李 南，盧曉紅，韓鵬卓，武文毅

(大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024)

數(shù)控機床及其關鍵功能部件可靠性研究綜述*

李 南，盧曉紅，韓鵬卓，武文毅

(大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024)

目前我國數(shù)控機床及其關鍵功能部件的可靠性水平與國外差距明顯。而可靠性已經成為衡量數(shù)控機床及其關鍵功能部件性能好壞的重要指標之一，因此，數(shù)控機床及其關鍵功能部件可靠性研究迫在眉睫。文章在國內外大量相關可靠性研究的基礎上，歸納總結了數(shù)控機床可靠性故障數(shù)據(jù)的分析及處理方法、可靠性評價方法、可靠性增長技術及可靠性試驗技術;分析了數(shù)控機床關鍵功能部件可靠性研究與整機可靠性研究的不同之處，提出了數(shù)控機床整機及關鍵功能部件可靠性研究方案及展望。

功能部件;數(shù)控機床;可靠性

0 引言

數(shù)控機床產業(yè)是為裝備制造業(yè)和國防軍工提供基礎裝備的戰(zhàn)略產業(yè)，是裝備制造業(yè)的核心，其發(fā)展水平關乎國家安全和國民經濟的發(fā)展。當今世界，數(shù)控機床的擁有量及其性能水平的高低已成為衡量一個國家綜合制造實力的重要標志之一，其作為現(xiàn)代制造業(yè)的主流加工設備，已成為國際制造業(yè)和國防工業(yè)競爭的焦點。歷史和現(xiàn)實表明，發(fā)展強大的數(shù)控機床產業(yè)是提高國家機械工業(yè)競爭力的重要保證。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機床的使用已經越來越普遍。我國數(shù)控裝備在可靠性方面與國外差距顯著。首先，國產數(shù)控機床整機的可靠性水平與進口數(shù)控機床相比處于劣勢，尤其是高檔加工中心及車銑復合數(shù)控加工裝備的可靠性指標明顯低于歐美日等國生產的數(shù)控機床。其次，與數(shù)控機床配套的功能部件，如數(shù)控刀架、刀庫、直線導軌、滾珠絲杠，機械手、主軸，還有一些專用的定位、檢測、報警裝置等的可靠性水平與國外相比差距更大。其大多依靠進口，拖了數(shù)控機床主機發(fā)展的后腿，成為數(shù)控機床產業(yè)發(fā)展的瓶頸。

我國已經認識到這種差距，在“八五”、“九五”及“十五”期間，均將數(shù)控機床可靠性研究作為國家重點科技攻關項目，“十一五”期間把數(shù)控機床及其關鍵功能部件可靠性研究放在首要位置，列為科技重大專項重要研究內容。本文結合國家“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項“大型鏈式刀庫和高速盤式刀庫及自動換刀裝置開發(fā)研究”，對國內外數(shù)控機床及其關鍵功能部件可靠性研究進行歸納分析，結合現(xiàn)有可靠性分析數(shù)據(jù)，對數(shù)控機床及其關鍵功能部件可靠性研究現(xiàn)狀及研究方法進行論述，探索數(shù)控機床及其關鍵功能部件的可靠性研究及可靠性試驗的可行方案，以期為數(shù)控機床及其功能部件可靠性水平的提升提供參考。

1 數(shù)控機床整機可靠性研究概述

1.1 國外數(shù)控機床可靠性研究

可靠性技術研究是從1957美國著名的《軍用電子設備可靠性報告》［1］開始的。這個報告被公認為是電子產品可靠性理論和方法的奠基性文件。從此，可靠性學科逐步發(fā)展為一門獨立的學科。而機床可靠性的起源要追溯到20世紀70年代的前蘇聯(lián)，AC.普羅尼科夫［2］等學者專門從事機床可靠性的研究，主要進行機床參數(shù)故障模型、工藝可靠性以及可靠性預測等方面的研究。隨著現(xiàn)代數(shù)控技術的發(fā)展，國外新一代數(shù)控機床可靠性研究學者對數(shù)控機床可靠性技術進行了更加深入的研究。

20世紀80年代，以美國為代表的一些工業(yè)發(fā)達國家開始了對機床可靠性技術的研究。他們對數(shù)控機床進行現(xiàn)場跟蹤試驗，收集了大量的故障數(shù)據(jù)，分析處理所獲得的故障數(shù)據(jù)并進行可靠性評價，研究故障數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，找到數(shù)控機床可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，從而進行可靠性增長設計，實現(xiàn)數(shù)控機床的可靠性增長［3］。德國［4-5］則是對機床用戶反饋的故障信息進行可靠性分析，建立了機床診斷與預測系統(tǒng)，并在數(shù)控機床的設計、制造及裝配過程中建立了可靠性保障體系。而日本則是對數(shù)控機床進行故障診斷與分析，研究數(shù)控機床的故障模式與故障原因，對數(shù)控機床可靠性水平的提升有重要的意義。英國［6-7］將模糊理論運用到數(shù)控機床的可靠性故障數(shù)據(jù)的分析及處理中，解決了可靠性技術中的一些不確定性問題。意大利［8］將可維修系統(tǒng)的R＆M(可靠性及維修性)分析應用于一系列機床上。應用壽命數(shù)據(jù)分析，描述可維修部分的故障分布，最后給出了整個機床的R＆M方法。近幾年，數(shù)控機床可靠性技術取得了深入的進展，由傳統(tǒng)的定性分析到定量計算，并且計算機輔助可靠性技術的產生大大推動了數(shù)控機床可靠性技術的發(fā)展。

1.2 國內數(shù)控機床可靠性研究

20世紀80年代開始，我國開始重視機械可靠性的研究。經過了30多年的探索，我國數(shù)控機床可靠性水平得到了一定程度的提升。在“八五”、“九五”及“十五”期間，數(shù)控機床可靠性研究作為國家重點科技攻關項目，取得了豐碩的研究成果?！笆晃濉逼陂g，國家“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項正在逐步實施，對數(shù)控裝備(數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床關鍵功能部件)的可靠性技術研究及數(shù)控機床產品的可靠性水平的提升和考核給予高度關注。國內各高校針對可靠性設計、可靠性計算方法、可靠性評估及可靠性分配及可靠性評價模型等方面開展了大量的研究。

張新民、李彥文［9-10］分析了傳統(tǒng)設計方法與可靠性設計方法在設計思想及設計原理上的區(qū)別，從機械工程現(xiàn)代設計方法出發(fā)，在所建立的R-S干涉模型的基礎上，綜合論述了 JC法、Monte-Carlo法及Monte-Carlo有限元法等5種機械可靠性設計的工程方法及特點。王元文、陳連［11］對多維機械可靠性設計方法進行了系統(tǒng)的研究，對可能存在的各種情況進行分析并提出處理意見，將多維可靠性設計轉化為求解非線性方程組，然后用數(shù)值方法求解;對一般可靠性設計方法進行分析，指出其存在的不足;提出了剩余可靠度的概念，建立了剩余可靠度之和為極小化目標函數(shù)，可靠性條件和邊界條件為約束的機械可靠性優(yōu)化設計的數(shù)學模型，編制了相應的計算機程序;對過盈聯(lián)接的可靠性優(yōu)化設計進行了研究，并用實例驗證了研究結果的正確性。

可靠性本身是一個定性的概念，可以運用概率論與數(shù)理統(tǒng)計相關數(shù)學基礎知識將其進行定量化計算。高永強、王善坤［12］采用一般概率攝動有限元法的邊值求解方法，推導了多隨機參數(shù)系統(tǒng)周期解穩(wěn)定性的靈敏度和可靠性計算公式，分析了各隨機參數(shù)對旋轉機械故障特征的影響，可以得知故障發(fā)生時，需要首先修改哪些參數(shù)，從而可以減小或根治該類故障發(fā)生。東北大學［13］研究了五軸加工中心的運動學的可靠性計算方法。運用蒙特卡洛法，推斷出了VMC650五軸數(shù)控機床的運動學的可靠性的數(shù)學模型。該機構的運動學可靠性的計算方法是通過點估計與跟蹤估計提出的。運動可靠性分析為提高機床的加工精度及工作壽命提供了理論參考。

數(shù)控機床是高成本的產品，不能僅靠壽命試驗獲得數(shù)控機床的失效時間，研究數(shù)控機床的性能隨時間而變化的規(guī)律，從而對數(shù)控機床進行可靠性評估是非常有意義的。Wu Jun，Deng Chao，Shao Xinyu以及天津工程師范學院的李斌、盧海龍［14-15］等基于性能退化數(shù)據(jù)提出了可靠性評估方法。性能退化數(shù)據(jù)包括大量的數(shù)控機床的可靠性信息，即使通過壽命試驗無法獲得數(shù)控機床的失效時間，數(shù)控機床的可靠性及壽命同樣可以通過性能退化數(shù)據(jù)進行評價。提出了基于退化量分布的可靠性評估方法，將退化量在某時刻所服從Weibull分布的參數(shù)均視為時間的函數(shù)，利用退化數(shù)據(jù)找出它們與時間的關系，然后再利用性能可靠性評估方法對數(shù)控系統(tǒng)可靠性進行評估。這種評估方法直接利用性能退化數(shù)據(jù)，原理清晰、計算簡單，避免了首先對軌跡參數(shù)進行分布假設的缺陷，更加符合數(shù)控系統(tǒng)性能退化的實際情況。上海交通大學［16-17］運用威布爾混合模型研究了多種數(shù)控機床定時截尾試驗的可靠性評價問題。運用廣義期望最大化(GEM)算法估計混合威布爾模型的參數(shù)，基于赤池信息準則與貝葉斯信息準則，提出了多種數(shù)控機床定時截尾試驗的模型選擇與故障間隔時間的參數(shù)估計的方法。結果顯示混合模型比單一模型更適于評價數(shù)控機床的可靠性，并且運用蒙特卡洛仿真方法擴大了小樣本數(shù)據(jù)的樣本規(guī)模，進而提高區(qū)間估計的準確性。吉林大學與大連理工大學［18-19］將模糊理論運用到數(shù)控機床可靠性研究中。提出了基于區(qū)間分析的數(shù)控機床綜合模糊可靠性分配方法以及評價數(shù)控機床的使用可靠性的綜合評價模型，并且計算了可靠性指標的估計值。

2 數(shù)控機床可靠性試驗的發(fā)展及現(xiàn)狀

數(shù)控機床可靠性試驗是可靠性研究一個非常重要的環(huán)節(jié)，是對數(shù)控機床產品可靠性水平進行分析和評價的一種方法。數(shù)控機床可靠性試驗的目的是充分暴露產品在設計、制造和裝配過程中的各種缺陷，進而為改善產品可靠性奠定基礎?？煽啃栽囼灠丛囼瀳鏊牟煌挚煞譃閷嶒炇以囼灪同F(xiàn)場跟蹤試驗，按截尾方法分為定時截尾試驗和定數(shù)截尾試驗等。可靠性試驗按試驗目的的不同可分為綜合試驗和工程試驗?？煽啃跃C合試驗包括模擬加載性能試驗、加速壽命試驗及失效分析等研究內容。綜合試驗首先要設計制造試驗臺，其次根據(jù)產品可靠性綜合試驗計劃安排試驗，根據(jù)得到的試驗結果，分析試驗條件、環(huán)境條件、失效模式、失效判據(jù)、任務剖面、試驗剖面、性能檢測點及檢測周期等，為產品設計改進提出建議。而工程試驗的研究內容包括設計環(huán)境應力加載方式與方法，進行篩選試驗，篩除早期故障，目的是迫使存在于產品中的會變成早期故障的缺陷提前變成故障，以便在產品投入現(xiàn)場使用前就加以糾正;通過統(tǒng)計模型、環(huán)境應力、應力水平、試驗順序研究，加速壽命試驗中設計額定應力最大值和設計應力極限值研究，破壞性評估試驗中應力步進的步長研究。進行加速壽命試驗的目的是讓一臺或多臺試驗產品承受加強的環(huán)境應力，從而使失效顯現(xiàn)得比正常使用環(huán)境要快。

國外最初將可靠性試驗技術應用在電子領域，起步較早。直到20世紀70年代后期，可靠性試驗才逐步應用在機械產品領域。1977年，美國JLC(聯(lián)合后勤司令部)成立了機械系統(tǒng)可靠性試驗小組，主要研究機械設備的可靠性試驗存在的問題，制定可靠性試驗程序和規(guī)范，并發(fā)展新的可靠性試驗方法。

國內的可靠性試驗研究起步較晚，最初同樣是將可靠性試驗技術應用于電子領域，自70年代末以來，開展了大量的壽命與可靠性的研究工作。

現(xiàn)階段，數(shù)控機床可靠性試驗主要是早期故障試驗及現(xiàn)場跟蹤試驗，前者的目的是激發(fā)產品的早期故障，并采取相應措施消除故障，而后者通過采集現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)，為可靠性增長及可靠性設計提供數(shù)據(jù)基礎。

3 數(shù)控機床關鍵功能部件可靠性研究

數(shù)控機床屬于高新技術產業(yè)，而功能部件是高新技術產業(yè)里面的單元技術載體，對數(shù)控機床的功能擴展和性能提升起著極為重要的作用。數(shù)控機床的功能部件主要包括數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、滾珠絲杠、直線導軌、伺服電機、NC工作臺、刀庫及換刀裝置、數(shù)控刀架和防護裝置等。數(shù)控機床關鍵功能部件作為數(shù)控機床最重要的組成部分之一，其可靠性水平直接影響數(shù)控機床整機的可靠性水平。關鍵功能部件的可靠性研究與數(shù)控機床整機的可靠性研究有很多不同之處，因此不能照搬整機可靠性設計、評價及增長技術的研究，目前國內外對數(shù)控機床關鍵功能部件的可靠性研究尚處于起步階段，仍需投入大量的研究工作。

目前對數(shù)控機床及其零部件的可靠性評價多采用平均故障間隔時間、平均修復時間、固有可用度及精度保持時間等與時間相關的指標來綜合評定。吉林大學的宗立華［20］對數(shù)控刀架進行的可靠性研究中增加了平均首次故障時間等評價指標，更加全面地評價數(shù)控刀架的可靠性。在采用傳統(tǒng)的可靠性評價指標的同時，提出了專門針對數(shù)控刀架產品的時間評價指標與轉位次數(shù)相結合的評價指標。由于數(shù)控刀架故障的產生與其轉位換刀過程有著很大的聯(lián)系，而在實際工作過程中，刀架并不是一直處于轉位工作狀態(tài)，便提出進行關于轉位次數(shù)的評價指標，即在試驗過程中對刀架的轉位次數(shù)進行計數(shù)。轉位次數(shù)評價指標可以準確地評定數(shù)控刀架的可靠性，對數(shù)控刀架的可靠性評價具有非常重要的意義。加工中心自動換刀系統(tǒng)作為數(shù)控機床關鍵功能部件之一，其可靠性水平直接影響著整機的可靠性水平。吉林大學的許彬彬、楊兆軍等人［21］對大連機床廠生產的圓盤式刀庫進行了自動換刀系統(tǒng)的可靠性試驗。傳統(tǒng)的加工中心可靠性現(xiàn)場試驗具有試驗周期長、試驗無法再現(xiàn)的缺點，為了克服可靠性現(xiàn)場試驗的缺點，研制了加工中心自動換刀系統(tǒng)可靠性試驗臺，引入加工中心自動換刀系統(tǒng)的可靠性實驗室試驗。通過計算機和PLC的控制，實現(xiàn)自動換刀系統(tǒng)的換刀工作。實驗室試驗證明了自動換刀系統(tǒng)的試驗臺結構和控制程序的合理性，對提高加工中心自動換刀系統(tǒng)的可靠性有明顯的幫助。針對高檔數(shù)控機床關鍵滾動功能部件產品的可靠性問題，漢江機床有限公司［22］專門進行了研究，其設計思路包括五部分:指標確定及體系研究、試驗與失效分析、產品性能及可靠性與壽命評估方法、試驗標準制定、可靠性管理技術，詳細介紹了其可靠性設計過程，并介紹了部分試驗結果，為滾動功能部件的可靠性研究提供了有益的參考。

4 數(shù)控機床整機及關鍵功能部件可靠性研究方案及展望

數(shù)控機床整機可靠性研究領域及可行的研究方案為:

(1)確定數(shù)控機床整機的壽命分布模型，制定可靠性評價指標體系，從而進行可靠性評價;

(2)運用故障分析方法進行可靠性分析，運用模糊數(shù)學等相關理論進行故障分析，從而量化一些不確定因素;

(3)進行可靠性增長策略研究。制定數(shù)控機床整機的可靠性設計準則，結合現(xiàn)有機床產品暴露的薄弱環(huán)節(jié)及故障原因，提出可靠性改進措施。

數(shù)控機床功能部件可靠性研究方案:

(1)針對某種數(shù)控機床功能部件的特殊性，制定具體的可靠性試驗規(guī)范，開發(fā)面向產品壽命周期動態(tài)過程和協(xié)同環(huán)境的可靠性現(xiàn)場試驗新技術;

(2)根據(jù)所制定的試驗規(guī)范，進行數(shù)控機床功能部件可靠性試驗，獲得數(shù)控機床功能部件產品的現(xiàn)場試驗故障數(shù)據(jù)，將故障數(shù)據(jù)整理后進行可靠性分析(故障模式、影響及危害性分析)。根據(jù)可靠性分析結果得知該類數(shù)控機床功能部件產品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，為新產品可靠性試驗方案的制定提供依據(jù);

(3)制定專門針對數(shù)控機床功能部件產品的可靠性評價指標體系，準確有效地評價其可靠性水平;

(4)通過對數(shù)控機床功能部件的可靠性分析與評估，提出數(shù)控機床功能部件的可靠性增長新方法。

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Study on the Reliability of CNC Machine Tools and Key Function Units

LI Nan ，LU Xiao-hong，HAN Peng-zhuo，WU Wen-yi
(Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education，Dalian Liaoning 116024，China)

At present，the reliability of CNC machine tools and their key function units has a significant gap with that of abroad.The reliability has been an important index to judge the performance of CNC machine tools and their key function units.Therefore，the study on their reliability is extremely urgent.Based on the large quantities of reliability researches of home and abroad，the paper summarizes the analysis and processing method of the failure data，the reliability evaluation methodology，the reliability growth technology and the reliability testing technology of CNC machine tools.Additionally，the paper explains the difference between the reliability study of the key function units of CNC machine tools and the complete machines.Finally，the paper presents the reliability research scheme and prospect of CNC machine tools and their key function units.

key function unit;CNC machine tool;reliability

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)11-0105-04

2012-03-06

“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備科技”重大專項(2011ZX04011-022);大連市科技計劃項目(2010A16GX091)

李南(1986—)，吉林白山人，大連理工大學機械工程學院碩士研究生，主要研究方向為數(shù)控加工中心刀庫的可靠性研究，(E-mail)xiaohonglu@yahoo.cn。

(編輯 趙蓉)