王廣勇，郭正才，朱艷飛

(1.山東職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，濟(jì)南　250104；2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原　030024；3．山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博　255000)

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數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)FMECA分析及改進(jìn)措施

王廣勇1，郭正才2，朱艷飛3

(1.山東職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，濟(jì)南250104；2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原030024；3．山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255000)

根據(jù)某國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家一年半的數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的維修記錄，對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的故障部位、故障模式、故障原因以及致命度進(jìn)行分析(FMECA)；通過分析發(fā)現(xiàn)主軸系統(tǒng)的主要故障部位在軸承、皮帶、主軸及絲杠位置處，總計(jì)故障率達(dá)到了70%，噪聲為主要的故障模式，故障原因主要是部件之間存在松動(dòng)、間隙或者損壞造成。通過致命度分析發(fā)現(xiàn)軸承的致命度最高，達(dá)到了0.002354；針對(duì)軸承、絲杠等故障問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，為數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和分析提供了依據(jù)。

數(shù)控機(jī)床；主軸系統(tǒng)；FMECA；可靠性

0　引言

主軸系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵子系統(tǒng)，一旦發(fā)生故障，機(jī)床將無法正常工作，主軸系統(tǒng)的可靠性對(duì)數(shù)控機(jī)床整機(jī)可靠性的影響較為嚴(yán)重[1-2]。在數(shù)控機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)可靠性方面，吉林大學(xué)對(duì)機(jī)床可靠性方面進(jìn)行了相應(yīng)的研究，谷東偉[3]等對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)定，為主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及主軸系統(tǒng)可靠性增長提供了依據(jù)；張海波[4]、張英芝[5-6]等分析了數(shù)控系統(tǒng)的故障部位和原因，且通過分析發(fā)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)故障的主要原因是元器件損壞，為提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行了改進(jìn)；在數(shù)控車床可靠性方面，對(duì)數(shù)控車床的故障分布規(guī)律及可靠性進(jìn)行了研究，并建立數(shù)控車床主軸的模糊故障樹理論。在數(shù)控機(jī)床主軸檢測(cè)方面也有相關(guān)學(xué)者[7-9]進(jìn)行研究，如對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立了數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的性能退化模型，以及軸承組件的故障診斷。葛玉華[10]等對(duì)數(shù)控機(jī)床鏈?zhǔn)降稁斓倪M(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并通過設(shè)計(jì)控制程序以提高其可靠性。但是，對(duì)于數(shù)控機(jī)床主軸的FMECA分析，無相關(guān)學(xué)者進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出主軸系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。基于此，本文對(duì)幾十臺(tái)某型號(hào)數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)進(jìn)行了FMECA分析，通過分析得出了數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的故障部位、故障模式以及故障原因的頻率圖，并針對(duì)常發(fā)問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1　主軸系統(tǒng)的FMECA分析

機(jī)床主軸是機(jī)床的關(guān)鍵部件, 它的工作性能對(duì)整機(jī)性能和加工質(zhì)量以及機(jī)床生產(chǎn)率有直接的影響[11]；目前市場(chǎng)上的數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)是由伺服電機(jī)通過同步帶或者齒輪使機(jī)床Z軸滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)主軸箱體上下移動(dòng)。通過對(duì)幾十臺(tái)某國產(chǎn)數(shù)控銑床進(jìn)行為期一年半的跟蹤記錄，對(duì)其故障部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，歸納建立主軸系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)庫，其中部分故障部位解釋如下：

軸承：主要是支承旋轉(zhuǎn)主軸以及Z軸固定絲杠處的軸承；

皮帶：指的帶動(dòng)Z軸絲杠旋轉(zhuǎn)的皮帶；

主軸：指旋轉(zhuǎn)主軸上面一些附件；

刀夾處：指主軸裝夾刀具的部位。

根據(jù)所建立的數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的故障部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出故障部位的次數(shù)及頻率如表1所示和故障部位的頻譜圖如圖1所示；從頻譜圖上可以看到軸承的故障率最高達(dá)到了26%，其次為皮帶、主軸和絲杠故障率超過10%，因此減少軸承、皮帶、絲杠以及主軸部件的故障是提高主軸系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

表1　主軸系統(tǒng)故障部位頻次及頻率

圖1　故障部位頻率圖

表2給出了主軸系統(tǒng)的故障模式圖，故障模式主要為故障的表現(xiàn)形式，通過圖2可以看到故障模式噪聲的頻率最高，達(dá)到了45%高于其他故障模式；其中元器件損壞、間隙、松動(dòng)以及精度超差故障模式的總計(jì)達(dá)到了33%，這幾項(xiàng)占了故障模式的絕大部分比重。

表2　主軸系統(tǒng)的故障模式頻次與頻率表

圖2　主軸系統(tǒng)故障模式頻率圖

根據(jù)故障部位及故障模式對(duì)故障原因進(jìn)行分析，得出了表3故障原因頻次及頻率，通過圖3故障頻率圖可以看到軸承的損壞、間隙以及皮帶的松動(dòng)造成故障的頻率達(dá)到了48%，約占故障總頻率的一半，故提高軸承和皮帶的可靠性對(duì)主軸系統(tǒng)的可靠性的提高具有關(guān)鍵的影響。

表3　主軸系統(tǒng)故障原因頻次及頻率

圖3　主軸系統(tǒng)故障原因頻率圖

2　相關(guān)部件的致命度分析

零部件i以故障模式j(luò)發(fā)生故障致使該零部件發(fā)生故障的危害度CRij，其計(jì)算公式為[12]：

CRij=αijβijλi

零部件i對(duì)整機(jī)的危害度為：

式中：n為零部件i出現(xiàn)故障模式的種類數(shù)；

aij為零部件i以故障模式j(luò)引起該部件發(fā)生故障的故障模式概率，計(jì)算公式為：

aij=nj/ni

其中，nj為零部件i第j種故障模式出現(xiàn)的次數(shù)；

ni為零部件i全部故障模式發(fā)生的總次數(shù)。

βij為零部件i以故障模式j(luò)發(fā)生故障造成該零部件損傷的概率。

其中：βij=1表示該件肯定發(fā)生損傷；βij=0.5表示該件可能發(fā)生損傷；βij=0.1表示該件很少發(fā)生損傷；

βij=0表示該件無影響。

其中：Ni為零部件i在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的故障總次數(shù)；

∑t零部件i在規(guī)定時(shí)間內(nèi)累積工作時(shí)間，在本次的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中∑t=10800h。

表4　危害度分析

由數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的危害度分析，可知軸承對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的危害度最高，其次為皮帶、主軸自身以及絲杠。

3　改進(jìn)措施

(1)從故障原因頻率圖可以看到軸承的損壞、間隙占到故障原因頻率的28%，軸承的損壞并未達(dá)到其疲勞極限，故軸承的損壞是由其它缺陷造成。故提高軸承的可靠性，首先是在合理選擇軸承的型號(hào)的同時(shí)，應(yīng)對(duì)軸承安裝孔的制造工藝進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)以及合理的控制軸承預(yù)緊；其次是通過振動(dòng)和聲音信號(hào)的檢測(cè)手段對(duì)軸承位置處進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)軸承不正常運(yùn)行問題。皮帶的松動(dòng)是由于皮帶在使用過程中或者由于電機(jī)與軸之間存在偏差使皮帶逐漸松動(dòng)，可以從改進(jìn)電機(jī)與軸連接的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)如可以采用伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)軸的方式以提高此環(huán)節(jié)的可靠性。

(2)由于絲杠螺母副具有預(yù)緊結(jié)構(gòu)，預(yù)緊力的大小對(duì)絲杠的磨損具有一定的作用，造成機(jī)床加工精度降低，因此提高絲杠螺母副的精度保持性對(duì)主軸系統(tǒng)的可靠性提高具有重要的意義。

(3)由于主軸箱體制造工藝存在誤差，造成主軸定向以及存在間隙的情況，因此提高主軸箱的制造工藝、裝配工藝以及主軸組件動(dòng)平衡檢測(cè)時(shí)檢測(cè)精度的提高，對(duì)改善主軸的定向以及間隙具有重要的作用。

4　結(jié)論

(1)在數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)中，軸承位置是故障的多發(fā)部位，其次為皮帶、主軸、絲杠位置，故障頻率總計(jì)將達(dá)到70%，因此提高它們的可靠性對(duì)提高機(jī)床主軸系統(tǒng)的可靠性乃至整個(gè)機(jī)床的可靠性具有重要性。

(2)噪聲在數(shù)控機(jī)床主軸故障模式中所占的頻率最高達(dá)到了48%，故障原因?yàn)檩S承的損壞、間隙以及皮帶的松動(dòng)，因此合理選擇軸承、皮帶的類型，加強(qiáng)對(duì)軸承、皮帶位置的在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)事故發(fā)生的預(yù)防具有重要的作用。

(3)通過危害度分析，軸承缺陷對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的危害度影響最大。

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(編輯李秀敏)

FMECA and Improve Measurement of Spindle System of CNC

WANG Guang-yong1，GUO Zheng-cai2，ZHU Yan-fei3

(1.Department of Mechanical Engineering,Shan Dong Polytechnic, Jinan 250104, China; 2.College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Based on the maintenance record of computer numerical control (CNC) machine spindle system in one and half year, the failure modes, effect and criticality analysis (FMECA) was analyzed. The frequent failure position of bearing, belt, spindle and screw were up to 70%, the failure modes is mainly noise, failure cause is mainly clearance or damage. the criticality analysis of bearing was highest reached 0.002354; Aiming the failure position, the corresponding improvement measures were put forward to provide a basis for the reliability design and analysis of CNC spindle system.

CNC machine；spindle system；FMECA；reliability

1001-2265(2015)11-0111-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.031

2015-01-30；

2015-03-06

王廣勇(1970—)，男，濟(jì)南人，山東職業(yè)學(xué)院副教授，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)，(E-mail)wgy_0531@163.com。

TH166；TG659

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