可靠性實用技術：提升國產數控機床核心競爭力的關鍵

吉林大學數控裝備可信性研究所 賈亞洲

提高數控機床可靠性是 “高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項中特別關注的話題，也是機床市場競爭的焦點。開展可靠性工作應該重在實效，真正提高產品可靠性水平，即要通過現場運行驗證，得到用戶的實際認可，應該避免紙上談兵。怎樣理解數控機床可靠性的內涵？如何評估讓用戶認可的可靠性水平？如何開發具有實際可操作性的可靠性實用技術？這些問題是需要我們探討和明確的。

一、數控機床可靠性的內涵和特殊性

數控機床可靠性的內涵要符合國內外公認的可靠性相關標準。關于可靠性的定義，最初是盧瑟爾（Robert Lusser）在1952年提出的 “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”。 可靠性定義的五要素中，對于數控機床產品而言，產品對象就是數控機床，規定的條件就是數控機床的工作環境和工況，規定的時間就是數控機床工作壽命，規定功能就是數控機床指定的性能和功能。所謂能力就是數控機床性能和功能的維持性或使用的持續期。機床用戶對產品可靠性所關心的正是數控機床性能和功能的維持性或使用的持續期，也就是降低機床現場運行過程中故障率，減少故障的發生。

這里必須強調，可靠性是產品實際運行或現場使用過程中所暴露出來的屬性，是使用時間大于零的質量特征。沒有經過使用的產品，這種質量屬性還不能真實暴露出來。

數控機床可靠性有其特殊性，它是集機、電、液、氣、光等高新技術于一身的現代化工作母機，不僅要求功能可靠性，而且要求參數可靠性。數控機床的基本功能就是通過數控實現多軸聯動自動化加工，機床發生功能性故障屬于功能可靠性；工作母機還有加工精度要求，要求具有精度保持性，精度達不到要求，屬于參數可靠性。

當前，數控機床在現場運行過程中所發生的故障絕大多數是功能性故障，如加工中心刀庫不轉位、不回零、不執行程序指令，機械手掉刀、拔不下刀、撞刀；數控車床的轉塔刀架不轉位、換刀旋轉不停、定位不準；旋轉工作臺不定位，裝卡附件誤動作；潤滑系統不通暢，摩擦副研傷；排屑系統堵塞；CNC系統和電氣系統的大量故障；液、氣、油滲漏或堵塞等。國產機床的功能性故障，機床操作者最為敏感，是廣大機床用戶急盼解決的。

機床用戶心目中的可靠性涵義，就是機床使用和運行過程中少發生故障，減少因故障而停機的時間。因此，當前對數控機床可靠性技術的開發，要針對用戶關切的故障，特別是頻繁發生的功能性故障。機床可靠性不能偏向于學究式研究，羅列大量名詞術語和理論模型，把可靠性說得玄而又玄；同時切忌 “紙上談兵”，可靠性規范辦法一大堆，紙質文件一大摞，成果看似顯赫，然而產品在用戶使用過程中，故障還是頻繁發生，可靠性水平依然如故。開展數控機床可靠性工作，要做些真實操作的實事，真實解決用戶關切的可靠性實際問題，真正看到用戶認可的實效。

二、評估讓用戶認可的可靠性真實水平

數控機床是可修復的產品，即發生故障后，通過維修可恢復原有的工作狀態。評價可靠性方法要符合國內外公認的可靠性評估標準。當前評估數控機床可靠性普遍認可的特征量是平均故障間隔時間MTBF，英文是Mean Time Between Failures，過去曾翻譯為平均無故障工作時間，它是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，即平均故障間隔時間。也就是說數控機床在生產現場，發生故障修復后，平均說來又連續工作多長時間發生下一次故障。

當然評估機床可靠性，先制定評估辦法（規范），例如選擇典型工況、典型用戶和典型樣機，有明確的故障判據和MTBF的計算方法……等。評價MTBF的方法很直觀，通常用機床累計工作時間t（小時）除以累計故障數r，可以用下面簡單公式進行計算:

很容易理解，計算結果就是數控機床相鄰兩次故障之間的平均工作時間。這里要強調的是必須保證評估可靠性的原始數據本身的真實可靠。

累計工作時間t是指機床在用戶現場實際運行的工作時間。如果預計機床的MTBF大約有600多小時，現場考核采集的實際運行的工作時間大約有1800小時就夠了，這樣可以有3個故障間隔數。那么是否需要我們現場跟蹤1800小時呢？有方便跟蹤條件當然更好，實際上也不一定要跟蹤那么長時間才能獲取到所需要的工作時間數據。例如，有些設備管理完善的機床用戶，有比較正規的設備運行檔案，機床生產運行過程發生的故障都有記載，并納入計算機管理。筆者曾在汽車行業、汽輪機行業的某些用戶就采集到多臺國內外機床兩年多現場運行的故障記錄，每臺機床的現場運行時間都達到8000多小時，除以在此期間的累計故障數，就計算出MTBF了。另外，機床主機制造廠的售后服務記錄，特別是在保修期內發生故障后，用戶普遍都找生產廠，故障記載較全，現場運行時間的記載也是真實的。當然無論是機床用戶或是主機制造廠，這些數據通常是不公開的，但這種數據是真實存在的。

當然，如果用戶沒有設備運行檔案，制造廠的售后服務記錄也不健全，可以通過較短時間的現場跟蹤獲取評估可靠性所需的數據。MTBF本身是統計量，可以同時跟蹤多臺機床，例如10臺。因為我國一些機床主要生產廠，數控車床或加工中心的月產量，已經達到幾十臺，甚至百余臺，選擇10臺跟蹤樣本沒有困難。如果選擇兩班生產的用戶，每臺月機床實際工作時間可以有400小時，10臺機床一個月就可以有4000小時。這10臺機床在這一個月的工作時間內，如果總共發生8次故障，那么用實際工作時間除以故障數，MTBF就是500小時。現場考核跟蹤一個月，時間不算長，也可評價出可靠性水平。

筆者也試圖不通過現場跟蹤，而通過短時間的加速和加載試驗來評估機床的可靠性。但遇到的問題是，加速、加載試驗大多暴露參數故障，如精度超標等，而許多功能性故障在短時間內通過加載方法很難暴露；主要的功能性故障沒有暴露，評估的可靠性水平很難與實際水平相符。同時加速試驗時間遠遠小于平均故障間隔時間MTBF，必須乘以加權系數K，通過加權計算MTBF，與現場運行的MTBF的符合性還有待研討和驗證。

可靠性既然是產品使用過程中的質量屬性，評價產品可靠性，就是評價產品在實際運行過程中的質量，考核產品運行多長時間發生故障。根據國內外公認的可靠性含義，現場故障信息是評價產品可靠性水平的基本依據。通過采集來自機床運行現場的原始故障數據，才能評估出讓用戶認可的可靠性真實水平。否則，無論你評價出可靠性水平有多高，哪怕已經超過國際先進水平，也只能是自我安慰，不能得到用戶的認可，不能真正提高國產數控機床的市場競爭力。

上述表明，數控機床可靠性評估并不復雜，不要把機床可靠性評估變為學究式研究，說得玄而又玄，高深莫測。無論是用于評估的原始數據獲取和計算MTBF的方法，機床用戶或主機生產廠都可以進行。因為某臺機床的MTBF，是在機床用戶暴露出來的，是客觀真實存在，不是通過理論研究臆想出來的。

三、開發可靠性實用技術——企業是提高產品可靠性的主體

欲真正提高數控機床的可靠性，生產企業是主體，主要靠企業自身建立可靠性保障體系，開發和真正實施可靠性實用技術。當然也需要產學研結合，企業可以選擇高校有實踐經驗的科研人員參與，但這種結合不能改變生產企業的主導地位。因為可靠性涉及到主機生產廠的設計、制造、裝配、供應和售后服務等廠內各部門，還涉及到配套件、外協件等，這是一項與生產企業緊密相關的系統工程，它貫穿于機床開發、生產和使用的全過程，可以用以下附圖簡要說明。

數控機床可靠性保障體系圖

附圖左列方塊是機床產品開發、生產和運行使用的各階段，右列各方塊是與之配套的各階段可靠性工作內容，現簡要說明如下。

（1）提高產品可靠性無非就是減少或避免產品工作過程中所發生的各種故障。為了使可靠性工作見實效，企業首先要了解當前產品在用戶運行過程中暴露出來的主要故障，明確產品可靠性存在的主要問題。為此，要轉變售后服務觀念，售后服務人員不僅為用戶排除故障，恢復機床功能，達到用戶滿意，更重要的職責還要通過售后服務過程進行現場跟蹤（或稱為現場試驗），采集當前在用戶運行的產品暴露出來的故障信息，摸清病灶，以便有針對性地解決問題。企業也可以組織有關人員，專門去用戶采集和積累現場故障信息，即右列最上面方塊的工作內容。

（2）為了消除故障或者削弱導致故障的內外因素的作用而減少故障的發生，必然伴隨故障分析技術。主要包括：故障部位鑒別與分析、故障模式鑒別與分析、故障原因鑒別與分析、故障影響分析、可靠性薄弱環節鑒別與分析等。通過故障分析，找出對可靠性影響較大的故障部位和故障原因；為可靠性改進設計和可靠性增長技術的開發提供基礎數據和信息。

（3）數控機床的可靠性水平從根本上說是由設計決定的，為提高產品可靠性設計水平，必須采取可靠性設計改進措施，制訂具有可操作性的可靠性設計方法指導性文件，提高機床設計技術人員的可靠性素質，總結多年設計經驗，逐漸建立和完善可靠性綜合設計方法。

（4）國產數控機床的許多故障是由落后的工藝過程造成的，機床的可靠性與關鍵工序和裝配過程密切相關。可靠性設計值，要通過制造和裝配過程予以保證和實現。低劣的制造和裝配工藝，可靠性設計值就成為根本不能兌現的空話。要在對產品進行大量故障分析的基礎上，進行關鍵工序和裝配過程的可靠性保證技術的研究。根據在關鍵工序和裝配過程方面的不可靠因素，研究和采取相應的改進與保證措施。

（5）國產數控機床的許多故障來源于關鍵配套件和外購件，這是買來的隱患。可靠性設計值，同樣要通過關鍵配套件和外購件予以保證和實現。低劣的配套件和外購件不能兌現產品的可靠性設計值。企業要研究制定關鍵配套件、外購件的可靠性保證體系,如對供方的選擇和控制，編制采購文件和外協文件，外購件進貨檢驗和試驗，元器件的嚴格測試和篩選等。

（6）數控機床現場運行表明，早期故障多數沒有在制造廠消除，而是帶到用戶中。機床運行初期故障頻繁，故障率很高，這是影響國產機床可靠性聲譽的重要因素之一。早期故障是國產機床的軟肋，在機床總裝完成后，要進行早期故障試驗，暴露或誘發早期故障，將早期故障消滅在制造廠內。通過早期故障試驗，排除數控機床的早期故障，會使國產機床的可靠性信譽立竿見影。

四、結束語

上述開發和實施可靠性技術過程表明，可靠性工作欲見實效，生產企業是主體。因為制造廠最熟悉自己的產品，對故障表現和故障分析，企業最有發言權，至于在設計、生產工藝和外協件等方面采取可靠性改進和提升的技術措施等，更必須依靠企業自身的實際行動。國外名牌數控機床的可靠性水平有目共睹，也是靠企業自身的質量意識和健全的可靠性保障體系實現的。

提高可靠性是廣大數控機床用戶的強烈呼聲，已成為提升國產數控機床核心競爭力的突破口。為了使國產數控機床在激烈而殘酷的國際市場競爭中立于不敗之地，企業決策層、管理部門和工程技術人員，必須提高可靠性意識，建立企業自身的可靠性保障體系，在機床生產全過程認真實施可靠性保障措施，把領導的決心變成全員的實際行動，這樣提升國產數控機床核心競爭力是完全可能的。