“數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)”專題（十二）使用可靠性保障技術(shù)

張根保 李 磊

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,重慶 400044）

從數(shù)控機(jī)床的全生命周期來看，可靠性技術(shù)可以分為可靠性設(shè)計，制造過程可靠性保障和使用可靠性保障。而使用可靠性所占周期最長，用戶最為關(guān)心的即是數(shù)控機(jī)床的使用可靠性［1］，因為使用可靠性代表了機(jī)床的可用性，可用性是數(shù)控機(jī)床用戶對產(chǎn)品最直接的感受。

使用可靠性保障指的是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)保障產(chǎn)品正常運(yùn)行或者完成規(guī)定功能的能力［2］。從這一定義看，規(guī)定的條件必須通過正確的使用產(chǎn)品來保障。從產(chǎn)品的全生命周期來看，設(shè)計過程決定了產(chǎn)品的理論可靠性，制造過程決定了產(chǎn)品的固有可靠性，而使用過程則決定了產(chǎn)品固有可靠性的發(fā)揮。數(shù)控機(jī)床固有可靠性能否得到充分的發(fā)揮，與其使用過程有著密切的關(guān)系。如果數(shù)控機(jī)床使用得當(dāng)，其實際可靠性就會無限逼近固有可靠性；如果使用不得當(dāng)，其實際可靠性就會大大低于其固有可靠性。

如圖1所示：R（t）是產(chǎn)品的固有可靠度，α定義為使用可靠性保障系數(shù)，α∈0,1，α的大小表征了使用可靠性保障的好壞，α越大表明保障得越好，反之則表明保障得越壞。圖中α1·R（t），α2·R（t），α3·R（t）這3條曲線是3種不同保障狀態(tài)下的產(chǎn)品實際可靠度。研究使用可靠性保障技術(shù)的意義在于采取適當(dāng)?shù)谋Ｕ洗胧┨嵘林担硐霠顟B(tài)為α=1，此時產(chǎn)品的實際可靠度等于其固有可靠度。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，機(jī)床由于運(yùn)行因素引起的故障會占到總故障的20%左右［3］。雖然對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)和維修要增加企業(yè)成本，但設(shè)備尤其是數(shù)控機(jī)床這類關(guān)重設(shè)備發(fā)生故障常常會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，會給企業(yè)帶來巨大的損失［4］。因此，兩相比較之下對數(shù)控機(jī)床采用使用可靠性保障措施是必不可少的，它可以降低事故的發(fā)生頻率，降低故障造成的損失，但前提是要建立科學(xué)的、符合實際的維護(hù)保養(yǎng)、維修決策理論和用戶監(jiān)控技術(shù)。

圖1 產(chǎn)品可靠度曲線

本文從保障數(shù)控機(jī)床使用可靠性的3個關(guān)鍵技術(shù)（維護(hù)保養(yǎng)、維修決策、用戶監(jiān)控）入手，分析其對數(shù)控機(jī)床可靠性的影響機(jī)理、控制方法及三者之間的相互關(guān)系。

1 維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)

維護(hù)保養(yǎng)是由操作者或?qū)I(yè)保養(yǎng)人員日常執(zhí)行的檢查、清洗、加油、調(diào)整等工作。廣義的維護(hù)保養(yǎng)還包括對設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的控制、設(shè)備操作條件控制等。日常的維護(hù)保養(yǎng)能夠減緩設(shè)備功能和精度衰退的速率，保證設(shè)備良好的工作性能，減少設(shè)備的故障，充分發(fā)揮設(shè)備的效率。

設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)是管、用、養(yǎng)、修等各項工作的基礎(chǔ)，是保持設(shè)備完好狀態(tài)的重要手段，是一項積極的預(yù)防性工作。設(shè)備的保養(yǎng)也是設(shè)備運(yùn)行的客觀要求。設(shè)備在使用過程中，由于設(shè)備的物質(zhì)運(yùn)動、化學(xué)作用以及人為因素，必然會導(dǎo)致技術(shù)狀況不斷變化和難以避免的不正常現(xiàn)象，比如連接松動、缺乏潤滑導(dǎo)致的干摩擦、防護(hù)不佳造成的腐蝕等，這些都是設(shè)備發(fā)生故障和精度喪失的隱患，如不及時處理，會造成設(shè)備過早的損耗，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。因此，設(shè)備的壽命和可靠性在很大程度上取決于維護(hù)保養(yǎng)工作。

1.1 數(shù)控機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)的意義

數(shù)控機(jī)床的日常維護(hù)保養(yǎng)是數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基本保證。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，同樣的設(shè)備，若日常保養(yǎng)良好，那么它工作時發(fā)生故障的幾率將減少37%［5］，良好的維護(hù)保養(yǎng)可以減少設(shè)備機(jī)械零件的損耗，或者提早發(fā)現(xiàn)潛在的故障，提高它的使用壽命，保證設(shè)備正常運(yùn)行；良好的維護(hù)保養(yǎng)還可以減少或降低發(fā)生意外事故的幾率，保證企業(yè)資產(chǎn)不受損失及工人的人身安全不受傷害。

1.2 維護(hù)保養(yǎng)的主要內(nèi)容和措施

數(shù)控機(jī)床的日常維護(hù)保養(yǎng)以檢查和清潔為主。例如：檢查數(shù)控機(jī)床電氣柜狀況；檢查液壓和氣動系統(tǒng)的各壓力表是否正常，是何種原因?qū)е虏徽＃瑝毫Ρ碜陨淼膯栴}還是系統(tǒng)的問題；清洗工作臺，清除切屑：每次加工完畢后，應(yīng)當(dāng)即時洗清機(jī)床并加防護(hù)油，防止機(jī)床零部件生銹，還應(yīng)即時清除鐵屑，防止鐵屑進(jìn)入機(jī)床零部件內(nèi)部導(dǎo)致故障。

文獻(xiàn)[1]在對比傳統(tǒng)故障頻次主次圖方法的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用故障占比方法建立數(shù)控機(jī)床維修保養(yǎng)項的重要度模型。該模型不僅考慮了零部件的故障頻次的高低，還考慮了該零部件在整機(jī)中的可靠性影響程度，能客觀地反映出機(jī)床零部件維修保養(yǎng)項的重要程度，用戶便可以視現(xiàn)場情況做出判斷是否立即采取維修保養(yǎng)措施，避免由不正常停機(jī)而造成經(jīng)濟(jì)上的損失。

數(shù)控機(jī)床是集機(jī)、電、液、控于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，它是由許多相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的，而每個子系統(tǒng)又是由大量的零部件組成，這些組成單元都有具體的功能，任何關(guān)鍵零部件發(fā)生故障都會造成機(jī)床停機(jī)。因此，維護(hù)保養(yǎng)活動必須具體到機(jī)床的子系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[7]提出基于故障率特性的數(shù)控機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)策略，在選定機(jī)床關(guān)鍵子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行FMEA分析，得到各故障模式的重要度（critial analyse,CA），最后綜合考慮各零部件重要度和維修信息，制定出數(shù)控機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)計劃。

對于數(shù)控機(jī)床的日常維護(hù)保養(yǎng)，必須要有強(qiáng)力的手段進(jìn)行評審和控制，從而確保機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)正確實施。其中，5S管理體系對機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)具有很重要的意義。

5S管理是目前現(xiàn)場管理中一種常用的、重要的管理方法，它包括整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)，其核心思想是針對企業(yè)中每位員工的日常行為提出要求，倡導(dǎo)從小事做起，力求使每位員工都養(yǎng)成事事講究的習(xí)慣，從而達(dá)到提高整體工作質(zhì)量的目的。5S管理的內(nèi)涵如表1所示。

表1 5S管理內(nèi)涵

5S管理是企業(yè)現(xiàn)場管理的基礎(chǔ)，其中的清掃和清潔對數(shù)控機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)起到至關(guān)重要的作用。

另外，檢核表是最常用、最簡單、最有效的評審控制方法，它可以體現(xiàn)精細(xì)化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化等眾多設(shè)備管理思想，對于信息化工作比較到位的公司，可以編制一套日常維護(hù)信息化管理系統(tǒng)。另外，維修保養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)也是維護(hù)保養(yǎng)的強(qiáng)有力手段，維修保養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是將數(shù)控機(jī)床維護(hù)項集成在維修保養(yǎng)界面上，構(gòu)建維修保養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，對維修保養(yǎng)項進(jìn)行全程實時監(jiān)控，將檢測到需要維修保養(yǎng)的項顯示在維修保養(yǎng)界面上。作者所在的團(tuán)隊在國內(nèi)率先開發(fā)了一套日常維護(hù)管理軟件，在機(jī)床開機(jī)時必須完成一系列日常維護(hù)管理活動的輸入，機(jī)床才能正常運(yùn)行，這樣就可以對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行強(qiáng)制維護(hù)。下面列出部分?jǐn)?shù)控機(jī)床日常維護(hù)清單，完整內(nèi)容見文獻(xiàn)[6]。

2 維修決策技術(shù)

機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)的維修方式主要有事后維修和預(yù)防性維修兩大類［7］。機(jī)械設(shè)備故障具有隨機(jī)性，事后維修由于事先缺乏周密的準(zhǔn)備，維修時間長，往往會帶來較大的停機(jī)損失；預(yù)防維修是在機(jī)械設(shè)備零部件發(fā)生故障前進(jìn)行定期檢查、維修和更換，有防患于未然的思想。下面首先簡單介紹維修發(fā)展過程和我國企業(yè)設(shè)備維修現(xiàn)狀及存在的問題，然后對兩類維修方式的特點和適用場合進(jìn)行介紹。

表2 數(shù)控機(jī)床日常維護(hù)保養(yǎng)清單（部分）

2.1 維修發(fā)展過程

設(shè)備維修的發(fā)展過程大致可以分為4個階段：事后維修階段處于20世紀(jì)40年代之前；預(yù)防維修階段大約在20世紀(jì)40年代到60年代；在20世紀(jì)60年代到70年代之間，出現(xiàn)了生產(chǎn)維修，它的本質(zhì)仍是以預(yù)防性維修為主，但還需兼顧生產(chǎn)和設(shè)備設(shè)計制造，以美國為代表的西方國家大多采用此種維修制度；20世紀(jì)70年代以來，隨著工業(yè)化水平的不斷提高，企業(yè)不再只考慮設(shè)備的某些單一方面內(nèi)容，設(shè)備綜合效能的提升成為研究的熱點，有關(guān)設(shè)備綜合管理的理論應(yīng)運(yùn)而生，比較有影響力的是：美國的后勤學(xué)（logistics）［8］、英國的設(shè)備綜合工程學(xué)（terotechnology）［9］、日本的全員生產(chǎn)維修（total productive maintenance，TPM）和以可靠性為中心的維修（reliability centered maintenance，RCM）［10］。這些維修管理理論極大地提高了設(shè)備管理水平，為設(shè)備維修管理的廣泛運(yùn)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

全員生產(chǎn)維修是日本在學(xué)習(xí)美國預(yù)防維修和英國設(shè)備綜合工程學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的設(shè)備維修管理方法，全員生產(chǎn)維修的核心思想是“全面”，全面的含義有3層，即全效益、全系統(tǒng)和全員參加。全效益的目標(biāo)是追求設(shè)備生命周期費(fèi)用最小，即設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益最高；全系統(tǒng)是對設(shè)備的全壽命周期，涵蓋設(shè)計、制造、裝配、使用維修、報廢和更新改造的全過程進(jìn)行管理；全員參加是指與設(shè)備整個壽命周期相關(guān)的部門和人員都需要參加到設(shè)備管理中來。因此，全員生產(chǎn)維修的指導(dǎo)思想是全員參加的，以提高設(shè)備壽命周期綜合效率為目的的維修制度，它適用于企業(yè)的設(shè)備管理和使用部門，側(cè)重于企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備管理，是一種旨在發(fā)動企業(yè)與設(shè)備壽命周期相關(guān)的全部人員參與的先進(jìn)維修管理制度。

隨著機(jī)電一體化系統(tǒng)的日益復(fù)雜，很多學(xué)者不斷完善和發(fā)展了機(jī)床維修決策技術(shù)，作者所在的可靠性研究團(tuán)隊［11］將以可靠性為中心的維修決策（RCM）理論應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床維修決策中，將數(shù)控機(jī)床維修決策過程分為收集信息、確定重要功能單元、FMEA分析、維修方式?jīng)Q策、綜合形成大綱等幾個步驟，針對每個步驟中的關(guān)鍵難點問題，分別建立數(shù)學(xué)模型，為維修決策定量化研究提供工具。另外，作者所在的可靠性研究團(tuán)隊［7］在研究數(shù)控機(jī)床故障機(jī)理和故障規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過收集大量故障數(shù)據(jù)，建立基于實際故障率曲線的預(yù)防維修決策模型，結(jié)合故障率曲線的特性對數(shù)控機(jī)床不同使用階段采用不同的預(yù)防維修方式。把預(yù)防維修決策理論與日本的全員生產(chǎn)維修思想相結(jié)合，建立數(shù)控機(jī)床維修的精細(xì)化管理體系，探討基于故障率特性的數(shù)控機(jī)床預(yù)防維修決策理論的實際應(yīng)用。對數(shù)控機(jī)床生命周期的不同階段采用不同的預(yù)防維修方式，為數(shù)控機(jī)床的維修決策管理提供了一種新思路，在維修過程中如何全面考慮維修方式和合理確定維修時間等，也提出了新的建模思路。

2.2 我國企業(yè)設(shè)備維修現(xiàn)狀及存在的問題

我國的可靠性工程起步于上世紀(jì)60年代，當(dāng)進(jìn)入80年代后，得到了迅速發(fā)展，特別是武器裝備、核工業(yè)領(lǐng)域、航空航天、電子等領(lǐng)域同樣得到了普及，并已取得了成效，可靠性及維修性工作成效顯著。其中，在設(shè)備維修管理上我國從20世紀(jì)50年代起就開始學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)的計劃預(yù)修制度，并吸取美國預(yù)防維修制度的長處，初步建立起設(shè)備綜合管理的概念，注重設(shè)備全過程管理和經(jīng)濟(jì)效益；改變原來只恢復(fù)設(shè)備功能的維修理念，采用修理與改造相結(jié)合的方式，提高設(shè)備的性能；初步建立起設(shè)備預(yù)防維修制度，以設(shè)備技術(shù)狀態(tài)為基礎(chǔ)，與計劃修理相結(jié)合，開始應(yīng)用設(shè)備狀態(tài)檢測和故障診斷的科學(xué)手段，采用比較靈活的維修方式。

盡管我國的設(shè)備維修管理工作取得了喜人的成就，但與國外先進(jìn)工業(yè)企業(yè)相比仍存在很大的差距。我國的企業(yè)大多采用集中的維修體制，維修理論是基于傳統(tǒng)浴盆曲線的計劃預(yù)修制，它不注重設(shè)備的基礎(chǔ)保養(yǎng)工作，對維修的經(jīng)濟(jì)性、維修質(zhì)量和維修勞動生產(chǎn)率均考慮不夠。我國工業(yè)企業(yè)設(shè)備維修存在如下幾方面問題：

（1）企業(yè)缺少完整的設(shè)備維修計劃、維修資源。缺乏對設(shè)備維修系統(tǒng)的管理和研究，沒有制定科學(xué)、合理的維修計劃，沒有準(zhǔn)備充足的維修備件，缺少企業(yè)管理層的支持和預(yù)算控制。

（2）維修不足和維修過剩現(xiàn)象非常突出。由于缺乏系統(tǒng)的維修管理理論，在制定維修計劃時主要憑經(jīng)驗，存在很大的主觀偏差；各部門之間協(xié)調(diào)配合存在沖突，經(jīng)常造成設(shè)備停機(jī)后維修不及時或維修過剩，帶來巨大的維修費(fèi)用和人力損失。

（3）維修手段落后。對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)缺乏必要的監(jiān)控和檢測手段，在設(shè)備故障發(fā)生之后基本采用手動維修，自動化程度低。維護(hù)系統(tǒng)的智能性和開放性不足，系統(tǒng)升級困難，造成極大的資源浪費(fèi)。

（4）維修決策理論落后。近年來，許多國內(nèi)學(xué)者研究和拓展了維修決策理論，取得了很大的成就，但我國的企業(yè)大多仍沿用前蘇聯(lián)的計劃預(yù)修制，采用基于浴盆曲線的定期預(yù)防維修方法，這種維修體制已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床技術(shù)的飛速發(fā)展。

2.3 維修方式及類型

2.3.1 維修方式

（1）事后維修

事后維修是在設(shè)備發(fā)生故障后才進(jìn)行維修，使出現(xiàn)故障的設(shè)備恢復(fù)正常功能的一種維修方式，有時也稱為故障維修。由于它的維修時機(jī)無法控制，會造成無法預(yù)計的故障停機(jī)，對于關(guān)重設(shè)備會帶來巨大損失，一般不宜采用這種維修方式。但對于一些即使發(fā)生故障也不會造成重大損失的設(shè)備，如密封件一類的機(jī)械零部件和某些偶然故障，就沒有必要進(jìn)行預(yù)防維修，可以在故障發(fā)生后再進(jìn)行維修或更換，這避免了設(shè)備零部件不必要的拆卸、檢查和維修，反而提高了設(shè)備的有效使用度和使用經(jīng)濟(jì)性。

（2）預(yù)防維修

預(yù)防維修的思想是將產(chǎn)品的故障消除于其發(fā)生之前，在故障潛伏期或正常運(yùn)行期進(jìn)行預(yù)防維修，提前更換即將損壞的零部件可以預(yù)防故障發(fā)生，可以有效減少機(jī)床產(chǎn)品的故障停機(jī)時間，提高機(jī)床的使用效率，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。做好預(yù)防維修管理，減少其故障發(fā)生概率，充分發(fā)揮固有可靠性是關(guān)鍵。預(yù)防維修具體的方式有3種：定期預(yù)防維修、視情維修和監(jiān)控維修。

定期預(yù)防維修是每隔一段時間對設(shè)備進(jìn)行一次計劃性的維修，在規(guī)定時間前發(fā)生的故障采用事后維修方式。定期預(yù)防維修立足于概率統(tǒng)計，根據(jù)經(jīng)驗和設(shè)備的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計來確定維修方案，維修時機(jī)掌握明確，便于維修工作的組織和計劃，可以預(yù)防那些不拆開就難以發(fā)現(xiàn)和預(yù)防的故障。但定期預(yù)防維修必須在設(shè)備零部件將要進(jìn)入耗損失效期前進(jìn)行維修或更換，維修故障的對象針對性較差，導(dǎo)致維修工作量大，會造成較大浪費(fèi)。

視情維修立足于失效物理分析，通過定期或不定期檢測得到設(shè)備的狀態(tài)，以此來確定設(shè)備維修時機(jī)。視情維修也叫狀態(tài)維修，是以狀態(tài)為依據(jù)的維修，在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時，對其重要部位進(jìn)行定期或連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，判定數(shù)控機(jī)床所處的狀態(tài)，預(yù)測數(shù)控機(jī)床狀態(tài)的發(fā)展趨勢而制定預(yù)測性維修計劃。狀態(tài)維修的理論依據(jù)是：數(shù)控機(jī)床都有自己的狀態(tài)，即將出現(xiàn)問題的數(shù)控機(jī)床會出現(xiàn)一些可觀察、可感覺或可測量到的征兆，例如噪聲、振動、發(fā)熱、裂紋或耗電量的改變等，并且這些信息是與故障發(fā)生有直接關(guān)系的。因此，可以通過監(jiān)測這些信號來預(yù)測數(shù)控機(jī)床的健康狀態(tài)。國內(nèi)許多學(xué)者對數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)維修做了大量研究：史晉芳[12]提出將人工智能技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)的策略和模型，采用專家系統(tǒng)的框架構(gòu)造出數(shù)控機(jī)床故障診斷的專家系統(tǒng)模型，提出利用知識庫中的管理子系統(tǒng)管理各子知識庫，從而提高了故障診斷效率。盧艷軍[13]分析了數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容，論述了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，針對數(shù)控機(jī)床的加工過程，給出了數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程和系統(tǒng)實現(xiàn)的具體結(jié)構(gòu)。吳光琳[14]等人利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立刀具的負(fù)載模型，根據(jù)該模型和斷裂力學(xué)的相關(guān)理論，檢測刀具所受的負(fù)載是否超過應(yīng)力疲勞條件下的裂紋擴(kuò)展負(fù)載，并做出相應(yīng)的處理，使刀具不會出現(xiàn)脆性斷裂，以保證加工的質(zhì)量和機(jī)床的安全。

監(jiān)控維修是指通過監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，到發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)某種故障征兆時進(jìn)行維修。監(jiān)控維修是一種綜合利用設(shè)備的使用維修數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)連續(xù)在線監(jiān)控相結(jié)合的維修方式，它屬于視情維修的一種。另一方面也可以把監(jiān)控維修看成是把設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的視情檢測提高到連續(xù)監(jiān)控階段，即監(jiān)控維修是視情維修發(fā)展的更高階段，它能使設(shè)備零部件壽命得到充分利用，并減少了工作量，缺點是監(jiān)控系統(tǒng)所需費(fèi)用高、投資較大，僅適用于重要設(shè)備。數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控項如表3所示。

表3 數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控項

2.3.2 維修類型

設(shè)備的維修類型根據(jù)維修的內(nèi)容、要求以及工作量大小，可分為大修、中修和小修，現(xiàn)分別對其特點和適用范圍簡要介紹。

（1）小修

小修的工作內(nèi)容主要是針對日常點檢和定期檢查中發(fā)現(xiàn)的問題，拆卸有關(guān)零部件，進(jìn)行檢查、調(diào)整、修復(fù)或更換失效零件，旨在恢復(fù)設(shè)備的正常功能。對于實行定期維修的設(shè)備，小修主要是根據(jù)設(shè)備的磨損規(guī)律，更換或修復(fù)在修理間隔期內(nèi)失效或即將失效的零件，并進(jìn)行調(diào)整，來保證設(shè)備的正常功能。

（2）中修

中修的工作內(nèi)容主要是修復(fù)和更換設(shè)備的重要零部件以及數(shù)量較多的其他磨損件，它的工作量比小修大。對于中修的時間周期，需要根據(jù)機(jī)床的歷史故障數(shù)據(jù)及對機(jī)床的監(jiān)測數(shù)據(jù)去制定。

（3）大修

大修是對功能和性能均已嚴(yán)重喪失的機(jī)床進(jìn)行比較大規(guī)模的維修或是對比較落后的機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。機(jī)床使用一定年限后（一般在8～10年），由于經(jīng)過長期運(yùn)轉(zhuǎn)或負(fù)荷工作，即使對機(jī)床進(jìn)行嚴(yán)格地維護(hù)保養(yǎng)，機(jī)床的某些零部件也會達(dá)到使用壽命，磨損和老化現(xiàn)象嚴(yán)重，機(jī)床整機(jī)性能下降，精度嚴(yán)重喪失，因此需要對機(jī)床進(jìn)行大修，以使機(jī)床恢復(fù)正常加工的能力。

機(jī)床大修的形式從內(nèi)容上講可以是機(jī)械、電氣或液壓等方面的維修或更換；可以是數(shù)控系統(tǒng)甚至包括主軸、坐標(biāo)驅(qū)動系統(tǒng)的升級換代；可以是普通機(jī)床的數(shù)控化；可以是普通繼電器邏輯的 PLC 化改造；可以是機(jī)床改變性能，倒如刨改銑，也可以是多種改造內(nèi)容的組合。從組織上講可以一家公司承包，可以幾家公司聯(lián)合承包，也可以改造者與用戶合作承包。從時間上講可以一次完成，也可以簽訂分階段執(zhí)行合同。從地點上講可以在用戶現(xiàn)場執(zhí)行，可以在改造者場地執(zhí)行，也可以在合適的第三方場地執(zhí)行。

機(jī)床大修相比于購買新的機(jī)床，有一些明顯的優(yōu)勢：交貨期短，尤其是大型機(jī)床和特殊專用機(jī)床優(yōu)勢更明顯；性能更穩(wěn)定，設(shè)計風(fēng)險小，鑄件經(jīng)長期時效幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形，各功能部件經(jīng)長期磨合，功能穩(wěn)定性好；更充分地表現(xiàn)用戶的意愿，從更換數(shù)控系統(tǒng)到機(jī)床部件都有較大的選擇權(quán)，而且可以直接介入改造方案甚至改造設(shè)計及調(diào)試，節(jié)省大量投資。

另外，通過對機(jī)床用戶調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某些用戶對舊機(jī)床大修或?qū)εf機(jī)床數(shù)控化改造后，機(jī)床恢復(fù)了加工精度，增加了加工效率，為企業(yè)帶來了具體的效益。

2.4 維修方式及類型的決策

設(shè)備的維修決策主要包括維修方式和維修類型的決策。維修方式?jīng)Q策是根據(jù)設(shè)備的可靠性、維修性、可監(jiān)測性和經(jīng)濟(jì)性，合理確定出設(shè)備的維修方式，而設(shè)備的維修方式有事后維修、定期維修、狀態(tài)維修、監(jiān)控維修等。維修類型決策是根據(jù)設(shè)備定期檢查或狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果確定設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，以設(shè)備技術(shù)狀態(tài)為基礎(chǔ)選擇設(shè)備的維修類型，包括大修、中修和小修，以此來科學(xué)地指導(dǎo)設(shè)備維修工作。

2.4.1 維修方式的決策

設(shè)備維修方式?jīng)Q策的目標(biāo)是在保證生產(chǎn)的前提下，合理利用維修資源，達(dá)到壽命周期費(fèi)用最小，即用最少的錢取得最好的維修效果。但如果從修理費(fèi)用、停機(jī)損失、維修組織和維修效果去衡量，每種維修方式都有各自的優(yōu)缺點和適用范圍。常用的選擇標(biāo)準(zhǔn)有按故障模式特征選擇和按設(shè)備分類選擇。但不論以何種標(biāo)準(zhǔn)，維修方式選擇主要考慮的因素是設(shè)備在生產(chǎn)中的地位、設(shè)備維修性、故障特性、備件供應(yīng)、設(shè)備價值和故障檢測的難易程度，企業(yè)可以根據(jù)自身的設(shè)備特點、生產(chǎn)要求、資金和資源情況擇優(yōu)選擇，在一個企業(yè)里，通常是多種維修方式并存，甚至一臺設(shè)備的不同零件也可以選擇不同的維修方式。

（1）按設(shè)備故障特征選擇維修方式

根據(jù)設(shè)備在生產(chǎn)中的地位和故障危害程度，確定是否允許事后維修，若設(shè)備故障影響小，不會危及生產(chǎn)及安全，且預(yù)防維修經(jīng)濟(jì)性差，則采用事后維修的方式，反之則采用預(yù)防維修。對于預(yù)防維修方式，當(dāng)故障發(fā)生周期性較強(qiáng)，檢測又比較困難，則采用定期計劃預(yù)防維修方式，反之則實行狀態(tài)維修。

（2）按設(shè)備分類選擇維修方式

對設(shè)備的重要性進(jìn)行分類，關(guān)鍵設(shè)備由于其運(yùn)行狀態(tài)直接影響企業(yè)生產(chǎn)，因此，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行的條件下，優(yōu)先選用狀態(tài)維修方式，次之選擇定期維修方式。對于主要設(shè)備，一般采用定期維修方式。對于次要設(shè)備，由于其失效對整個生產(chǎn)過程影響較小，一般采用事后維修的方式較為經(jīng)濟(jì)合理。上述討論的是一般過程，其實設(shè)備的分類不是一成不變的，應(yīng)根據(jù)企業(yè)檢測和維修能力、管理水平和生產(chǎn)情況等因素，實時調(diào)整維修方式，并盡量以狀態(tài)維修為主。

2.4.2 維修類型的決策

設(shè)備維修類型主要有大修、小修和中修，大修常用于定期的檢修或重大故障，小修常用于預(yù)防維修中日常點檢、定期檢查或修理間隔期發(fā)現(xiàn)的問題，中修工作量介于大修和小修之間，常用于局部修理和主要零部件的修理和更換。在傳統(tǒng)計劃預(yù)修制中，一般按照統(tǒng)一的修理周期及修理間隔期安排計劃修理，從而導(dǎo)致設(shè)備的某些部件技術(shù)狀態(tài)尚好卻安排了中修或大修，造成維修過剩；也可能在設(shè)備技術(shù)狀態(tài)劣化已難以滿足生產(chǎn)工藝要求，但未到修理期而沒有安排計劃維修，造成維修不足。

維修策略的選擇應(yīng)視具體維修對象，具體分析，權(quán)衡利弊，統(tǒng)籌決策。近年來,隨著維修理論和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，維修的觀念正在發(fā)生深刻的變化。傳統(tǒng)的修復(fù)性維修（故障后修理）與定期的預(yù)防維修方式，正在向結(jié)合預(yù)測性維修的預(yù)先維修方式逐漸轉(zhuǎn)變。可針對關(guān)鍵部件的現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)，結(jié)合故障預(yù)測技術(shù)，探討有效的預(yù)防維修策略并加以實施。

維修策略的選擇與維修成本有很大的關(guān)系，制定設(shè)備維修策略的基本原則是：在滿足運(yùn)行可用度的前提下，使維修成本最低，以實現(xiàn)設(shè)備維修的優(yōu)化。維修費(fèi)用包括預(yù)防性維修費(fèi)用和事后維修費(fèi)用。一般按預(yù)計的維修費(fèi)用最低確定維修周期。文獻(xiàn)[14-16]給出了基于總費(fèi)用最小的維修周期模型、以可靠性為中心的維修成本優(yōu)化模型、可用度和維修成本取得最優(yōu)的模型。

隨著機(jī)電一體化系統(tǒng)的日益復(fù)雜，很多學(xué)者不斷完善和發(fā)展了機(jī)床維修決策技術(shù)，作者所在的可靠性研究團(tuán)隊［17］將以可靠性為中心的維修決策（RCM）理論應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床維修決策中，將數(shù)控機(jī)床維修決策過程分為收集信息、確定重要功能單元、FMEA分析、維修方式?jīng)Q策、綜合形成大綱等幾個步驟，針對每個步驟中的關(guān)鍵難點問題，分別建立數(shù)學(xué)模型，為維修決策定量化研究提供工具。

另外，作者所在的可靠性團(tuán)隊［7］在研究數(shù)控機(jī)床故障機(jī)理和故障規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過收集大量故障數(shù)據(jù)，建立基于實際故障率曲線的預(yù)防維修決策研究模型，結(jié)合故障率曲線的特性對數(shù)控機(jī)床不同使用階段采用不同的預(yù)防維修方式。把預(yù)防維修決策理論與日本的全員生產(chǎn)維修思想相結(jié)合，建立數(shù)控機(jī)床維修的精細(xì)化管理體系，探討基于故障率特性的數(shù)控機(jī)床預(yù)防維修決策理論的實際應(yīng)用。對數(shù)控機(jī)床生命周期的不同階段采用不同的預(yù)防維修方式，為數(shù)控機(jī)床的維修決策管理提供了一種新思路，在維修過程中如何全面考慮維修方式和合理確定維修時間等，也提出了新的建模思路。

3 用戶監(jiān)控技術(shù)

數(shù)控機(jī)床的用戶監(jiān)控技術(shù)包括運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)控。用戶監(jiān)控技術(shù)主要體現(xiàn)在用戶監(jiān)控系統(tǒng)上，用戶監(jiān)控系統(tǒng)是綜合運(yùn)用檢測、電子、計算機(jī)等各學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的實現(xiàn)過程。

下面對用戶監(jiān)控系統(tǒng)的原理和設(shè)計進(jìn)行闡述。

3.1 用戶監(jiān)控系統(tǒng)的原理

數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行環(huán)境是指數(shù)控機(jī)床工作時的溫度、濕度、振動、噪聲、電源電壓、接地等諸多方面。運(yùn)行環(huán)境對數(shù)控機(jī)床的使用可靠性很重要，安裝位置要避免太潮濕、粉塵過多或有腐蝕氣體的場所，一般要求要避免陽光的直接照射和其他熱輻射。精密數(shù)控機(jī)床要遠(yuǎn)離振動大的設(shè)備，如沖床、鍛壓設(shè)備等。數(shù)控機(jī)床一般采用專線供電（如從低壓配電室分一路單獨(dú)供數(shù)控機(jī)床使用）或增設(shè)穩(wěn)壓裝置等，以減少供電質(zhì)量的影響。

下面以環(huán)境溫度為例分析其對數(shù)控機(jī)床使用可靠性的影響。隨著機(jī)床向高速度、高精度和柔性自動化方向的迅速發(fā)展，對機(jī)床的加工精度和可靠性提出了更高的要求，改善機(jī)床的熱態(tài)特性，已經(jīng)成為機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展中最重要、最迫切的研究課題之一。其中，外熱源對機(jī)床的影響，即機(jī)床受到日光的照射或周圍環(huán)境溫度的影響，通常是單面的或局部的，因而在機(jī)床內(nèi)部之間出現(xiàn)溫度的差異，致使機(jī)床產(chǎn)生變形，影響機(jī)床加工精度。表4列出了環(huán)境溫度對數(shù)控機(jī)床各功能部件的影響方式。

狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)通過對數(shù)控機(jī)床加工過程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測，包括對機(jī)械狀態(tài)量的監(jiān)測，狀態(tài)特征參數(shù)變化的辨識，機(jī)械產(chǎn)生振動和損傷時的原因分析、振源判斷、故障預(yù)防等等。其實質(zhì)是了解和掌握機(jī)床在運(yùn)行過程中的狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行和加工過程，在出現(xiàn)異常時，可提供分析的數(shù)據(jù)。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)同時啟動，并后臺運(yùn)行，實時在線對數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，防止用戶對機(jī)床的超限使用，并依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所得的參數(shù)進(jìn)行視情維修決策。此外，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)還可以輔助用戶進(jìn)行機(jī)床故障診斷，并指導(dǎo)用戶進(jìn)行維修。常見的數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控項如表3所示。

表4 環(huán)境溫度對數(shù)控機(jī)床的影響

設(shè)備故障診斷是運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的一種，用來確定其整體或局部正常或異常，及時發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。常用的故障診斷技術(shù)包括基于故障機(jī)理的診斷方法、基于故障樹分析（FTA）診斷法、基于信號分析和處理的診斷方法、基于模式識別的診斷方法和模糊故障診斷法。

3.2 用戶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

用戶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時以用戶監(jiān)控系統(tǒng)原理為基礎(chǔ)，明確各監(jiān)控指標(biāo)，然后綜合運(yùn)用檢測、電子、計算機(jī)等各學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的實現(xiàn)過程。其開發(fā)思想如圖3所示。

設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)分為7大功能模塊，分別為：采集模塊、運(yùn)算處理模塊、中文顯示模塊、存儲模塊、報警模塊、幫助模塊和接口模塊。各模塊包括內(nèi)容如圖4所示。

作者所在的可靠性團(tuán)隊設(shè)計研發(fā)出同時用于維修保養(yǎng)和狀態(tài)監(jiān)控的系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖5～7所示。

4 結(jié)語

本文介紹了維護(hù)保養(yǎng)、維修決策和用戶監(jiān)控這3種使用可靠性保障技術(shù)，合理利用這些技術(shù)可以有效提高數(shù)控機(jī)床的使用可靠性。這3種可靠性保障技術(shù)不是單一實施的，是相輔相成的。其中維護(hù)保養(yǎng)是維修決策和用戶監(jiān)控的基礎(chǔ)，用戶監(jiān)控為維護(hù)保養(yǎng)和維修決策提供依據(jù)。

另外，這3種使用可靠性保障技術(shù)具有通用性，不僅可以用于機(jī)床行業(yè)，還可以應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械等其他行業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用價值和工程實踐意義。

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