加工中心故障分析及其可靠性增長的措施

黃永玉，茍衛東，段廣云

(1.青海大學機械工程學院，青海西寧810016;2.青海一機數控機床有限責任公司，青海西寧810018)

可靠性理論和技術的發展及推廣應用是當今科學研究、工業生產中的一項重要內容，是衡量數控機床質量的標準，也是數控行業發展的重要環節。國外對機床的可靠性研究工作最早在20世紀70年代起源于前蘇聯，此后歐美及日本的學者也相繼對數控機床的可靠性增長、故障分析和預測、可靠性設計和改進設計等進行了研究［1］。國內對數控機床的可靠性研究工作始于20世紀80年代末，通過對部分數控機床產品進行可靠性的分析、評價，提出了一些切實可行的可靠性評定方法及其增長技術，使國產機床的可靠性有了較大的提高，有效地提升了我國數控機床行業的核心競爭力。如王桂萍等［2］通過現場采集加工中心故障信息，找出加工中心運行中各薄弱環節及其對整機的影響程度，進而確定其可靠性改進的主要方向。邱紹虎等［3］通過數據分析國產數控機床可靠性現狀，分析了國產數控機床可靠性偏低的原因進而指出系統可靠性設計、零部件選型、制造與裝配工藝以及機床使用與維護等是影響機床可靠性的主要因素。張靜等人［4］通過對某廠同一系列的數控機床的故障數據從故障危害度方面進行分析，找出該系列數控機床的薄弱環節，分析了影響國內數控機床可靠性的主要因素和應采取的相應對策。程曉民等［5］通過臥式加工中心早期故障試驗，找出早期故障模式并進行早期故障嚴重度分析，有針對性地提出可靠性改進建議及其保證措施，以降低加工中心在使用過程中發生故障的頻率，提高其使用可靠性。文獻 ［6］根據采集的加工中心的故障數據，對加工中心的故障模式、故障部位及故障原因進行了故障分析。經統計后，找出了故障發生的高頻子系統，并深入對故障最頻繁的CNC子系統進行了故障模式和故障原因進行了分析。經危害度分析獲得了影響加工中心可靠性的關鍵子系統及部件，確定了可靠性薄弱環節，為可靠性設計提供了依據。

近年來我國機床行業的許多企業與有關高校合作，實施可靠性技術，國產機床的可靠性水平在穩步增長，但與發達國家同類產品相比差距仍然明顯。文中從加工中心的故障診斷分析著手，根據機床工作和功能特點，研究其故障模式和原因，提出排除故障的方法，最終提高數控機床可靠性，為實施可靠性增長技術提供相應的支撐。

1 可靠性試驗中機床出現的故障及故障分類

1.1 故障統計

截止到2011年12月31日，對國內某知名數控機床制造企業銷往全國各地的加工中心進行了2011年全年的故障調查，共完成了399臺加工中心可靠性試驗和評估工作，累計共出現各類故障664次，有效故障數為614個。

1.2 按故障出現的部位分類

數控機床是機電集成化產品，所出現的故障可以劃分到各個單元 (系統)，一般可以分為:主軸系統、進給系統、工作臺、刀庫系統、液壓系統、氣動系統、潤滑系統、冷卻系統、數控系統、電氣系統、排屑系統以及機床防護等多個部分。圖1是399臺數控機床出現的故障數在各系統中的分布情況，圖2是對應的各系統故障數所占總故障數的比例。

圖1 加工中心出現的有效故障數在各系統中的分布

圖2 加工中心各系統故障數所占總故障數的比例

從圖2可以看出，在機床的故障中，刀庫系統(換刀裝置)、工作臺和主軸系統的故障率位居前三，分別占26.71%、13.84%和12.54%，這3個部位的故障率超過總故障的一半，而其他系統不到50%。故障率最低的是潤滑系統，僅為0.65%，其次為氣動系統和數控系統，分別為0.98%和1.47%。因此，刀庫系統 (換刀裝置)、工作臺和主軸系統的故障是當前需要重點解決的問題，也是加工中心可靠性的關鍵所在。

1.3 按故障出現的類型分類

按故障出現的類型可以分為損壞型、動作型、控制型、配套型、滲漏型等類型，從所調查的399臺數控機床可靠性試驗出現各類型故障情況來看，主要故障相對集中在控制型和動作型，解決動作型、控制型故障是提高數控機床可靠性的關鍵。

2 故障分析

2.1 故障原因概述

2.1.1 刀庫系統 (換刀裝置)

刀庫系統工作頻繁度僅次于主軸，但動作次數比主軸多，回轉、選刀、機械手旋轉、抓刀、換刀等系列連續性動作，必須協調一致，參與這些動作各個機構或系統，務必工作正常，并且必須到達預定的目標位置，否則就會出現故障，如掉刀、卡刀、亂刀、機械手原點漂移、拉刀力度不足等系列故障。

2.1.2 主軸系統

(1)軸承

在已完成的399臺可靠性調查的產品均為臥式或立式加工中心。機床主軸是機床的關鍵部件，與主軸有關的零部件 (或組件)雖然不是很多，但是其中的關鍵零件——軸承對主軸的性能有著很大影響，我國的軸承行業仍然落后，高質量的精密軸承和高速軸承質量不能滿足需求，這就需要大量進口，然而進口也有難題，除國外的限制之外，進口高速軸承和精密軸承的價格很高，交貨期長，加之國內主軸裝配環境因素差以及工藝水平落后等，都會導致主軸達不到最好水平。

(2)松拉刀機構

主軸的松拉刀機構包括信號檢測裝置，也是主軸系統的重要組件。由于外購件包括非接觸式信號檢測元件的安裝不合適，隨著主軸的運轉、振動和熱變形，導致卡刀、無信號。此外，主軸的油氣潤滑和主軸冷卻系統是高速主軸必須解決的問題，盡管大部分生產企業做出了很多努力，但還要加強攻關力度，由于存在內熱外冷或潤滑壓力不足導致主軸抱死的情況時有發生。造成較高的主軸故障的另一個原因是主軸系統運行時間長，出現故障的概率自然就多，不像電器元件、定時潤滑系統、進給系統等都是間歇式工作。

2.1.3 工作臺

工作臺是用來支撐工件通過傳動機構完成相應的回轉、角度分度等運動，并配有夾緊裝置的部件。其功能有:支撐工件、傳遞運動、定位基準。其性能方面要求靜剛度要高、動剛度要好、溫度分布均勻、受力合理以及耐磨性好。其工作臺起落的感應開關、液壓系統以及傳動系統等都將直接影響到機床工作的可靠性，常見的故障有工作臺不能回零、油缸漏油以及轉臺不到位等。為防止工作過程中切屑與雜質進入旋轉臺，回轉部分與下箱之間要用密封圈封好，這樣還能起到潤滑軸承的作用。依靠密封件發生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質的內壓，則不發生泄漏，反之則發生泄漏。

2.2 具體故障現象及原因

故障可以按出現的部位分類，也可以按出現的類型分類，為了讓機床設計人員方便，這里僅從故障出現的部位描述故障現象，并分析故障原因。

2.2.1 換刀裝置故障

從被調查的399臺加工中心來看，換刀裝置的故障比例最大，達到了26.71%。主要表現為機械手掉刀、卡刀、不能換刀或松刀不到位等。其原因有刀庫電機無反轉致使機械手無法換刀;由于漏水問題，導致刀套下墜;因換刀臂頂刀彈力不足，致使換刀時掉刀;因刀庫平移信號開關壞導致刀庫動作錯誤;機械手電機過載報警，出現掉刀現象以及刀套抬起的電磁閥損壞等。機械手換刀拉出主軸錐孔前，手指定位不到位，在拉出的瞬間掉刀，在確保換刀時間的前提下，可以通過適當調節定位延時時間解決此問題;多次循環換刀，加上導套根部存在先天裂紋，可能會導致導套斷裂，故應加強對外購件產品探傷檢驗力度;此外，主軸熱伸長，拉釘端部與主軸端部的間隙變小，刀柄振動引起干涉，也會導致掉刀。

2.2.2 工作臺故障

工作臺的故障比例為13.84%，主要表現在工作臺無動作、工作臺不能回零、分度不準確以及工作臺底部漏油等。原因有:由于信號開關損壞使得工作臺起落信號異常;蝸桿傳動間隙過大致使分度不準確;液壓缸密封接觸面上的接觸壓力小于被密封介質的內壓，從而發生泄漏，導致工作臺底部漏油等。

2.2.3 主軸系統故障

主軸系統的故障占此次調查的機床總故障的12.54%，并且最主要體現在松拉刀機構上，表現在主軸不松刀、不能換刀或換刀時卡刀等。其原因有主軸松拉刀油缸螺釘斷裂、松拉刀碟簧損壞、漏氣以及信號異常等。除此之外，還有主軸有間隙、異響以及抱死等現象。主軸抱死的主要原因是軸承質量問題，裝配不合適，軸承進水或銹蝕以及冷卻和潤滑不合理等。

2.2.4 機床防護系統故障

機床防護系統的故障占9.12%，主要表現為機床護罩損壞或縫隙大、機床防護門脫落，防護罩漏水以及機床冷卻液泄漏等。針對這些故障表象，可以采取相應的措施避免此類故障的發生。

2.2.5 進給系統故障

進給系統出現的故障情況占8.47%，主要表現為:由于限位行程開關損壞，導致X、Y軸運行異常;X、Y軸的垂直度誤差過大以及進給系統進水引起過載故障等。

2.2.6 電氣系統故障

電氣系統故障占7.49%，主要表現在元器件質量不過關，裝配時絕緣損傷、爬電距離不足放電等方面。如主軸電纜線發生了短路故障、電纜線磨損短路、繼電器損壞等。此外，還有電機損壞、系統保險斷路、電氣箱空調無制冷等現象。

2.2.7 自動交換托盤 (托盤交換裝置)

此次調查的399臺加工中心中，交換臺加工中心數量為機床總量的25%，該類加工中心的托盤交換裝置占了7%。主要表現在:由于切屑進入工作臺，導致交換臺無法交換;接近開關故障，使得2個工作臺交換異常;交換臺油缸磁環開關損壞、交換臺油缸平移信號錯誤致使無法交換;交換臺抬起落下電磁閥不靈活，交換臺交換時不順暢等。

2.2.8 冷卻系統故障

冷卻系統故障占總故障的4.89%，主要變現為冷卻電機過載，齒輪泵損壞 (水泵故障);風機損壞;恒溫油箱有損壞以及油冷機損壞等。

2.2.9 液壓系統故障

液壓系統故障率為4.07%，主要表現有液壓站故障、液壓元件損壞、液壓電機故障以及液壓油的滲漏等現象。

2.2.10 排屑系統

排屑系統的故障率為2.77%，突出表現為電機過載。此外，還有螺排卡裂、排屑器損壞等。

2.2.11 數控系統故障

數控系統包含驅動模塊、輸入模塊、輸出模塊和顯示模塊等，作為數控機床的核心和“神經中樞”，其負責實現機床所有動作和功能的控制，任何一個環節出現問題都將會導致機床故障。在影響數控系統正常工作的諸多因素中，數據傳輸方式是否合理、接口信號是否失真和有效、屏蔽接地和接零是否有符合標準、保護接地位置是否正確、系統內置參數是否匹配、PLC邏輯判斷的先后順序是否滿足規定要求等都會影響數控系統的可靠性，尤其是國產系統可靠性問題更應引起足夠的重視。

此次調查的機床故障中，數控系統的故障占1.47%，主要表現在刀庫出現亂刀現象，數據傳輸異常以及數控系統失靈等。

2.2.11 氣動系統故障

氣動系統的故障率為0.98%，主要有氣動元件漏氣、氣液轉換器漏油、增壓缸漏油等。

2.2.12 潤滑系統故障

潤滑系統故障占0.65%，原因有潤滑系統損壞、潤滑油路不循環以及潤滑站不上油等。

3 建議

通過對399臺加工中心可靠性調查以及故障分析，建議采取如下措施:

(1)提高產品的制造和裝配質量

可靠性是制造出來的，其高低與裝配質量控制直接有關，如果制造、裝配過程不注重細節，裝配工藝不合理，忽視過程檢驗和監控，就會導致早期故障率高。

(2)建議選用質量好的配套件

機床配套件很多，配套件質量問題也是令企業領導頭疼的事情。劣質甚至假冒的配套件不易控制，部分企業常常沒有檢驗 (進貨檢驗)配套件的手段，只能看配套件的標識或部分資料，不能完全了解配套件的品質;個別企業采購員有意選用價格便宜的配套件或替代品，使不符合要求的配套件流入生產流程中，從而造成產品問題多，最終導致產品出現故障。

(3)完善可靠性試驗手段

國外的機床企業，基本都有機床試驗手段。國內在這方面則基本是空白。具體情況是，測試產品在制造、裝配中和定型前，不進行任何可靠性和性能試驗，機床許多潛在的故障問題未經暴露，產品的好壞直接由用戶的在實際使用來試驗，造成用戶用的機床可靠性無法得到保障。

(4)提高產品可靠性設計水平

可靠性也是設計出來的，設計者不僅要會測繪，還應會對可靠性進行預計，對機床各零部件工作環境和應力狀態進行分析、評估及MTBF預計，這樣才能了解所設計的產品可靠性情況。但由于多數企業在產品設計時，往往是憑經驗和以前的設計資料，照搬或模仿，很少考慮可靠性問題，故障分析更是無從談起，這樣就會大大影響到產品的可靠性。

【1】錢浩．基于Bootstrap Bayes的數控機床小子樣可靠性建模方法研究［D］．長春:吉林大學，2012:1－3．

【2】王桂萍，賈亞洲．數控機床可靠性分析方法［J］．吉林工程技術師范學院學報，2006，22(3):13－16．

【3】邱紹虎，吳必才，蘇春．國產數控機床可靠性現狀及其改善對策研究［J］．中國制造業信息化，2009，38(13):1－4．

【4】張靜，宋建武，康占武，等．數控機床可靠性分析［J］．河北建筑工程學院學報，2009，27(2):79－81．

【5】程曉民，陳炳森，崔玉國．臥式加工中心早期故障嚴重度分析及可靠性保證措施［J］．機械制造，2004，42(4):58－60．

【6】楊志偉，任工昌，孟勃敏．加工中心故障模式的可靠性分析［J］．組合機床與自動化加工技術，2011(10):10－16．