冉琰 張根保 庾輝 章小剛 黎新龍

摘 要：數(shù)控機(jī)床可用性是可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映，是用戶(hù)最為關(guān)心的一個(gè)特性。它不僅受數(shù)控機(jī)床功能故障的影響，也受諸如精度退化、性能波動(dòng)、漏油等性能故障的影響，因此，孤立地研究國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性（功能故障）不足以維持產(chǎn)品的“可用好用狀態(tài)”。分析了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可用性的現(xiàn)狀及研究意義，對(duì)數(shù)控機(jī)床可用性建模方法和數(shù)控機(jī)床維修決策方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，總結(jié)了數(shù)控機(jī)床可用性研究存在的問(wèn)題和發(fā)展動(dòng)態(tài)，對(duì)基于元?jiǎng)幼鲉卧臄?shù)控機(jī)床可用性系統(tǒng)化建模和以可用性為中心的數(shù)控機(jī)床主動(dòng)維修決策兩個(gè)亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題提出了見(jiàn)解，以期為數(shù)控機(jī)床可用性研究提供思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)；數(shù)控機(jī)床；可用性；建模；維修決策

中圖分類(lèi)號(hào)：TH17 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-1542（2018）05-0379-07

作為制造業(yè)的母機(jī)，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。目前全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)嚴(yán)峻復(fù)雜、貿(mào)易不確定性影響因素眾多，在這樣的環(huán)境下，機(jī)床用戶(hù)最關(guān)注的產(chǎn)品可用性就成了企業(yè)突圍制勝、搶占市場(chǎng)的重要法寶。數(shù)控機(jī)床可用性是可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映[1]，不僅受功能故障的影響，也受性能故障的影響。一般情況下，為保障機(jī)床具有高的可用性可以從兩個(gè)方面入手，一是提高可靠性（Reliability），即不斷提高可靠性特征指標(biāo)平均故障前時(shí)間（MTTF，mean time to failure），盡量做到少出或不出故障；二是保證高效的維修，即縮短平均維修時(shí)間（MTTR，mean time to repair），保證盡量用最短的時(shí)間來(lái)修復(fù)故障。

中國(guó)在《高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備》科技重大專(zhuān)項(xiàng)和《中國(guó)制造2025》規(guī)劃綱要中，都將提升機(jī)床的可靠性作為主要目標(biāo)。然而對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗强尚迯?fù)的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，因此不僅應(yīng)要求它在加工過(guò)程中不容易發(fā)生故障，還應(yīng)要求在它發(fā)生故障后，比較容易進(jìn)行識(shí)別以及修復(fù)，并能夠準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，采用科學(xué)合理的維修策略來(lái)預(yù)防下一次故障的發(fā)生。也就是說(shuō)，不僅研究數(shù)控機(jī)床的可靠性，還要同時(shí)研究數(shù)控機(jī)床的維修性，并將兩者結(jié)合起來(lái)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在兩班制工作狀態(tài)下，國(guó)外的數(shù)控機(jī)床開(kāi)動(dòng)率大約為60%～70%；但中國(guó)一般只能達(dá)到30%左右[2]，且數(shù)控機(jī)床的維修保養(yǎng)費(fèi)用占整個(gè)壽命周期費(fèi)用的20%～30%。每年因維修不當(dāng)引起的故障數(shù)約占數(shù)控機(jī)床總故障數(shù)的20%，而由于數(shù)控機(jī)床的操作、保養(yǎng)和調(diào)整不當(dāng)?shù)纫鸬墓收蠑?shù)大概占整個(gè)系統(tǒng)故障數(shù)的57%[3]?？梢钥闯觯铝⒌匮芯繃?guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性不足以維持產(chǎn)品的“可用好用狀態(tài)”。

對(duì)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，隨著產(chǎn)品發(fā)展趨于成熟，企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量和成本將難以再進(jìn)行很大程度的提高，此時(shí)，產(chǎn)品的可用性將會(huì)對(duì)企業(yè)的地位產(chǎn)生重要影響，能夠使生產(chǎn)者比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手獲得更大的商業(yè)優(yōu)勢(shì)[4]。而對(duì)機(jī)床企業(yè)來(lái)說(shuō)，社會(huì)越進(jìn)步，科技越發(fā)展，人們對(duì)數(shù)控機(jī)床可用性的要求就會(huì)越來(lái)越高，為了保證機(jī)床的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)在提高數(shù)控機(jī)床可靠性的同時(shí)必然也需要提高維修效率。因此，研究數(shù)控機(jī)床的可用性，尤其是可用性建模和維修決策方法具有非常重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 數(shù)控機(jī)床可用性建模方法

可用性建模是可用性評(píng)估的核心環(huán)節(jié)，是維修決策的重要前提。數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況多變、故障模式繁多，直接對(duì)整機(jī)進(jìn)行可用性評(píng)估和維修決策是比較困難的。常用的可用性建模方法是將數(shù)控機(jī)床按“整機(jī)—部件—組件—零件”或“產(chǎn)品—功能—行為—結(jié)構(gòu)”進(jìn)行分解，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（或零部件）體系為基礎(chǔ)進(jìn)行故障分析和可用性建模，為可用性評(píng)估和維修決策提供依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)控機(jī)床可用性建模的研究主要集中在對(duì)可靠性或維修性某一方面進(jìn)行建模，包括功能部件模型、基于部件的系統(tǒng)模型和基于故障時(shí)間的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。

對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性建模的研究，國(guó)外學(xué)者開(kāi)始的比較早。KELLER等[5]對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性和維修性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，用了3年的時(shí)間完成了35臺(tái)數(shù)控機(jī)床的跟蹤，記錄了現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)，并采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布對(duì)故障間隔時(shí)間MTBF和維修時(shí)間MTTR進(jìn)行了建模分析。PALUMBO等[6]針對(duì)一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)建立了功能模型，通過(guò)描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成單元特性，利用邏輯推理的方式對(duì)失效故障模式進(jìn)行自動(dòng)分析。KIM等[7]和SUNG等[8]開(kāi)發(fā)了一種基于網(wǎng)絡(luò)的分析系統(tǒng)，構(gòu)建了機(jī)床的可靠性評(píng)估模型，對(duì)系統(tǒng)各組件的故障模式進(jìn)行了分析，改進(jìn)了機(jī)床伺服電機(jī)的可靠性。LANZA等[9]研究了機(jī)器部件的可靠性和預(yù)防性維修問(wèn)題，估計(jì)了不同機(jī)械部件的可靠性參數(shù)，提出了一種基于負(fù)荷相關(guān)的隨機(jī)優(yōu)化算法來(lái)計(jì)算預(yù)防性維修和備件提供的最優(yōu)時(shí)間，建立了相應(yīng)的可靠性模型；LI等[10]、MORIDA等[11]、NEIL等[12]在假定系統(tǒng)的各單元的故障率與修復(fù)率都為常數(shù)的情況下，采用馬爾可夫、遺傳算法、混合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)建可用度評(píng)估模型，得出可修復(fù)系統(tǒng)的瞬時(shí)可用度解析表達(dá)式； JUAN等[13]和CATELANI等[14]采用蒙特卡羅等仿真方法對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性和可用性進(jìn)行研究，對(duì)故障率和可靠性進(jìn)行評(píng)估。

中國(guó)以吉林大學(xué)、東北大學(xué)、北京機(jī)床所、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、電子科技大學(xué)、重慶大學(xué)、濟(jì)南鑄鍛所等為代表的可靠性團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)控機(jī)床壽命周期內(nèi)的可靠性、維修性建模技術(shù)及評(píng)估應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，也取得了大量成果。申桂香和張英芝等[15-18]對(duì)數(shù)控機(jī)床的可用度模型進(jìn)行了研究，分析了各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的可用性影響，計(jì)算了可用性影響度，評(píng)價(jià)了機(jī)床的可用性并給出了優(yōu)化維修策略。楊兆軍等[19-21]構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床可靠性綜合分配模型，將區(qū)間分析、模糊綜合評(píng)判和層次分析法集合起來(lái)，對(duì)加工中心的可靠性分配和評(píng)估以及維修性進(jìn)行了研究，將加工中心整機(jī)可靠性分配到各子系統(tǒng)。WANG等[22]針對(duì)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床，采集現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)故障數(shù)據(jù)，建立了可靠性評(píng)估模型和預(yù)防維修策略。黃洪鐘等[23]針對(duì)重型數(shù)控機(jī)床不確定性分析難的特點(diǎn)，基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，提出了針對(duì)機(jī)床零部件的不精確可靠性建模與分析的一般方法，并將其應(yīng)用在某型號(hào)重型數(shù)控落地銑鏜床銑軸上。陳殿生等[24]對(duì)數(shù)控車(chē)床故障分布規(guī)律進(jìn)行了定量研究，分析了故障率曲線的特征，對(duì)數(shù)控車(chē)床建立了故障分布模型并進(jìn)行了參數(shù)估計(jì)，同時(shí)對(duì)數(shù)控車(chē)床的早期故障期進(jìn)行了計(jì)算。任麗娜等[25]分析了數(shù)控機(jī)床故障發(fā)生時(shí)間，建立了數(shù)控機(jī)床最小維修情況下的非齊次泊松過(guò)程和邊界強(qiáng)度過(guò)程模型，討論了模型的特性并推導(dǎo)計(jì)算了模型參數(shù)，給出了模型計(jì)算準(zhǔn)則。張根保和冉琰等[26-29]提出了一種元?jiǎng)幼鞣纸夥椒ǎ瑢?shù)控機(jī)床按“功能—運(yùn)動(dòng)—?jiǎng)幼鳌狈纸獾阶罨镜脑獎(jiǎng)幼?，以產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)（功能）體系為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，目前已成功運(yùn)用到數(shù)控機(jī)床裝配過(guò)程可靠性建模和質(zhì)量特性關(guān)聯(lián)關(guān)系分析中，但尚未解決基于元?jiǎng)幼鲉卧臋C(jī)床故障機(jī)理分析、可用性建模和維修決策等問(wèn)題。

2 數(shù)控機(jī)床維修決策方法

數(shù)控機(jī)床的維修一般包括兩種類(lèi)型：一種是被動(dòng)維修，另一種是主動(dòng)維修。被動(dòng)維修就是在產(chǎn)品出現(xiàn)故障后再對(duì)其進(jìn)行維修，是非計(jì)劃性的停機(jī)。主動(dòng)維修又包括預(yù)防性維修和預(yù)測(cè)性維修，預(yù)防性維修一般是計(jì)劃性的停機(jī)，具有周期性，包括對(duì)數(shù)控機(jī)床及其零部件進(jìn)行檢測(cè)、修理、更換、清洗等；預(yù)測(cè)性維修則是通過(guò)采集一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，估計(jì)數(shù)控機(jī)床的維修時(shí)機(jī)，盡量將修復(fù)或更換動(dòng)作提前到零部件發(fā)生故障前，以減少事后修復(fù)性維修工作。數(shù)控機(jī)床維修的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段：事后維修，定期翻修和綜合維修。以可靠性為中心的維修（reliability centered maintenance， RCM）是20世紀(jì)60年代美國(guó)提出的一種全新的綜合維修決策理論，也是目前數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種維修方法。其工作思路是首先了解系統(tǒng)的功能，對(duì)其常見(jiàn)故障進(jìn)行分析，明確其主要故障模式、故障原因以及局部和整體影響，其次針對(duì)引起每一個(gè)故障的原因分別確定其預(yù)防性維修的工作類(lèi)型，然后將這些預(yù)防性維修工作集合在一起，形成一個(gè)系統(tǒng)科學(xué)的預(yù)防性維修大綱。

美國(guó)是對(duì)維修性研究較多的國(guó)家。美國(guó)空軍在20世紀(jì)80年代開(kāi)始推行了一個(gè)關(guān)于可靠性維修性的行動(dòng)計(jì)劃《R&M2000》，提出了到20世紀(jì)末實(shí)現(xiàn)“可靠性增倍，維修性減半”的目的，在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)和科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中該計(jì)劃已經(jīng)初步見(jiàn)到成效。20世紀(jì)90年代，美國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)和福特公司共同提出了汽車(chē)行業(yè)中第一部關(guān)于機(jī)器設(shè)備的可靠性與維修性準(zhǔn)則，并且將該方法成功運(yùn)用到了克里弗蘭發(fā)動(dòng)機(jī)廠的 V6 發(fā)動(dòng)機(jī)上，這是較早的一部可靠性與維修性準(zhǔn)則，雖然該準(zhǔn)則并不是專(zhuān)門(mén)針對(duì)數(shù)控機(jī)床的，但是作為制造工業(yè)的工作母機(jī)，對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性研究也有一定的指導(dǎo)意義。2003年，美國(guó)學(xué)者M(jìn)ERRICK等[30]通過(guò)建立貝葉斯半?yún)?shù)模型對(duì)數(shù)控機(jī)床的失效模式進(jìn)行了描述，通過(guò)在貝葉斯分析中引入半?yún)?shù)設(shè)置，為小樣本數(shù)控機(jī)床失效數(shù)據(jù)分析提供了方法，并開(kāi)發(fā)了數(shù)控機(jī)床的最優(yōu)替換維修策略。2006年，美國(guó)Ford汽車(chē)公司的HAGEN[31]提出了一種以可靠性為中心的維修計(jì)劃，用來(lái)提高Ford公司機(jī)床的可用性。作為公司的可靠性工程師，HAGEN充分考慮了公司制造系統(tǒng)的可靠性和維修性條件，在確保公司能夠具有最大產(chǎn)值的情況下提出該方案，同時(shí)他還分析了所提出的可靠性方案對(duì)數(shù)控機(jī)床的影響。

此后，RCM理論在數(shù)控機(jī)床方面得到了廣泛應(yīng)用。在國(guó)外，ROESCH[32]發(fā)現(xiàn)了一種新的浴盆曲線方法來(lái)分析質(zhì)量和可靠性之間的關(guān)系預(yù)測(cè)可靠性。HEO等[33]將顆粒群優(yōu)化方法運(yùn)用到傳動(dòng)系統(tǒng)以可靠性為中心的維修決策中。NGUYEN等[34]運(yùn)用經(jīng)典故障模式、影響及危害性分析（FMECA）方法，結(jié)合機(jī)床運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際故障數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行了FMECA分析，由此找到了機(jī)床的典型薄弱部位以及危害性較高的故障模式，對(duì)維修決策的制定和執(zhí)行有著重要的指導(dǎo)意義。在中國(guó)，曲玉祥等[35]對(duì)維修費(fèi)用和預(yù)防性維修周期進(jìn)行了研究，建立了對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，并基于最低維修費(fèi)用對(duì)兩種維修策略進(jìn)行了討論。HOU等[36]建立了基于維修費(fèi)用的維修策略模型，充分考慮了不完全維修狀態(tài)，從失效率的角度出發(fā)，對(duì)預(yù)防性維修和機(jī)會(huì)維修兩種維修策略進(jìn)行了優(yōu)化。蘇春等[37]采用遺傳算法、蒙特卡洛仿真等對(duì)設(shè)備的維修策略進(jìn)行了優(yōu)化。WANG等[38]對(duì)故障模式與原因之間關(guān)系進(jìn)行了考慮，重新評(píng)定了故障的嚴(yán)酷度，采用改進(jìn)的FMECA對(duì)加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的故障進(jìn)行了優(yōu)先排序，為維修決策提供了依據(jù)。

3 存在的問(wèn)題及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

通過(guò)上述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可以看出，目前中國(guó)對(duì)數(shù)控機(jī)床可用性的研究分散性和局部性特征比較明顯，單獨(dú)研究可靠性和維修性的多，系統(tǒng)化研究可用性的少，在可用性評(píng)估和維修決策方面大多是延用國(guó)外的方法，創(chuàng)新又實(shí)用的成果很少，具體存在的問(wèn)題如下。

1） 建模方法沒(méi)有充分體現(xiàn)“運(yùn)動(dòng)”和“動(dòng)作”的概念

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)數(shù)控機(jī)床的可靠性研究主要沿用國(guó)外于20世紀(jì)40年代提出的面向電子產(chǎn)品的工作方法。但數(shù)控機(jī)床是一種機(jī)電產(chǎn)品，除了控制部分，還有很大一部分是機(jī)械，而電子產(chǎn)品與機(jī)械產(chǎn)品從功能到原理結(jié)構(gòu)，再到故障模式等方面都有本質(zhì)性的區(qū)別。例如，電子產(chǎn)品是在一塊電路板上焊接各種電子元件，元件之間靠電路連接，元件間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)和力的作用。而機(jī)械產(chǎn)品（例如數(shù)控機(jī)床）的主要特點(diǎn)是靠部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，部件的運(yùn)動(dòng)是靠其內(nèi)部眾多的運(yùn)動(dòng)單元在力或力矩的傳遞作用下完成的。要保障產(chǎn)品整體功能正確實(shí)現(xiàn)，就要首先保障各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元不出故障。因此，與電子產(chǎn)品不同，機(jī)械產(chǎn)品可靠性工作的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是運(yùn)動(dòng)單元而不是孤立的單個(gè)元器件，建模過(guò)程要充分體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)單元中各個(gè)零部件的相互作用（力、力矩、摩擦、磨損、振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)精度等）。如果機(jī)械產(chǎn)品繼續(xù)照搬電子產(chǎn)品的可靠性工作方法，必然會(huì)帶來(lái)各種各樣的問(wèn)題。

不管是靜態(tài)建模還是動(dòng)態(tài)建模，目前數(shù)控機(jī)床可用性分析與建模方法的基礎(chǔ)幾乎都是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（或零部件），將整機(jī)按照“整機(jī)—部件—零件”的方法進(jìn)行分解分析，沒(méi)有從其基本特性——“運(yùn)動(dòng)”出發(fā)，忽略了動(dòng)態(tài)影響因素，無(wú)法反映零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)精度和作用力的傳遞，比較適合于電子產(chǎn)品的可用性建模。機(jī)電產(chǎn)品主要通過(guò)零部件之間的相互作用，按照“動(dòng)作—運(yùn)動(dòng)—功能”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的功能和性能，因此，在建模中必須體現(xiàn)“動(dòng)作”和“運(yùn)動(dòng)”這兩個(gè)核心概念。

2） 缺乏全面準(zhǔn)確的維修決策方法

針對(duì)數(shù)控機(jī)床的維修，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的是美國(guó)以可靠性為中心的維修理論（reliability centered maintenance， RCM），采用故障診斷技術(shù)，圍繞狹義可靠性制定維修策略，對(duì)于保障機(jī)床可用性具有一定作用。然而，RCM針對(duì)的是功能故障，并未考慮諸如精度退化、性能波動(dòng)、漏油等性能故障問(wèn)題，而這些卻恰恰是最為困擾國(guó)產(chǎn)機(jī)床用戶(hù)的可用性難題，既不易診斷，又不易維修，同時(shí)還為功能故障的發(fā)生埋下隱患，如圖1所示。此外，維修評(píng)估不夠全面、故障的分析又與功能（運(yùn)動(dòng)）脫節(jié)、定位不夠準(zhǔn)確，維修決策不夠主動(dòng)、維修方法落不到實(shí)處等，都使得維修效果不夠理想。

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