高檔加工中心的可靠性分析

李軍成， 隗紀強， 倪文凱， 樸成道

（延邊大學 工學院，吉林 延吉 133002）

0 引言

加工中心是一種加工復雜零部件的高效率自動化機床，在高端裝備制造行業上占有重要的地位，但是，伴隨著機械設備的功能水平及自動化程度提高。機床發生故障的可能性越來越大，可靠性問題已嚴重制約了數控機床的發展，國外發達國家在中高檔機床可靠性方面明顯高于國產機床［1-2］。本文以韓國H公司生產的SIRIS-850型加工中心為研究對象，對其進行了可靠性相關分析。圖1為SIRIS-850機床的外觀和結構，其特點是配有FANUC-18iMB數控系統，主軸轉速最高可達12 000 r/min，刀庫系統自帶24把刀具。

圖1 SIRIS-850機床的外觀和結構

1 數據的采集和處理

本文針對韓國H公司生產的SIRIS-850型加工中心，通過現場定時截尾實驗法，按照故障計數的原則，并結合該型號加工中心的結構特點和實際使用情況，由專業人員對161臺同型號加工中心進行了故障相關數據的采集。

2 加工中心的故障部位和模式分析

2.1 危害度分析

危害度分析法［3-5］綜合考慮了周圍環境、人員安全、整機的性能對整機故障的影響程度，可以更準確地得到該型號加工中心的關鍵部位，為后續可靠性的相關研究提供參考依據。危害度計算公式［3-5］為

基于危害度計算公式，得到各子系統的危害度值，如表1所示。從表1中可知，自動換刀系統和進給系統對整機危害度影響最大，另外，主軸系統和電氣系統也較大，其他的子系統影響相對較小。

表1 子系統的危害度值

2.2 子系統故障分析

為了進一步摸清加工中心的薄弱環節，有必要對各子系統的故障模式進行分析，得到它們各自的薄弱點。通過以上分析可以看出，自動換刀系統對整機的危害性最大，為了提高可靠性改進的工作效率，有必要首先對自動換刀系統進行分析。由于該系統的主要零部件對其可靠性要求基本一致，采用危害度分析效果不明顯，所以，對自動換刀系統采用了傳統頻次分析法［5］。

按照傳統頻次分析方法，得到自動換刀系統的故障頻率表，如表2所示。從表2中可得，在自動換刀系統的故障模式中，發生頻率最多是運動部件卡死。另外，刀庫失調和機械手掉刀發生的頻率也較多。

表2 自動換刀系統的故障頻率表

3 基于可靠性統計理論的加工中心故障數據分析

3.1 確定分布類型

在數控機床可靠性分析中，威布爾分布、正態分布、對數正態分布、指數分布是常見的分布類型［6］。本文應用Matlab 軟件，主要應用 probplot命令［7］，得到如圖 2 所示的4種分布頻率圖。通過比較分析，威布爾分布較符合該故障數據的分布類型。

3.2 參數估計和擬合校驗

應用最小二乘法［7］，按照上節所確定的分布規律，得到了尺寸參數k和形狀參數n的估計值。得出k=1250.5，n=0.6285。

應用D檢驗法［7］，對兩個參數值進行了校驗。臨界值=0.061≥max|F（t）-（=0.042l，則可以判斷i該故障數據服從威布爾分布規律。

圖2 分布頻率圖

通過以上分析得出，該故障數據服從的威布爾分布函數［7-9］為

3.3 平均故障間隔時間MTTF［7-9］

平均故障間隔時間是數控機床時間質量的體現，是數控機床在規定時間內保持功能的衡量標準，是評價數控機床可靠性的重要指標。基于服從的威布爾分布規律，得出該型號加工中心MTTF=k×）=1774.6 h。應用國內的可靠性評判等級［10］對該型號加工中心進行評價，可以看出該型號加工中心的可靠性水平相當高。

4 結論

基于危害度法和傳統頻次法分別對加工中心的故障部位和子系統的故障模式進行了分析，得出在加工中心中自動換刀系統和進給系統危害度最高，運動部件卡死是影響自動換刀系統可靠性的最主要因素；同時，對故障數據的分布規律進行了研究，合理地確定了分布模型，并進行了參數估計和檢驗，得出其服從威布爾分布模型的規律；并通過計算得到其平均故障間隔時間為1774.6 h，由此可知，其可靠性水平相當高。通過此次對國外高檔加工中心的可靠性分析，可為研究國產機床可靠性提供參考依據。

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