鏈式刀庫及機械手早期故障篩選試驗及分析方法*

金淵源，馮虎田，李春梅，董維新，劉亞峰

(1.南京理工大學機械工程學院，南京 210094;2.陜西秦川機床工具集團有限公司 秦川發(fā)展研究院，陜西寶雞 721009)

鏈式刀庫及機械手早期故障篩選試驗及分析方法*

金淵源1，馮虎田1，李春梅1，董維新2，劉亞峰2

(1.南京理工大學機械工程學院，南京 210094;2.陜西秦川機床工具集團有限公司 秦川發(fā)展研究院，陜西寶雞 721009)

介紹了國內外鏈式刀庫及機械手早期故障的研究現(xiàn)狀和現(xiàn)存問題。針對該系統(tǒng)的結構特點，采用臺灣吉輔刀庫為核心部件，搭建了鏈式刀庫及機械手可靠性試驗臺。通過對系統(tǒng)常見故障模式與失效機理的分析，提出一種基于環(huán)境應力篩選的早期故障試驗方法，激發(fā)其早期故障與薄弱環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)缺陷進行有效排除。最后采用FMECA分析方法對鏈式刀庫及機械手進行了定性分析，提出后續(xù)分析的方法要點。該早期故障篩選試驗與分析方法對同類產品的可靠性研究具有重要意義。

鏈式刀庫;早期故障試驗;環(huán)境應力篩選;FMECA

0 前言

鏈式刀庫及機械手是現(xiàn)代數(shù)控機床的核心部件，是典型的機電一體化系統(tǒng)。換刀過程復雜，故障頻發(fā)，國產鏈式刀庫及機械手在可靠性與精度保持性上面與國際先進水平存在較大差距，其主要原因是未能有效排除其早期故障。在該產品整個使用壽命期間，其失效率符合浴盆曲線模型。在早期故障期中，失效率很高，主要因為存在設計、材料與結構方面的缺陷。為了有效提高該部件的可靠性，非常有必要進行早期故障篩選試驗，激發(fā)產品早期故障，剔除不合格品，對系統(tǒng)缺陷進行修正與排除。

近年來世界各國對刀庫及機械手的可靠性研究工作越來越重視，在故障數(shù)據(jù)采集、故障分析、可靠性設計與管理方面提出了新的理論和方法，逐漸由定性分析轉變?yōu)槎糠治觯诳煽啃栽囼炁c技術上有了長足發(fā)展。在早期故障篩選試驗方面，國外先進廠商如德國DMG、美國哈斯、日本西門子等，主要是針對使用過程中出現(xiàn)的真實故障，采取現(xiàn)場跟蹤的方法進行數(shù)據(jù)收集，并根據(jù)故障數(shù)據(jù)進行可靠性綜合分析，進而進行可靠性優(yōu)化設計［1］。國內在這一方面仍處于摸索階段，缺乏相關的可靠性早期故障試驗體系和行業(yè)標準。“九五”、“十五”期間，國內部分數(shù)控機床骨干廠商應用數(shù)控機床可靠性指標評價體系對本企業(yè)的數(shù)控機床產品進行可靠性評價，并對企業(yè)內部使用的機床關鍵部件進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，進行了一定程度的分析。“吉林大學數(shù)控設備可信性工程研究所”也在“863”國家重點科技攻關項目中，對數(shù)控機床的可靠性研究問題進行較為深入的考察分析，研究出了一套適合小樣本數(shù)據(jù)采集的數(shù)控機床可靠性研究方法［2-3］。

但是，國內針對單樣本鏈式刀庫及機械手早期故障篩選試驗及故障數(shù)據(jù)分析方面，還未進行深層次、針對性的探索，由于該部件結構復雜、價格昂貴，在早期故障排除方面仍存在很大困難，迫切需要進行系統(tǒng)研究。針對這一現(xiàn)狀，本文以臺灣吉輔鏈式刀庫為研究對象，基于環(huán)境應力篩選方法，提出了一種單樣本的早期故障篩選試驗方法，并且應用FMECA方法對該系統(tǒng)進行了定性分析。這對于解決制約國產鏈式刀庫及機械手產品可靠性的技術瓶頸，進一步促進高檔數(shù)控機床的自主研發(fā)與國產化具有重要意義。

1 鏈式刀庫及機械手的早期故障試驗

1.1 早期故障試驗系統(tǒng)構成

本文主要以陜西秦川機床工具集團有限公司生產的VTM180車銑復合加工中心用鏈式刀庫及機械手為研究對象，采購臺灣吉輔B5060VH2QCO1臥式刀庫為核心部件，搭建QY012鏈式刀庫及機械手試驗臺進行早期故障篩選試驗。試驗臺主要由鏈式刀庫、換刀機械手、模擬主軸、液壓系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成，試驗系統(tǒng)布局如圖1所示。

圖1 QY012鏈式刀庫及機械手試驗臺結構圖

1.2 早期故障篩選試驗

(1)試驗內容的制定

鏈式刀庫及機械手是復雜的機電一體化系統(tǒng)，結構復雜，零部件較多，具有多個子系統(tǒng)，因此其故障位置與類型具有多樣性。針對這一情況，本文在總結國內外鏈式刀庫及機械手產品常見故障［4-5］(如圖2所示)的前提下，結合本試驗臺的具體結構和零部件特性，制定早期故障篩選試驗計劃，主要包括以下六個方面:

①定位精度試驗

②掉刀檢測試驗

③振動檢測試驗

④噪聲檢測試驗

⑤壓力監(jiān)控試驗

⑥其他故障檢測試驗

(2)試驗的設計與實施

本試驗采用的是單樣本的早期故障篩選試驗，為彌補樣本不足導致故障收集不足、產品缺陷未能有效激發(fā)等問題，使用應力篩選法進行早期故障試驗，即對鏈式刀庫及機械手施加合理的環(huán)境應力，利用環(huán)境應力的破壞效應，使系統(tǒng)內部的早期潛在缺陷，以故障的形式被加速激發(fā)出來，找出零部件失效模式與機理，進而剔除其早期失效部件，有效縮短產品的早期失效期，提高其可靠性［5-6］。

圖2 鏈式刀庫及機械手常見故障

環(huán)境應力主要包括溫度和振動兩方面的內容，考慮到鏈式刀庫及機械手的實際使用環(huán)境、換刀流程以及可能出現(xiàn)的故障模式與失效機理，本試驗選擇隨機機械振動與溫度循環(huán)相結合的早期故障篩選方法。參考GJB1023中典型溫度振動應力安排，以10000次無故障換刀為試驗指標，在施加環(huán)境應力的情況下，對試驗臺進行連續(xù)試驗［6］。

根據(jù)制定的試驗計劃，布置測控系統(tǒng)，利用位移傳感器、加速度傳感器、光電接近開關、激光多普勒振動測試儀、噪聲計、壓力變送器等儀器進行檢測，收集故障信息，按步驟進行試驗。

①對試驗臺進行連續(xù)空轉試驗，直至達到試驗指標。圖3根據(jù)本刀庫實際換刀流程給出了鏈式刀庫及機械手試驗故障采集方法。

②對試驗臺施加環(huán)境應力，在試驗過程中，對試驗臺的各關鍵部分施加不同頻率、不同幅值的隨機機械振動;同時調節(jié)試驗場地溫度，進行高低溫循環(huán)，施加溫度循環(huán)應力，如出現(xiàn)故障則停機檢查并記錄，直至達到試驗指標，即整個試驗臺進行10000次無故障換刀后停機，總結分析早期故障數(shù)據(jù)，在忠于原始故障記錄的同時，建立該系統(tǒng)的早期故障試驗數(shù)據(jù)庫。

圖3 單次換刀流程及試驗檢測示意圖

1.3 早期故障試驗中需要注意的問題

在對鏈式刀庫及機械手進行早期故障試驗時，參考JB/GQ1141-1989的有關規(guī)定，結合鏈式刀庫及機械手的運轉特性，應注意以下幾個問題:

(1)隨機機械振動中采用的篩選振動量應低于環(huán)境鑒定試驗的合格值，參考GJB1032規(guī)定的振動譜形，選擇篩選振動量值為0.04g2/Hz，加速度均方根值為6.06g，這個值對剔除早期故障最有效，且不容易對產品產生疲勞損傷。

(2)溫度循環(huán)要求在0～40℃內進行循環(huán)，最好達到5～10℃/min的溫度變化率，讓零部件進行交替膨脹和收縮，放大設計缺陷。

(3)系統(tǒng)必須進行不間斷連續(xù)運轉，不得以累計方式重新開始運轉，期間若出現(xiàn)故障必須重新開始計時運轉，但保護性停機是允許的。

2 鏈式刀庫及機械手FMECA分析方法

故障模式、影響與危害性分析，是確定產品的每個組成部分可能存在的故障模式，并確定各個故障模式對產品和其他組成部分以及產品要求功能的影響，同時考慮故障發(fā)生概率與故障危害度等級二者綜合影響的一種可靠性分析方法。它包含兩個步驟，即故障模式及影響分析(Failure Mode Effect Analysis)和危害性分析(Criticality Analysis)［7-8］。

進行FMECA的作用在于查明一切潛在的故障模式，以便通過修改設計或采用其他補救措施盡早消除或減輕其危害性。在對鏈式刀庫及機械手進行早期故障試驗后，獲取了大量的故障數(shù)據(jù)，為提高該系統(tǒng)的可靠性、精度保持性和使用壽命，非常有必要對其進行系統(tǒng)的FMECA分析，結合鏈式刀庫及機械手的故障模式與失效機理，對該系統(tǒng)的FMECA分析應包括以下幾個方面的內容:

(1)總結分析故障數(shù)據(jù)

在已知鏈式刀庫及機械手的可靠性邏輯關系的情況下，根據(jù)早期故障試驗的真實數(shù)據(jù)，列出該系統(tǒng)與子系統(tǒng)全部零部件的所有可能出現(xiàn)的故障模式，分析各種故障對系統(tǒng)造成的影響和后果。

(2)嚴酷度的確定。

為了對系統(tǒng)設計上的錯誤或由于故障造成的最壞潛在影響規(guī)定一個定量量度，將鏈式刀庫及機械手的故障分析由定性分析發(fā)展成定量分析，引入嚴酷度這一概念，根據(jù)早期故障試驗得到的數(shù)據(jù)，對鏈式刀庫及機械手故障模式與影響進行嚴酷度分類，按故障嚴重程度可分為四類:I類(致命性故障);II類(嚴重故障);III類(一般故障);IV類(輕度故障)。

(3)系統(tǒng)危害性分析

危害性分析(CA)是對故障后果嚴重程度進行分析與評價，按每一故障模式的嚴酷度(ESR)及其發(fā)生概率所產生的綜合影響在危害性矩陣圖上面表示出來，并劃分等級。危害性分析分為填寫危害性表格和繪制危害性矩陣兩部分。

①填寫危害性表格

填寫危害性表格，主要需進行危害度的計算。

其計算公式是:Cj= λjαjβ

系統(tǒng)以故障模式j發(fā)生故障對鏈式刀庫及機械手整體系統(tǒng)的危害度CAj算公式是:

根據(jù)早期故障試驗獲得的真實數(shù)據(jù)，通過以上方法分級計算可以準確得到不同故障模式對各零部件、子系統(tǒng)、整體的危害度，為進行危害性矩陣的繪制做出充分的準備。

②繪制危害性矩陣

計算出鏈式刀庫及機械手的故障模式危害度Cj、CAj后，將其填入危害性矩陣中。危害度矩陣是用來確定每一故障模式的危害程度并與其他故障模式相比較，它表示各故障模式的危害度分布。危害性矩陣以故障模式嚴酷度等級作為橫坐標，以故障模式的概率等級作為縱坐標來繪制。各故障模式分布點在對角線上的垂直投影點到原點的距離作為指標來比較危害性的大小，距離越長，危害越大。

(4)完成FMECA報告

根據(jù)上述分析結果，填寫鏈式刀庫及機械手FMECA分析報告，內容包括系統(tǒng)可靠性關鍵零部件的清單及優(yōu)化設計意見。本文在參考GJB/Z1391、GJB450A等標準的基礎上，結合本系統(tǒng)的結構特性，設計了FMECA表格。通過對臺灣吉輔刀庫附帶的部分故障列表和零部件列表進行總結，進行了早期故障預計和定性分析，部分填寫了FMECA表格(如圖4所示)，在進行早期故障試驗后，需完善該表格并繪制危害性矩陣圖。

圖4 鏈式刀庫及機械手FMECA表

3 結束語

本論文介紹了國內外刀庫及機械手早期故障試驗分析的相關研究現(xiàn)狀，提出了一種基于單樣本的鏈式刀庫及機械手早期故障篩選試驗方法，并應用FMECA分析方法對該系統(tǒng)部分早期故障進行了定性分析。而且，本項目組聯(lián)合秦川機床有限公司開展了鏈式刀庫及機械手的可靠性綜合試驗，在早期故障試驗方面有望制定一套技術路線，爭取在國內刀庫及機械手方面建立完善的可靠性研究體系，有效提高其可靠性和精度保持性。

［1］劉小敏，王元生.我國數(shù)控機床的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.機械研究與應用，2003(6):5-6.

［2］張英芝.數(shù)控車床故障分布規(guī)律及可靠性［J］.農業(yè)機械學報，2006，37(1):156-159.

［3］李緒成，遲向磊，賈亞洲.立式加工中心故障模式及影響分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2002(3):19-21.

［4］王元軍，楊琪.某臥式加工中心自動換刀系統(tǒng)可靠性與故障分析［J］.中國制造業(yè)信息化，缺少年份(7):76-78.

［5］程曉民，崔玉國，賈亞洲.加工中心早期故障試驗與故障數(shù)據(jù)庫的建立［J］. 機械制造，2003，41(9):53-55.

［6］何國偉.可靠性試驗技術［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1995.

［7］戴怡，賈亞洲，申桂香.立式加工中心的故障分析與改進措施［J］. 中國機械工程，2001，12(11):1209-1211.

［8］周真，馬德仲，于曉洋，等.用于產品可靠性分析的模糊FMECA 方法［J］. 電機與控制學報，2010，14(10):89-93.

The Early Malfunction Test and the Analysis Method of Chain Machine and the Manipulator

JIN Yuan-yuan1，F(xiàn)ENG Hu-tian1，LI Chun-mei1，DONG Wei-xin2，LIU Ya-feng2
(1.Nanjing University of Science＆ Technology，Nanjing 210094，China;2.Shanxi Qinchuan Machine Tool Group Limited Company of Qinchuan Development Research Institute，Baoji Shanxi 721009，China)

The development status and existing problems of the early malfunction about chain machine and the manipulator were introduced.The reliability test bed for chain machine and the manipulator was put up by using GIFU tool magazine as the core component.Then the test of the early manipulator test method based on environmental stress screening was put forward through analyzing the failure mode and failure mechanism of the system，used for arousing the early malfunction and weak link.Finally，based on the FMECA method，the qualitative analysis about this system was summarized.This early malfunction test and the analysis method was important to the reliability study of similar products.

chain machine;the early malfunction test;environmental stress screening;FMECA

TP114.3

A

1001-2265(2012)12-0072-04

2012-04-19

國家科技重大專項(2010ZX04014-013)

金淵源(1988—)，男，遼寧鐵嶺人，南京理工大學機械工程學院碩士，研究方向為鏈式刀庫及機械手可靠性綜合試驗與評估方法研究，(E-mail)jyy_jyy@126.com。

(編輯 趙蓉)