)場運行時間的記載也是真實的。當然無論是機床用戶或是主機制造廠，這些數(shù)據(jù)通常是不公開的，但這種數(shù)據(jù)是真實存在的。

當然，如果用戶沒有設備運行檔案，制造廠的售后服務記錄也不健全，可以通過較短時間的現(xiàn)場跟蹤獲取評估可靠性所需的數(shù)據(jù)。MTBF本身是統(tǒng)計量，可以同時跟蹤多臺機床，例如10臺。因為我國一些機床主要生產(chǎn)廠，數(shù)控車床或加工中心的月產(chǎn)量，已經(jīng)達到幾十臺，甚至百余臺，選擇10臺跟蹤樣本沒有困難。如果選擇兩班生產(chǎn)的用戶，每臺月機床實際工作時間可以有400小時，10臺機床一個月就可以有4000小時。這10臺機床在這一個月的工作時間內(nèi)，如果總共發(fā)生8次故障，那么用實際工作時間除以故障數(shù)，MTBF就是500小時?，F(xiàn)場考核跟蹤一個月，時間不算長，也可評價出可靠性水平。

筆者也試圖不通過現(xiàn)場跟蹤，而通過短時間的加速和加載試驗來評估機床的可靠性。但遇到的問題是，加速、加載試驗大多暴露參數(shù)故障，如精度超標等，而許多功能性故障在短時間內(nèi)通過加載方法很難暴露；主要的功能性故障沒有暴露，評估的可靠性水平很難與實際水平相符。同時加速試驗時間遠遠小于平均故障間隔時間MTBF，必須乘以加權系數(shù)K，通過加權計算MTBF，與現(xiàn)場運行的MTBF的符合性還有待研討和驗證。

可靠性既然是產(chǎn)品使用過程中的質(zhì)量屬性，評價產(chǎn)品可靠性，就是評價產(chǎn)品在實際運行過程中的質(zhì)量，考核產(chǎn)品運行多長時間發(fā)生故障。根據(jù)國內(nèi)外公認的可靠性含義，現(xiàn)場故障信息是評價產(chǎn)品可靠性水平的基本依據(jù)。通過采集來自機床運行現(xiàn)場的原始故障數(shù)據(jù)，才能評估出讓用戶認可的可靠性真實水平。否則，無論你評價出可靠性水平有多高，哪怕已經(jīng)超過國際先進水平，也只能是自我安慰，不能得到用戶的認可，不能真正提高國產(chǎn)數(shù)控機床的市場競爭力。

上述表明，數(shù)控機床可靠性評估并不復雜，不要把機床可靠性評估變?yōu)閷W究式研究，說得玄而又玄，高深莫測。無論是用于評估的原始數(shù)據(jù)獲取和計算MTBF的方法，機床用戶或主機生產(chǎn)廠都可以進行。因為某臺機床的MTBF，是在機床用戶暴露出來的，是客觀真實存在，不是通過理論研究臆想出來的。

三、開發(fā)可靠性實用技術——企業(yè)是提高產(chǎn)品可靠性的主體

欲真正提高數(shù)控機床的可靠性，生產(chǎn)企業(yè)是主體，主要靠企業(yè)自身建立可靠性保障體系，開發(fā)和真正實施可靠性實用技術。當然也需要產(chǎn)學研結(jié)合，企業(yè)可以選擇高校有實踐經(jīng)驗的科研人員參與，但這種結(jié)合不能改變生產(chǎn)企業(yè)的主導地位。因為可靠性涉及到主機生產(chǎn)廠的設計、制造、裝配、供應和售后服務等廠內(nèi)各部門，還涉及到配套件、外協(xié)件等，這是一項與生產(chǎn)企業(yè)緊密相關的系統(tǒng)工程，它貫穿于機床開發(fā)、生產(chǎn)和使用的全過程，可以用以下附圖簡要說明。

數(shù)控機床可靠性保障體系圖

附圖左列方塊是機床產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和運行使用的各階段，右列各方塊是與之配套的各階段可靠性工作內(nèi)容，現(xiàn)簡要說明如下。

（1）提高產(chǎn)品可靠性無非就是減少或避免產(chǎn)品工作過程中所發(fā)生的各種故障。為了使可靠性工作見實效，企業(yè)首先要了解當前產(chǎn)品在用戶運行過程中暴露出來的主要故障，明確產(chǎn)品可靠性存在的主要問題。為此，要轉(zhuǎn)變售后服務觀念，售后服務人員不僅為用戶排除故障，恢復機床功能，達到用戶滿意，更重要的職責還要通過售后服務過程進行現(xiàn)場跟蹤（或稱為現(xiàn)場試驗），采集當前在用戶運行的產(chǎn)品暴露出來的故障信息，摸清病灶，以便有針對性地解決問題。企業(yè)也可以組織有關人員，專門去用戶采集和積累現(xiàn)場故障信息，即右列最上面方塊的工作內(nèi)容。

（2）為了消除故障或者削弱導致故障的內(nèi)外因素的作用而減少故障的發(fā)生，必然伴隨故障分析技術。主要包括：故障部位鑒別與分析、故障模式鑒別與分析、故障原因鑒別與分析、故障影響分析、可靠性薄弱環(huán)節(jié)鑒別與分析等。通過故障分析，找出對可靠性影響較大的故障部位和故障原因；為可靠性改進設計和可靠性增長技術的開發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)和信息。

（3）數(shù)控機床的可靠性水平從根本上說是由設計決定的，為提高產(chǎn)品可靠性設計水平，必須采取可靠性設計改進措施，制訂具有可操作性的可靠性設計方法指導性文件，提高機床設計技術人員的可靠性素質(zhì)，總結(jié)多年設計經(jīng)驗，逐漸建立和完善可靠性綜合設計方法。

（4）國產(chǎn)數(shù)控機床的許多故障是由落后的工藝過程造成的，機床的可靠性與關鍵工序和裝配過程密切相關?？煽啃栽O計值，要通過制造和裝配過程予以保證和實現(xiàn)。低劣的制造和裝配工藝，可靠性設計值就成為根本不能兌現(xiàn)的空話。要在對產(chǎn)品進行大量故障分析的基礎上，進行關鍵工序和裝配過程的可靠性保證技術的研究。根據(jù)在關鍵工序和裝配過程方面的不可靠因素，研究和采取相應的改進與保證措施。

（5）國產(chǎn)數(shù)控機床的許多故障來源于關鍵配套件和外購件，這是買來的隱患?？煽啃栽O計值，同樣要通過關鍵配套件和外購件予以保證和實現(xiàn)。低劣的配套件和外購件不能兌現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性設計值。企業(yè)要研究制定關鍵配套件、外購件的可靠性保證體系,如對供方的選擇和控制，編制采購文件和外協(xié)文件，外購件進貨檢驗和試驗，元器件的嚴格測試和篩選等。

（6）數(shù)控機床現(xiàn)場運行表明，早期故障多數(shù)沒有在制造廠消除，而是帶到用戶中。機床運行初期故障頻繁，故障率很高，這是影響國產(chǎn)機床可靠性聲譽的重要因素之一。早期故障是國產(chǎn)機床的軟肋，在機床總裝完成后，要進行早期故障試驗，暴露或誘發(fā)早期故障，將早期故障消滅在制造廠內(nèi)。通過早期故障試驗，排除數(shù)控機床的早期故障，會使國產(chǎn)機床的可靠性信譽立竿見影。

四、結(jié)束語

上述開發(fā)和實施可靠性技術過程表明，可靠性工作欲見實效，生產(chǎn)企業(yè)是主體。因為制造廠最熟悉自己的產(chǎn)品，對故障表現(xiàn)和故障分析，企業(yè)最有發(fā)言權，至于在設計、生產(chǎn)工藝和外協(xié)件等方面采取可靠性改進和提升的技術措施等，更必須依靠企業(yè)自身的實際行動。國外名牌數(shù)控機床的可靠性水平有目共睹，也是靠企業(yè)自身的質(zhì)量意識和健全的可靠性保障體系實現(xiàn)的。

提高可靠性是廣大數(shù)控機床用戶的強烈呼聲，已成為提升國產(chǎn)數(shù)控機床核心競爭力的突破口。為了使國產(chǎn)數(shù)控機床在激烈而殘酷的國際市場競爭中立于不敗之地，企業(yè)決策層、管理部門和工程技術人員，必須提高可靠性意識，建立企業(yè)自身的可靠性保障體系，在機床生產(chǎn)全過程認真實施可靠性保障措施，把領導的決心變成全員的實際行動，這樣提升國產(chǎn)數(shù)控機床核心競爭力是完全可能的。