加工中心快速可靠性試驗關鍵技術研究

陳 衡，夏仰球, 石純標

(1．中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900；2．國家機床產品質量監督檢驗中心(四川)，成都 610000)

0 引言

隨著數控機床注重實用性和可靠性的發展趨勢，世界各國紛紛投入人力和物力加大了可靠性試驗方面的研究[1]。在德國、日本等工業較發達國家的機床公司已經掌握了較為先進和成熟的數控機床可靠性試驗技術，并視其為企業的核心競爭力和核心機密，秘不外宣[2-3]。為開展數控機床可靠性研究，我國的某些科研機構、檢測中心以及高校相繼創立了與機床裝備產品有關的試驗研究部門，并展開了一系列性能和可靠性方面的研究：上海交通大學對數控車床的整機可靠性進行了研究；許智對加工中心及其功能部件可靠性技術進行了研究[4]；范志鋒、姚金勇等對機床數控系統開展了快速可靠性試驗研究[5-6]。但對于數控機床及其功能部件的可靠性研究主要聚焦在理論研究，實際工程應用并未獲得較大的進展。十五期間，國家機床質量檢測中心(北京)在國內首次開展了加工中心快速可靠性試驗技術研究，建立了立式加工中心快速可靠性試驗平臺及可靠性指標預估模型。但是由于數控機床本身系統的復雜性，加工中心快速可靠性試驗仍有許多關鍵技術需要解決。

加工中心作為數控機床的典型代表，開展其整機可靠性試驗具有一定的難度，目前國內相關機構進行加工中心整機的可靠性試驗主要是依據《GB/T 23567.1-2009 數控機床可靠性評定 第1部分：總則》以及《GB/T 23567.2-2018 數控機床可靠性評定 第2部分：加工中心》等標準[7-8]。上述標準提出了一種基于模擬現場試驗的快速可靠性試驗方法，該方法能夠快速考核和評價數控機床的可靠性，使產品缺陷迅速暴露。但是上述標準對加工中心快速可靠性試驗要求、試驗方案、試驗項目、試驗流程以及試驗方法等內容未進行詳細的規定，不能對工程應用中可靠性試驗提供完善、明確的指導。除此以外，上述標準未就加工中心可靠性試驗設備做明確規定，且目前沒有可用的數控機床可靠性試驗設備商品化面市，制約著數控機床可靠性試驗在國內的開展。針對上述問題，本文將在加工中心故障分析的基礎上，對加工中心快速可靠性試驗關鍵技術進行系統的研究。

1 加工中心故障分析

1.1 加工中心故障統計分析

加工中心故障統計分析主要包括故障模式統計分析與故障部位統計分析兩部分，通過統計分析手段，確定加工中心故障易發部位，以此確定加工中心可靠性試驗強化對象，設計可靠性試驗項目。根據各種公開數據資料，結合某研究所近年來故障數據記錄分析得出如下加工中心故障情況：

(1)零部件損壞、元器件損壞、報警、滲漏、主軸失調、轉位/位移超程、傳感器失靈與工作精度超標是加工中心最主要的7種故障模式，上述故障比例之和大約占故障模式總比例的51%，尤其是以零部件損壞與元器件損壞為主[9]。

(2)在加工中心的部件及子系統中，故障高發位置(單項故障占比超過10%)主要包括主軸系統、進給系統、數控系統以及刀庫和機械臂4部分，其故障比例之和約占故障總比例的69%。除此以外，加工中心的電氣系統、氣動系統、液壓系統、冷卻系統也是故障的多發部位，是加工中心子系統中較為薄弱的環節。

1.2 加工中心故障機理分析

加工中心在正常的工況條件下運行時，雖然工況應力水平會有所差異，但是通常認為其發生故障的機理不會改變。由于加工中心屬于金屬切削類機床，其加工工藝一般包括鉆削、鏜削、銑削等，因此加工中心進行加工生產時主軸切削對機床施加的機械應力是引起其眾多故障最直接的原因。除此以外，在切削力作用下，機械應力將引發振動應力、沖擊應力、熱應力以及電應力等二次應力，導致機床產生故障。

通過以上分析，加工中心快速可靠性試驗中應選取對其失效機理起促進作用最大的機械應力作為加速應力[10]?；谝陨戏治觯梢允褂每煽啃栽囼灱虞d系統模擬工件加工過程中機床所受到的機械應力，通過運用可靠性試驗系統對加工中心線性軸運動與主軸運動的加載，由此激發機床加工過程中發振動應力、沖擊應力、熱應力以及電應力等二次應力，引起加工中心潛在故障的出現。

2 加工中心可靠性試驗方案設計

2.1 加工中心可靠性試驗總體方案

加工中心可靠性試驗采用加速試驗的方法，在模擬工況載荷的條件下，用可靠性試驗裝置對機床主軸上的模擬刀具進行模擬工況載荷加速加載，充分釋放其機械應力，以求最大程度地激發機床潛在故障。加工中心可靠性試驗方案如圖1所示，分為軸線加載試驗與主軸加載試驗兩部分。在加工中心可靠性試驗方案設計中，系統采用上位機進行程序控制，采用下位機進行加載功能實現。上位機能夠實現加載力大小、加載次數等參數設定的同時，也能夠進行加載力、加載狀態、加載時間以及加載次數等參數的監控和記錄；下位機主要由運動控制卡組成，接收來自上位機的控制指令，使氣動加載裝置與扭矩加載裝置按照設定的程序執行加載任務，并通過傳感器將加載力、加載扭矩、溫度以及轉速等數據采集匯總傳送至上位機。

在軸線加載試驗方案中，模擬刀具與主軸連接，作為加載受力部件使用；力傳感器一端接觸到加工中心的模擬刀具，另外一端連接氣缸。在機床空運轉測試完成后，主軸停止轉動，工作臺低速進給，使模擬刀具與力傳感器接觸；然后按照給定的加載受力圖譜對氣動加載系統進行設定，實現對加工中心主軸X/Y/Z方向的動態切削力加載。加載過程中主軸低速回轉，工作臺同時以不高于10 m/min速度移動，移動距離不大于160 mm，且整個加載過程中氣缸保持設定壓力不變；傳感器采集測試數據后傳送至氣動加載系統數據采集卡，最終反饋至上位機。

在主軸扭矩加載試驗方案中，模擬刀具與主軸連接，作為加載受力部件使用；扭矩傳感器一端連接工裝，另外一端連接磁粉制動器，組成扭矩加載裝置。工裝與加工中心的模擬刀具連接傳遞加載扭矩，磁粉制動器提供扭矩加載。在機床軸線加載試驗完成后，主軸停止轉動，使模擬刀具與工裝連接；然后按照給定的加載受力圖譜對扭矩加載系統進行設定，實現對加工中心主軸扭矩加載。加載過程中主軸低速回轉，整個加載過程中磁粉制動器保持設定加載扭矩不變；傳感器與功率分析儀采集測試數據后傳送至扭矩加載系統數據采集卡，最終反饋至上位機。

(a) 軸線加載試驗方案 (b) 主軸加載試驗方案圖1 加工中心可靠性試驗設計方案示意圖

2.2 加工中心可靠性試驗項目及流程

根據第1節中相關統計分析確定加工中心快速可靠性試驗強化試驗對象分別為主軸系統(含自動松拉刀系統)、刀庫和機械臂、數控系統、進給系統及其他子系統，與GB/T 23567.1-2009《數控機床可靠性評定 第1部分：總則》及GB/T 23567.2-2018 《數控機床可靠性評定 第2部分：加工中心》中規定的加工中心可靠性試驗項目相符合，加工中心加速可靠性試驗項目設計如表1所示。

表1 加工中心可靠性試驗項目設計

依據標準GB/T 23567.2-2018 《數控機床可靠性評定 第2部分：加工中心》中的規定，對加工中心可靠性試驗流程進行如圖2所示設計。

圖2 加工中心可靠性試驗流程

2.3 加工中心可靠性試驗條件及方法

在進行加工中心快速可靠性試驗時，應遵循下列試驗條件及方法：

(1)試驗過程中，機床應處于正常運行狀態，其潤滑、冷卻應正常開啟；

(2)試驗裝置應盡量安放在工作臺中間位置，并應牢固可靠；

(3)試驗過程中，加工中心空運轉預運行試驗時間不少于24 h；X、Y、Z軸加載試驗時間應分別不少于40 h；主軸加載試驗時間應不少于24 h；強化空運轉試驗時間應不少于24 h；

(4)X、Y、Z軸加載試驗(圖3a)均采用單一加載方式，各軸加載力大小為最大切削抗力的75%，各軸累積加載時間不少于16 h；

(5)主軸加載(圖3b)采用單一加載方式，加載扭矩為最大設計扭矩的K倍(100 N·m以下K為0.75，100 N·m～500 N·m時K為0.5，500 N·m以上K為0.1)；

(6)試驗時，每次加載的保持時間至少為5 min；

(7)每8 h檢查一次樣機的性能，包括噪聲，溫度和溫升，油、氣滲漏，部件運轉情況等；

(8)每4 h檢查工況條件，包括環境溫度、相對濕度、電源電壓等。

(a) 軸線加載 (b) 主軸加載圖3 加工中心加載試驗現場

3 加工中心可靠性試驗系統實現

加工中心可靠性試驗系統主要包括加載裝置、數據采集裝置以及數據分析處理系統三大部分，其總體構成如圖4所示。加載裝置包括軸線進給切削抗力加載裝置和主軸扭矩加載裝置，加載裝置通過模擬刀具與機床主軸相聯；數據采集系統分別對加載過程中涉及的加載力、扭矩、功率、加載時間等可靠性試驗參數進行采集，并將采集數據傳送至上位機進行存儲[11]；數據處理分析系統主要完成各種數據處理以及機床可靠性指標MTBF的評估。

圖4 加工中心可靠性試驗系統總體構架

3.1 加工中心軸線加載裝置的設計

軸線加載裝置應能根據預先給定的載荷譜穩定地輸出相應的軸向力，并能跟隨機床進給軸的進給運動。軸線進給加載裝置主要由氣動加載控制箱、氣動加載裝置、氣缸、力傳感器以及固定支架等部分構成，其結構如圖5所示。氣動加載控制箱主要作用是用于接收傳感器的反饋信號，通過內部運動控制卡運算后給氣動加載裝置發出控制指令，并將采集記錄后的試驗數據上傳至計算機；氣動加載裝置接收來自氣動加載控制箱的控制信號，通過控制內部電氣比例閥，實現氣缸推力的調節；力傳感器安裝于氣缸活塞桿頂端，加載時與模擬刀具接觸并將測量信號反饋至氣動加載控制箱，從而達到輸出力的閉環控制。

圖5 加工中心線性軸加載裝置結構圖

3.2 加工中心主軸扭矩加載裝置的設計

主軸扭矩加載裝置采用磁粉式制動器與主軸對拖式加載方案實現，其立式、臥式加載結構如圖6所示。主軸加載試驗中被測主軸通過刀具接口與模擬刀具相聯結，模擬刀具與測功機通過聯軸節聯結，測功機采用磁粉制動器作為加載源，通過調節勵磁電流，實現對主軸加載。

圖6 加工中心主軸扭矩加載裝置結構圖

3.3 加工中心可靠性試驗數據采集系統設計

數據采集系統由進給抗力數據采集器、主軸扭矩數據采集器、電參數測儀等部分組成。進給抗力數據采集器中壓力信號由活塞桿端部的壓力傳感器提供，加載計時信號由無觸點接近感應開關提供，采集器可以顯示總試驗時間、累計加載試驗時間、循環加載次數、實時進給抗力、抗力負額比等數據；主軸扭矩數據采集器中扭矩信號由對拖加載裝置中的扭矩傳感器提供，轉速信號由對拖加載裝置中的轉速傳感器提供，采集器可以顯示加載時間、總試驗時間、循環次數、主軸轉速、施加的扭矩大小等參數；電參數測試儀主要用來采集試驗過程中所涉及的各種電參數，試驗中電參數測試儀與機床控制柜相聯接，用于采集整個加載過程中如機床電壓、電流、功率等電參數。

4 加工中心可靠性試驗結果及評定

根據上述試驗方法與要求，本文以某型號立式三軸加工中心為樣機，使用文中所述可靠性試驗系統開展了快速可靠性試驗，試驗結果如表2所示。

表2 加工中心可靠性試驗結果匯總表

本次加工中心快速可靠性試驗總共進行了220 h，過程中產生了三次有效故障，包括兩次換刀故障與一次主軸報警，故障現象及故障分析見表3所示。按照標準中給出的點估計法評判可得出該加工中心的可靠性指標MTBF約為242 h。

除此以外，項目組利用設備故障維修系統對5臺同年購置的同一類型的加工中心近4年故障數據進行了統計分析，其統計結果如表4所示。根據統計數據可以得出該類加工中心現場跟蹤統計獲得的可靠性指標MTBF約為231 h，與快速可靠性試驗獲得的結果之間的差值僅僅是4.5%左右，由此證實了本文所述加工中心快速可靠性試驗技術的可行性和準確性。

表3 故障現象及故障分析

表4 加工中心故障數據統計匯總表

5 結束語

本文對加工中心快速可靠性試驗關鍵技術進行了較為系統的研究：在對加工中心故障模式、類型統計分析與故障機理研究的基礎上，確定了機械應力作為試驗強化應力；設計了加工中心快速可靠性試驗項目及流程和試驗條件及方法，研制了加工中心快速可靠性試驗系統，包括切削抗力加載裝置、主軸加載裝置和數據采集系統，為加工中心快速可靠性試驗開展提供了技術依據和硬件基礎；最后以某典型三軸加工中心為例開展了快速可靠性試驗，與同年生產的同型號產品歷史故障統計數據對比得出兩者之間的可靠性指標MTBF僅相差4.5%左右，驗證了本文所述加工中心快速可靠性試驗技術的可行性和準確性，為后續其他類型數控機床快速可靠性試驗技術研究提供了參考。