牟 冰，楊慶東，王軍見(jiàn)

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性增長(zhǎng)措施*

牟 冰，楊慶東，王軍見(jiàn)

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)是五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的核心功能部件，常用于加工具有空間復(fù)雜曲面的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪葉片等，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工況多變，容易發(fā)生故障。對(duì)國(guó)產(chǎn)某型五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心可靠性的簿弱環(huán)節(jié)直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了研究，根據(jù)掌握的故障數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障模式影響及危害性分析，找出直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)可靠性的簿弱部位，對(duì)故障發(fā)生的原因進(jìn)行了深入分析，提出了有針對(duì)性的可靠性增長(zhǎng)措施。為國(guó)產(chǎn)直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性增長(zhǎng)提供了一定的依據(jù)。

加工中心；直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)；故障模式

0　引言

直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)是五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心的關(guān)鍵功能部件，用于加工具有空間復(fù)雜曲面的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片［1］。直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)擴(kuò)大加工中心的加工范圍、提高加工效率、保證加工精度等都有重要作用［2］。

直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)電一體化功能部件，且因其零部件在加工、制造裝配環(huán)節(jié)的誤差和控制系統(tǒng)的外部干擾等因素，不可避免的會(huì)發(fā)生故障。鑒于直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)在航空、航天等方面的重要作用，因此非常有必要對(duì)其進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)研究［3］。

以某五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心的A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對(duì)象，從轉(zhuǎn)臺(tái)的故障分析入手，找出故障發(fā)生的潛在原因，并根據(jù)原因提出可靠性增長(zhǎng)的建議與措施［4］。

1　直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的故障分析

1.1直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的故障統(tǒng)計(jì)

從2012年11月1日到2014年4月30日，跟蹤統(tǒng)計(jì)了13臺(tái)同型葉片加工中心直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的故障數(shù)據(jù)，經(jīng)整理得到有效故障26個(gè)。

1.2故障部位分析

圖1中標(biāo)注1即為葉片加工中心的A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)A軸的擺動(dòng)和C軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與X、Y、Z軸一起帶動(dòng)加工工件實(shí)現(xiàn)任意角度的加工［5］。

已知該型A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求是MTBF（Mean Time Between Failure，平均故障間隔時(shí)間）［6］達(dá)到1500小時(shí)以上。假設(shè)n臺(tái)該型加工中心的直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)在使用過(guò)程中發(fā)生了N0次故障，并且每次故障修復(fù)后又能重新投入加工，測(cè)得該型轉(zhuǎn)臺(tái)每次的工作持續(xù)時(shí)間分別為t1，t2，…ti，…tN0［7］。其平均故障間隔時(shí)間為：

式中：T為A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的總工作時(shí)間。本文中所調(diào)查的直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)每天工作8小時(shí)，每月工作約20天，所以T=18×20×8=2880小時(shí)，n=13，則A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的平均故障間隔時(shí)間為：=2880×13÷26= 1440＜1500小時(shí)。很顯然，該型A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性水平離設(shè)計(jì)要求還有一定的距離，因此很有必要對(duì)其進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)研究。

A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性增長(zhǎng)是通過(guò)消除其可靠性缺陷和薄弱部位來(lái)實(shí)現(xiàn)的［8］。要充分利用轉(zhuǎn)臺(tái)的故障數(shù)據(jù)，通過(guò)FMECA（Failure Mode，Effects and Criticality analysis，故障模式、影響及危害性分析）［9］，確定轉(zhuǎn)臺(tái)的薄弱部位，采取針對(duì)性的可靠性改進(jìn)措施實(shí)現(xiàn)其可靠性增長(zhǎng)。

圖1　五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心模型

2　故障模式及危害度分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的故障數(shù)據(jù)和相關(guān)計(jì)算公式［10］，計(jì)算該A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)故障模式的危害度CR并總結(jié)其故障模式如表1所示。

表1　A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的故障模式及危害度表

危害度CR的計(jì)算公式：

式（3）中nj為故障模式j(luò)發(fā)生的次數(shù)；n為A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)故障的總次數(shù)。

式中N為轉(zhuǎn)臺(tái)本次統(tǒng)計(jì)中故障發(fā)生的總次數(shù)；∑t為轉(zhuǎn)臺(tái)在統(tǒng)計(jì)中的累計(jì)工作時(shí)間，所以∑t=18×20×8= 2880小時(shí)。

αj表示轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生故障模式j(luò)的概率；λ表示轉(zhuǎn)臺(tái)的故障率；βj表示因故障模式j(luò)造成轉(zhuǎn)臺(tái)失效的概率。對(duì)βj規(guī)定：若βj=1表示該轉(zhuǎn)臺(tái)一定會(huì)失效，若βj= 0.5表示轉(zhuǎn)臺(tái)有可能失效，若βj=0.1表示轉(zhuǎn)臺(tái)失效的可能性很小，若βj=0表示轉(zhuǎn)臺(tái)一定不會(huì)失效。

根據(jù)表1可得到A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)各故障模式的危害度直方圖如圖2所示。

圖2　故障模式的危害度分布直方圖

通過(guò)圖2可知A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)危害度最大的幾個(gè)故障模式是：A02擺動(dòng)固定角度誤差較大、A03轉(zhuǎn)臺(tái)返回參考點(diǎn)時(shí)振動(dòng)或抖動(dòng)、A05轉(zhuǎn)臺(tái)不夾緊，定位精度差，在后面的可靠性增長(zhǎng)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)這幾種故障模式開(kāi)展。

3　故障原因分析

通過(guò)前面對(duì)A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的FMECA，得到了直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)可靠性的薄弱部位，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)各故障模式的發(fā)生原因分析如表2所示。

表2　A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)故障模式及原因分析

4　可靠性增長(zhǎng)措施

根據(jù)A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的FMECA結(jié)果，得到了該型轉(zhuǎn)臺(tái)故障發(fā)生的潛在原因，下面根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)故障發(fā)生的原因，從A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)制造、裝配和管理等環(huán)節(jié)給出了針對(duì)性的可靠性增長(zhǎng)措施。

4.1轉(zhuǎn)臺(tái)故障消除的措施

（1）對(duì)直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)不到位：定期檢查修復(fù)轉(zhuǎn)臺(tái)緩沖裝置；及時(shí)清潔或更換光柵；運(yùn)用準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)方法、平滑濾波等方法消除電磁干擾；將轉(zhuǎn)臺(tái)在無(wú)塵車間進(jìn)行裝配，并嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)臺(tái)零部件的質(zhì)量、裝配方法等確保其裝配精度。

（2）對(duì)擺動(dòng)固定角度誤差較大：采用先進(jìn)的傳感器和測(cè)量方法提高傳感器測(cè)量精度；采用高頻采樣和濾波技術(shù)防止信號(hào)失真；嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范制造轉(zhuǎn)臺(tái)零部件，按照裝配要求和工序來(lái)安裝轉(zhuǎn)臺(tái)；通過(guò)前饋控制方法和可預(yù)見(jiàn)控制方法消除反饋延遲；通過(guò)電壓/電流過(guò)采樣技術(shù)、增加濾波環(huán)節(jié)來(lái)消除電壓/電流波動(dòng)；將干擾源的信號(hào)用屏蔽環(huán)加以屏蔽，把易受干擾的設(shè)定部分與伺服部分隔離開(kāi)來(lái)。

（3）對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)返回參考點(diǎn)時(shí)振動(dòng)或抖動(dòng)：定期檢查緊固螺母；改善轉(zhuǎn)臺(tái)的對(duì)稱性和偏轉(zhuǎn)特性，采用帶阻濾波器對(duì)機(jī)械諧振進(jìn)行抑制補(bǔ)償；通過(guò)采用可調(diào)濾波器增益的觀測(cè)器/濾波器結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制方法，藉以提高A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的位置跟蹤能力［12］。

（4）對(duì)直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)不動(dòng)或運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活：定期檢查緊固位或更換脹緊套；修復(fù)研損部位或更換密封圈；定期檢查并及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入的脈沖數(shù)；定期檢查控制系統(tǒng)的信號(hào)輸出情況，并及時(shí)給予修正。

（5）對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)不夾緊，定位精度差：定期檢查液壓油量，且重新調(diào)節(jié)液壓壓力；修復(fù)研損部位或更換零件；將干擾源的信號(hào)用屏蔽環(huán)加以屏蔽；采用高精度的位置反饋元件來(lái)減少誤差；通過(guò)確保零件精度和裝配方法來(lái)保證轉(zhuǎn)臺(tái)的裝配精度；運(yùn)用集成冷卻方法減輕轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)熱影響。

（6）對(duì)直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)擺動(dòng)速度不穩(wěn)定：改善潤(rùn)滑條件，提高轉(zhuǎn)臺(tái)零部件的加工精度，采用可調(diào)濾波器增益的觀測(cè)器/濾波器結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制方法；運(yùn)用準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)方法、平滑濾波等方法消除電磁干擾。

（7）對(duì)直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)返回參考點(diǎn)困難：立即更換磨損變形的螺釘并緊固感應(yīng)塊，調(diào)整好感應(yīng)開(kāi)關(guān)與旋轉(zhuǎn)角度的接近開(kāi)關(guān)位置，并使接近開(kāi)關(guān)同時(shí)出現(xiàn)“1”的狀態(tài)，調(diào)整后使轉(zhuǎn)臺(tái)回到參考點(diǎn)；嚴(yán)格控制保證外購(gòu)螺釘?shù)馁|(zhì)量。

4.2轉(zhuǎn)臺(tái)可靠性管理及試驗(yàn)的措施

從總體看，首先要通過(guò)保證轉(zhuǎn)臺(tái)零部件的質(zhì)量和裝配方法來(lái)確保轉(zhuǎn)臺(tái)的裝配精度，建立轉(zhuǎn)臺(tái)可靠性崗位責(zé)任制。

企業(yè)應(yīng)建立以可靠性管理為核心的A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)量體系，建立轉(zhuǎn)臺(tái)早期故障試驗(yàn)和消除體系：建立一個(gè)有效的故障監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)和可靠性試驗(yàn)臺(tái)，在總裝前工作人員要對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)分析，及時(shí)消除直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的故障隱患，使A/C軸直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性水平得以提高。

5　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的故障模式進(jìn)行了深入分析，找出了影響轉(zhuǎn)臺(tái)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，認(rèn)清了故障發(fā)生的潛在原因，有針對(duì)性的提出了一些預(yù)防及優(yōu)化改進(jìn)措施，消除了直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的早期故障，提高了轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性水平；為國(guó)產(chǎn)直驅(qū)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性設(shè)計(jì)、分析及維護(hù)等提供了一定的參考依據(jù)。

［1］高秀峰，劉春時(shí).A/C軸雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)幾何誤差檢測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)研究［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2012，36（3）：10-13.

［2］楊凌云，葉文華，劉世豪.數(shù)控機(jī)床二軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真與耦合分析［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（3）：11-16.

［3］王松.改進(jìn)BP算法和模糊邏輯在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)故障診斷中的應(yīng)用［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

［4］徐吉存，劉春時(shí)，李焱，等.數(shù)控雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的研制［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（12）：191-192.

［5］高秀峰，孫璐.雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)分度誤差檢測(cè)與辨識(shí)技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011（9）：121-123.

［6］（挪）勞沙德（Rausand，M.）.系統(tǒng)可靠性理論：模型、統(tǒng)計(jì)方法及應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

［7］曾聲奎，馮強(qiáng)，馬紀(jì)明，等.可靠性設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

［8］金風(fēng)明.產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程可靠性增長(zhǎng)技術(shù)應(yīng)用研究［D］.北京：機(jī)械科學(xué)研究總院，2012.

［9］（美）派切特（Michael，P.）.產(chǎn)品可靠性、維修性及保障性手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［10］賈敬陽(yáng).數(shù)控砂帶磨床可靠性評(píng)估與故障分析［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

［11］黨興國(guó).ИC800加工中心工作臺(tái)故障處理［J］.設(shè)備管理與維修，2009（3）：64.

［12］楊松.高精度機(jī)械軸承轉(zhuǎn)臺(tái)摩擦補(bǔ)償研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

（編輯 趙蓉）

Reliability Grow th Measures of Direct Drive Two-axis Rotary Table

MU Bing，YANG Qing-dong，WANG Jun-jian
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing Information Science&Technology University，Beijing 100192，China）

Direct-drive two-axis rotary table is the core of five-axis linkage machining center features，often used in machining complex curved surface with space of aerospace engine impeller blades，because of its complex structure，Changing processing conditions，prone to failure.Exampled by the reliability weak link of domestic blade machining center：direct drive two-axis rotary table as the research object，based on the failure data，the failure mode effects and hazards analysis，find out the weak position of the direct drive two-axis rotary table's reliability，to in-depth analysis of the cause of the failure，put forward the corresponding measures of reliability grow th.Provided a certain basis for reliability grow th of the domestic direct drive two-axis rotary table.

machining center；direct drive two-axis rotary table；failure mode

TH16；TG659

A

1001-2265（2015）02-0021-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.006

2014-05-26；

2014-06-27

國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)（2013ZX0400-1061）；北京市教委“機(jī)械工程產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研究生培養(yǎng)基地”項(xiàng)目（PXM2013-014224-000041）

牟冰（1989—），男，山東煙臺(tái)人，北京信息科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)床可靠性，（E-mail）mubing1989@126.com。