數(shù)控加工中心的可靠性分析與增長研究*

吳　星

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣西 柳州　545006)

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數(shù)控加工中心的可靠性分析與增長研究*

吳星

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣西 柳州545006)

摘要：數(shù)控加工中心是現(xiàn)代機(jī)床制造業(yè)中進(jìn)行復(fù)雜型面等快速高質(zhì)加工的關(guān)鍵裝備，可靠性存在于數(shù)控加工中心的全壽命周期的各個階段，提高其可靠性顯得尤為重要.針對國產(chǎn)數(shù)控裝備可靠性不足的問題，以某系列立式數(shù)控加工中心為研究對象，對其長期所記錄整理的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了可靠性建模分析，通過故障模式、影響及危害度分析(FMECA)方法對其可靠性薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，針對其中影響整個數(shù)控加工中心可靠性的關(guān)鍵部位，提出了可實現(xiàn)其增長的改進(jìn)措施.

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工中心；可靠性分析；FMECA;可靠性增長

0引言

數(shù)控加工中心是一種體現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的高度機(jī)電一體化制造裝備，快速自動換刀與高效高質(zhì)復(fù)雜型面加工等特點使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中的關(guān)鍵裝備.國家通過引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)及自主研發(fā)等方式，攻克了數(shù)控加工的大批關(guān)鍵難題，掌握了許多先進(jìn)的設(shè)計、制造和裝配方法，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的整體性能得到不斷提高[1-2].但是與哈挺數(shù)控等國外先進(jìn)機(jī)床相比，我國數(shù)控機(jī)床在可靠性水平和高精度等方面還存在一些不足，急需開展能夠切實有效地提高數(shù)控加工中心等國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性水平的研究.

以國內(nèi)某系列立式數(shù)控加工中心長時間所記錄整理的故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過可靠性理論對其進(jìn)行了可靠性建模和分析，然后對該系列數(shù)控加工中心進(jìn)行故障模式、影響及危害度分析(FMECA)，找出了對系統(tǒng)整體可靠性具有較大危害的部件，最后對影響整個數(shù)控加工中心可靠性的關(guān)鍵部位，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施以有效提高其可靠性.

1可靠性建模

可靠性模型是進(jìn)行可靠性設(shè)計、試驗、運(yùn)行及維修等可靠性工作的基礎(chǔ)，需要通過可靠性分析建立研究對象的可靠性模型[3].對數(shù)控加工中心而言，首先要對其故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過一定的參數(shù)估計及假設(shè)檢驗等方法確定其故障數(shù)據(jù)的概率分布模型.然后根據(jù)建立的概率分布模型，對數(shù)控加工中心的可靠性高低進(jìn)行評定.

可靠性分析數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)某公司所生產(chǎn)使用FANUC 0I 數(shù)控系統(tǒng)的VMC 立式加工中心，對40 臺該系列VMC立式加工中心進(jìn)行跟蹤記錄，共收集到87 條故障數(shù)據(jù).所記錄的故障數(shù)據(jù)主要包括故障停機(jī)起始時間及故障排除開機(jī)時間、故障部位、故障原因及故障處理等相關(guān)信息，其中觀測到的最短故障間隔時間是6.86小時，而最長故障間隔時間是2023.78小時，可見該系列VMC立式加工中心的性能波動很大.

將前述87個故障間隔時間數(shù)據(jù)按從短到長重新排列，按t∈[0，2025]分為13組，統(tǒng)計落入各時間區(qū)間的頻率，然后以區(qū)間中位數(shù)為橫坐標(biāo)，以累積頻率為縱坐標(biāo)，即可得到故障間隔時間的經(jīng)驗分布.計算得到的經(jīng)驗分布函數(shù)外凸且無拐點，說明文中所研究加工中心的時間壽命數(shù)據(jù)不可能是帶拐點的正態(tài)分布或其對數(shù)分布類型.進(jìn)一步計算可知其概率密度曲線呈下降趨勢，而且下降到一定時間后趨于平穩(wěn)，而正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)曲線呈單峰形，再次驗證了前述結(jié)果.

統(tǒng)計表明，機(jī)電產(chǎn)品的壽命分布大多可以擬合成正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、指數(shù)分布及威布爾分布等幾種形式，其中當(dāng)威布爾分布的形狀參數(shù)β=1時，即為指數(shù)分布.可見該加工中心故障間隔時間可以通過威布爾分布來進(jìn)行建模分析.實際應(yīng)用中，往往假設(shè)產(chǎn)品投入使用之后便有可能發(fā)生故障，從而選用如下的雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)進(jìn)行建模：

(1)

其中α>0為與工作負(fù)載有關(guān)的尺度參數(shù)，負(fù)載大則相應(yīng)的α值越??；β>0為與故障機(jī)理相關(guān)的形狀參數(shù)，β<1對應(yīng)磨合期的壽命分布，β=1對應(yīng)隨機(jī)失效期的壽命分布，β>1對應(yīng)功能耗損期的壽命分布.

確定該加工中心故障間隔時間的分布類型后，利用最小二乘法對分布的未知參數(shù)α和β進(jìn)行估計.通過SPSS軟件進(jìn)行參數(shù)估計，可得α=685.164h和β=1.019，且數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果通過線性相關(guān)性檢驗和d檢驗.這樣可得可靠度函數(shù)為：

(2)

R(t) 變化曲線如圖1所示，可見所研究加工中心的可靠度表現(xiàn)為耗損故障期形式.

圖1　數(shù)控加工中心的可靠度曲線

根據(jù)VMC立式加工中心的可靠度函數(shù)，可估計得到平均故障間隔時間為667.96 h，而平均故障間隔時間的觀察值為644.94 h，兩者相差不超過4%.還可以計算得到其可用度為0.984，可見該系列立式加工中心的整體平均性能很好.

2FMECA 分析

FMECA包括故障模式及影響分析(FMEA)和危害性分析(CA)兩步，而FMEA又可再細(xì)分為故障部位、故障模式、故障原因及故障責(zé)任歸屬分析.FMECA通過詳細(xì)地分析系統(tǒng)組成部分的不同故障對系統(tǒng)功能的影響，可全面識別設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵部位.

基于所研究VMC 系列立式數(shù)控加工中心的功能結(jié)構(gòu)，將其劃分為主軸系統(tǒng)、刀庫和電氣系統(tǒng)等14個子系統(tǒng)(具體見表1)，然后基于所收集的87條故障數(shù)據(jù)進(jìn)行FEMA.其中加工中心的故障部位頻率圖如圖2所示，可見其故障最頻發(fā)的部位是主軸系統(tǒng)，在所發(fā)生的故障中其占比超過了1/5(22%)；刀庫(17%)、電氣系統(tǒng)(13%)和冷卻系統(tǒng)(11%)為該立式加工中心超過1/10的頻發(fā)故障部分；而故障發(fā)生最少的部位是其伺服系統(tǒng)，僅占比1%.

所研究VMC 系列立式加工中心的主軸系統(tǒng)故障頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部位或子系統(tǒng)，其是影響加工中心可靠性的主要因素.進(jìn)一步對主軸系統(tǒng)進(jìn)行FEMA，可以看出主軸系統(tǒng)最頻繁的故障模式是占比31.58%的發(fā)出異響，次級頻發(fā)的是線路或電纜斷路(15.79%)，然后是零部件損壞或主軸失調(diào)和幾何精度超標(biāo)；而從故障原因來看，零部件損壞(31.58%)是主軸系統(tǒng)最主要的故障原因，其次是松動(21.05%)和調(diào)整不當(dāng)(15.79%)，究其原因則主要是由于主軸系統(tǒng)的外購件質(zhì)量差和裝配過程中的調(diào)整等問題所造成的.

圖2　數(shù)控加工中心的故障部位頻率柱形圖

通過開展數(shù)控加工中心整機(jī)的CA 分析，可以找出其中的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，確定產(chǎn)品可靠性增長的關(guān)鍵部件，以便提出強(qiáng)針對性的可靠性增長措施.進(jìn)行CA 分析時，首先定義子系統(tǒng)j的故障對數(shù)控加工中心的危害度CRj為：

(3)

其中γjk為子系統(tǒng)j以故障模式k而引發(fā)其自身出現(xiàn)故障的概率；εjk為子系統(tǒng)j以故障模式k發(fā)生故障時導(dǎo)致其故障的概率；λj為子系統(tǒng)的基礎(chǔ)故障率；m則為子系統(tǒng)j所有可能的故障模式集合.

結(jié)合前述FMEA故障模式分析結(jié)果對VMC 系列立式數(shù)控加工中心的可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過(3)式得到所研究數(shù)控加工中心的各子系統(tǒng)危害度結(jié)果如表1.可以看出危害度最高的是主軸系統(tǒng)，其次是刀庫、電氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，可見主軸系統(tǒng)、刀庫、電氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是該系列數(shù)控加工中心的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)重點考慮其可靠性增長.

表1　數(shù)控加工中心子系統(tǒng)的危害度

3可靠性增長

通過前述對VMC 系列數(shù)控加工中心的CA分析結(jié)果可知，主軸系統(tǒng)、刀庫、電氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是其可靠性關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而整個系統(tǒng)和子系統(tǒng)或部件的FEMA表明，引起該系列加工中心故障的主要原因為裝配造成的零部件損壞、調(diào)整不當(dāng)、松動、元器件損壞和設(shè)計不當(dāng)?shù)?，從而建議采取以下改進(jìn)方法來增長整個系統(tǒng)的可靠性：

1)及時改進(jìn)設(shè)計.主軸系統(tǒng)是數(shù)控加工中心故障發(fā)生最頻繁的部件，應(yīng)該優(yōu)先考慮改進(jìn)其設(shè)計，即增加主軸兩個支撐之間的跨距，減小其懸伸長度，同時對主軸冷卻系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，均衡兩端支撐軸承的冷卻效果.所研究數(shù)控加工中心系統(tǒng)中，電氣部分故障遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于機(jī)械部分故障，究其原因則大多是電氣元器件燒壞，可見數(shù)控加工中心電氣部分在電路設(shè)計、參數(shù)選擇及元器件定型等方面還有很大的可靠性增長空間.

2)加強(qiáng)協(xié)購件的管控和監(jiān)督.該數(shù)控加工中心發(fā)生故障的原因中，元器件損壞占2/3.電氣系統(tǒng)的故障主要是購買外協(xié)件的質(zhì)量不過關(guān)及用戶操作不當(dāng)所致，所以應(yīng)大力加強(qiáng)對購買外協(xié)件的質(zhì)量管理.機(jī)床裝備制造商應(yīng)根據(jù)數(shù)控加工中心整機(jī)所規(guī)定的可靠性要求，建立完善嚴(yán)格的元器件選型管控機(jī)制，加強(qiáng)元器件質(zhì)量的把關(guān)監(jiān)督，選用高可靠性的標(biāo)準(zhǔn)件，以確保從元器件一級提高整個數(shù)控加工的可靠性.

3)改進(jìn)潤滑和冷卻系統(tǒng).數(shù)控加工中心零部件損壞主要表現(xiàn)為主軸高轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的摩擦熱使軸承等支撐零部件燒壞，可見其主軸潤滑或冷卻裝置還有待改進(jìn).以系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)為例，零部件損壞是其主要故障，液油部件損壞、冷卻液變質(zhì)及堵塞電磁閥，應(yīng)該采用具有良好的柔軟性、耐蝕性、抗疲勞性、耐高低溫、耐高壓及壽命長等特性的不銹鋼軟管作為冷卻管，保證冷卻液清潔，減少冷卻液對冷卻管內(nèi)襯材料的腐蝕，同時將冷卻裝置檢查常態(tài)化.

此外，由于現(xiàn)場用戶使用和維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致數(shù)控加工中心發(fā)生故障的情況也時有發(fā)生，還應(yīng)該強(qiáng)化用戶專業(yè)培訓(xùn).通過制造商、用戶和專業(yè)人員等的共同協(xié)作下，使數(shù)控加工中心在設(shè)計、生產(chǎn)、使用及維護(hù)等各個環(huán)節(jié)都具有高可靠性，全面實現(xiàn)其全壽命周期的可靠性增長.

4結(jié)語

通過對某系列國產(chǎn)數(shù)控加工中心現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤采集整理，對其可靠性增長進(jìn)行了研究.通過可靠性建模分析得到其故障間隔時間的分布服從威布爾分布，計算了其主要的可靠性特征量，進(jìn)而基于FMECA方法對該系列數(shù)控加工中心的可靠性薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)主軸系統(tǒng)是其最薄弱環(huán)節(jié)，最后提出了改進(jìn)設(shè)計與加強(qiáng)外購監(jiān)督等可靠性增長方法.數(shù)控類機(jī)床作為復(fù)雜精密的機(jī)械裝備，其可靠性增長是一個系統(tǒng)工程，還需要在全周期可靠性管理等方面開展進(jìn)一步的研究.

[參考文獻(xiàn)]

[1]茍衛(wèi)東. 高速加工中心可靠性統(tǒng)計技術(shù)應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床, 2012(11): 56-61.

[2]謝黎明, 杜義康, 靳嵐, 等. 運(yùn)用MATLAB對高速臥式加工中心進(jìn)行可靠性建模[J].機(jī)械設(shè)計與制造, 2012(6): 66-67.

[3]黃永玉, 茍衛(wèi)東, 段廣云, 等. 加工中心故障分析及其可靠性增長的措施[J].機(jī)床與液壓, 2014, 42(7): 167-170.

[責(zé)任編輯蘇琴]

[責(zé)任校對黃祖賓]

Research on the Reliability Analysis and Growth of the CNC Machining Center

WU Xing

(DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,LiuzhouVocational&TechnicalCollege,Liuzhou545006,China)

Abstract:CNC machining centers is the most important equipment to modern machine manufacturing for fast processing of complex surfaces. The reliability present in all stages of the life-cycle of CNC machining centers, so how to improve their reliability is very important. For the lack of the reliability on domestic CNC equipment problems, taking a series of CNC vertical machining center for the study, and made the reliability modeling and analyzed for the recorded fault data. Anslyzed the weaknesses of its reliability through Failure Mode, Effects And Criticality Analysis(FMECA) method. For the key parts which affect the reliability, proposed the effectively achieve for improvement of reliability growth.

Key Words:CNC machining centers; Reliability Analysis and Growth;FMECA;Reliability growth

中圖分類號：TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8462(2016)01-0083-03

作者簡介：吳星(1980-)，女，廣西柳州人，工學(xué)碩士，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：機(jī)電一體化研究.

基金項目：廣西教育廳課題 (KY2015LX642);廣西高等教育教學(xué)改革工程項目(2013JGA397); 廣西自然科學(xué)基金項目(2013GXNSFAA019006).

收稿日期：2015-10-20.