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              惠州捷耀數控機械有限公司
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              廣東臥式鏜銑床廠家概述數控機床可靠性

              發布日期:2020-06-16 作者: 點擊:

              編者按:近些年,我國機床行業發展迅速,尤其是數控機床的產量大幅增加。但是,國產數控機床在國際上卻難以占據制高點,究其原因,可靠性是國產數控機床飽受詬病的重要問題。本刊特邀我國著名的從事可靠性研究的專家——張根保教授主筆,撰寫“數控機床可靠性技術”系列專題文章,從設計、制造、管理等各個層面由淺入深地對數控機床可靠性技術進行剖析,對提高我國機床產品的可靠性具有重要的指導意義。

              本專欄由《制造技術與機床》雜志獨家策劃、刊登,預計刊載周期為一年半左右,請有興趣的讀者多加關注。


              張根保:男,1953年生,重慶大學教授,機械制造專業博士生導師,重慶大學機械設計制造研究所所長。長期從事先進制造技術、計算機集成制造系統、數控機床可靠性、現代質量工程、企業信息化等方面的研究。先后主持和參加了國家科技重大專項、國家高科技計劃項目、國家自然科學基金重點項目等60余項。先后獲省部級科技成果一等獎1項、二等獎2項。發表學術論文200余篇。



              數控機床可靠性概述


                數控機床是裝備制造業的“工作母機”,是實現國家工業化和現代化的基礎裝備,其性能、質量和擁有量是衡量一個國家工業現代化水平和綜合國力的重要標志。目前,高速、高效、自動化、高精度和高可靠性是現代數控機床發展的主要趨勢。而我國高檔數控機床與世界先進水平相比,產品在運行過程中發生故障的頻率高、壽命周期短、性能不穩定、可靠性差??煽啃宰鳛楹饬繑悼貦C床性能的重要指標,多年來一直困擾著我國數控機床行業的發展,嚴重影響了國產數控機床的市場競爭力。因此如何提高數控機床的可靠性已成為我國裝備制造業面臨的重大課題。作者所在的團隊于2014年在《制造技術及機床》雜志第四期上發表了“數控機床可靠性方法論:8341工程”的文章,系統的介紹了制造企業可靠性工程實施的方法論,本文主要對數控機床可靠性相關知識進行概述,并為8341可靠性工程在企業的實施提供基礎理論。


                1?數控機床可靠性的基本概念


                可靠性的定義Z初是由Robert Lusser在1952年提出的,他認為,產品的可靠性就是“產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力”。在我國的GB318-82標準中,也對可靠性下了類似定義。從可靠性的定義可以看出,可靠性是質量的一種屬性,是產品的一種能力,是產品在“三個規定”的條件下滿足成功使用的概率[1-2],可靠性在很大程度上代表了產品的“可用性”。根據可靠性的定義,在衡量數控機床的可靠性時,“規定的條件”就是機床在設計時確定的產品使用環境和工作條件,一般包括加工尺寸、切削用量、切削功率、使用環境條件、加工材料等;“規定的時間”指的是設計確定的運行壽命,也可以是機床大修前的年限,還可以是可靠性考核時確定的任何年限;“規定的功能”是指機床設計時確定的功能,例如加工中心可以完成鉆、銑、鏜、鉸、攻絲等功能。


                數控機床的可靠性一般與故障相關,故障可分為功能性故障和非功能性故障。如果數控機床在運行過程中功能性故障很少,機床處于“隨時可用”狀態,則其可靠性就高;反之,如果數控機床功能性故障頻出,經常需要停機維修,則其可靠性就差。值得注意的是,數控機床中的一些非功能性故障并不直接影響機床的正常運行,如漏油、異響、輕微振動、安全門開關費力等,但它們的存在反映了數控機床的整體質量水平,同時也為功能性故障的發生埋下了隱患,制造企業在進行產品和制造時必須同時關注功能性故障和非功能性故障。機床用戶對產品可靠性Z關心的問題是降低數控機床運行過程中故障率,減少功能性故障的發生,使機床處于“隨時可用”的狀態。


                2?可靠性的數學基礎


                數控機床的可靠性是在“三個規定”同時滿足情況下所展現出的“可用性”能力。由于產品故障的發生是隨機的,因此可靠性是個統計概念,一般需要采用數理統計的語言去描述。描述數控機床可靠性的指標主要有以下幾種[3-4]:


                (1)可靠度與故障概率分布函數


                數控機床可靠性的高低通常用可靠度來表征,記為R,由于它是時間t的函數,故也記為,稱為可靠度函數,其數學表達式為:


                式中,T表示機床從開始工作到發生故障的時間,t表示某一規定的時間,為故障密度函數。通常情況下,的值越大,表明數控機床的可靠性越高,反之亦然。


                與可靠度相對應的是不可靠度,即故障概率分布函數,由于它也是時間t的函數,因此常用來表示,其數學表達式為:


                由式(1)與式(2)可知,可靠度與故障概率分布函數之間具有互補關系,即,如圖1所示。


                (2)故障率


                故障率是指工作到某時刻t尚未發生故障的機床,在該時刻t以后的下一個單位時間內發生故障的概率,記為,其數學表達式為:


                故障率是數控機床可靠性常用的數字特征之一,它可以直觀地反映機床在每個時刻的故障情況,故障率越高,則可靠性就越低,反之亦然。數控機床可靠度、故障概率分布函數、故障密度函數以及故障率之間的關系如表1所示。


                (3)平均故障間隔時間


                平均故障間隔時間是指數控機床相鄰兩次故障間工作時間的平均值,用MTBF(Mean Time Between Failure)表示,它是故障間隔時間的數學期望,代表了機床的“可用性”,其數學表達式為:


                簡化計算公式為:


                式中,表示在評定周期內機床累計故障頻數,為機床抽樣臺數,表示在評定周期內第i臺機床的實際工作時間(h),表示在評定周期內第i臺機床出現的故障頻數。


                (4)維修度與維修密度


                數控機床的可用性除了與故障有關外,還與維修性有關。數控機床維修性的定義是在規定條件下和規定時間區間內,按規定的程序和方法進行維修時,機床保持或恢復到規定狀態的能力。數控機床維修性的高低通常用維修度來表征,記為M,由于它是時間t的函數,故也記為,稱為維修度函數,其數學表達式為:


              式中,T表示機床完成維修的時間,t表示某一規定的時間,為維修密度函數,其數學表達式為:


              (5)修復率


              修復率是指到時刻t尚未修復的數控機床,在該時刻t以后的下一個單位時間內被修復的概率,記為,其數學表達式為:


              (6)平均維修時間

              平均維修時間就是數控機床發生故障后用于實際維修的平均時間,用MTTR(Mean Time To Repair)表示。也許數控機床的可靠性非常高,在運行過程中很少發生故障,但是一旦發生故障就要花很長的時間、很多的人力物力財力來進行修理,顯然這樣的數控機床利用率也不高。平均維修時間是機床維修密度函數的數學期望值,記為,其數學表達式為:



              (7)可用度


              數控機床的可用性表示可維修機床在某一時刻具有或維持規定功能的能力,是可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映,是用戶Z關心的特性。機床可用性的高低由可用度來表征,其數學表達式為:


                

              可見越高,表示機床的有效工作程度就越高。從式(10)中可以看出,提高數控機床可用度的方法是增長MTBF和縮短MTTR。


              (8)精度壽命


              精度壽命是指機床在規定加工條件,規定加工任務的情況下,其精度保持在規定的范圍內的時間,它是針對數控機床特點而產生的一種衡量可靠性的指標。精度壽命越長,機床在沒有其他故障情況下可工作的時間也就越長,其可用性也就越好。


              3?數控機床可靠性的主要內容


              提高數控機床的可靠性既是重要的技術問題,也是企業的管理問題,因此從產品全壽命周期的角度來說,數控機床可靠性的主要內容包括可靠性設計、制造可靠性、可靠性試驗、可靠性管理以及運行可靠性5個部分,如圖2所示。


              (1)可靠性設計方面


              可靠性設計是在綜合考慮產品的性能、可靠性、費用和設計等因素的基礎上,通過采用相應的可靠性設計技術,使產品在全壽命周期內符合所規定的可靠性要求。產品可靠性首先是設計出來,其次才是制造出來的。因此,機床的設計過程在提升可靠性方面具有重大作用??煽啃栽O計的主要內容概括起來可以有以下幾個方面:


              ①建立可靠性模型,進行可靠性指標的預計與分配??煽啃越J歉鶕煽啃苑治龅男枨?,針對機床的結構建立邏輯分析模型。在此基礎上預測機床的可靠性水平、找出薄弱環節,逐步合理地將可靠性指標分配到機床的各個層面上去。在機床的設計階段,應反復多次地進行可靠性指標的預計和分配。隨著機床設計的不斷深入,可靠性建模和可靠性指標的預計、分配也應不斷地修改和完善。


              ②可靠性分析??煽啃苑治霭ü收蠘浞治?、故障模式影響及危害性分析、應力分析、熱分析等。通過可靠性分析發現和確定機床的缺陷和薄弱環節,從而進行針對性的改進設計以消除相應的缺陷和薄弱環節。


              ③采用各種有效的可靠性設計方法,包括制訂和貫徹可靠性設計準則、優化設計、靈敏度設計、穩健設計、冗余設計、熱設計、耐環境設計等,并把這些可靠性設計方法和機床的設計工作結合起來,減少機床故障的發生,Z終實現可靠性的要求。


              (2)制造可靠性方面


              制造是可靠性的重要環節,它與設計過程共同形成產品的固有可靠性。制造可靠性的內容包括以下幾個方面:


              ①外購件的質量與可靠性控制

              除了滾珠絲桿、直線導軌、軸承外,大多數機床外購件往往屬于小批量生產,供應商的質量保證能力不強,產品質量與可靠性問題頻出。為了提高零部件的質量和可靠性,必須從供應商質量管理能力提升和產品質量入廠把關入手,才能Z終提高零部件質量和可靠性。


              ②加工一致性控制

              零部件的加工精度對產品性能穩定性和可靠性具有很大影響,為了提高機床的性能和可靠性,必須對其零部件的加工精度進行控制,提高零部件加工質量的一致性。提高加工一致性的手段主要是提高過程能力指數。


              ③可靠性驅動裝配

              據調查,裝配環節造成的機床故障會占到總故障數的40%以上,因此,對裝配過程進行可靠性控制是非常重要的,包括可靠性裝配工藝、清潔裝配和無應力裝配。


              (3)可靠性試驗方面


              試驗是保證和提高產品可靠性的重要技術手段,可以說,沒有試驗就沒有可靠性??煽啃栽囼炇菍C床的可靠性進行調查、分析和評價的一種手段,其目的是發現在設計、材料、制造、裝配工藝方面的各種缺陷,為改善機床的性能,提高可靠性水平,減少維修及保障費用提供科學依據。機床的可靠性試驗從功能來說包括功能部件可靠性試驗和整機可靠性試驗;從試驗所處的階段來說包括研發階段的可靠性增長試驗、產品驗收試驗和早期故障消除試驗;從試驗場地看包括實驗室試驗、制造現場試驗和運行現場試驗;從試驗手段看包括空運轉試驗、加工試驗和加速加載試驗。圖3、4給出作者所在團隊進行功能部件以及整機可靠性試驗現場的部分情況。


              (4)可靠性管理方面


              國產數控機床可靠性差除了技術水平差外,很大原因在于管理技術的落后。包括人員的素質差、工作的隨意性強、缺乏成熟的可靠性管理標準(包括設計標準、試驗標準、管理標準等)和系統的可靠性管理體系。因此,為了從本質上提高國產數控機床的可靠性,需要在企業建立系統的可靠性管理體系,并持續在企業實施。作者所在的團隊先后在寧江機床、秦川機床、浙江亞威、揚州鍛壓等企業建立起完整的可靠性管理體系,在提升上述企業的產品可靠性方面發揮了較大作用??煽啃怨芾眢w系一般包括以下內容:可靠性組織機構和職責、可靠性數據管理規范、可靠性評審管理、可靠性檢核表系統、可靠性評價管理、油品管理辦法、可靠性推進中的激勵制度、產品研發階段可靠性文件及規范、加工階段可靠性控制文件及規范、裝配階段可靠性控制文件及規范、安裝調試及用戶可靠性管理規范、可靠性實驗文件及規范、采購可靠性控制文件及規范等。


              (5)運行可靠性方面


              機床的運行可靠性包括機床的安裝調試、維護保養、維修、運行環境控制、加工條件控制等。統計數據表明,機床由于運行因素引起的故障會占到總故障數的20%左右,因此必須重視機床運行過程中的可靠性問題。


              作者所在的團隊開發了用戶開機強制維護保養界面(圖5),可以強制用戶在運行機床前對機床進行必要的保養。同時對數控機床運行過程中的工作參數進行監控(圖6),可以實現對工作環境(濕度、溫度、振動、灰塵等)、油液清潔度和極限加工條件進行預警,及時發現機床運行中的故障苗頭,為機床的運行可靠性提供保障。


              4 國內外數控機床可靠性的發展


              4.1?國外數控機床可靠性研究及應用


              國外可靠性研究雖然起步較早,但直到上世紀70年代,前蘇聯機床研究機構—金屬切削機床科學實驗研究院才率先開展了數控機床可靠性的研究工作。機床專家A.C.普羅尼科夫組織了一批科學技術人員,根據數控機床的特性與結構特點,從工藝角度出發對機床可靠性進行了專門的研究,建立了機床可靠性技術的一些基本理論和方法,包括機床工藝可靠性的一般模型、機床工藝可靠性的試驗方法及工藝可靠性的控制等,并出版了論述數控機床精度與可靠性的專著[5]。隨后,俄羅斯的研究人員對機床的可靠性進行了廣泛而深入的探索,在機床可靠性設計、制造和試驗、故障數據的統計分析等方面均取得了卓有成效的成果[6-8]。


              從上世紀80年代開始,歐美、日本等工業發達國家也相繼開展了數控機床可靠性技術的研究,其主要側重點是從數控機床的現場可靠性信息采集入手,建立可靠性信息數據庫,開發故障分析和可靠性評價軟件,對現場采集的故障信息進行分析和處理,找出機床故障的分布規律和薄弱環節。英國布拉德福德大學的Keller等耗時3年跟蹤記錄了約35臺數控機床的現場故障數據,分別用對數正態分布和威布爾分布,對故障間隔時間和維修時間進行了建模分析[9],國際上其他一些高校亦進行了類似的研究工作,并取得一些研究成果[10-11]。德國制定了嚴格的產品安全標準和法規,在機床產品制造、裝配、檢驗的全過程都有質量和可靠性保障體系,數控機床廠商也非常重視產品售后的故障信息反饋和可靠性分析[12]。美國的大學對可靠性、維修性分布模型著重進行了研究,如Gupta利用時間序列分析的方法確定了數控機床的維修策略[13],Arts等研究了多種故障模式條件下混合壽命分布參數估計的問題[14]。日本新瀉大學的藤井義也教授等對45臺臥式加工中心和25臺立式加工中心在日本的機床用戶進行了現場跟蹤,他們將加工中心分為數控裝置、機床本體及附屬裝置三大類進行分析,結果表明當時日本臥式加工中心的MTBF值為700小時,立式加工中心MTBF值為824小時[15-16]。從記錄結果可以看出,機床本體故障占一半,是數控機床可靠性的薄弱環節。日本機床企業通過可靠性設計規范、故障模式影響分析和可靠性檢查表、建立故障分析案例庫不斷的提高機床產品的可靠性。此外,其他各國一些學者對影響數控機床可靠性的因素進行了研究分析[17-20],Das等人則對單元數控機床中的機床可靠性和預防性維修規劃進行了研究[21];Kim等人用FMEA對數控機床的可靠性進行了評估,并介紹了兩款基于WEB的分析軟件[22-24]。通過幾十年的持續努力,國外數控機床的可靠性普遍達到較高的水平,整機MTBF都在2000小時以上,部分產品聲稱可以達到5000小時。在學術研究方面,國外對可靠性的研究,引領了數控機床可靠性技術的發展,他們對新技術、新方法、新理論的大膽探索值得國內同行借鑒。


              4.2?國內數控機床可靠性研究及應用


              國內數控機床可靠性的研究始于上世紀80年代末期,當時主要進行的工作是調查研究部分數控機床的可靠性,以便對我國數控機床的可靠性進行摸底和初步考核。進入上世紀90年代,數控機床可靠性的基礎研究工作被列入國家重點科技攻關項目。在“八五”、“九五”期間,我國先后組織了吉林大學、北京機床研究所、沈陽機床廠、大連機床廠等多家單位進行了數控機床可靠性的基礎研究和攻關,開展了數控機床可靠性及數控系統的故障模式收集與分析、故障數據庫建立、數控車床載荷譜建立和可靠性增長等基于數理統計方法的可靠性研究;建立了我國第一個專門的數控機床可靠性研究所—吉林大學裝備可信性研究所;在國家重點科技攻關項目和國家“863”項目中,就數控機床可靠性問題進行了較為全面深入的研究,并取得了階段性成果,為進一步開展數控機床可靠性研究奠定了基礎。到2000年底,參加數控機床科技攻關企業相關產品的MTBF值均大于400小時,說明國產數控機床的可靠性已有一定程度的提高[25]。


              近幾年,國內對數控機床可靠性的研究范圍越來越廣。吉林大學團隊在賈亞洲教授的帶領下,通過對現場故障數據的采集,對多種型號數控車床和加工中心進行了故障分析,提出了相應的改進措施,并得出了多種數控機床故障間隔時間和維修時間的可靠性模型[26-33];蘇春等對傳統可靠性建模方法在描述時間與機床動態過程方面存在的缺陷進行了分析,并給出了動態可靠性的定義及理論體系[34];劉學軍將數控機床可靠性研究工作與網絡聯系起來,開發了可靠性智能網絡信息機床,并建立了可靠性異質數據庫共享集成模型[35];賈志成等通過對國內機床與德國機床進行現場跟蹤與試驗,通過故障模式對比分析,找到國產機床與德國機床故障模式的差異性[36];王濤研究了數控機床可靠性設計的理論、方法和技術,從數控機床設計的可靠性工程角度出發,研究了在不同機床設計階段,如何提高機床設計的可靠性[37];高萍對基于可用度約束的維修費用Z小的計劃維修周期決策模型進行了探索[38];王智明等對數控機床的可靠性評估和預防維修策略進行了研究[39-41];陳琦建立了基于可靠性的單個產品預防性維護優化模型,綜合考慮企業的生產與維護兩方面的情況,減小大修維護造成的停機損失,同時考慮了不同維護活動對機床可靠性的動態變化影響情況[42]。


              在國家《高檔數控機床及基礎制造裝備》科技重大專項的支持下,重慶大學研究團隊與國內多家企業合作,對數控機床的可靠性進行了一系列探索。在機床可靠性設計方面,提出了基于任務的數控機床可靠性分配技術,并利用GO-FLOW法完成了分配模型的實現[43-45];在機床可靠性試驗方面,對加工中心功能部件雙工位數控轉臺的可靠性強化實驗方法進行了研究,確定了加速因子的類型和水平,給出了強化試驗綜合應力剖面,并對結果進行了深入分析[46-47];在機床制造和裝配方面,提出了“裝配可靠性”的概念,并對裝配可靠性的理論、方法和建模進行了一系列研究[48-53];在機床可靠性評估方面,建立了臥式加工中心的浴盆曲線的數學模型,對模型進行了應用[54-57]。


              另外,吉林大學在可靠性現場試驗方面,東北大學在可靠性設計方面,機床國檢中心在可靠性試驗方面都開展了大量的工作,形成各自的團隊,取得一批研究成果。


              從2009年起,《高檔數控機床與基礎制造裝備》重大專項主要針對各類大型、高精度數控機床展開研究,其中提高數控機床的可靠性是該專項的重要任務之一,Z終目標是使國產高檔制造裝備的可靠性得到實質性的提高。通過5年多時間的努力,大部分專項產品的可靠性水平基本達到了MTBF值900小時的目標,在接下來的幾年里將繼續開展可靠性共性關鍵技術的研究,使得高檔數控機床MTBF的目標值達到2000小時,從而基本達到國際先進水平。


              5 目前存在的主要問題


              綜上所述,數控機床可靠性的研究,其基本理論、基本方法已日漸成熟,但是面對未來裝備制造業對國產數控機床可靠性提出的更高要求,目前仍存以下幾點不足:


              (1)企業領導和全體員工的可靠性意識不強,缺乏可靠性控制的技術手段,特別是設計分析工具、實驗平臺等。另外,由于可靠性是質量的一種屬性,但成熟的質量管理方法在可靠性工程中的應用還不夠。


              (2)由于前期數控機床可靠性研究工作主要集中在數控機床故障率分布模型、可靠性綜合評價方法上,對于機床企業而言,這些研究成果有利于機床生產商了解其機床的可靠性現狀,但對提高機床的可靠性水平幫助不大。


              (3)提高國產數控機床的可靠性,還需要從打造企業的可靠性增長能力(包括設計預防能力、制造控制能力、試驗改進能力和管理保障能力)入手,增強企業自身的“可靠性”素質,才能確保制造出比國外更可靠的產品。因此,要在國內機床企業推行8341工程,要強化全生命周期可靠性的理念,打造企業的可靠性提升能力。


              (4)用戶的使用對數控機床可靠性的影響極大,大部分用戶都不會嚴格按照使用說明書對機床進行使用和保養,造成機床的故障頻出,精度很快喪失,因此還需要對用戶的使用條件和維護保養進行強制管理,各機床制造企業與用戶之間的溝通還需加強。


              作者:張根保?柳?劍(重慶大學機械工程學院


              本文網址:http://www.alghora.com/news/1181.html

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