數控加工中心的可靠性分析與增長研究*

吳　星

(柳州職業技術學院 機電工程系，廣西 柳州　545006)

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數控加工中心的可靠性分析與增長研究*

吳星

(柳州職業技術學院 機電工程系，廣西 柳州545006)

摘要：數控加工中心是現代機床制造業中進行復雜型面等快速高質加工的關鍵裝備，可靠性存在于數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.針對國產數控裝備可靠性不足的問題，以某系列立式數控加工中心為研究對象，對其長期所記錄整理的故障數據進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節進行了研究，針對其中影響整個數控加工中心可靠性的關鍵部位，提出了可實現其增長的改進措施.

關鍵詞：數控加工中心；可靠性分析；FMECA;可靠性增長

0引言

數控加工中心是一種體現先進制造技術的高度機電一體化制造裝備，快速自動換刀與高效高質復雜型面加工等特點使其成為國民經濟和國防建設中的關鍵裝備.國家通過引進先進技術及自主研發等方式，攻克了數控加工的大批關鍵難題，掌握了許多先進的設計、制造和裝配方法，國產數控機床的整體性能得到不斷提高[1-2].但是與哈挺數控等國外先進機床相比，我國數控機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控加工中心等國產數控機床可靠性水平的研究.

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

1可靠性建模

可靠性模型是進行可靠性設計、試驗、運行及維修等可靠性工作的基礎，需要通過可靠性分析建立研究對象的可靠性模型[3].對數控加工中心而言，首先要對其故障數據進行處理，然后通過一定的參數估計及假設檢驗等方法確定其故障數據的概率分布模型.然后根據建立的概率分布模型，對數控加工中心的可靠性高低進行評定.

可靠性分析數據來源于國內某公司所生產使用FANUC 0I 數控系統的VMC 立式加工中心，對40 臺該系列VMC立式加工中心進行跟蹤記錄，共收集到87 條故障數據.所記錄的故障數據主要包括故障停機起始時間及故障排除開機時間、故障部位、故障原因及故障處理等相關信息，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個故障間隔時間數據按從短到長重新排列，按t∈[0，2025]分為13組，統計落入各時間區間的頻率，然后以區間中位數為橫坐標，以累積頻率為縱坐標，即可得到故障間隔時間的經驗分布.計算得到的經驗分布函數外凸且無拐點，說明文中所研究加工中心的時間壽命數據不可能是帶拐點的正態分布或其對數分布類型.進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，而正態分布和對數正態分布的概率密度函數曲線呈單峰形，再次驗證了前述結果.

統計表明，機電產品的壽命分布大多可以擬合成正態分布、對數正態分布、指數分布及威布爾分布等幾種形式，其中當威布爾分布的形狀參數β=1時，即為指數分布.可見該加工中心故障間隔時間可以通過威布爾分布來進行建模分析.實際應用中，往往假設產品投入使用之后便有可能發生故障，從而選用如下的雙參數威布爾分布函數進行建模：

(1)

其中α>0為與工作負載有關的尺度參數，負載大則相應的α值越??；β>0為與故障機理相關的形狀參數，β<1對應磨合期的壽命分布，β=1對應隨機失效期的壽命分布，β>1對應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α和β進行估計.通過SPSS軟件進行參數估計，可得α=685.164h和β=1.019，且數據的擬合結果通過線性相關性檢驗和d檢驗.這樣可得可靠度函數為：

(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為耗損故障期形式.

圖1　數控加工中心的可靠度曲線

根據VMC立式加工中心的可靠度函數，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又可再細分為故障部位、故障模式、故障原因及故障責任歸屬分析.FMECA通過詳細地分析系統組成部分的不同故障對系統功能的影響，可全面識別設計中的薄弱環節和關鍵部位.

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

所研究VMC 系列立式加工中心的主軸系統故障頻率遠遠高于其他部位或子系統，其是影響加工中心可靠性的主要因素.進一步對主軸系統進行FEMA，可以看出主軸系統最頻繁的故障模式是占比31.58%的發出異響，次級頻發的是線路或電纜斷路(15.79%)，然后是零部件損壞或主軸失調和幾何精度超標；而從故障原因來看，零部件損壞(31.58%)是主軸系統最主要的故障原因，其次是松動(21.05%)和調整不當(15.79%)，究其原因則主要是由于主軸系統的外購件質量差和裝配過程中的調整等問題所造成的.

圖2　數控加工中心的故障部位頻率柱形圖

通過開展數控加工中心整機的CA 分析，可以找出其中的可靠性薄弱環節，確定產品可靠性增長的關鍵部件，以便提出強針對性的可靠性增長措施.進行CA 分析時，首先定義子系統j的故障對數控加工中心的危害度CRj為：

(3)

其中γjk為子系統j以故障模式k而引發其自身出現故障的概率；εjk為子系統j以故障模式k發生故障時導致其故障的概率；λj為子系統的基礎故障率；m則為子系統j所有可能的故障模式集合.

結合前述FMEA故障模式分析結果對VMC 系列立式數控加工中心的可靠性數據進行統計分析，通過(3)式得到所研究數控加工中心的各子系統危害度結果如表1.可以看出危害度最高的是主軸系統，其次是刀庫、電氣系統和冷卻系統，可見主軸系統、刀庫、電氣系統和冷卻系統是該系列數控加工中心的關鍵薄弱環節，應重點考慮其可靠性增長.

表1　數控加工中心子系統的危害度

3可靠性增長

通過前述對VMC 系列數控加工中心的CA分析結果可知，主軸系統、刀庫、電氣系統和冷卻系統是其可靠性關鍵環節，而整個系統和子系統或部件的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、調整不當、松動、元器件損壞和設計不當等，從而建議采取以下改進方法來增長整個系統的可靠性：

1)及時改進設計.主軸系統是數控加工中心故障發生最頻繁的部件，應該優先考慮改進其設計，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設計進行改進，均衡兩端支撐軸承的冷卻效果.所研究數控加工中心系統中，電氣部分故障遠遠多于機械部分故障，究其原因則大多是電氣元器件燒壞，可見數控加工中心電氣部分在電路設計、參數選擇及元器件定型等方面還有很大的可靠性增長空間.

2)加強協購件的管控和監督.該數控加工中心發生故障的原因中，元器件損壞占2/3.電氣系統的故障主要是購買外協件的質量不過關及用戶操作不當所致，所以應大力加強對購買外協件的質量管理.機床裝備制造商應根據數控加工中心整機所規定的可靠性要求，建立完善嚴格的元器件選型管控機制，加強元器件質量的把關監督，選用高可靠性的標準件，以確保從元器件一級提高整個數控加工的可靠性.

3)改進潤滑和冷卻系統.數控加工中心零部件損壞主要表現為主軸高轉速所產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.以系統中的冷卻系統為例，零部件損壞是其主要故障，液油部件損壞、冷卻液變質及堵塞電磁閥，應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襯材料的腐蝕，同時將冷卻裝置檢查常態化.

此外，由于現場用戶使用和維護不當導致數控加工中心發生故障的情況也時有發生，還應該強化用戶專業培訓.通過制造商、用戶和專業人員等的共同協作下，使數控加工中心在設計、生產、使用及維護等各個環節都具有高可靠性，全面實現其全壽命周期的可靠性增長.

4結語

通過對某系列國產數控加工中心現場故障數據進行跟蹤采集整理，對其可靠性增長進行了研究.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，進而基于FMECA方法對該系列數控加工中心的可靠性薄弱環節進行了分析研究，發現主軸系統是其最薄弱環節，最后提出了改進設計與加強外購監督等可靠性增長方法.數控類機床作為復雜精密的機械裝備，其可靠性增長是一個系統工程，還需要在全周期可靠性管理等方面開展進一步的研究.

[參考文獻]

[1]茍衛東. 高速加工中心可靠性統計技術應用[J].制造技術與機床, 2012(11): 56-61.

[2]謝黎明, 杜義康, 靳嵐, 等. 運用MATLAB對高速臥式加工中心進行可靠性建模[J].機械設計與制造, 2012(6): 66-67.

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

[責任編輯蘇琴]

[責任校對黃祖賓]

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

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8462(2016)01-0083-03

作者簡介：吳星(1980-)，女，廣西柳州人，工學碩士，柳州職業技術學院講師，研究方向：機電一體化研究.

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

收稿日期：2015-10-20.