數控車床的可靠性分析

楊浦良，李玉菊

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

數控車床的可靠性分析

楊浦良，李玉菊

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

應用數理統計的方法分析了CAK3275V型數控車床的故障現象、故障部位、故障原因，指出了該型車床最薄弱的環節，為機床的制造商提高該型數控車床固有可靠性提供了有價值的參考數據，同時提出了一種提高數控車床工作可靠性的方法。

數控車床;故障分析;固有可靠性;工作可靠性

0 引言

數控車床又稱為CNC車床，即計算機數字控制車床，是目前國內使用量最大，覆蓋面最廣的一種數控機床，約占數控機床總數的25%。數控車床是數控機床的主要品種之一，它在數控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發展。數控車床是一種高精度、高效率的自動化機床。它具有廣泛的加工工藝性能，因此在機械零件的生產中發揮了重要作用，取得了良好的經濟效果。同時由于數控車床的故障而造成的停機以及維修費用又給數控車床用戶帶來了極大的困惑。這樣數控車床的可靠性問題就擺在了機床制造商和用戶的面前，可靠性已成為數控車床的制造商和用戶使用頻率極高的的一個術語。

數控車床的可靠性是指在規定的條件下和規定的時間內，數控車床穩定完成其功能的程度或性質。它分為固有可靠性和工作可靠性兩種。其中固有可靠性是指數控車床的設計制造者按照可靠性規劃，從原材料和零部件的選用，經過設計、制造、試驗，直到數控車床出產的各個階段所確立的可靠性。工作可靠性是指已生產的數控車床經過包裝、運輸、存儲、安裝、使用、維修等因素影響的可靠性。

CAK3275V型數控車床采用了華中數控系統，是一種真正意義上的國產數控車床，它的研發和應用對提高我國國產數控車床的市場占有率，增強國產數控車床的自主化，具有重要意義。本文通過對該型數控車床的故障分析，找出數控車床容易出現的故障和薄弱的環節，其目的一方面是為機床的制造商設計和制造數控車床提供必要的參考數據，以提高該型數控車床的固有可靠性，另一方面是為機床的用戶正確維修和保養數控車床提供必要的理論指導，以提高該型數控車床的工作可靠性。

1 故障數據的采集與整理

1.1 數據采集

本文的故障數據是通過長春理工大學工程訓練中心在實際教學使用中的12臺沈陽機床集團生產的CAK3275V型數控車床進行跟蹤調查得到的。主要是按部頒標準JB/GQ 1153-90的CNC機床故障記錄報告的格式對上述數控車床的實際故障進行跟蹤記錄得到的。

1.2 數據處理

故障數據采集后，首先對采集的數據進行整理和必要的預處理，然后對數據進行編碼，并建立數控車床的故障數據庫。數據庫的數據格式如表1所示。

數據庫中機床編碼、制造廠家、故障原因、故障部位、故障編碼等均按一定的方式進行數字編碼。例如機床編碼由8位數字組成，數據庫中的數據均可按照特定的機床、制造廠、故障原因、故障部位、故障編碼等進行檢索或數據庫重組，以滿足不同目的的故障數據分析。

表1 故障數據庫的數據結構

2 故障分析

2.1 故障現象及其頻次分析

從表2和圖1可以看出，該型數控車床的故障現象主要是加工尺寸不準(28.6%)、加工零件有振紋(12%)、X、Z軸不運動(9.5%)、X、Z軸噪音(7.2%)等。這說明該型數控車床的功能是可以滿足顧客需求的，而其加工零件的精度是有待提高的，這就給我們指明了一個提高該型數控車床可靠性的方向，那就是提高數控車床的加工精度。其中影響加工精度的因素是數控車床的機械零部件占86%、電氣零部件占9%，可以看出機械方面的原因是影響該型數控車床加工精度的主要原因。

表2 故障現象、現象編碼、及其現象頻次表

圖1 故障現象頻次圖

2.2 故障部位及其頻次分析

從表3和圖2可以看出，該型數控車床的故障部位主要是進給傳動系統(34.1%)、主軸部件(22%)、電氣系統(14.6%)等，它們都是數控車床加工零件時與零件直接發生作用的部位，因此這些部位的故障對數控車床加工零件精度影響是相當大的，只有把這些部位的可靠性提高才能有效地提高數控車床的可靠性。其中進給傳動系統即進給驅動裝置，是指將伺服電動機的旋轉運動變為工作臺直線運動的整個機械傳動鏈，它包括滾珠絲杠螺母副、聯軸器、滑板、滑鞍壓板等，其中滾珠絲杠螺母副是進給傳動系統中最主要的故障部位。主軸部件是數控車床主運動系統的主要組成部分，它在主軸箱內，它由主軸、主軸軸承、工件或刀具自動夾緊機構等組成，其中主軸軸承是主軸部件中最主要的故障部位。

表3 故障部位、部位代碼、及其部位頻次表

圖2 故障部位頻次圖

2.3 故障原因及其頻次分析

從表4和圖3可以看出，該型數控車床的主要故障原因是元器件損壞(31.7%)、零部件松動(22%)、零部件安裝不良(14.3%)、線路連接不良(7.8%)，這說明廠家在設計、制造和裝配數控車床的元器件的過程中缺乏合理的可靠性分配措施。因此，要想提高該型車床的可靠性，必須在數控車床設計、制造、裝配過程中的各個環節加強可靠性工作。另外，還可以看出許多故障原因數控車床的使用單位是可以發現并提早處理的，因此，要想提高數控車床的可靠性，數控車床使用過程中的可靠性工作也是必須加強的。在易損壞的元器件中機械元器件(軸承、編碼器、滾珠絲杠螺母副、聯軸器等)占70.3%，電子元器件占27.2%，其它元器件占2.5%。而易松動的零部件中機械零部件占85%，其它零部件占15%。

表4 故障原因、原因代碼及其原因頻次表

圖3 故障原因頻次圖

3 工作可靠性

如何提高數控車床的工作可靠性，各個單位都有自己的不同做法。根據故障率的浴盆曲線，在車床使用的初期，故障率較高，隨著時間的推移故障率逐漸下降并趨于平穩，在車床使用的末期，故障率也較高。本文通過提高維護時間間隔的柔性來提高數控車床的工作可靠性。具體方法是根據每次任務量的大小來決定維護的間隔時間的長短，即任務量大時經常維護任務小時偶爾維護。實踐證明，這種方法可以在一定程度上提高數控車床的工作可靠性。圖4是這種方法在長春理工大學工程訓練中心的驗證結果，從圖中可以看出，提高維護時間間隔的柔性后，數控車床的故障率明顯降低了。

圖4 維修時間間隔調整效果圖

4 結語

(1)機械零件加工精度差是該型數控車床的主要故障現象。

(2)進給傳動系統和主軸部件是該型數控車床的主要故障部位。

(3)元器件損壞、零部件松動和零部件安裝不良是該型車床的主要故障原因。

(4)長春理工大學工程訓練中心的經驗表明，提高數控車床的維護時間間隔的柔性可以提高其工作可靠性。

［1］ 王義強，曲興田，仇健.CNC車床的工作可靠性分析［J］.汽車工藝與材料，1999(2):34－36.

［2］ 李夢群，馬維金，王愛玲，等.現代數控機床故障診斷及維修［M］.第3版.北京:國防工業出版社，2009.

［3］ JB/CQ1153-90.CNC車床可靠性考核方法［S］.

An Analysis on the Reliability of CNC Lathe

YANG Pu-liang，LI Yu-ju

(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

This paper analyzes the fault phenomenon，location and causes of CAK3275V-type CNC lathe by applying mathematical statistics method，pointing out the weakest link in the lathe，which provides valuable references datum for machine manufacturers to improve the inherent reliability of CNC lathe，and it presents a way to improve the working reliability.

CNC lathe;failure analysis;inherent reliability;working reliability

TG519.1

A

1009－3907(2012)06－0637－04

2012-04-12

楊浦良(1979-)，男，吉林敦化人，碩士研究生，主要從事可靠性方面研究;李玉菊(1955-)，女，重慶人，教授，主要從事工程圖學方面研究。

責任編輯:吳旭云