盤式刀庫(kù)及機(jī)械手可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方法研究*

葛 甜，李春梅，馮虎田，董維新，劉亞峰

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094;2.陜西秦川機(jī)床工具集團(tuán)有限公司 秦川發(fā)展研究院，陜西寶雞 721009）

0 引言

盤式刀庫(kù)及機(jī)械手是車銑復(fù)合加工中心的重要換刀裝置，隨著加工中心復(fù)合功能的增多和密集型技術(shù)的引入，不可靠因素和故障隱患增多，尤其是在復(fù)雜零件的加工過程中，需要頻繁更換刀具，執(zhí)行動(dòng)作多且速度快，刀庫(kù)和機(jī)械手很容易因?yàn)榈侗P旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)和零件磨損等原因?qū)е露ㄎ徊粶?zhǔn)確，從而出現(xiàn)掉刀等故障［1］。因此非常有必要對(duì)該盤式刀庫(kù)及機(jī)械手進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，并不斷進(jìn)行故障排除和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)其平均無故障時(shí)間的顯著增長(zhǎng)，提高可靠性水平。

可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)就是通過逐步改正產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中的缺陷，不斷提高產(chǎn)品可靠性的工程試驗(yàn)，通常安排在工程研制基本完成之后和可靠性鑒定試驗(yàn)之前?？煽啃栽囼?yàn)最常用的方法是通過試驗(yàn)-分析-糾正試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱TAAF試驗(yàn)）糾正故障，并達(dá)到逐步提高產(chǎn)品可靠性的目標(biāo)［2］。

本文主要研究了盤式刀庫(kù)及機(jī)械手的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方法，對(duì)類似產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)有參考借鑒作用。

1 盤式刀庫(kù)及機(jī)械手可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

車銑復(fù)合加工中心用盤式刀庫(kù)及機(jī)械手(見圖1）的可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)分為機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)三個(gè)部分。

機(jī)械系統(tǒng)由支承結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、定位結(jié)構(gòu)和夾緊結(jié)構(gòu)組成。支承結(jié)構(gòu)主要包括底座、主軸、支架和刀盤，完成主體部分和其它零件的承載、安裝功能。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)、齒輪組、齒輪軸組成，齒輪和刀盤聯(lián)接在一起，齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)。定位由電氣定位和機(jī)械定位共同完成，通過發(fā)訊盤和發(fā)訊開關(guān)發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行粗定位，而精定位則是由定位軸、定位套及插銷實(shí)現(xiàn)的。夾緊機(jī)構(gòu)主要是由刀爪、導(dǎo)向桿、彈簧及定位塊組成。

圖1 盤式刀庫(kù)及機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)

該盤式刀庫(kù)的控制部分采用西門子802D數(shù)控系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)獨(dú)立于控制系統(tǒng)，利用相關(guān)的傳感器可以全面檢測(cè)盤式刀庫(kù)及機(jī)械手的換刀位置精度、振動(dòng)特性、是否掉刀、氣缸壓力、刀庫(kù)的轉(zhuǎn)速扭矩，以及工況噪聲等參數(shù)。在后期可靠性試驗(yàn)中，這些性能參數(shù)是反映刀庫(kù)可靠性水平的重要因素之一。

2 盤式刀庫(kù)及機(jī)械手故障模式分析

根據(jù)GJB1407《可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)》中的規(guī)定，可靠性增長(zhǎng)是針對(duì)產(chǎn)品的可靠性或者針對(duì)產(chǎn)品的故障的。分析產(chǎn)品故障原因和機(jī)理，改進(jìn)設(shè)計(jì)缺陷，是提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。在TAAF試驗(yàn)中誘發(fā)的關(guān)聯(lián)故障，分為A類故障和B類故障兩種，A類故障是不予糾正故障，B類故障為可糾正故障。

針對(duì)盤式刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和早期故障試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其可靠性薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析，以便于后期故障的糾正和可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的追蹤與控制。得到其故障模式分析如表1所示。

表1 盤式刀庫(kù)及機(jī)械手故障模式分析

3 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

3.1 可靠性增長(zhǎng)模型

在可修產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中，常用的是杜安(Duane）模型和AMSAA模型［3］。本文選取Duane模型作為車銑復(fù)合加工中心用盤式刀庫(kù)及機(jī)械手的可靠性增長(zhǎng)模型。

Duane模型最初是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓機(jī)械裝置等復(fù)雜可修產(chǎn)品可靠性改進(jìn)過程的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，其前提是:產(chǎn)品在可靠性增長(zhǎng)過程中，逐步糾正故障因而產(chǎn)品可靠性是逐步提高的，不許可有多個(gè)故障集中改進(jìn)而使產(chǎn)品可靠性有突然地較大幅度提高。

Duane模型引入累積故障率λΣ(t）的概念，指出產(chǎn)品在增長(zhǎng)試驗(yàn)過程中，累積故障率對(duì)于累積試驗(yàn)時(shí)間，在雙邊對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上趨近于一條直線，即:

式中:a為尺度參數(shù)，a＞0，表示雙邊對(duì)數(shù)紙上該直線的截距，它的工程意義是一定程度上反映了進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)初始可靠性水平的高低，a愈小，說明初始可靠性水平高。m為杜安增長(zhǎng)率，0＜m ＜1，表示雙邊對(duì)數(shù)紙上該直線的斜率，它的工程意義是反映了可靠性上升速度的快慢。m愈大，可靠性增長(zhǎng)效果愈好。

在工程應(yīng)用中，已知某一累積試驗(yàn)時(shí)間tI及其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品累積MTBF，記為MI，則可得:

(2）式可用于制訂可靠性增長(zhǎng)計(jì)劃，(3）式用于表示增長(zhǎng)計(jì)劃曲線并用于跟蹤，兩者還可用于產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)過程中及最終的可靠性評(píng)估。

3.2 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)計(jì)劃

可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)計(jì)劃的主要組成部分是計(jì)劃曲線，即MTBF(t）=M(）m。設(shè)總試驗(yàn)時(shí)間為T，MΣIobj為預(yù)期的增長(zhǎng)目標(biāo)，則必須滿足［5］

式中共有5 個(gè)參數(shù)，MI，tI，m，T，Mobj，只有 5 個(gè)參數(shù)全部滿足上述關(guān)系時(shí)，才能構(gòu)成符合增長(zhǎng)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的計(jì)劃曲線［4-5］?？紤]到車銑復(fù)合加工用盤式刀庫(kù)及機(jī)械手的主要工作過程為換刀和加工，工作時(shí)間較長(zhǎng)，若選時(shí)間為單位，則試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集難度加大。因此試驗(yàn)過程以換刀次數(shù)n為計(jì)數(shù)單位，選用累積無故障換刀次數(shù)作為考核刀庫(kù)的MTBF指標(biāo)。

(1）增長(zhǎng)目標(biāo)的確定

增長(zhǎng)目標(biāo)值應(yīng)超過規(guī)定值，設(shè)定可靠性增長(zhǎng)目標(biāo)Mobj為10000次累積無故障換刀。

(2）起始點(diǎn)的確定［6］

計(jì)劃曲線的起始點(diǎn)含兩個(gè)參數(shù):MI，nI，蘊(yùn)含著Duane模型的參數(shù)a和m，對(duì)增長(zhǎng)規(guī)律和總試驗(yàn)次數(shù)N有很大影響。反推法［6］根據(jù)已經(jīng)確定的增長(zhǎng)目標(biāo)和特定的增長(zhǎng)策略，反過來確定產(chǎn)品必須具有的初始可靠性MI0，再確定MI。反推公式為:

Kλ是糾正比，取值范圍為0.85～0.95;d是平均糾正有效系數(shù)，取值范圍0.55～0.85。具體的取值要根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果來確定。在試驗(yàn)前，可以根據(jù)上代產(chǎn)品或同類產(chǎn)品的增長(zhǎng)規(guī)律暫定。參照同類產(chǎn)品的實(shí)際可靠性增長(zhǎng)規(guī)律，取Kλ=0.9，d=0.7，則可得出MI0為1850次，選定MI=2000次，nI=5000次。

(3）Duane增長(zhǎng)率的確定

最初Duane模型依據(jù)的一些航空用發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓機(jī)械裝置的增長(zhǎng)率都是0.5，隨后經(jīng)過比較廣泛的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)實(shí)踐，對(duì)于新研制的復(fù)雜設(shè)備，增長(zhǎng)率的范圍為0.3～0.6。影響增長(zhǎng)率的主要因素為:故障糾正效果和產(chǎn)品設(shè)計(jì)成熟程度。對(duì)本刀庫(kù)取m=0.5。

(4）試驗(yàn)總次數(shù)的確定

根據(jù)GJB 1407《可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)》規(guī)定的增長(zhǎng)試驗(yàn)方案，總試驗(yàn)時(shí)間為增長(zhǎng)目標(biāo)Mobj的5～25倍。考慮到盤式刀庫(kù)機(jī)械手是高可靠性產(chǎn)品，試驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)則經(jīng)費(fèi)消耗越大。若取N=5Mobj，則N=50000。若根據(jù)(6）式計(jì)算，N=31250，換刀次數(shù)明顯減少。取N=30000，代入公式(5），m≈0.53，超出預(yù)計(jì)增長(zhǎng)率，可以接受。

(5）繪制可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)計(jì)劃曲線

綜上，最終確定的參數(shù)為Mobj=10000次，MI=2000次，nI=5000次，m=0.53，N=30000次。

在雙邊對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以換刀次數(shù)為橫坐標(biāo)，累積無故障換刀次數(shù)為縱坐標(biāo)，可得到車銑復(fù)合加工中心用盤式刀庫(kù)及機(jī)械手可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的計(jì)劃曲線(見圖2）。

圖2 盤式刀庫(kù)可靠性增長(zhǎng)計(jì)劃曲線

3.3 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的跟蹤與控制

在進(jìn)行TAAF試驗(yàn)過程中，受試產(chǎn)品發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)根據(jù)故障的類型與性質(zhì)進(jìn)行不同的處置。車銑復(fù)合加工用盤式刀庫(kù)及機(jī)械手是大型復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品，故障分析與糾正困難大，所需時(shí)間長(zhǎng)。因此對(duì)于非關(guān)聯(lián)故障和關(guān)聯(lián)故障中的A類故障，只需對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)到本次故障發(fā)生前的產(chǎn)品狀態(tài)，然后繼續(xù)試驗(yàn)。對(duì)于關(guān)聯(lián)故障中的B類故障，修復(fù)后立即恢復(fù)試驗(yàn)，在試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行的同時(shí)開展故障分析、糾正和制造新設(shè)計(jì)有關(guān)的硬件。遇到必須中斷的時(shí)候，才在受試產(chǎn)品上實(shí)施糾正措施。

可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的跟蹤過程就是記錄發(fā)生關(guān)聯(lián)故障時(shí)的時(shí)間與累計(jì)故障數(shù)，擬合成跟蹤曲線，與計(jì)劃曲線做對(duì)比。當(dāng)實(shí)際增長(zhǎng)過程中所有故障點(diǎn)在計(jì)劃曲線上方，或者跟蹤曲線在計(jì)劃曲線上方，或者跟蹤曲線在總試驗(yàn)時(shí)間前的延長(zhǎng)線穿過計(jì)劃曲線，此時(shí)說明實(shí)際增長(zhǎng)結(jié)果滿意，不需要控制。否則就需要改善增長(zhǎng)策略，以提高故障糾正效果。

3.4 最終評(píng)定

對(duì)于本文試驗(yàn)對(duì)象，在可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)過程中得到的關(guān)聯(lián)故障時(shí)間序列為時(shí)間截尾數(shù)據(jù)，用Duane模型來評(píng)定，當(dāng)實(shí)際增長(zhǎng)率高于計(jì)劃增長(zhǎng)率時(shí)，則表明產(chǎn)品可靠性已超過預(yù)期增長(zhǎng)目標(biāo)，可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)成功。

4 結(jié)束語

車銑復(fù)合加工中心用盤式刀庫(kù)及機(jī)械手是大型復(fù)雜的機(jī)電類產(chǎn)品，具有高可靠性單樣本的特點(diǎn)，其可靠性工作與電子產(chǎn)品相比相對(duì)困難。本文提出的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方法能夠適用于同類產(chǎn)品，通過逐步排除故障，糾正設(shè)計(jì)缺陷，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，輔以Duane模型等可靠性增長(zhǎng)模型，對(duì)其進(jìn)行跟蹤和控制，進(jìn)而達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性水平的目標(biāo)。

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