故障樹(shù)分析法在高職數(shù)控車床實(shí)踐課程教學(xué)中的應(yīng)用

劉海慶

（羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 云浮 527200）

數(shù)控車床實(shí)踐課程是數(shù)控技術(shù)、模具設(shè)計(jì)與制造、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等機(jī)械制造類專業(yè)的重要實(shí)踐課程，在高素質(zhì)人技能型才培養(yǎng)中起至關(guān)重要的作用。以裝備FANUC-OIT系統(tǒng)CK6140數(shù)控車床和斯沃?jǐn)?shù)控仿真系統(tǒng)軟件為研究對(duì)象，總結(jié)學(xué)生在加工過(guò)程的常見(jiàn)錯(cuò)誤，以及引起的加工故障，利用故障樹(shù)分析法定性分析造成加工故障的因素，并構(gòu)建出故障樹(shù)圖，為提高教學(xué)效果和學(xué)生的技能水平提供參考。

1 故障樹(shù)分析法

故障樹(shù)分析法 （FTA）起源于20世紀(jì)六七十年代，由于需要洲際導(dǎo)彈發(fā)射、原子能應(yīng)用、核電站建設(shè)等進(jìn)行安全性與有效性評(píng)價(jià)，美國(guó)貝爾電報(bào)公司開(kāi)發(fā)了故障分析法。1974年，美國(guó)原子能委員會(huì)“拉姆森報(bào)告”出爐，其大量使用故障分析法對(duì)核電站的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估，使故障分析法迅速應(yīng)用于系統(tǒng)安全、系統(tǒng)評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。

故障樹(shù)分析法把最不希望發(fā)生的事件稱為頂事件，把不再深究的事件稱為基本事件（低事件），把介于頂事件與基本事件之間的一切事件稱為中間事件，再用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T(mén)把頂事件、中間事件和基本事件連接成樹(shù)形圖，即故障樹(shù)。對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)，故障樹(shù)分析法故障診斷快速、定位準(zhǔn)確。它既可進(jìn)行定性分析，又可進(jìn)行定量分析和系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

2 數(shù)控車床加工故障與分析

FTA是一種描述事故因果關(guān)系的有方向的樹(shù)，它通過(guò)分析事故的現(xiàn)象、原因、結(jié)果，找出預(yù)防事故的措施。高職學(xué)生完成數(shù)控車床加工理論課程學(xué)習(xí)后，通過(guò)實(shí)踐課程接觸數(shù)控機(jī)床，由于一開(kāi)始對(duì)機(jī)床不熟悉和理論知識(shí)不扎實(shí)，常導(dǎo)致數(shù)控車床加工故障。

2.1 刀具與工件（或機(jī)床零部件）碰撞損壞

學(xué)習(xí)理論時(shí)，學(xué)生主要按照?qǐng)D紙編寫(xiě)加工程序，再在仿真軟件上進(jìn)行驗(yàn)證。在編寫(xiě)程序時(shí)，學(xué)生對(duì)走刀軌跡、刀具裝夾、刀具選取對(duì)加工的影響考慮不充分，易造成刀具、工件和其它零部件碰撞損壞。

產(chǎn)生這類故障的原因有以下幾種：1）數(shù)字0與字母O混淆；2）參數(shù)F數(shù)值不正確；3）指令使用不當(dāng)；4）坐標(biāo)值 X，Z不正確；5）刀具選擇不當(dāng)；6）走刀軌跡不合理；7）刀架在轉(zhuǎn)位時(shí)距離工件過(guò)近。

如圖1所示，加工起始點(diǎn)為H點(diǎn)，菱形代表刀具，工件為直徑35 mm的棒料，1號(hào)刀選擇主偏角為900的外圓車刀，2號(hào)刀選擇寬4 mm的割刀，加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)為毛坯件的右端面中心處。學(xué)生編寫(xiě)的典型錯(cuò)誤程序如表1所示。

圖1 加工圖紙F(tuán)igure 1 Operating drawing

機(jī)床斷電后，數(shù)控系統(tǒng)失去對(duì)參考點(diǎn)坐標(biāo)的記憶，再次接通電源后，操作者必須進(jìn)行返回參考點(diǎn)的操作。進(jìn)行參考點(diǎn)操作時(shí)，車床接到回零指令后有加速啟動(dòng)的過(guò)程，若滑板上的擋塊與參考點(diǎn)開(kāi)關(guān)的距離不足或滑板在限位開(kāi)關(guān)的附近（車床參考零點(diǎn)），數(shù)控車床的滑板會(huì)直接沖出限位開(kāi)關(guān)并向機(jī)床正方向運(yùn)動(dòng)。割刀裝夾時(shí)，若割刀刀尖高過(guò)工件回轉(zhuǎn)中心線，易出現(xiàn)崩刀現(xiàn)象。

2.2 螺紋加工故障

螺紋加工是故障較多的區(qū)域，發(fā)生故障的主要原因有以下幾種：

1）將G32、G76、G90等螺紋加工指令里的F值，誤認(rèn)為是進(jìn)給量。在加工圖1里，右端公稱直徑為28 mm，螺距為2 mm的普通外螺紋，典型錯(cuò)誤程序如下：

……

T0303；

G01 X30 Z2 F2；

G92 X27.1 Z-14 F0.2；

……

2）刀具與工件之間沒(méi)有留足夠切入、切出距離。編寫(xiě)螺紋加工程序時(shí)，為保證螺紋準(zhǔn)確完整，應(yīng)避免在進(jìn)給機(jī)構(gòu)的加速和減速過(guò)程中切削，保證其在恒定速度下切削螺紋，且有足夠的切入、切出距離。一般情況下，切入距離為3～5 mm，切出距離為2～3 mm。

3）循環(huán)起始點(diǎn)設(shè)置不一致，導(dǎo)致螺紋亂牙。以加工圖1右端為例，其典型錯(cuò)誤程序如下：

……

T0303；

G00 X30 Z5； 第一次循環(huán)起始點(diǎn)

X27.1；

G32 Z-14 F2；

G00 X30；

Z3； 第二次循環(huán)起始點(diǎn)

X26.2；

G32 Z-14 F2；

……

2次加工螺紋的循環(huán)起始點(diǎn)不同，螺紋刀切削時(shí)起始點(diǎn)也不同，易出現(xiàn)螺紋亂牙。

4）螺紋旋向、刀架配置方式和進(jìn)刀方向的影響。高職學(xué)生習(xí)慣使用刀架前置的機(jī)床加工右旋螺紋，多為螺紋前刀面向上放置的模式。如果情況發(fā)生變化，應(yīng)按照說(shuō)明操作：前置式刀架車削右螺紋時(shí)，主軸正轉(zhuǎn)，正裝刀具從外往里車；前置式刀架車削左螺紋時(shí)，主軸正轉(zhuǎn)，刀具從里往外車；同理，后置式刀架車削螺紋與之相反。

表1 引起刀具與工件（或機(jī)床零部件）碰撞損壞的錯(cuò)誤程序Table 1 An error program that causes damage by collision between a tool and a workpiece （or machine tool component）

2.3 無(wú)法正確對(duì)刀

機(jī)械制造類學(xué)生一般先操作普通車床，再操作數(shù)控車床。操作二者的顯著區(qū)別是，要通過(guò)對(duì)刀建立加工坐標(biāo)系。對(duì)刀既是數(shù)控車床實(shí)踐教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容和難點(diǎn)內(nèi)容。學(xué)生常使用仿真軟件的自動(dòng)對(duì)刀功能，實(shí)踐中經(jīng)常無(wú)法正確對(duì)刀。

1）開(kāi)機(jī)、急?；驍嚯姾鬀](méi)有回零操作。對(duì)刀過(guò)程中出現(xiàn)報(bào)警、主軸轉(zhuǎn)速過(guò)高等意外情況時(shí)，學(xué)生通常會(huì)倉(cāng)促地按急停開(kāi)關(guān)，重新對(duì)刀時(shí)常忘記回零操作。另外，開(kāi)機(jī)、斷電后不進(jìn)行回零操作，也會(huì)導(dǎo)致無(wú)法正確對(duì)刀故障。

2）刀具補(bǔ)償位置不正確。刀具補(bǔ)償位置依次為“OFFSET SETTING”“補(bǔ)正”“形狀”， 很多同學(xué)在“OFFSET SETTING”“補(bǔ)正”“磨損” 狀態(tài)下進(jìn)行刀具補(bǔ)償操作，補(bǔ)償?shù)氖堑毒吣p，而不是刀具位置。

3）刀具補(bǔ)償數(shù)值不正確。學(xué)生采用試切法對(duì)刀，以Z軸為例，切除工件右端面材料后，沒(méi)有在“刀具補(bǔ)正”“形狀”里輸入“Z0”進(jìn)行刀具補(bǔ)償操作；而是沿Z軸負(fù)方向移動(dòng)，刀尖點(diǎn)與工件右端面不在同一平面內(nèi)，此時(shí)進(jìn)行刀具補(bǔ)償操作，刀尖點(diǎn)平面為加工坐標(biāo)系的“Z0”所處平面，而不是工件右端面。

4）驗(yàn)證對(duì)刀程序不正確。對(duì)刀過(guò)程完全正確，驗(yàn)證對(duì)刀程序不正確，也會(huì)造成對(duì)刀失敗。MDI方式的典型錯(cuò)誤程序如下：

M03 S300；

GOO X40 Z2； 快速點(diǎn)定位指令G應(yīng)該后面是阿拉伯?dāng)?shù)字00，而不是字母OO

G01 X0； 參數(shù)F數(shù)值不正確，系統(tǒng)默認(rèn)為零

Z0；

由于上述程序未調(diào)用刀具和刀補(bǔ)，刀具仍按照系統(tǒng)默認(rèn)值運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)對(duì)刀失敗的假象。正確對(duì)刀程序如下：

M03 S300；

T0101；

G00 X40 Z2；

G01 X0 F1；

Z0；

M30；

2.4 機(jī)床報(bào)警

學(xué)生普遍對(duì)機(jī)床報(bào)警具有畏懼心理，一旦出現(xiàn)就會(huì)驚慌失措。機(jī)床報(bào)警信息會(huì)在機(jī)床CRT顯示屏上顯示，主要有以下5種情形：1）車床超程報(bào)警（ALM閃爍）；2）“011還未指定切削進(jìn)給速度”（首次使用G01指令，F(xiàn) 值應(yīng)賦值，系統(tǒng)默認(rèn)為零）；3） “065 G71-G73指令方法不對(duì)”（固定循環(huán)指令G71的ns程序段中出現(xiàn)Z坐標(biāo)，固定循環(huán)指令G72的ns程序段中出現(xiàn)X坐標(biāo)）；4） “063沒(méi)有指定順序”（固定循環(huán)指令后沒(méi)有 ns或 nf程序段號(hào)）；5） “020 OVER TOLERANCE OF RDIVS”（程序出現(xiàn)斷點(diǎn)或圓半徑小于到終點(diǎn)距離）。

3 用故障樹(shù)定性分析數(shù)控車床加工故障

3.1 建立故障樹(shù)

故障樹(shù)分析法的流程，首先從分析頂事件開(kāi)始，然后測(cè)試中間事件，再依據(jù)中間事件的測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步測(cè)試下一級(jí)中間事件，最后測(cè)試出底事件，找到產(chǎn)生故障的原因及部位。

把數(shù)控車床加工故障作為頂事件，數(shù)控車床加工故障主要由刀具與工件（或其它零部件）碰撞損壞、螺紋加工錯(cuò)誤、無(wú)法正確對(duì)刀、機(jī)床報(bào)警等故障引起。以此為依據(jù)對(duì)頂事件進(jìn)行分解，經(jīng)過(guò)不斷的重復(fù)分析，直至底事件，建立正確故障樹(shù)。

3.2 運(yùn)用下行法分析故障樹(shù)

割集是單調(diào)故障樹(shù)的若干底事件集合，如果底事件發(fā)生，將導(dǎo)致頂事件發(fā)生。最小割集是指底事件數(shù)目不能再減少的割集。最小割集診斷法通過(guò)逐個(gè)測(cè)試最小割集來(lái)搜尋故障源并進(jìn)行故障診斷。

下行法（Fussel 2V esely算法）從頂事件開(kāi)始，經(jīng)過(guò)邏輯“或”門(mén)輸入事件豎向?qū)懗?，?jīng)過(guò)邏輯“與”門(mén)輸入事件橫向?qū)懗觯鸺?jí)向下最終求得最小割集。數(shù)控車床實(shí)踐故障樹(shù)的最小割集有23個(gè)，利用下行法建立的故障樹(shù)如圖2所示。針對(duì)這些故障提出解決辦法，具體見(jiàn)表2。

圖2 數(shù)控加工故障樹(shù)Figure 2 Fault tree for numerical control machining

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)踐教學(xué)中，教師可以通過(guò)故障樹(shù)找到最小割集，快速指導(dǎo)學(xué)生。學(xué)生也可通過(guò)故障樹(shù)找出中間事件，再分析其原因，逐一排查，最后確定最小割集，進(jìn)而解決問(wèn)題。利用故障樹(shù)解決問(wèn)題，能夠鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考、分析解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性和自主性，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。同時(shí)，學(xué)生可把新出現(xiàn)的問(wèn)題添加到圖表中，不斷豐富故障樹(shù)的內(nèi)容，為提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才提供新方法。

表2 故障樹(shù)最小割集及解決辦法Table 2 The minimum cutset of fault tree and its solution