數控轉臺的可靠性增長措施＊*

牟 冰 楊慶東

(北京信息科技大學機電工程學院，北京100192)

數控轉臺是五軸聯動機匣加工中心實現五軸聯動的必備功能部件，是加工中心向高速、高精度方向發展的集中體現［1］。數控轉臺不僅為機匣加工中心的回轉軸提供了高精度的定位，而且實現了低速大負載的回轉進給運動［2］。數控轉臺完善了我國精密機匣加工中心的整體性能，對擴大機匣加工中心的加工范圍、提高加工效率、保證機匣工件的加工精度等都有重要作用［3］。

數控轉臺的加工環境十分惡劣，在加工工件時長期受切削液、工件切屑和切削力的影響，造成數控轉臺故障頻發，精度保持性較差［4］，大大影響了國產五軸聯動機匣加工中心的整機可靠性與機匣工件的加工質量。

數控轉臺作為五軸聯動機匣加工中心重要的自制功能部件，對加工中心整機的可靠性影響非常大［5］，對數控轉臺進行故障分析找出其可靠性的薄弱環節，進行設計與改進以提高其可靠性具有重要意義。

1 數控轉臺的故障分析

1.1 數控轉臺的故障統計

從2013 年1 月1 日到2014 年6 月30 日，調查統計了14 臺機匣加工中心數控轉臺在用戶加工現場的故障數據，經整理得到有效故障21 個。

1.2 故障部位分析

機匣加工中心在進行切削時，數控轉臺、擺動主軸頭與X、Y、Z 軸一起實現五軸聯動，帶動機匣工件實現復雜空間曲面的加工［6］。數控轉臺采用力矩電動機直接驅動，具有載荷量大、任意分度、轉速高和可靠性高等優點［7］，但因數控轉臺的轉動慣量較大，比較容易受到負載擾動及參數變化等因素的影響，致使系統的抗干擾性和跟隨性受到削弱［8］。

要充分利用機匣加工中心數控轉臺的故障數據，通過FMECA 分析(failure mode，effects and criticality analysis，故障模式、影響及危害性分析)［9］，確定轉臺可靠性的薄弱部位，采取有針對性的可靠性改進措施，消除可靠性缺陷與薄弱部位實現數控轉臺的可靠性增長。

2 故障模式及危害度分析

根據統計的故障數據和相關計算公式［10］，計算機匣加工中心數控轉臺故障模式的危害度CR 并總結其故障模式如表1 所示。危害度CR 的計算公式:

表1 數控轉臺的故障模式及危害度表

式中:nj為故障模式j 發生的次數;n 為數控轉臺發生故障的次數;αj表示轉臺發生故障模式j 的概率;λ 表示轉臺的故障率;βj表示因故障模式j 造成轉臺失效的概率。對βj規定:若βj=1 表示該轉臺一定會損壞，若βj=0.5 表示轉臺有可能損壞，若βj=0.1 表示轉臺損壞的可能性很小，若βj=0 表示轉臺一定不會損壞。

式中:N 為轉臺本次調查期間故障發生的總次數;∑t為轉臺在調查期間的累計工作時間，因調查期間數控轉臺每天工作21 h，每月工作約22 天，共18 個月，所以∑t =21 ×22 ×18 =8 316 h。

根據表1 可得到數控轉臺各種故障模式的危害度大小分布直方圖，如圖2 所示。

通過圖2 可知數控轉臺危害度最大的幾個故障模式是:A01 切削液、液壓油等泄漏，A06 轉臺工作精度超標，A02 轉臺不夾緊，運轉不靈活和A04 轉臺返回參考點時振動或抖動，在對數控轉臺進行可靠性設計與增長時，應重點針對這幾種故障模式開展。

3 故障原因分析

根據對數控轉臺的FMECA 分析結果，得到了數控轉臺可靠性的薄弱環節，對轉臺發生各種故障模式的根本原因分析如表2 所示。

4 可靠性增長措施

根據機匣加工中心數控轉臺的FMECA 分析結果，得到了轉臺各故障模式發生的潛在原因。下面根據轉臺故障發生的原因，從數控轉臺的設計、制造、裝配和管理等環節給出了有針對性的可靠性增長措施。

表2 數控轉臺故障模式及原因分析

4.1 轉臺故障消除的措施

(1)對切削液、液壓油等泄漏:控制轉臺裝配流程，減小因裝配不當造成的磨損，定期檢查并更換已損壞的活塞;使用環形扣壓方式，做好管路走線，盡量避免橡膠管發生彎曲，及時檢查并更換已損壞的密封圈，選擇可靠性高的外購密封圈;及時更換新的罩殼，并嚴格控制外購罩殼的質量。

(2)對轉臺不夾緊，運轉不靈活:修復密封裝置研損部位或及時更換密封圈，定期檢查液壓油量，且重新調節液壓壓力;將轉臺在無塵車間進行裝配，并嚴格控制轉臺零部件的質量、裝配方法等確保其裝配精度，定期檢查緊固位或更換脹緊套。

(3)對運動部件無動作:定期檢查系統輸入的脈沖數、信號輸入情況并及時給予調節和修正;加強接近開關、支架強度，緊固螺釘防止松動，及時清潔、修復或更換光柵;加強數控轉臺裝配質量檢驗，嚴格控制轉臺的裝配精度，采用高可靠性的密封件;定期檢查緊固或更換脹緊套，及時更換或修復損壞的錐銷。

(4)對轉臺返回參考點時振動或抖動:定期檢查并適當緊固螺母;改善轉臺的對稱性和偏轉特性，采用帶阻濾波器對機械諧振進行抑制補償，采用可調濾波器增益的觀測器/濾波器結構自適應控制方法［11］，提高轉臺的位置跟蹤能力。

(5)對轉臺轉動過程中發出異響:及時修復或更換已損壞的軸承，選擇可靠性高的密封件，定期維護以防止泄漏發生;將轉臺在無塵車間進行裝配，并嚴格控制轉臺零部件的質量、裝配方法等確保轉臺裝配精度及轉臺內部的清潔;定期檢查并適當緊固螺栓。

(6)對轉臺工作精度超標:改進罩殼的密封方式，選用效果好的密封圈，在結合處涂抹防水膠;盡量避免讓數控轉臺長時間地連續加工工件，改善數控轉臺內部散熱結構;定期檢查修復轉臺緩沖裝置，運用準滑動模態方法、平滑濾波等方法消除電磁干擾;嚴格保證轉臺零部件質量，按照裝配要求和工序來安裝轉臺，通過前饋控制方法和可預見控制方法消除反饋延遲，采用滑模和改進型干擾觀測器結合的方法來設計控制器，保證伺服系統運行和機匣工件的加工精度［12］，通過電壓/電流采樣技術、增加濾波環節來消除電壓/電流波動。

(7)對轉臺回零不準:及時更換失效的零位檢測開關，并嚴格控制外購開關的質量，提高罩殼的密封性，并在結合處涂抹防水膠;對數控轉臺采用水冷套散熱方式，將水冷套與轉臺力矩電動機的定子進行貼合，從而降低數控轉臺的溫度。

4.2 可靠性管理與試驗措施

(1)機床企業應建立數控轉臺可靠性崗位責任制，通過保證轉臺零部件的質量和裝配方法來確保轉臺的裝配可靠性;定期對工作人員進行有針對性的可靠性培訓，提高工作人員素質，加強可靠性人才方面的培養。

(2)機床企業應建立以可靠性管理為核心的數控轉臺質量體系、轉臺早期故障試驗和消除體系，在總裝前對機匣加工中心的數控轉臺進行可靠性試驗，有效地激發和發現數控轉臺的早期故障，采取有效措施將故障隱患消除于企業內部，提高數控轉臺的可靠性水平［13］。

5 結語

對機匣加工中心的數控轉臺在用戶加工現場的故障數據進行了深入分析，找出了數控轉臺在設計和裝配等環節的薄弱部位，認清了故障發生的潛在原因，有針對性地提出了一些預防及優化改進措施，消除了數控轉臺的早期故障，提高了轉臺的可靠性水平，為國產數控轉臺的可靠性設計與增長等提供了一定的參考。

［1］欒強利.直驅式數控轉臺性能分析及結構設計［D］.濟南:山東輕工業學院，2011.

［2］張文博，李焱，高秀峰，等.幾種數控機床回轉進給機構的傳動形式［J］.機械傳動，2011，35(5):76 -80.

［3］楊凌云，葉文華，劉世豪.數控機床二軸數控轉臺動力學仿真與耦合分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2012(3):11 -16.

［4］涂林. 臥式加工中心可靠性試驗技術研究［D］. 重慶:重慶大學，2012.

［5］張根保，涂林，許智，等.雙工位數控轉臺可靠性試驗技術及失效分析［J］.機械科學與技術，2011，30(10):1737 -1742.

［6］范長庚，王燕，李鳳春，等. 采用薄型油壓缸等分數控轉臺的裝置［J］.液壓氣動與密封，2014，(3):45 -49.

［7］呂超，劉建華. 數控轉臺的結構形式［J］. 金屬加工:冷加工，2013(13):18 -19.

［8］尹明，范麗鵬，張高平.影響直接驅動數控轉臺伺服剛度的因素分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2013(2):58 -60.

［9］派切特.產品可靠性、維修性及保障性手冊［M］.王軍鋒，陳云斌，周寬，等譯.北京:機械工業出版社，2011.

［10］賈敬陽.數控砂帶磨床可靠性評估與故障分析［D］. 長春:吉林大學，2013.

［11］楊松.高精度機械軸承轉臺摩擦補償研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業大學，2009.

［12］崔晨. 數控轉臺直接驅動伺服系統間接/直接自適應魯棒控制［D］.沈陽:沈陽工業大學，2013.

［13］范秀君，許靜林，張根保，等.數控機床早期故障消除技術［J］.中國機械工程，2013，24(16):2241 -2247.