數控機床及其關鍵功能部件可靠性研究

姜天根

摘 要：隨著我國經濟建設的發展，推動著國內工業建設快速地成長起來。而在工業生產發展中，數控機床是最為重要的組成部分，也是決定工業生產質量安全的重要保證。下面，就一起針對本文所給出的論題對數控機床及其關鍵部件可靠性進行一個簡單的分析與研究。

關鍵詞：數控機床；關鍵部件；可靠性；研究

隨著我國數控機床的發展，使其已經成為了當今社會工業生產中的重要支撐力量。它的可靠性運行安全是工業生產安全的保證，也是推動和促進全球經濟一體化發展目標實現的必然動力。因此，目前如何保證數控機床及其關鍵部件運行的可靠性已經成為了相關部門所最為關注的問題，也是必須要徹底解決的問題。

1 數控機床

1.1 數控機床的重要性

所謂的數控機床其主要的目的就在于為制造裝備用品的企業及制造國防軍工用品的企業提供一個基礎的工業生產機構，它是工業以及制造企業的核心力量。因此來說，數控機床的發展水平高低直接關系著國防安全以及我國經濟建設發展的速度。就目前國際整體形勢來看，數控機床運行可靠性安全與否已經成為了衡量一個國家經濟發展水平的重要標志之一。尤其是在全球經濟一體化的發展背景下，數控機床以及制造業水平的高低已經成為國防競爭的核心與焦點。也就是說，要想在國際競爭中占有一定的地位，數控機床的發展是其重要的保障。

1.2 數控機床的發展水平

另外來說，隨著現代工業的發展，數控機床在我國的使用量已經越來越多，并且涉及到了諸多的領域及機構。但同時來講，由于我國的數控機床發展較晚，因此對其運行可靠性管理方面與國外一些發達國家的數控機床可靠性管理之間還是存在著一定的差距的。這主要是因為：首先，現有的數控機床的可靠性運行水平與國外發達國家所使用的數控機床相比是處于絕對的劣勢地位的。其中以高檔加工中心的復合數控加工設備來說，其可靠性運行指標明顯低于國外發達國家平均的生產水平。其次，對于與數控機床設備相配套的其它關鍵性部件來說，檢測與報警等可靠性裝置的水平與國外發達國家的水平相比相差甚遠。因此也就是說，目前我國所使用的數控機床的相關一些配套的關鍵性部件還都必須依靠于國外發達國家所生產的零部件設備，從而造成了我國數控機床行業發展較為緩慢的現狀，導致了我國經濟發展水平整體下降的局面。

1.3 我國數控機床發展情況

除此之外，隨著我國數控機床的發展，人們清楚地認識到我國數控機床可靠性與國外發達國家水平之間的差異性。因此在我國十一五期間，國家已經將數控機床及其關鍵部件可靠性研究作為了國家發展重點目標來執行，并納入了我國經濟發展的整體目標中去。同時，國家還提出：要想我國經濟發展水平快速提高，其首先的一點就是要將數控機床及其關鍵部件的可靠性研究放于首位，并且將其列入科技發展中的專項重點內容來執行。另外，我國在研究數控機床及其關鍵部件可靠性時，要充分結合國外的數控機床可靠性分析內容以及國內現有的數控機床及其關鍵部件可靠性分析報告進行探尋，并尋找出提高數控機床及其關鍵部件可靠性的可行性辦法及措施，從而提高數控機床及其關鍵部件可靠性運行的整體水平。

2 數控機床及其關鍵部件可靠性研究方法與現狀

2.1 數控機床及其關鍵部件可靠性研究的方式

數控機床及其部件的可靠性研究是一個十分重要的環節，它是提高數控機床及其關鍵部件可靠性運行水平的關鍵，也是一個促進數控機床及其關鍵部件質量安全的評定手段。因此可以說，數控機床及其關鍵部件可靠性的研究可以充分地表露出產品從設計、制造到裝置整體過程中的問題及缺點，從而為能夠更好地設計制造出合格、高質量的產品奠定了一定的基礎。另外，根據對數控機床及其關鍵部件可靠性研究方法的不同，可將可靠性研究分為室內可靠性研究與現場跟蹤可靠性研究兩種方式。所謂的室內可靠性研究主要是指將制造完成的關鍵部件樣品在實驗室內利用先進的技術與科技設備進行檢測，以保證關鍵部件的生成密度、焊接接口、鋼度及彈性度等滿足數控機床的質量要求。而現場跟蹤可靠性研究主要是指在數控機床及其關鍵部件制造生產過程中，由專業人員對制造過程及產品的安裝等進行監督，從而保證了數控機床及其關鍵部件在制造時的質量，以此來提高其運行時的可靠性。

2.2 數控機床及其關鍵部件可靠性研究的綜合試驗法

目前我國所采用的數控機床及其關鍵部件可靠性研究均是綜合試驗法。所謂的綜合試驗法主要是指對數控機床進行模擬式的運行測試。首先，要根據可靠性研究的內容設置一個綜合可靠性研究實驗室，而后根據可靠性研究的產品制定出可行性分析方案，在得到可靠性分析結果后，根據這一結果對產品的試驗環境、產品的運行條件、失效模式分析、失效數據分析、任務剖面、性能檢測等進行周期性的檢測。從而為產品的設計與修改提供一個最要的參考依據。另外，除了要對數控機床及其關鍵部件進行綜合可靠性研究及試驗外，還要對工程制造水平進行檢測。也就是說，主要對工程設計的環境應力要求以及加載能力要求進行測試，從而對數控機床及其關鍵部件早期出現的問題和故障進行清除，以此來保證產品投入運行后要最大可靠性安全保障。最后，目前在數控機床可靠性研究中，對統計模型、應力水平、環境應力、加速壽命以及試驗順序的測試及研究是數控機床及其關鍵部件可靠性研究的重點內容。其中，在加速壽命可靠性研究中，主要目的是為了設計出最符合數控機床運行額定應力的最大值以及設計出應力極限值。同時，在試驗中將一臺或多臺數控機床在一定的環境下加重其承載力，從而使得出的失效模擬比正常的運行模式下速度快。

2.3 國外的數控機床及其關鍵部件的可靠性研究

從國外的數控機床及其關鍵部件的可靠性研究可以看出，國外最早是將可靠性研究技術應用于電子生產及檢驗領域中的。直到二十世紀七八十年代，國外一些較為發達的國家才將可靠性研究應用于數控機床及其關鍵部件的研究中去。例如：早在1977年，美國的聯合后勤司令總就已經成立較為完善系統化的可靠性研究試驗小組，對國防設備以及機械制造性能質量等進行可靠性的研究，以便能夠發現機械及設備制造中的不足之處并予經修正。同時，美國可靠性研究小組還制定出了較為科學化、規范化的可靠性研究程度及標準，并隨著時代有發展，在原有可靠性研究標準及規范的基礎之上加以改進，從而達到可靠性研究的高要求。這也是為什么美國在數控機床及其關鍵部件可靠性研究領域始終處于世界首位的重要原因之一。endprint

2.4 我國的數控機床及其關鍵部件的可靠性研究

國的數控機床及其關鍵部件可靠性研究起步較晚。并且在最初起步時，由于受國外可靠性研究的影響，也是將可靠性研究這一技術應用于科技電子產業中。直至70年代后期，我國才逐漸將可靠性研究應用于對數控機床及其關鍵部件的質量可靠性研究中。隨著我國社會主義的建設與發展，在現階段中，我國對數控機床的可靠性研究還停留在主要針對產品運行時早期的故障檢測以及現場跟蹤檢測的范圍中。我國對數控機床及其關鍵部件的可靠性研究，其主要目的就是為了能夠發出數控機床設備主品早期的不安全因素，從而便于工作人員及時應對，并快速制定出解決這一不安全因素的措施與辦法。而對數控機床進行現場跟蹤檢測，其目的主要是為了通過對現場數據及產品樣本的采集，判斷中現場生產作業中的產品故障，從而為可靠性研究提供準確的數據信息。

3 數控機床可靠性研究

3.1 數控機床傳統設計方法與可靠性研究的思想及原理

我國自二十世紀八九十年代開始，逐漸對重工業中的設備及機械生產的可靠性研究加以重視。并且在經過了三十多年的摸索與探尋中，我國對數控機床的可靠性研究得到了快速的發展，并達到了一定的專業化水準。在我國十一五期間，國家已完全將數控機床的可靠性研究作為了國家重點級研究發展項目來對待，并要求將其納入國家整體的經濟發展建設的戰略目標中去。并通過實踐使數控機床可靠性研究取得了較好的成績與效果。同年，在十一五期間，國家所提出的：“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重點項目中就指出，我國要對數控機床進行大專項的實施計劃。從這一點可以看出，我國對數控機床及其關鍵部件的可靠性研究、數控機床產品的可靠性質量與不水平等項目內容給予了高度的支持和重視。同時來講，在國家各大高校內，對數控機床的可靠性研究，數控機床可靠性計算方法、數控機床可靠性評估方法等方面的內容提供了大量的可行性較高的研究方案。

我國科學研究者張新民對目前國內的數控機床傳統設計方法與可靠性研究方法進行了思想及原理上的研究與分析。首先是從國防機械設備的工程設備理念入手，在數控機床所建立的干涉型模擬設備的基礎之上，結合論述了JC法、MONTE-CARLO法等幾種國防機械設備的可靠性研究。同時，國內的另一位科學研究者王元文對多維機械設備運行模式下的可靠性進行了系統性的研究，同時在研究中對機械設備運行中可能會出現的可靠性問題進行了分析和總結，并給出了問題的具體解決措施及方案。該方法首先是將多維機械設備的可靠性研究轉入了一個求解非線性方程組中，然后用線性代數的求解方法對靠性數值進行計算，同時根據數值對一般數控機床設備進行可靠性設計思想及方法的研究和分析，然后根據對該可靠性數據的分析指出數控機床設計中所存在的不足之處及缺點。這也就是我們常說的這一概念最初的起源之處。另外，在王元文提出了“剩余可靠度”這一概念后，利用其可靠度之和建立了級小化目標函數。因此，也就形成了以可靠性條件及邊界條件相約束的數控機床設計可靠性研究數字模型。也因函數的建立編制了計算機應用程序。這也大大方便了人們對數控機床的可靠性設計進行研究，同時還可以利用實例分析法驗證數控機床可靠性研究結果的正確性。

3.2 利用率論的應用以及以統計學理論的數學基礎知識進行研究

對數控機床的可靠性研究，其本身就是一個較為定性的概念，因此在研究中可以通過對概率論的應用以及以統計學理論的數學基礎知識對數控機床的可靠性研究進行量化式的計算。例如：在采用概念計算法對有限元邊值進行求解時。首先從數控機床可靠性研究的數據中推導出了許多周期系統參數穩定性與靈活度的可靠性計算公式。同時推算出了這些隨機數據參數對數控機床設備運行轉數的影響，從而從根本上避免或解決數控機床運行時可能會出現的可靠性安全總理。另外，目前國內的各高校也不斷地對數控機床的可靠性進行研究與分析。例如：東北大學就對數控機床中的五軸加工中習運動學進行了可靠性研究，并且在研究中運用蒙特卡洛法判斷出五軸加工在數控機床運動中的可靠性數學計算模型。同時，東北大學通過對數控機床的點估算與跟蹤估算驗證了運動學可靠性分析研究的效果。這一研究結果大大提高了數控機床的設備加工質量及精準度，并對延長數控機床工作年限有著十分重要的作用。

4 數控機床關鍵部件的研究

一般來講，數控機床是屬于一種全新的具有高技術含量的產業及設備，而數控機床內的關鍵部件則是高技術含量設備中的一個獨立的單元技術載體。這些關鍵部件對數控機床的運行穩定性起著至關重要的作用。在數控機床設備中，其關鍵部件主要包括了：數據控制系統、主軸單元、滾珠絲杠、直線導軌、NC工作臺、伺服電機、刀庫及換刀裝置、防護裝置等。同時來講，數控機床關鍵部件是數控機床設備中最為重要的組成部分，因此對關鍵部件的可靠性研究更顯其重要性。首先來講，關鍵部件的可靠性研究方法與數控機床的可靠性研究方法有著很大的不同之處，因此要對關鍵部件進行研究時是不能夠按照數控機床的研究方法來進行的。

目前而言，我國現存的對數控機床關鍵部件的可靠性研究主要包括用平均故障間隔法、用平均修復時間法、用固有可用度及精度保持時間法等對關鍵部件的可行性進行研究。例如：吉林大學的宗立華教授就指出：運用平均故障間隔時間法對數控機床的刀架部件進行可靠性研究，可以更為全面地對數控刀架的可靠性進行評定。同時，由于數控機床中刀架故障的產生與其轉位時換刀次數及過程有著很大的關聯，但同時，在刀架工作過程中，其也不一定是始終保持在轉動狀態下的。因此，利用平均故障間隔法根據刀架轉動的次數來分析其可靠性，是較為準確的一種方法。另外，目前隨著科技的發展以及可靠性研究技術的發展，在對關鍵部件進行可靠性研究時可以通過計算機軟件以及PLC系統對可靠性指標進行控制，從而實現換刀設備的自我檢測功能。最后，對于數控機床設備中的滾動功能部件的可靠性研究中，可通過對指標的確定以及驗證失效分析等方法，對關鍵部件的可靠性進行評定與分析，從而達到數控機床關鍵部件功能最優的目的和效果。

5 結語

綜上所述可知，數控機床及其關鍵部件的可靠性研究對提高數控機床設備的整體運行能力都具有著十分重要的作用。因此，在進行數控機床及其關鍵部件右靠性研究時，要根據其特點及實際的運行規律為出發點，進行分層次地研究，從而達到排除預防故障發生，提高數控機床整體運行能力的最終目的。

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