基于3F技術(shù)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)可靠性分析

羅 靜，陳一凡，李宇龍，何 甫，張根保

(1.重慶理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

基于3F技術(shù)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)可靠性分析

羅 靜1a,1b，陳一凡1a,1b，李宇龍2，何 甫2，張根保2

(1.重慶理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

以提高數(shù)控機(jī)床可靠性為目的，選取數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)(YK7332A)為研究對象，收集故障維修數(shù)據(jù)并分析整理，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)為整機(jī)的薄弱系統(tǒng)，因此對該系統(tǒng)進(jìn)行了FMEA和FTA可靠性分析，尋找關(guān)鍵故障因素，并提出有針對性的可靠性改善措施。再結(jié)合FRACAS分析，形成一套規(guī)范化的故障“閉環(huán)”控制流程，及時發(fā)現(xiàn)、處理及糾正故障，很大程度上降低故障發(fā)生率，該技術(shù)也可以應(yīng)用于其它類型的數(shù)控機(jī)床，有利于實現(xiàn)機(jī)床的可靠性增長，對提高國內(nèi)機(jī)床可靠性有著重要意義。

數(shù)控機(jī)床；進(jìn)給系統(tǒng)；可靠性分析

0 引言

數(shù)控機(jī)床發(fā)展已經(jīng)步入數(shù)控一體化時代，且擁有高速、高精度、多功能等加工特點。雖然國內(nèi)的數(shù)控機(jī)床發(fā)展技術(shù)邁向了新的臺階，但與國內(nèi)外同類型數(shù)控機(jī)床可靠性相比，仍存在一定的差距，可靠性技術(shù)是阻礙我國數(shù)控機(jī)床未來發(fā)展的一個瓶頸[1-2]。因此數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)成為整個機(jī)床相關(guān)領(lǐng)域研究必須予以解決的一個難題[3]。

進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，工件加工過程中，進(jìn)給系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性直接決定了加工產(chǎn)品質(zhì)量的好壞[4]，因此對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行可靠性研究，并開展與之相關(guān)的可靠性分析及可靠性增長技術(shù)就顯得尤為重要。目前學(xué)者們已對數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)做了大量的研究，如周磊等[5]建立了機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的可靠性模型，并對其展開失效樹分析，找出了影響其系統(tǒng)可靠性運行的薄弱環(huán)節(jié)，提出了相應(yīng)的可靠性改善措施；杜登超等[6]采用信號處理及特殊算法相結(jié)合的閉環(huán)控制新型精密控制系統(tǒng)對機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制，使機(jī)床的可靠性得到提高；李姝穎[7]對數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行FMECA分析，并結(jié)合5M1E分析方法找到潛在故障，最后建立FMECA和FTA可靠性分析工作流程，為數(shù)控機(jī)床的使用和維護(hù)提供了可靠性保障。但是這些涉及到數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的可靠性研究都沒有涉及到3F技術(shù)，且不夠全面和深入，因此本文對數(shù)控機(jī)床展開FMEA和FTA分析，確定其進(jìn)給系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并對薄弱環(huán)節(jié)的關(guān)鍵零部件提出相應(yīng)的可靠性改善措施，再者結(jié)合FRACAS技術(shù)，對發(fā)生故障進(jìn)行合理管控。為數(shù)控機(jī)床的可靠性提升奠定了理論支撐。

1 成形砂輪磨齒機(jī)FMEA分析

本文以國內(nèi)某機(jī)床企業(yè)生產(chǎn)的型號為YK7332A的磨齒機(jī)為例，進(jìn)行可靠性分析。成形砂輪磨齒機(jī)是五軸三聯(lián)動的數(shù)控加工機(jī)床，通過數(shù)控系統(tǒng)分別控制X、Z軸對工件實現(xiàn)立柱徑向進(jìn)給與砂輪架的軸向進(jìn)給，再與工件旋轉(zhuǎn)軸C之間按規(guī)定的NC程序進(jìn)行聯(lián)合磨削，最后再進(jìn)行修整器對齒輪修形，便可達(dá)到指定的齒輪磨削要求[8]。

1.1 成形砂輪磨齒機(jī)故障部位

對整機(jī)進(jìn)行子系統(tǒng)層次劃分，通過已知故障數(shù)據(jù)分析可知，便可得到機(jī)床各子系統(tǒng)發(fā)生的故障頻率，發(fā)現(xiàn)機(jī)床的薄弱子系統(tǒng)為進(jìn)給系統(tǒng)，如表1所示。

表1 機(jī)床故障部位統(tǒng)計表

通過表1發(fā)現(xiàn)該機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)占總故障次數(shù)百分比為33.33%，進(jìn)給系統(tǒng)包括砂輪架Z軸向進(jìn)給和立柱徑向X軸進(jìn)給兩部分，將影響機(jī)床加工工件的光潔度、齒向及齒形等精度問題，最終影響整個加工過程的工序、加工時間及費用等，因此需對Z、X軸進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，尋找出其薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵故障因素，為后續(xù)的設(shè)計提供可靠、合理的依據(jù)。

1.2 進(jìn)給系統(tǒng)故障模式分析

進(jìn)給系統(tǒng)作為機(jī)床加工組成的重要部分，它的運動特性將直接影響到加工工件的精度[9]，從故障模式分析可以看出工作精度超標(biāo)與運動部件抖動故障模式占據(jù)總故障的一半以上，這兩個故障模式通常在加工中表現(xiàn)出齒面啃傷、齒面光潔度差、齒向超差及齒面出現(xiàn)振紋等。進(jìn)給系統(tǒng)故障模式統(tǒng)計見圖1。

圖1 進(jìn)給系統(tǒng)故障模式統(tǒng)計

1.3 進(jìn)給系統(tǒng)故障原因分析

通過圖2可以看出，上述的故障原因發(fā)生主要是由磨損、裝配不良、松動及元器件損壞引起的，例如磨損主要是滾珠、絲杠及軸承未按規(guī)定壽命期限內(nèi)更換和使用環(huán)境較為惡劣，也未遵循5S管理準(zhǔn)則實施機(jī)床管理；裝配不良主要是絲杠軸承安裝不到位、磨削時齒面出現(xiàn)振紋。

圖2 進(jìn)給系統(tǒng)故障原因統(tǒng)計

2 進(jìn)給系統(tǒng)FTA分析

FTA是以系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障模式作為頂事件，通過推理演繹的方法，追溯至各故障模式和故障原因，再用邏輯關(guān)系連接各故障模式和故障原因，形成一棵倒立的樹狀故障分析圖形[10]，即故障樹。以下是以成形砂輪磨齒機(jī)Z、X進(jìn)給系統(tǒng)為例進(jìn)行故障樹分析，建樹中所用到的符號如表2所示。

表2 故障樹常用事件和邏輯符號

2.1Z軸進(jìn)給系統(tǒng)故障分析

根據(jù)維修故障數(shù)據(jù)整理分析，在進(jìn)給系統(tǒng)的101次故障中砂輪架Z軸進(jìn)給系統(tǒng)故障占52次，為機(jī)床故障次數(shù)最多，因此需要對其進(jìn)行故障樹分析，對各故障根源展開追溯，從故障樹中發(fā)現(xiàn)根本原因主要有導(dǎo)軌磨損、絲桿軸承磨損、編碼器損壞、絲桿螺母間隙過大等，如圖3所示。

圖3 砂輪架Z軸向進(jìn)給故障故障樹分析

2.2 X軸進(jìn)給系統(tǒng)故障分析

根據(jù)維修故障數(shù)據(jù)整理分析可知，在進(jìn)給系統(tǒng)的101次故障中立柱徑向X軸進(jìn)給系統(tǒng)占49次，故障次數(shù)僅低于砂輪架Z軸進(jìn)給故障，需要對X軸進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行故障樹分析，分析時涉及到的X軸進(jìn)給系統(tǒng)故障模式主要包括跟蹤誤差大、加工時抖動、無法退回定位、報警、緊急回退、電機(jī)蜂鳴及軸無動作等。分析結(jié)果表明，影響頂事件發(fā)生的根本故障原因主要有絲桿磨損、螺母座松動和光柵自帶線損壞等，如圖4和表3所示。

圖4 立柱徑向X軸進(jìn)給系統(tǒng)故障樹分析

表3 X軸進(jìn)給系統(tǒng)故障樹事件對應(yīng)表

3 故障樹定量分析及可靠性改善措施

3.1 定量分析簡述

頂事件是由各底事件不同狀態(tài)組成的，其中底事件狀態(tài)只出于{0，1}，“0”代表不發(fā)生故障，“1”代表發(fā)生故障，根據(jù)故障樹中邏輯關(guān)系，故頂事件的結(jié)構(gòu)函數(shù)φ(X)與頂事件P(φ(X))失效概率函數(shù)可以表達(dá)為[11]：

(1)

式中：Xi為最小割集。

(2)

根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)故障樹可知各割集之間并不存在互斥關(guān)系，因此根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計中的容斥原理，對其頂事件失效函數(shù)概率展開為：

(3)

從公式(3)可以發(fā)現(xiàn)項數(shù)總共有2m-1，這里的m=22(m>7)，計算量將出現(xiàn)“組合爆炸”情況，給計算過程帶來困難。因此將計算方法作近視處理，既能達(dá)到計算精度，又能簡化計算過程(把每個最小割集當(dāng)作兩兩獨立事件，當(dāng)最小割集發(fā)生的概率不超過0.05時[12]，可以將公式(3)表達(dá)為：

(4)

因此頂事件輸出概率表達(dá)為：

(5)

3.2 砂輪架Z軸向進(jìn)給故障故障樹定量分析

對故障維修數(shù)據(jù)分析，便可計算出各底事件發(fā)生概率，整理結(jié)果如表4所示。

表4 各底事件發(fā)生概率表(%)

通過對Z軸進(jìn)給系統(tǒng)故障樹定性分析，利用Semanderes[13]算法求解故障樹中的最小割集，由于數(shù)控機(jī)床是一個龐大的元器件及零部件組成的，各單元之間并沒有冗余單元進(jìn)行替換，整個系統(tǒng)以串聯(lián)方式連接起來，只要系統(tǒng)任一單元發(fā)生故障，便會對系統(tǒng)帶來不同程度的危害。從表4可以尋找引起頂事件發(fā)生的關(guān)鍵故障因素(X21、X3、X2、X1)，為后續(xù)重點防控及設(shè)計改善方案提供參考依據(jù)。

根據(jù)故障樹的結(jié)構(gòu)，把各最小割集Xi帶入公式(5)，便可得到頂事件的發(fā)生概率：

(6)

將表4中各底事件發(fā)生概率帶入公式(6)，頂事件輸出概率為：

P(T1)=1-(1-x1)(1-x2)…(1-x22)=0.194

通過故障樹分析計算的概率與Z軸進(jìn)給驅(qū)動故障占總故障次數(shù)的概率十分接近，為了降低頂事件發(fā)生的概率，可以對上述四個關(guān)鍵故障因素加強(qiáng)控制管理，以致減少整機(jī)發(fā)生故障的次數(shù)。

3.3 可靠性改進(jìn)措施

可靠性改善措施是兼顧經(jīng)濟(jì)與性能兩方面，針對機(jī)床本身不足處加以糾正，目前國內(nèi)的數(shù)控機(jī)床可靠性低，因此提出幾點措施。

(1)裝配完整機(jī)后，通過以往故障數(shù)據(jù)計算出早期故障時間拐點t1，作為整機(jī)在出廠前進(jìn)行早期故障實驗時間的一個依據(jù)，充分暴露出機(jī)床潛在故障，然后交與用戶手上。

(2)對于外購件采購應(yīng)該形成一套體系化的采購標(biāo)準(zhǔn)，對外購件質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)。

(3)可靠性管理的系統(tǒng)化手段。在產(chǎn)品的設(shè)計、工藝、裝配、質(zhì)檢等環(huán)節(jié)建立可靠性保證措施。

由于圖3故障樹中各故障因素繁多，因此主要針對關(guān)鍵故障因素提出合理的可靠性改善措施。詳細(xì)的可靠性改善措施見表5。

表5 關(guān)鍵故障因素可靠性改善措施

4 進(jìn)給系統(tǒng)的3F分析

3F技術(shù)是降低故障頻率的一種科學(xué)方法，在工程實踐中已被廣泛使用[14]。因此本文選用3F技術(shù)對砂輪架Z軸進(jìn)行分析，其3F流程圖如圖5所示。

圖5 應(yīng)用3F對砂輪架Z軸可靠性分析的流程圖

圖5中RPNi為各故障模式的危害值，并包括影響嚴(yán)酷度等級(S)、故障發(fā)生概率等級(O)、故障探測度等級(D)三部分組成，首先是將RPNi值進(jìn)行排序，一般情況下，如果故障模式的RPN>100時，或者S≥9時(無論各故障模式的RPN值有多大)，都需要對各故障模式設(shè)計方案重新審核，對不足處進(jìn)行合理改善。其次，當(dāng)改善措施完成后，需再次對RPNi值評估并排序，直至各RPN值在正常范圍內(nèi)；圖中FMEA分析及RPNi結(jié)果見表6。

表6 砂輪架Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的FMEA分析結(jié)果

為避免FMEA、FTA和FRACAS分析的信息之間有重疊，應(yīng)對每次分析結(jié)果進(jìn)行記錄，使得三者之間的信息共享，減小工作量，同時三者的相輔相成，有效的形成閉環(huán)控制故障，從而整體提高系統(tǒng)可靠性。

5 結(jié)束語

本文以國內(nèi)某機(jī)床企業(yè)生產(chǎn)的型號為YK7332A的磨齒機(jī)為例進(jìn)行FMEA分析，確定出影響該機(jī)床可靠性運行的薄弱環(huán)節(jié)為機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上利用FTA分析，對進(jìn)給系統(tǒng)發(fā)生的各種故障模式展開溯源，得出影響進(jìn)給系統(tǒng)的關(guān)鍵故障因素，并提出相應(yīng)的可靠性提升措施；最后，建立3F管理流程，合理管控進(jìn)給系統(tǒng)的故障。3F技術(shù)理論的引入，能夠有效地減少數(shù)控機(jī)床故障的發(fā)生，進(jìn)而提高數(shù)控機(jī)床的可靠性。

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(編輯 李秀敏)

Reliability Analysis on Feeding System of CNC Machine Tools Based on 3F Technology

LUO Jing1a,1b，CHEN Yi-fan1a,1b，LI Yu-long2，HE Fu2，ZHANG Gen-bao2

(1a.College of Mechanical Engineering；b.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China；2.College of Mechanical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

This paper analyzed the features of feed system so as to improve the reliability of the feed system attached to machine tools，with NC grinding wheel grinding machine tools as research object for reliability analysis，collected fault repair data and analyze and organize them，and they showed that the feed system is a weak system of the whole machine，therefore,，the FMEA and FTA reliability analysis of the system is carried out to find the key fault factors，and put forward targeted reliability improvement measures.Combined with FRACAS analysis，the formation of a standardized fault "closed-loop" control process，timely detection，processing and correct the fault，it can greatly reduce the incidence of failure，the technology can also be applied to other types of CNC machine tools，which is beneficial to realize the reliability growth of the machine tool，and has important significance to improve the reliability of the domestic machine.

CNC machine tools；feed system；reliability analysis

1001-2265(2017)08-0073-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.018

2017-03-08；

2017-04-24

國家科技重大專項資助項目(2016ZX04004-005)

羅靜(1974—)，女，重慶人，重慶理工大學(xué)教授，研究方向為先進(jìn)制造技術(shù)及裝備研究，(E-mail)luojing@cqut.edu.cn；張根保(1953—)，山西新絳人，重慶大學(xué)教授，博導(dǎo)，博士，研究方向為制造系統(tǒng)質(zhì)量控制與管理、數(shù)控機(jī)床可靠性。

TH166;TG586

A