數(shù)控車床的可靠性分析

楊浦良，李玉菊

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

數(shù)控車床的可靠性分析

楊浦良，李玉菊

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法分析了CAK3275V型數(shù)控車床的故障現(xiàn)象、故障部位、故障原因，指出了該型車床最薄弱的環(huán)節(jié)，為機(jī)床的制造商提高該型數(shù)控車床固有可靠性提供了有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)，同時(shí)提出了一種提高數(shù)控車床工作可靠性的方法。

數(shù)控車床;故障分析;固有可靠性;工作可靠性

0 引言

數(shù)控車床又稱為CNC車床，即計(jì)算機(jī)數(shù)字控制車床，是目前國內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的25%。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床。它具有廣泛的加工工藝性能，因此在機(jī)械零件的生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。同時(shí)由于數(shù)控車床的故障而造成的停機(jī)以及維修費(fèi)用又給數(shù)控車床用戶帶來了極大的困惑。這樣數(shù)控車床的可靠性問題就擺在了機(jī)床制造商和用戶的面前，可靠性已成為數(shù)控車床的制造商和用戶使用頻率極高的的一個(gè)術(shù)語。

數(shù)控車床的可靠性是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，數(shù)控車床穩(wěn)定完成其功能的程度或性質(zhì)。它分為固有可靠性和工作可靠性兩種。其中固有可靠性是指數(shù)控車床的設(shè)計(jì)制造者按照可靠性規(guī)劃，從原材料和零部件的選用，經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)，直到數(shù)控車床出產(chǎn)的各個(gè)階段所確立的可靠性。工作可靠性是指已生產(chǎn)的數(shù)控車床經(jīng)過包裝、運(yùn)輸、存儲、安裝、使用、維修等因素影響的可靠性。

CAK3275V型數(shù)控車床采用了華中數(shù)控系統(tǒng)，是一種真正意義上的國產(chǎn)數(shù)控車床，它的研發(fā)和應(yīng)用對提高我國國產(chǎn)數(shù)控車床的市場占有率，增強(qiáng)國產(chǎn)數(shù)控車床的自主化，具有重要意義。本文通過對該型數(shù)控車床的故障分析，找出數(shù)控車床容易出現(xiàn)的故障和薄弱的環(huán)節(jié)，其目的一方面是為機(jī)床的制造商設(shè)計(jì)和制造數(shù)控車床提供必要的參考數(shù)據(jù)，以提高該型數(shù)控車床的固有可靠性，另一方面是為機(jī)床的用戶正確維修和保養(yǎng)數(shù)控車床提供必要的理論指導(dǎo)，以提高該型數(shù)控車床的工作可靠性。

1 故障數(shù)據(jù)的采集與整理

1.1 數(shù)據(jù)采集

本文的故障數(shù)據(jù)是通過長春理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心在實(shí)際教學(xué)使用中的12臺沈陽機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的CAK3275V型數(shù)控車床進(jìn)行跟蹤調(diào)查得到的。主要是按部頒標(biāo)準(zhǔn)JB/GQ 1153-90的CNC機(jī)床故障記錄報(bào)告的格式對上述數(shù)控車床的實(shí)際故障進(jìn)行跟蹤記錄得到的。

1.2 數(shù)據(jù)處理

故障數(shù)據(jù)采集后，首先對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和必要的預(yù)處理，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并建立數(shù)控車床的故障數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

數(shù)據(jù)庫中機(jī)床編碼、制造廠家、故障原因、故障部位、故障編碼等均按一定的方式進(jìn)行數(shù)字編碼。例如機(jī)床編碼由8位數(shù)字組成，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)均可按照特定的機(jī)床、制造廠、故障原因、故障部位、故障編碼等進(jìn)行檢索或數(shù)據(jù)庫重組，以滿足不同目的的故障數(shù)據(jù)分析。

表1 故障數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 故障分析

2.1 故障現(xiàn)象及其頻次分析

從表2和圖1可以看出，該型數(shù)控車床的故障現(xiàn)象主要是加工尺寸不準(zhǔn)(28.6%)、加工零件有振紋(12%)、X、Z軸不運(yùn)動(dòng)(9.5%)、X、Z軸噪音(7.2%)等。這說明該型數(shù)控車床的功能是可以滿足顧客需求的，而其加工零件的精度是有待提高的，這就給我們指明了一個(gè)提高該型數(shù)控車床可靠性的方向，那就是提高數(shù)控車床的加工精度。其中影響加工精度的因素是數(shù)控車床的機(jī)械零部件占86%、電氣零部件占9%，可以看出機(jī)械方面的原因是影響該型數(shù)控車床加工精度的主要原因。

表2 故障現(xiàn)象、現(xiàn)象編碼、及其現(xiàn)象頻次表

圖1 故障現(xiàn)象頻次圖

2.2 故障部位及其頻次分析

從表3和圖2可以看出，該型數(shù)控車床的故障部位主要是進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)(34.1%)、主軸部件(22%)、電氣系統(tǒng)(14.6%)等，它們都是數(shù)控車床加工零件時(shí)與零件直接發(fā)生作用的部位，因此這些部位的故障對數(shù)控車床加工零件精度影響是相當(dāng)大的，只有把這些部位的可靠性提高才能有效地提高數(shù)控車床的可靠性。其中進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)即進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置，是指將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈，它包括滾珠絲杠螺母副、聯(lián)軸器、滑板、滑鞍壓板等，其中滾珠絲杠螺母副是進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中最主要的故障部位。主軸部件是數(shù)控車床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分，它在主軸箱內(nèi)，它由主軸、主軸軸承、工件或刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)等組成，其中主軸軸承是主軸部件中最主要的故障部位。

表3 故障部位、部位代碼、及其部位頻次表

圖2 故障部位頻次圖

2.3 故障原因及其頻次分析

從表4和圖3可以看出，該型數(shù)控車床的主要故障原因是元器件損壞(31.7%)、零部件松動(dòng)(22%)、零部件安裝不良(14.3%)、線路連接不良(7.8%)，這說明廠家在設(shè)計(jì)、制造和裝配數(shù)控車床的元器件的過程中缺乏合理的可靠性分配措施。因此，要想提高該型車床的可靠性，必須在數(shù)控車床設(shè)計(jì)、制造、裝配過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)可靠性工作。另外，還可以看出許多故障原因數(shù)控車床的使用單位是可以發(fā)現(xiàn)并提早處理的，因此，要想提高數(shù)控車床的可靠性，數(shù)控車床使用過程中的可靠性工作也是必須加強(qiáng)的。在易損壞的元器件中機(jī)械元器件(軸承、編碼器、滾珠絲杠螺母副、聯(lián)軸器等)占70.3%，電子元器件占27.2%，其它元器件占2.5%。而易松動(dòng)的零部件中機(jī)械零部件占85%，其它零部件占15%。

表4 故障原因、原因代碼及其原因頻次表

圖3 故障原因頻次圖

3 工作可靠性

如何提高數(shù)控車床的工作可靠性，各個(gè)單位都有自己的不同做法。根據(jù)故障率的浴盆曲線，在車床使用的初期，故障率較高，隨著時(shí)間的推移故障率逐漸下降并趨于平穩(wěn)，在車床使用的末期，故障率也較高。本文通過提高維護(hù)時(shí)間間隔的柔性來提高數(shù)控車床的工作可靠性。具體方法是根據(jù)每次任務(wù)量的大小來決定維護(hù)的間隔時(shí)間的長短，即任務(wù)量大時(shí)經(jīng)常維護(hù)任務(wù)小時(shí)偶爾維護(hù)。實(shí)踐證明，這種方法可以在一定程度上提高數(shù)控車床的工作可靠性。圖4是這種方法在長春理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心的驗(yàn)證結(jié)果，從圖中可以看出，提高維護(hù)時(shí)間間隔的柔性后，數(shù)控車床的故障率明顯降低了。

圖4 維修時(shí)間間隔調(diào)整效果圖

4 結(jié)語

(1)機(jī)械零件加工精度差是該型數(shù)控車床的主要故障現(xiàn)象。

(2)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件是該型數(shù)控車床的主要故障部位。

(3)元器件損壞、零部件松動(dòng)和零部件安裝不良是該型車床的主要故障原因。

(4)長春理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心的經(jīng)驗(yàn)表明，提高數(shù)控車床的維護(hù)時(shí)間間隔的柔性可以提高其工作可靠性。

［1］ 王義強(qiáng)，曲興田，仇健.CNC車床的工作可靠性分析［J］.汽車工藝與材料，1999(2):34－36.

［2］ 李夢群，馬維金，王愛玲，等.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床故障診斷及維修［M］.第3版.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［3］ JB/CQ1153-90.CNC車床可靠性考核方法［S］.

An Analysis on the Reliability of CNC Lathe

YANG Pu-liang，LI Yu-ju

(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

This paper analyzes the fault phenomenon，location and causes of CAK3275V-type CNC lathe by applying mathematical statistics method，pointing out the weakest link in the lathe，which provides valuable references datum for machine manufacturers to improve the inherent reliability of CNC lathe，and it presents a way to improve the working reliability.

CNC lathe;failure analysis;inherent reliability;working reliability

TG519.1

A

1009－3907(2012)06－0637－04

2012-04-12

楊浦良(1979-)，男，吉林敦化人，碩士研究生，主要從事可靠性方面研究;李玉菊(1955-)，女，重慶人，教授，主要從事工程圖學(xué)方面研究。

責(zé)任編輯:吳旭云