加工中心故障分析及其可靠性增長的措施

黃永玉，茍衛(wèi)東，段廣云

(1.青海大學(xué)機械工程學(xué)院，青海西寧810016;2.青海一機數(shù)控機床有限責(zé)任公司，青海西寧810018)

可靠性理論和技術(shù)的發(fā)展及推廣應(yīng)用是當今科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)中的一項重要內(nèi)容，是衡量數(shù)控機床質(zhì)量的標準，也是數(shù)控行業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。國外對機床的可靠性研究工作最早在20世紀70年代起源于前蘇聯(lián)，此后歐美及日本的學(xué)者也相繼對數(shù)控機床的可靠性增長、故障分析和預(yù)測、可靠性設(shè)計和改進設(shè)計等進行了研究［1］。國內(nèi)對數(shù)控機床的可靠性研究工作始于20世紀80年代末，通過對部分數(shù)控機床產(chǎn)品進行可靠性的分析、評價，提出了一些切實可行的可靠性評定方法及其增長技術(shù)，使國產(chǎn)機床的可靠性有了較大的提高，有效地提升了我國數(shù)控機床行業(yè)的核心競爭力。如王桂萍等［2］通過現(xiàn)場采集加工中心故障信息，找出加工中心運行中各薄弱環(huán)節(jié)及其對整機的影響程度，進而確定其可靠性改進的主要方向。邱紹虎等［3］通過數(shù)據(jù)分析國產(chǎn)數(shù)控機床可靠性現(xiàn)狀，分析了國產(chǎn)數(shù)控機床可靠性偏低的原因進而指出系統(tǒng)可靠性設(shè)計、零部件選型、制造與裝配工藝以及機床使用與維護等是影響機床可靠性的主要因素。張靜等人［4］通過對某廠同一系列的數(shù)控機床的故障數(shù)據(jù)從故障危害度方面進行分析，找出該系列數(shù)控機床的薄弱環(huán)節(jié)，分析了影響國內(nèi)數(shù)控機床可靠性的主要因素和應(yīng)采取的相應(yīng)對策。程曉民等［5］通過臥式加工中心早期故障試驗，找出早期故障模式并進行早期故障嚴重度分析，有針對性地提出可靠性改進建議及其保證措施，以降低加工中心在使用過程中發(fā)生故障的頻率，提高其使用可靠性。文獻 ［6］根據(jù)采集的加工中心的故障數(shù)據(jù)，對加工中心的故障模式、故障部位及故障原因進行了故障分析。經(jīng)統(tǒng)計后，找出了故障發(fā)生的高頻子系統(tǒng)，并深入對故障最頻繁的CNC子系統(tǒng)進行了故障模式和故障原因進行了分析。經(jīng)危害度分析獲得了影響加工中心可靠性的關(guān)鍵子系統(tǒng)及部件，確定了可靠性薄弱環(huán)節(jié)，為可靠性設(shè)計提供了依據(jù)。

近年來我國機床行業(yè)的許多企業(yè)與有關(guān)高校合作，實施可靠性技術(shù)，國產(chǎn)機床的可靠性水平在穩(wěn)步增長，但與發(fā)達國家同類產(chǎn)品相比差距仍然明顯。文中從加工中心的故障診斷分析著手，根據(jù)機床工作和功能特點，研究其故障模式和原因，提出排除故障的方法，最終提高數(shù)控機床可靠性，為實施可靠性增長技術(shù)提供相應(yīng)的支撐。

1 可靠性試驗中機床出現(xiàn)的故障及故障分類

1.1 故障統(tǒng)計

截止到2011年12月31日，對國內(nèi)某知名數(shù)控機床制造企業(yè)銷往全國各地的加工中心進行了2011年全年的故障調(diào)查，共完成了399臺加工中心可靠性試驗和評估工作，累計共出現(xiàn)各類故障664次，有效故障數(shù)為614個。

1.2 按故障出現(xiàn)的部位分類

數(shù)控機床是機電集成化產(chǎn)品，所出現(xiàn)的故障可以劃分到各個單元 (系統(tǒng))，一般可以分為:主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、工作臺、刀庫系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)以及機床防護等多個部分。圖1是399臺數(shù)控機床出現(xiàn)的故障數(shù)在各系統(tǒng)中的分布情況，圖2是對應(yīng)的各系統(tǒng)故障數(shù)所占總故障數(shù)的比例。

圖1 加工中心出現(xiàn)的有效故障數(shù)在各系統(tǒng)中的分布

圖2 加工中心各系統(tǒng)故障數(shù)所占總故障數(shù)的比例

從圖2可以看出，在機床的故障中，刀庫系統(tǒng)(換刀裝置)、工作臺和主軸系統(tǒng)的故障率位居前三，分別占26.71%、13.84%和12.54%，這3個部位的故障率超過總故障的一半，而其他系統(tǒng)不到50%。故障率最低的是潤滑系統(tǒng)，僅為0.65%，其次為氣動系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)，分別為0.98%和1.47%。因此，刀庫系統(tǒng) (換刀裝置)、工作臺和主軸系統(tǒng)的故障是當前需要重點解決的問題，也是加工中心可靠性的關(guān)鍵所在。

1.3 按故障出現(xiàn)的類型分類

按故障出現(xiàn)的類型可以分為損壞型、動作型、控制型、配套型、滲漏型等類型，從所調(diào)查的399臺數(shù)控機床可靠性試驗出現(xiàn)各類型故障情況來看，主要故障相對集中在控制型和動作型，解決動作型、控制型故障是提高數(shù)控機床可靠性的關(guān)鍵。

2 故障分析

2.1 故障原因概述

2.1.1 刀庫系統(tǒng) (換刀裝置)

刀庫系統(tǒng)工作頻繁度僅次于主軸，但動作次數(shù)比主軸多，回轉(zhuǎn)、選刀、機械手旋轉(zhuǎn)、抓刀、換刀等系列連續(xù)性動作，必須協(xié)調(diào)一致，參與這些動作各個機構(gòu)或系統(tǒng)，務(wù)必工作正常，并且必須到達預(yù)定的目標位置，否則就會出現(xiàn)故障，如掉刀、卡刀、亂刀、機械手原點漂移、拉刀力度不足等系列故障。

2.1.2 主軸系統(tǒng)

(1)軸承

在已完成的399臺可靠性調(diào)查的產(chǎn)品均為臥式或立式加工中心。機床主軸是機床的關(guān)鍵部件，與主軸有關(guān)的零部件 (或組件)雖然不是很多，但是其中的關(guān)鍵零件——軸承對主軸的性能有著很大影響，我國的軸承行業(yè)仍然落后，高質(zhì)量的精密軸承和高速軸承質(zhì)量不能滿足需求，這就需要大量進口，然而進口也有難題，除國外的限制之外，進口高速軸承和精密軸承的價格很高，交貨期長，加之國內(nèi)主軸裝配環(huán)境因素差以及工藝水平落后等，都會導(dǎo)致主軸達不到最好水平。

(2)松拉刀機構(gòu)

主軸的松拉刀機構(gòu)包括信號檢測裝置，也是主軸系統(tǒng)的重要組件。由于外購件包括非接觸式信號檢測元件的安裝不合適，隨著主軸的運轉(zhuǎn)、振動和熱變形，導(dǎo)致卡刀、無信號。此外，主軸的油氣潤滑和主軸冷卻系統(tǒng)是高速主軸必須解決的問題，盡管大部分生產(chǎn)企業(yè)做出了很多努力，但還要加強攻關(guān)力度，由于存在內(nèi)熱外冷或潤滑壓力不足導(dǎo)致主軸抱死的情況時有發(fā)生。造成較高的主軸故障的另一個原因是主軸系統(tǒng)運行時間長，出現(xiàn)故障的概率自然就多，不像電器元件、定時潤滑系統(tǒng)、進給系統(tǒng)等都是間歇式工作。

2.1.3 工作臺

工作臺是用來支撐工件通過傳動機構(gòu)完成相應(yīng)的回轉(zhuǎn)、角度分度等運動，并配有夾緊裝置的部件。其功能有:支撐工件、傳遞運動、定位基準。其性能方面要求靜剛度要高、動剛度要好、溫度分布均勻、受力合理以及耐磨性好。其工作臺起落的感應(yīng)開關(guān)、液壓系統(tǒng)以及傳動系統(tǒng)等都將直接影響到機床工作的可靠性，常見的故障有工作臺不能回零、油缸漏油以及轉(zhuǎn)臺不到位等。為防止工作過程中切屑與雜質(zhì)進入旋轉(zhuǎn)臺，回轉(zhuǎn)部分與下箱之間要用密封圈封好，這樣還能起到潤滑軸承的作用。依靠密封件發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓，則不發(fā)生泄漏，反之則發(fā)生泄漏。

2.2 具體故障現(xiàn)象及原因

故障可以按出現(xiàn)的部位分類，也可以按出現(xiàn)的類型分類，為了讓機床設(shè)計人員方便，這里僅從故障出現(xiàn)的部位描述故障現(xiàn)象，并分析故障原因。

2.2.1 換刀裝置故障

從被調(diào)查的399臺加工中心來看，換刀裝置的故障比例最大，達到了26.71%。主要表現(xiàn)為機械手掉刀、卡刀、不能換刀或松刀不到位等。其原因有刀庫電機無反轉(zhuǎn)致使機械手無法換刀;由于漏水問題，導(dǎo)致刀套下墜;因換刀臂頂?shù)稄椓Σ蛔?，致使換刀時掉刀;因刀庫平移信號開關(guān)壞導(dǎo)致刀庫動作錯誤;機械手電機過載報警，出現(xiàn)掉刀現(xiàn)象以及刀套抬起的電磁閥損壞等。機械手換刀拉出主軸錐孔前，手指定位不到位，在拉出的瞬間掉刀，在確保換刀時間的前提下，可以通過適當調(diào)節(jié)定位延時時間解決此問題;多次循環(huán)換刀，加上導(dǎo)套根部存在先天裂紋，可能會導(dǎo)致導(dǎo)套斷裂，故應(yīng)加強對外購件產(chǎn)品探傷檢驗力度;此外，主軸熱伸長，拉釘端部與主軸端部的間隙變小，刀柄振動引起干涉，也會導(dǎo)致掉刀。

2.2.2 工作臺故障

工作臺的故障比例為13.84%，主要表現(xiàn)在工作臺無動作、工作臺不能回零、分度不準確以及工作臺底部漏油等。原因有:由于信號開關(guān)損壞使得工作臺起落信號異常;蝸桿傳動間隙過大致使分度不準確;液壓缸密封接觸面上的接觸壓力小于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓，從而發(fā)生泄漏，導(dǎo)致工作臺底部漏油等。

2.2.3 主軸系統(tǒng)故障

主軸系統(tǒng)的故障占此次調(diào)查的機床總故障的12.54%，并且最主要體現(xiàn)在松拉刀機構(gòu)上，表現(xiàn)在主軸不松刀、不能換刀或換刀時卡刀等。其原因有主軸松拉刀油缸螺釘斷裂、松拉刀碟簧損壞、漏氣以及信號異常等。除此之外，還有主軸有間隙、異響以及抱死等現(xiàn)象。主軸抱死的主要原因是軸承質(zhì)量問題，裝配不合適，軸承進水或銹蝕以及冷卻和潤滑不合理等。

2.2.4 機床防護系統(tǒng)故障

機床防護系統(tǒng)的故障占9.12%，主要表現(xiàn)為機床護罩損壞或縫隙大、機床防護門脫落，防護罩漏水以及機床冷卻液泄漏等。針對這些故障表象，可以采取相應(yīng)的措施避免此類故障的發(fā)生。

2.2.5 進給系統(tǒng)故障

進給系統(tǒng)出現(xiàn)的故障情況占8.47%，主要表現(xiàn)為:由于限位行程開關(guān)損壞，導(dǎo)致X、Y軸運行異常;X、Y軸的垂直度誤差過大以及進給系統(tǒng)進水引起過載故障等。

2.2.6 電氣系統(tǒng)故障

電氣系統(tǒng)故障占7.49%，主要表現(xiàn)在元器件質(zhì)量不過關(guān)，裝配時絕緣損傷、爬電距離不足放電等方面。如主軸電纜線發(fā)生了短路故障、電纜線磨損短路、繼電器損壞等。此外，還有電機損壞、系統(tǒng)保險斷路、電氣箱空調(diào)無制冷等現(xiàn)象。

2.2.7 自動交換托盤 (托盤交換裝置)

此次調(diào)查的399臺加工中心中，交換臺加工中心數(shù)量為機床總量的25%，該類加工中心的托盤交換裝置占了7%。主要表現(xiàn)在:由于切屑進入工作臺，導(dǎo)致交換臺無法交換;接近開關(guān)故障，使得2個工作臺交換異常;交換臺油缸磁環(huán)開關(guān)損壞、交換臺油缸平移信號錯誤致使無法交換;交換臺抬起落下電磁閥不靈活，交換臺交換時不順暢等。

2.2.8 冷卻系統(tǒng)故障

冷卻系統(tǒng)故障占總故障的4.89%，主要變現(xiàn)為冷卻電機過載，齒輪泵損壞 (水泵故障);風(fēng)機損壞;恒溫油箱有損壞以及油冷機損壞等。

2.2.9 液壓系統(tǒng)故障

液壓系統(tǒng)故障率為4.07%，主要表現(xiàn)有液壓站故障、液壓元件損壞、液壓電機故障以及液壓油的滲漏等現(xiàn)象。

2.2.10 排屑系統(tǒng)

排屑系統(tǒng)的故障率為2.77%，突出表現(xiàn)為電機過載。此外，還有螺排卡裂、排屑器損壞等。

2.2.11 數(shù)控系統(tǒng)故障

數(shù)控系統(tǒng)包含驅(qū)動模塊、輸入模塊、輸出模塊和顯示模塊等，作為數(shù)控機床的核心和“神經(jīng)中樞”，其負責(zé)實現(xiàn)機床所有動作和功能的控制，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將會導(dǎo)致機床故障。在影響數(shù)控系統(tǒng)正常工作的諸多因素中，數(shù)據(jù)傳輸方式是否合理、接口信號是否失真和有效、屏蔽接地和接零是否有符合標準、保護接地位置是否正確、系統(tǒng)內(nèi)置參數(shù)是否匹配、PLC邏輯判斷的先后順序是否滿足規(guī)定要求等都會影響數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，尤其是國產(chǎn)系統(tǒng)可靠性問題更應(yīng)引起足夠的重視。

此次調(diào)查的機床故障中，數(shù)控系統(tǒng)的故障占1.47%，主要表現(xiàn)在刀庫出現(xiàn)亂刀現(xiàn)象，數(shù)據(jù)傳輸異常以及數(shù)控系統(tǒng)失靈等。

2.2.11 氣動系統(tǒng)故障

氣動系統(tǒng)的故障率為0.98%，主要有氣動元件漏氣、氣液轉(zhuǎn)換器漏油、增壓缸漏油等。

2.2.12 潤滑系統(tǒng)故障

潤滑系統(tǒng)故障占0.65%，原因有潤滑系統(tǒng)損壞、潤滑油路不循環(huán)以及潤滑站不上油等。

3 建議

通過對399臺加工中心可靠性調(diào)查以及故障分析，建議采取如下措施:

(1)提高產(chǎn)品的制造和裝配質(zhì)量

可靠性是制造出來的，其高低與裝配質(zhì)量控制直接有關(guān)，如果制造、裝配過程不注重細節(jié)，裝配工藝不合理，忽視過程檢驗和監(jiān)控，就會導(dǎo)致早期故障率高。

(2)建議選用質(zhì)量好的配套件

機床配套件很多，配套件質(zhì)量問題也是令企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)頭疼的事情。劣質(zhì)甚至假冒的配套件不易控制，部分企業(yè)常常沒有檢驗 (進貨檢驗)配套件的手段，只能看配套件的標識或部分資料，不能完全了解配套件的品質(zhì);個別企業(yè)采購員有意選用價格便宜的配套件或替代品，使不符合要求的配套件流入生產(chǎn)流程中，從而造成產(chǎn)品問題多，最終導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

(3)完善可靠性試驗手段

國外的機床企業(yè)，基本都有機床試驗手段。國內(nèi)在這方面則基本是空白。具體情況是，測試產(chǎn)品在制造、裝配中和定型前，不進行任何可靠性和性能試驗，機床許多潛在的故障問題未經(jīng)暴露，產(chǎn)品的好壞直接由用戶的在實際使用來試驗，造成用戶用的機床可靠性無法得到保障。

(4)提高產(chǎn)品可靠性設(shè)計水平

可靠性也是設(shè)計出來的，設(shè)計者不僅要會測繪，還應(yīng)會對可靠性進行預(yù)計，對機床各零部件工作環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)進行分析、評估及MTBF預(yù)計，這樣才能了解所設(shè)計的產(chǎn)品可靠性情況。但由于多數(shù)企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計時，往往是憑經(jīng)驗和以前的設(shè)計資料，照搬或模仿，很少考慮可靠性問題，故障分析更是無從談起，這樣就會大大影響到產(chǎn)品的可靠性。

【1】錢浩．基于Bootstrap Bayes的數(shù)控機床小子樣可靠性建模方法研究［D］．長春:吉林大學(xué)，2012:1－3．

【2】王桂萍，賈亞洲．數(shù)控機床可靠性分析方法［J］．吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2006，22(3):13－16．

【3】邱紹虎，吳必才，蘇春．國產(chǎn)數(shù)控機床可靠性現(xiàn)狀及其改善對策研究［J］．中國制造業(yè)信息化，2009，38(13):1－4．

【4】張靜，宋建武，康占武，等．數(shù)控機床可靠性分析［J］．河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2009，27(2):79－81．

【5】程曉民，陳炳森，崔玉國．臥式加工中心早期故障嚴重度分析及可靠性保證措施［J］．機械制造，2004，42(4):58－60．

【6】楊志偉，任工昌，孟勃敏．加工中心故障模式的可靠性分析［J］．組合機床與自動化加工技術(shù)，2011(10):10－16．