數(shù)控機床可用性研究綜述

冉琰 張根保 庾輝 章小剛 黎新龍

摘 要：數(shù)控機床可用性是可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映，是用戶最為關(guān)心的一個特性。它不僅受數(shù)控機床功能故障的影響，也受諸如精度退化、性能波動、漏油等性能故障的影響，因此，孤立地研究國產(chǎn)數(shù)控機床的可靠性（功能故障）不足以維持產(chǎn)品的“可用好用狀態(tài)”。分析了國產(chǎn)數(shù)控機床可用性的現(xiàn)狀及研究意義，對數(shù)控機床可用性建模方法和數(shù)控機床維修決策方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了闡述，總結(jié)了數(shù)控機床可用性研究存在的問題和發(fā)展動態(tài)，對基于元動作單元的數(shù)控機床可用性系統(tǒng)化建模和以可用性為中心的數(shù)控機床主動維修決策兩個亟需解決的關(guān)鍵科學問題提出了見解，以期為數(shù)控機床可用性研究提供思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)；數(shù)控機床；可用性；建模；維修決策

中圖分類號：TH17 文獻標志碼：A

文章編號：1008-1542（2018）05-0379-07

作為制造業(yè)的母機，數(shù)控機床的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量對中國經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮著重要作用。目前全球經(jīng)濟形勢嚴峻復雜、貿(mào)易不確定性影響因素眾多，在這樣的環(huán)境下，機床用戶最關(guān)注的產(chǎn)品可用性就成了企業(yè)突圍制勝、搶占市場的重要法寶。數(shù)控機床可用性是可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映[1]，不僅受功能故障的影響，也受性能故障的影響。一般情況下，為保障機床具有高的可用性可以從兩個方面入手，一是提高可靠性（Reliability），即不斷提高可靠性特征指標平均故障前時間（MTTF，mean time to failure），盡量做到少出或不出故障；二是保證高效的維修，即縮短平均維修時間（MTTR，mean time to repair），保證盡量用最短的時間來修復故障。

中國在《高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備》科技重大專項和《中國制造2025》規(guī)劃綱要中，都將提升機床的可靠性作為主要目標。然而對數(shù)控機床來說，因為它是可修復的復雜機電產(chǎn)品，因此不僅應要求它在加工過程中不容易發(fā)生故障，還應要求在它發(fā)生故障后，比較容易進行識別以及修復，并能夠準確地預報預測，采用科學合理的維修策略來預防下一次故障的發(fā)生。也就是說，不僅研究數(shù)控機床的可靠性，還要同時研究數(shù)控機床的維修性，并將兩者結(jié)合起來。據(jù)統(tǒng)計，在兩班制工作狀態(tài)下，國外的數(shù)控機床開動率大約為60%～70%；但中國一般只能達到30%左右[2]，且數(shù)控機床的維修保養(yǎng)費用占整個壽命周期費用的20%～30%。每年因維修不當引起的故障數(shù)約占數(shù)控機床總故障數(shù)的20%，而由于數(shù)控機床的操作、保養(yǎng)和調(diào)整不當?shù)纫鸬墓收蠑?shù)大概占整個系統(tǒng)故障數(shù)的57%[3]?？梢钥闯?，孤立地研究國產(chǎn)數(shù)控機床的可靠性不足以維持產(chǎn)品的“可用好用狀態(tài)”。

對制造企業(yè)來說，隨著產(chǎn)品發(fā)展趨于成熟，企業(yè)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量和成本將難以再進行很大程度的提高，此時，產(chǎn)品的可用性將會對企業(yè)的地位產(chǎn)生重要影響，能夠使生產(chǎn)者比競爭對手獲得更大的商業(yè)優(yōu)勢[4]。而對機床企業(yè)來說，社會越進步，科技越發(fā)展，人們對數(shù)控機床可用性的要求就會越來越高，為了保證機床的市場競爭力，企業(yè)在提高數(shù)控機床可靠性的同時必然也需要提高維修效率。因此，研究數(shù)控機床的可用性，尤其是可用性建模和維修決策方法具有非常重要的理論意義和實用價值。

1 數(shù)控機床可用性建模方法

可用性建模是可用性評估的核心環(huán)節(jié)，是維修決策的重要前提。數(shù)控機床結(jié)構(gòu)復雜、工況多變、故障模式繁多，直接對整機進行可用性評估和維修決策是比較困難的。常用的可用性建模方法是將數(shù)控機床按“整機—部件—組件—零件”或“產(chǎn)品—功能—行為—結(jié)構(gòu)”進行分解，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（或零部件）體系為基礎(chǔ)進行故障分析和可用性建模，為可用性評估和維修決策提供依據(jù)。目前，國內(nèi)外對數(shù)控機床可用性建模的研究主要集中在對可靠性或維修性某一方面進行建模，包括功能部件模型、基于部件的系統(tǒng)模型和基于故障時間的動態(tài)系統(tǒng)模型。

對數(shù)控機床可靠性建模的研究，國外學者開始的比較早。KELLER等[5]對數(shù)控機床可靠性和維修性進行了系統(tǒng)的研究，用了3年的時間完成了35臺數(shù)控機床的跟蹤，記錄了現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)，并采用對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布對故障間隔時間MTBF和維修時間MTTR進行了建模分析。PALUMBO等[6]針對一種執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)建立了功能模型，通過描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成單元特性，利用邏輯推理的方式對失效故障模式進行自動分析。KIM等[7]和SUNG等[8]開發(fā)了一種基于網(wǎng)絡(luò)的分析系統(tǒng)，構(gòu)建了機床的可靠性評估模型，對系統(tǒng)各組件的故障模式進行了分析，改進了機床伺服電機的可靠性。LANZA等[9]研究了機器部件的可靠性和預防性維修問題，估計了不同機械部件的可靠性參數(shù)，提出了一種基于負荷相關(guān)的隨機優(yōu)化算法來計算預防性維修和備件提供的最優(yōu)時間，建立了相應的可靠性模型；LI等[10]、MORIDA等[11]、NEIL等[12]在假定系統(tǒng)的各單元的故障率與修復率都為常數(shù)的情況下，采用馬爾可夫、遺傳算法、混合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)建可用度評估模型，得出可修復系統(tǒng)的瞬時可用度解析表達式； JUAN等[13]和CATELANI等[14]采用蒙特卡羅等仿真方法對結(jié)構(gòu)可靠性和可用性進行研究，對故障率和可靠性進行評估。

中國以吉林大學、東北大學、北京機床所、清華大學、華中科技大學、北京航空航天大學、南京理工大學、上海交通大學、西安交通大學、電子科技大學、重慶大學、濟南鑄鍛所等為代表的可靠性團隊對數(shù)控機床壽命周期內(nèi)的可靠性、維修性建模技術(shù)及評估應用進行了深入研究，也取得了大量成果。申桂香和張英芝等[15-18]對數(shù)控機床的可用度模型進行了研究，分析了各個子系統(tǒng)對整機的可用性影響，計算了可用性影響度，評價了機床的可用性并給出了優(yōu)化維修策略。楊兆軍等[19-21]構(gòu)建了數(shù)控機床可靠性綜合分配模型，將區(qū)間分析、模糊綜合評判和層次分析法集合起來，對加工中心的可靠性分配和評估以及維修性進行了研究，將加工中心整機可靠性分配到各子系統(tǒng)。WANG等[22]針對多臺數(shù)控機床，采集現(xiàn)場試驗故障數(shù)據(jù)，建立了可靠性評估模型和預防維修策略。黃洪鐘等[23]針對重型數(shù)控機床不確定性分析難的特點，基于應力-強度干涉理論，提出了針對機床零部件的不精確可靠性建模與分析的一般方法，并將其應用在某型號重型數(shù)控落地銑鏜床銑軸上。陳殿生等[24]對數(shù)控車床故障分布規(guī)律進行了定量研究，分析了故障率曲線的特征，對數(shù)控車床建立了故障分布模型并進行了參數(shù)估計，同時對數(shù)控車床的早期故障期進行了計算。任麗娜等[25]分析了數(shù)控機床故障發(fā)生時間，建立了數(shù)控機床最小維修情況下的非齊次泊松過程和邊界強度過程模型，討論了模型的特性并推導計算了模型參數(shù)，給出了模型計算準則。張根保和冉琰等[26-29]提出了一種元動作分解方法，將數(shù)控機床按“功能—運動—動作”分解到最基本的元動作，以產(chǎn)品運動（功能）體系為基礎(chǔ)進行建模，目前已成功運用到數(shù)控機床裝配過程可靠性建模和質(zhì)量特性關(guān)聯(lián)關(guān)系分析中，但尚未解決基于元動作單元的機床故障機理分析、可用性建模和維修決策等問題。

2 數(shù)控機床維修決策方法

數(shù)控機床的維修一般包括兩種類型：一種是被動維修，另一種是主動維修。被動維修就是在產(chǎn)品出現(xiàn)故障后再對其進行維修，是非計劃性的停機。主動維修又包括預防性維修和預測性維修，預防性維修一般是計劃性的停機，具有周期性，包括對數(shù)控機床及其零部件進行檢測、修理、更換、清洗等；預測性維修則是通過采集一系列數(shù)據(jù)進行診斷分析，估計數(shù)控機床的維修時機，盡量將修復或更換動作提前到零部件發(fā)生故障前，以減少事后修復性維修工作。數(shù)控機床維修的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：事后維修，定期翻修和綜合維修。以可靠性為中心的維修（reliability centered maintenance， RCM）是20世紀60年代美國提出的一種全新的綜合維修決策理論，也是目前數(shù)控機床領(lǐng)域應用最為廣泛的一種維修方法。其工作思路是首先了解系統(tǒng)的功能，對其常見故障進行分析，明確其主要故障模式、故障原因以及局部和整體影響，其次針對引起每一個故障的原因分別確定其預防性維修的工作類型，然后將這些預防性維修工作集合在一起，形成一個系統(tǒng)科學的預防性維修大綱。

美國是對維修性研究較多的國家。美國空軍在20世紀80年代開始推行了一個關(guān)于可靠性維修性的行動計劃《R&M2000》，提出了到20世紀末實現(xiàn)“可靠性增倍，維修性減半”的目的，在海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中該計劃已經(jīng)初步見到成效。20世紀90年代，美國汽車工程學會和福特公司共同提出了汽車行業(yè)中第一部關(guān)于機器設(shè)備的可靠性與維修性準則，并且將該方法成功運用到了克里弗蘭發(fā)動機廠的 V6 發(fā)動機上，這是較早的一部可靠性與維修性準則，雖然該準則并不是專門針對數(shù)控機床的，但是作為制造工業(yè)的工作母機，對數(shù)控機床可靠性研究也有一定的指導意義。2003年，美國學者MERRICK等[30]通過建立貝葉斯半?yún)?shù)模型對數(shù)控機床的失效模式進行了描述，通過在貝葉斯分析中引入半?yún)?shù)設(shè)置，為小樣本數(shù)控機床失效數(shù)據(jù)分析提供了方法，并開發(fā)了數(shù)控機床的最優(yōu)替換維修策略。2006年，美國Ford汽車公司的HAGEN[31]提出了一種以可靠性為中心的維修計劃，用來提高Ford公司機床的可用性。作為公司的可靠性工程師，HAGEN充分考慮了公司制造系統(tǒng)的可靠性和維修性條件，在確保公司能夠具有最大產(chǎn)值的情況下提出該方案，同時他還分析了所提出的可靠性方案對數(shù)控機床的影響。

此后，RCM理論在數(shù)控機床方面得到了廣泛應用。在國外，ROESCH[32]發(fā)現(xiàn)了一種新的浴盆曲線方法來分析質(zhì)量和可靠性之間的關(guān)系預測可靠性。HEO等[33]將顆粒群優(yōu)化方法運用到傳動系統(tǒng)以可靠性為中心的維修決策中。NGUYEN等[34]運用經(jīng)典故障模式、影響及危害性分析（FMECA）方法，結(jié)合機床運行現(xiàn)場實際故障數(shù)據(jù)，對數(shù)控機床進行了FMECA分析，由此找到了機床的典型薄弱部位以及危害性較高的故障模式，對維修決策的制定和執(zhí)行有著重要的指導意義。在中國，曲玉祥等[35]對維修費用和預防性維修周期進行了研究，建立了對應的函數(shù)關(guān)系，并基于最低維修費用對兩種維修策略進行了討論。HOU等[36]建立了基于維修費用的維修策略模型，充分考慮了不完全維修狀態(tài)，從失效率的角度出發(fā)，對預防性維修和機會維修兩種維修策略進行了優(yōu)化。蘇春等[37]采用遺傳算法、蒙特卡洛仿真等對設(shè)備的維修策略進行了優(yōu)化。WANG等[38]對故障模式與原因之間關(guān)系進行了考慮，重新評定了故障的嚴酷度，采用改進的FMECA對加工中心進給系統(tǒng)的故障進行了優(yōu)先排序，為維修決策提供了依據(jù)。

3 存在的問題及發(fā)展動態(tài)分析

通過上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可以看出，目前中國對數(shù)控機床可用性的研究分散性和局部性特征比較明顯，單獨研究可靠性和維修性的多，系統(tǒng)化研究可用性的少，在可用性評估和維修決策方面大多是延用國外的方法，創(chuàng)新又實用的成果很少，具體存在的問題如下。

1） 建模方法沒有充分體現(xiàn)“運動”和“動作”的概念

長期以來，中國數(shù)控機床的可靠性研究主要沿用國外于20世紀40年代提出的面向電子產(chǎn)品的工作方法。但數(shù)控機床是一種機電產(chǎn)品，除了控制部分，還有很大一部分是機械，而電子產(chǎn)品與機械產(chǎn)品從功能到原理結(jié)構(gòu)，再到故障模式等方面都有本質(zhì)性的區(qū)別。例如，電子產(chǎn)品是在一塊電路板上焊接各種電子元件，元件之間靠電路連接，元件間沒有相對運動、傳動和力的作用。而機械產(chǎn)品（例如數(shù)控機床）的主要特點是靠部件之間的相對運動來實現(xiàn)產(chǎn)品的功能，部件的運動是靠其內(nèi)部眾多的運動單元在力或力矩的傳遞作用下完成的。要保障產(chǎn)品整體功能正確實現(xiàn)，就要首先保障各個運動單元不出故障。因此，與電子產(chǎn)品不同，機械產(chǎn)品可靠性工作的出發(fā)點應該是運動單元而不是孤立的單個元器件，建模過程要充分體現(xiàn)運動單元中各個零部件的相互作用（力、力矩、摩擦、磨損、振動、運動精度等）。如果機械產(chǎn)品繼續(xù)照搬電子產(chǎn)品的可靠性工作方法，必然會帶來各種各樣的問題。

不管是靜態(tài)建模還是動態(tài)建模，目前數(shù)控機床可用性分析與建模方法的基礎(chǔ)幾乎都是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（或零部件），將整機按照“整機—部件—零件”的方法進行分解分析，沒有從其基本特性——“運動”出發(fā)，忽略了動態(tài)影響因素，無法反映零件之間的相對運動、傳動精度和作用力的傳遞，比較適合于電子產(chǎn)品的可用性建模。機電產(chǎn)品主要通過零部件之間的相互作用，按照“動作—運動—功能”的方式來實現(xiàn)整機的功能和性能，因此，在建模中必須體現(xiàn)“動作”和“運動”這兩個核心概念。

2） 缺乏全面準確的維修決策方法

針對數(shù)控機床的維修，目前國內(nèi)外應用較為廣泛的是美國以可靠性為中心的維修理論（reliability centered maintenance， RCM），采用故障診斷技術(shù)，圍繞狹義可靠性制定維修策略，對于保障機床可用性具有一定作用。然而，RCM針對的是功能故障，并未考慮諸如精度退化、性能波動、漏油等性能故障問題，而這些卻恰恰是最為困擾國產(chǎn)機床用戶的可用性難題，既不易診斷，又不易維修，同時還為功能故障的發(fā)生埋下隱患，如圖1所示。此外，維修評估不夠全面、故障的分析又與功能（運動）脫節(jié)、定位不夠準確，維修決策不夠主動、維修方法落不到實處等，都使得維修效果不夠理想。

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