国产数控机床可靠性技术综述.pdf

_ 1 I 羁l 【= J R e v i e wo nR e l i a b i l i t yT e c h n o l o g yo fH o m e - M a d eN C M a c h i n eT o o l 重庆大学机械工程学院先进制造技术研究所张根保 清华大学机械工程学院机械系王立平 张根保 重庆大学教授机械制造专业博士 生导师。重庆大学机械设计制造研究所 所长。长期从事先进制造技术、计算机 集成制造系统数控机床可靠性、现代 质量工程企业信息化等方面的研究。 先后主持和参加了国家科技重大专项 国家高科技计划项目、国家自然科学基 金重点项目等6 0 余项。先后获省部级 科技成果一等奖1 项、二等奖2 项。 数控机床可靠性相关概念 根据国家标准G B 一6 5 8 3 的定义， 可靠性是指产品在规定的条件下、 在规定的时间内完成规定任务的能 + 国家自然科学基金资助项目( 5 0 8 3 5 0 0 8 、 5I1 7 5 5 2 7 ) ，国家“高档数控机床与基础 制造装备”科技重大专项( 2 0 1 2 Z X 0 4 0 11 0 3 1 ) 资助。 2 6 航空制造技术2 0 1 3 年第5 期 本文对数控机床的可靠性技术进行全面论述，包 括可靠性设计技术、制造可靠性技术、可靠性试验技 术、可靠性评估技术、早期故障消除技术、运行可靠性 技术、可靠性管理技术等，最后提出国产数控机床可靠 性提升策略。 力。数控机床产品的工作条件一般 包括加工尺寸、切削用量、切削功率、 使用环境条件、加工材料等设计规定 的条件；规定的时间可以是设计确 定的运行寿命，也可以是机床大修前 的年限，还可以是考核时确定的任何 年限；规定的任务是指机床设计时 确定的功能，例如加工中心可以完成 钻、铣、镗、铰、攻丝等功能。 数控机床的可靠性一般是以故 障来表征的，可靠性高就意味着产品 在使用过程中所发生的各种故障少。 数控机床属于可修复产品，一般 采用平均故障间隔时间( M e a nT i m e B e t w e e nF a i l u r e ：M T B F ) 来衡量其可 靠性。M T B F 是个统计学概念，一般 可用式( 1 ) 计算。 ，三 t i M T B F = 古 l = ，( 1 ) ”o 百 r f f = l 其中，n 为在评定周期内机床累计 故障频数；n 为机床抽样台数；t ，为 在评定周期内第i 台机床的实际工 作时间( h ) ；r ，为在评定周期内第f 台机床出现的故障频数。 经过近2 0 年攻关，国产数控机 床的可靠性得到较大的提高，从早期 的1 0 0 多小时提高到“十五”期末的 5 0 0 多小时。通过高档数控机床与 基础制造装备国家科技重大专项 的实施，使得专项产品的可靠性普遍 达到9 0 0 h 以上，在“十二五”期间的 目标是整机达到2 0 0 0 h ，基本达到国 际先进水平，但距5 0 0 0 h 的国际领先 水平仍然存在一定的差距。 数控机床在其寿命周期内的故 障发生概率是不同的，可用图1 的故 障率曲线( 俗称浴盆曲线) 来表示。 本文对数控机床的可靠性技术 进行全面论述，包括可靠性设计技 术、制造可靠性技术、可靠性试验技 术、可靠性评估技术、早期故障消除 万方数据 m j 图1 数控机床的故障率曲线 技术、运行可靠性技术、可靠性管理 技术等，最后提出国产数控机床可靠 性提升策略。 数控机床可靠性设计技术 产品可靠性首先是设计出来，其 次才是制造出来的。因此，机床的设 计过程在提升可靠性方面具有重大 作用。 1 可靠性建模 可靠性建模是根据可靠性分析 的需求，针对产品结构建立的逻辑分 析模型( 又称为可靠性框图) 。可靠 性模型一般有串联模型、并联模型和 混联模型3 种类型。如：某精密卧式 加工中心由B 轴、刀库系统、主轴箱、 托盘交换系统、传动装置、电气系统、 辅助系统( 防护装置、液压系统、冷却 系统、排屑系统、润滑系统、气动系统 和电气系统) 等1 2 单元模块组成， 其可靠性模型如图2 所示，这是个典 型的加工中心可靠性串联模型。 张根保 1 - 3 1 等利用G O 法建立了 加工中心的整机及各功能部件的任 务可靠性模型，这种模型具有建模简 单，分析方便等特点。图3 是用G O 法建立的加工中心B 轴传动元任务 的G O 图模型。 2 可靠性分析 ( 1 ) 应力分析。 机床的零部件在运行过程中承 受的载荷分为两类：工作载荷和非 正常载荷。工作载荷是完成设备功 能所必需的；非正常载荷则是由于 设计不当和在制造过程造成的，例如 加工残余应力、热应力、受力不均衡、 刚度不够等，非正常载荷会使零部件 的变形加大，造成不正常的磨损和损 坏。应力分析的目的就是通过结构 设计使得非正常载荷减少到最小。 张耀满刚等利用热和结构耦合技术 仿真计算了主轴箱在热和结构耦合 作用下的温度场及热变形，建立了某 数控车床主轴箱有限元分析模型，分 析确定了主轴部件和主轴箱的热变 形趋势，为主轴箱的优化设计和热误 差补偿奠定了基础。仇健【5 1 等通过 主轴恒转速和变转速热误差试验分 析主轴箱温度场分布及其对主轴热 误差的影响趋势，建立龙门机床误差 元素模型，分析影响机床各坐标轴加 工精度的主轴热误差分量，并提出结 构优化、热平衡、误差补偿建模等3 种减少热误差的措施。王维等 6 - s 提 出一种数控机床的几何和热误差综 合建模方法，在不同的机床温度状态 和工况下进行动态实时补偿，大幅提 高了机床的精度。并在针对速高精 度数控车床主轴的热应力进行了理 论建模与分析。 ( 2 ) 故障树分析。 故障树( F a u l tT r e eA n a l y s i s ： F T A ) 是一种描述故障因果关系的有 方向的“树”，是最常用的可靠性分 析方法。利用故障树能对机床运行 中各种潜在的故障进行识别，具有简 明，形象化的特点。张根保p 1 等提出 一种机床液压系统故障模式溯源分 析方法，对每个底事件的概率重要度 和相对概率重要度进行了计算，并阐 述了重要度分析在可靠性改进和控 制过程中的重要作用。张英芝等” 运用模糊故障树理论，对数控车床主 轴进行了故障树定量分析，求出了在 不同置信水平下数控车床主轴发生 故障的概率区间。 ( 3 ) 故障模式影响与危害性分 析。 故障模式影响与危害性分析 ( F a i l u r eM o d eE f f e c t sa n dC r i t i c a l i t y A n a l y s i s ：F M E C A ) 是故障模式及影 响分析( F M E A ) 和危害性分析( C A ) 的综合，这是一种以故障模式分析为 基础，以故障影响改进为目标的分析 技术。它通过逐一分析各组成部分 的不同故障对机床运行的影响，全面 识别设计中的薄弱环节和关键控制 图2 某卧式，j n - r 中心整机可靠性框图 图3J j n - r 中, 6 B 轴传动元任务G O 图模型 环节，并为评价 和改进产品设计 的可靠性提供基 本信息。国内外 不少学者进行了 F M E C A 的相关 研究。戴城国1 1 2 等提出一种基于 模糊综合评判的 F M E C A 方法，通 过建立因素集、 评价集和权重集 等的步骤，实施 2 0 1 3 年第5 期航空制造技术2 7 万方数据 模糊综合评价，得到评判结果，从而 可以确定各故障模式之间的相对危 害度大小并进行排序。黄兆哲【l 习等 提出一种基于模糊评价法与灰色关 联决策的F M E C A 分析方法，利用模 糊评价方法，将故障模式影响及危害 性分析中的定性指标定量化，并结合 灰色关联决策方法确定故障模式危 害度的顺序，提高了分析的准确性。 3 可靠性设计 ( I ) 可靠性预计。 可靠性预计是依据产品的工程 经验、历史故障数据、当前技术水平 和组成零部件的可靠性状况，预测 产品实际可能达到的可靠度。根据 可靠性预计的结果，可以修改设计方 案，改进薄弱环节，达到提高产品可 靠性的目的。可靠性预计的方法一 般有性能参数法、相似设备法和失效 率预计法。张海波”卅应用F M E C A 法对某型号数控系统的故障多发部 位进行了研究，指出了该数控系统及 其相关功能部件的可靠性薄弱环节， 为数控系统的可靠性设计和分析提 供了依据。张根保【1 5 1 等把灰色系统 理论引入到G O 法可靠性分析中，建 立起一种考虑加工中心各功能部件 在不同工况下的动态可靠性预测模 型。 ( 2 ) 可靠性分配。 可靠性分配是指把机床的可靠 性指标按照一定的准则分配给各个 组成单元，使机床的可靠性达到设计 要求。如果某一部件的实际可靠性 达不到分配的指标要求，可以通过修 改设计方案或采用可靠性更高的部 件来替换。可靠性分配的要害是了 解零部件可能达到的可靠度以及确 定合理的分配方法。张根保”6 1 等针 对数控机床加工零件过程的动态性 特征，将多阶段任务系统理论和任务 可靠性原理结合起来，提出一种基于 任务的可靠性分配方法，可以确定运 行时间、重要程度、复杂程度、技术水 平和工作状况等5 个影响可靠性分 2 8 航空制造技术2 0 1 3 年第5 期 配的重要因素。杨明顺 1 7 - 1 8 1 等提出 一种基于神经网络的模糊可靠性分 配方法，它有效地利用了设计专家的 知识和已有的设计数据，适合于设计 条件不很明确时对可靠性进行粗略 分配。 数控机床制造可靠性技术 制造是保证可靠性的重要环节， 它与设计过程共同形成产品的固有 可靠性。 1 进货质量控制 大多数机床外购件往往属于小 批量生产，供应商的质量保证能力不 强，产品质量问题频出。为了提高零 部件的质量和可靠性，必须从供应商 质量管理能力提升和产品质量人厂 把关人手，才能最终提高零部件质量 和可靠性。林成汉【l 卅等以供应商质 量管理为中心点，结合博弈论着重研 究在供应链环境下应该如何进行供 应商质量管理，并提升供应商质量管 理能力。张素婷1 等从供应商评价、 生产件批准、日常质量管理等方面出 发，结合日常在供应商质量管理方面 所做的工作，探讨供应商质量管理。 黄敬猛【2 ”等提出了零件质量指数 ( P Q I ) 和首样通过指数( I S P I ) 2 个 指标来反映供应商的产品质量控制 能力，并且根据产品质量数据动态地 评价供应商的质量控制能力，为企业 选择供应商提供有力的依据。 2 加工一致性控制 零部件的加工精度对产品性能 稳定性和可靠性具有很大影响，例 如，在公差范围内的两对零件进行装 配，如果两对零件的精度分别达到其 上下极限偏差，那么，得到的配合性 能会有很大的差别。因此，为了提高 产品的性能和可靠性，必须对零件的 加工精度进行控制，提高零部件质量 的一致性。提高加工一致性的手段 主要是提高过程能力指数，由于过程 能力指数都是无量纲的简单数，不仅 对生产过程的状态提供了简洁明了 的指示，同时也方便操作员及时发现 问题、解决问题，使生产过程处于较 高的过程能力状态，较少损耗，节省 开支。重庆大学张根保教授课题组【2 列 在归纳总结工序质量控制及过程能 力指数相关理论的基础上，对基于过 程能力指数的工序质量控制及抽样 检验方案进行了研究。 3 可靠性驱动的装配工艺 据调查，装配环节造成的机床故 障会占到总故障数的4 0 以上，因 此，对装配过程进行可靠性控制是非 常主要的，包括可靠性装配工艺、清 洁装配和无应力装配。 传统的机床装配工艺都是以精 度保证为核心制定的，缺乏对可靠性 的考量。重庆大学张根保教授课题 组 2 3 瑙1 提出可靠性驱动的装配工艺 的学术思想，以机床的谱系研究为切 人点，以结构化分解为手段，得到零 部件的元动作，再以元动作为核心进 行可靠性、精度和精度寿命的一体化 分析和计算，采用链接模型及D S M 设计结构矩阵对元动作的装配过程 进行建模及装配关键质量控制，即将 可靠性、精度、精度寿命的一体化控 制，再从元动作逐步综合，最后得到 整