數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)及其應(yīng)用研究

張遠(yuǎn)望

摘 要：我國是世界上數(shù)控機(jī)床消費(fèi)大國，數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的高低直接影響到整個(gè)國家制造業(yè)的發(fā)展，起到一定關(guān)鍵作用。然而我國現(xiàn)階段機(jī)床功能的維持功能與國際水平存在一定差異，我國眾多行業(yè)的數(shù)控機(jī)床用戶之所以不選購國產(chǎn)機(jī)床的主要原因就是因?yàn)楫a(chǎn)品可靠性不能滿足用戶需求，這個(gè)局面嚴(yán)重影響到我國制造業(yè)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，因此怎樣改善當(dāng)前數(shù)控機(jī)床技術(shù)的可靠性成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界的一大難題。隨著我國科技發(fā)展的日新月異，提高數(shù)控機(jī)床可靠性成為當(dāng)前最為關(guān)注的話題，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使整個(gè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)變得越來越嚴(yán)峻，在這種發(fā)展局勢(shì)下，數(shù)控機(jī)床可靠性的提升必須通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證，避免紙上談兵。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 可靠性 技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（c）-0026-02

該文將對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)進(jìn)行研究，分別從：數(shù)控機(jī)床可靠性內(nèi)涵、數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)存在的必要性、數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的研究、現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)存在的問題、數(shù)控機(jī)床可靠性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性的具體措施、數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的展望7個(gè)部分進(jìn)行闡述。

1 數(shù)控機(jī)床可靠性內(nèi)涵

關(guān)于數(shù)控機(jī)床可靠性的定義，最初是由盧瑟爾提出的。所謂“可靠性”是指“產(chǎn)品能在規(guī)定條件及規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成的規(guī)定功能的能力。”可靠性很難用一個(gè)量來表示，因此在對(duì)可靠性進(jìn)行定義時(shí)必須根據(jù)具體情況、具體場(chǎng)合來選擇適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)。值得注意的是，可靠性是產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行過程中所顯露出的屬性，且數(shù)控機(jī)床可靠性存在一定特殊性，它是集機(jī)、電、氣等高新技術(shù)于一身的現(xiàn)代化工作母機(jī)，它對(duì)加工精度有一定要求。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中最易發(fā)生的故障以功能性故障居多。所謂功能性故障一般指：加工中心刀庫不轉(zhuǎn)位、不執(zhí)行程序指令、定位不準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)不定位以及電氣系統(tǒng)大量故障等，是當(dāng)前廣大機(jī)床用戶亟待解決的。在機(jī)床用戶看來，數(shù)控機(jī)床的可靠性涵義實(shí)際上指的就是機(jī)床在運(yùn)行過程中故障頻率出現(xiàn)次數(shù)相對(duì)較低。因此在開展數(shù)控機(jī)床可靠性工作時(shí)必須做些真實(shí)操作的實(shí)事，切實(shí)解決可靠性實(shí)際問題，讓用戶看到實(shí)效。高速、高精度以及高可靠性是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要趨勢(shì)，數(shù)控機(jī)床可靠性成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，目前國內(nèi)的數(shù)控機(jī)床研發(fā)方向主要朝高檔次方向發(fā)展，提高數(shù)控機(jī)床可靠性成為當(dāng)下最為急迫的事。

2 數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)存在的必要性

2.1 數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)滿足市場(chǎng)發(fā)展需求

我國正處于工業(yè)化發(fā)展中，汽車、鋼鐵、機(jī)械等一批重工業(yè)為基礎(chǔ)的行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭越來越迅猛，導(dǎo)致對(duì)數(shù)控機(jī)床的需求也越來越大。為了滿足市場(chǎng)發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)必須不斷發(fā)展創(chuàng)新，使其功能日趨完善。

2.2 機(jī)床故障頻率普遍偏高

由于我國數(shù)控機(jī)床現(xiàn)階段的自主開發(fā)能力相對(duì)薄弱，自動(dòng)化水平低，精度保持性相對(duì)較差，制約了我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及銷售，與國際現(xiàn)階數(shù)控水平存在較大差距，對(duì)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行故障不能及時(shí)準(zhǔn)確的排除，此外還承受著市場(chǎng)巨大需求量的壓力。因此為了解決這個(gè)問題就必須提高數(shù)控機(jī)床的可靠性。

2.3 數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的意義

數(shù)控機(jī)床的可靠性對(duì)用戶來說十分關(guān)鍵，還在一定程度上影響了我國與國際水平間的較量，提高數(shù)控機(jī)床可靠性能促進(jìn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)于改變我國機(jī)床工業(yè)現(xiàn)狀有推動(dòng)作用。數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的存在是必要的，它充分滿足了市場(chǎng)發(fā)展需求，減少了數(shù)控機(jī)床運(yùn)行故障的發(fā)生頻率，它是實(shí)現(xiàn)民族裝備制造業(yè)振興的催化劑。數(shù)控機(jī)床作為復(fù)雜的機(jī)電液系統(tǒng)，它還沒有相對(duì)成熟的可靠性理論與技術(shù)，加上我國數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)研究起步較晚，涉足此行業(yè)的相關(guān)研究人員與研究機(jī)構(gòu)相對(duì)較少，技術(shù)積累相對(duì)薄弱，處于發(fā)展階段，相對(duì)德國等工業(yè)發(fā)達(dá)的國家來說還有很長一段發(fā)展距離，為了縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距，我們必須拿出實(shí)際行動(dòng)。

3 現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)存在的問題

3.1 數(shù)控機(jī)床可靠性研究者及相關(guān)機(jī)構(gòu)普遍較少

由于我國在數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的研究人員與研究機(jī)構(gòu)比較缺乏，加上數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)研究的成本比較高，時(shí)間相對(duì)過長，其研究成果的獲取相對(duì)過慢，導(dǎo)致我國數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)體系缺乏完整性。

3.2 數(shù)控機(jī)床可靠性數(shù)據(jù)累積相對(duì)薄弱

制造業(yè)數(shù)控機(jī)床的可靠性的提高需要一定的數(shù)據(jù)作為實(shí)踐基礎(chǔ)，由于我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展較晚，導(dǎo)致我國數(shù)控機(jī)床可靠性數(shù)據(jù)累積相對(duì)薄弱，從而不能為廣大的數(shù)控機(jī)床用戶可靠性技術(shù)的研究提供任何幫助，這也是我國數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后的主要原因。

3.3 數(shù)控機(jī)床的維修性及可用性得不到重視

要提高我國數(shù)控機(jī)床的可靠性技術(shù)就必須對(duì)數(shù)控機(jī)床的維修性及可用性重視起來，根據(jù)企業(yè)的需求去簡(jiǎn)化維修過程，縮短維修時(shí)間，將可靠性最大化，我國必須提高對(duì)其重視的程度，最大程度滿足數(shù)控機(jī)床用戶的需求，制定相關(guān)政策，奠定我國數(shù)控機(jī)床可靠性研究基礎(chǔ)。

3.4 數(shù)控機(jī)床故障機(jī)理研究相對(duì)不足

當(dāng)前我國對(duì)數(shù)控機(jī)床故障機(jī)理的研究相對(duì)不足，所謂故障機(jī)理研究主要是針對(duì)故障現(xiàn)象分析得出的反映故障本質(zhì)的原因。但由于我國現(xiàn)階段對(duì)故障機(jī)理研究相對(duì)缺乏，從而對(duì)產(chǎn)生故障的物力本質(zhì)障礙直接的相關(guān)性以及故障問題認(rèn)識(shí)不清，使改進(jìn)成本不斷增加，造成了經(jīng)濟(jì)資源浪費(fèi)。

3.5 對(duì)機(jī)床整機(jī)功能部件缺乏重視

數(shù)控機(jī)床由各類功能部件及數(shù)控系統(tǒng)組成，其組成部件的可靠性制約著數(shù)控機(jī)床的整體可靠性，因此制造者必須對(duì)機(jī)床功能部件的質(zhì)量加以重視。但由于國內(nèi)機(jī)床功能部件企業(yè)技術(shù)比較薄弱，研究機(jī)構(gòu)工作的重心又都放到了機(jī)床整機(jī)上，導(dǎo)致其功能部件得不到重視，無法提高數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)發(fā)展。

3.6 數(shù)控機(jī)床電元器件質(zhì)量相對(duì)較差

當(dāng)前，國內(nèi)機(jī)電元器件市場(chǎng)存在粗制濫造及惡意壓價(jià)的現(xiàn)象，并且質(zhì)量相對(duì)較差，溫度特性差、電器反應(yīng)不靈敏、使用壽命短等特點(diǎn)。如果將這些質(zhì)量差的電元器件應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床，會(huì)造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。

3.7 CNC安裝不當(dāng)

CNC是指數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的正確安裝對(duì)數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行起到一定保障，如果沒有按照相關(guān)要求進(jìn)行安裝則會(huì)造成驅(qū)動(dòng)軸失控，引起機(jī)器報(bào)廢，使數(shù)控機(jī)床免疫力降低，導(dǎo)致故障發(fā)生頻率不斷提高。

4 數(shù)控機(jī)床可靠性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

必須建立豐富的可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范。

在對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)建立起可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)規(guī)范的建立能在一定程度上對(duì)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的可靠性設(shè)計(jì)以及分析工作進(jìn)行約束管理，對(duì)不同的產(chǎn)品采取不同的可靠性設(shè)計(jì)。

4.1 建立可靠性設(shè)計(jì)評(píng)審大綱及流程

評(píng)審大綱的評(píng)審內(nèi)容將會(huì)涵蓋產(chǎn)品從概念到生產(chǎn)的所有開發(fā)階段，它的重要性不言而喻，因此企業(yè)必須建立可靠性設(shè)計(jì)評(píng)審大綱及流程，并邀請(qǐng)一些在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)力分析、安全維修等專業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)研究人員參與到評(píng)審中來。

5 提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性的具體措施

5.1 提高數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性

在設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該按照不同機(jī)床功能需求來進(jìn)行模塊組建，可以在一定程度上提高機(jī)床使用的穩(wěn)定性還能降低機(jī)床維護(hù)成本，兼顧人機(jī)對(duì)話以及機(jī)械故障自診斷，對(duì)機(jī)床起到自我保護(hù)作用。數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的速率與系統(tǒng)性能的好壞息息相關(guān)，因此必須提高數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。

5.2 保證數(shù)控系統(tǒng)的正確操作

邏輯程序編寫失誤、參數(shù)配置的錯(cuò)誤都會(huì)給數(shù)控機(jī)床埋下質(zhì)量隱患，會(huì)給用戶帶來很多不便，對(duì)自己的信譽(yù)有一定影響。因此在對(duì)數(shù)控系統(tǒng)操作時(shí)必須保證一定正確性，否則會(huì)使誤差累積，對(duì)機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)鏈造成沖擊。

5.3 采用有效隔離屏蔽技術(shù)

由于CNC系統(tǒng)的濾波環(huán)節(jié)降噪功能有限，因此必須配置相關(guān)隔離設(shè)備，盡量減小干擾信號(hào)。屏蔽干擾信號(hào)可以從兩方面入手：一是取東西元件，將干擾源屏蔽起來，從而達(dá)到阻斷靜電與電磁信號(hào)傳遞的目的；二是利用雙層金屬屏蔽控制系統(tǒng)，以防高壓線外在物質(zhì)的干擾，促進(jìn)數(shù)控機(jī)床可靠性大大提高。

5.4 合理布線與接地

由于數(shù)控機(jī)床地線相對(duì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)中的機(jī)架箱體等結(jié)構(gòu)件應(yīng)予以接地。且接地電纜的橫截面積不能小于10 mm2，布線必須遵循“強(qiáng)弱分開”原則，利用金屬屏蔽線隔開輸入信號(hào)線，嚴(yán)禁與其他設(shè)備接地。

5.5 運(yùn)行可靠性控制

實(shí)驗(yàn)表明用戶使用不當(dāng)造成的故障占機(jī)床總體故障的20%左右。因此必須控制用戶對(duì)機(jī)床的使用，預(yù)防用戶對(duì)機(jī)床的超載使用，通過大修恢復(fù)機(jī)床精度與可靠性。

5.6 完善數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)體系

要促進(jìn)數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的發(fā)展必須對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)體系進(jìn)行完善，以數(shù)控機(jī)床可靠性建模為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性技術(shù)進(jìn)行拓展，對(duì)研究成果進(jìn)行嚴(yán)格篩選，構(gòu)建故障案例庫與數(shù)據(jù)庫，促進(jìn)我國數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的發(fā)展。

6 數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的應(yīng)用研究

6.1 數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)定方法

數(shù)控機(jī)床可靠性的評(píng)定方法有三種，一是修正極大似然法和序貫壓縮相結(jié)合的方法；二是指數(shù)壽命型串聯(lián)系統(tǒng)法；三是基于信賴方法的數(shù)控機(jī)床可靠度的分析法。第一種的準(zhǔn)確度比第二種更高，在數(shù)據(jù)充分的情況下，采用基于信賴方法的數(shù)控機(jī)床可靠度分析方法更為合理。

6.2 數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)分析方法

加工中心是現(xiàn)代信息科學(xué)與傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)相結(jié)合的典型產(chǎn)品，通過對(duì)其故障信息的科學(xué)分析，找出運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)。將故障分析結(jié)果反映到各個(gè)部門，以提高產(chǎn)品可靠性為重要任務(wù)，將傳統(tǒng)頻次主次圖分析方法與故障比重比方法相結(jié)合來解決故障問題。

6.3 重視數(shù)控機(jī)床可靠技術(shù)，更好促進(jìn)機(jī)床的現(xiàn)代化

根據(jù)機(jī)床各部分組建的功能將經(jīng)濟(jì)、資源等內(nèi)容進(jìn)行綜合考慮，來確定影響可靠性指標(biāo)的因素，更好促進(jìn)可靠性的提高，同時(shí)抓好改制改組工作，注重售后服務(wù)降低故障發(fā)生頻率，一旦出現(xiàn)故障必須及時(shí)解決，重視質(zhì)量與服務(wù)，積極引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，更好促進(jìn)數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)代化發(fā)展，努力掌握好數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)，為機(jī)床質(zhì)量提供一定保障。

6.4 數(shù)控機(jī)床可靠性信息體系及開發(fā)“可靠性數(shù)據(jù)庫”和信息處理軟件

開發(fā)出可靠性信息源，開發(fā)出可靠性信息存儲(chǔ)、處理技術(shù)；數(shù)控機(jī)床可靠性數(shù)據(jù)庫、可靠性評(píng)價(jià)軟件、故障分析軟件，為數(shù)控機(jī)床建立集成化可靠性信息體系。

6.5 建立可靠性指標(biāo)（水平）評(píng)價(jià)體系

針對(duì)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的特點(diǎn)，建立了數(shù)控機(jī)床可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，對(duì)平均故障間隔時(shí)間MTBF進(jìn)行點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)，并評(píng)估出平均修復(fù)時(shí)間MTTR和固有可用度Ai等具體數(shù)值，從而評(píng)價(jià)出數(shù)控機(jī)床可靠性水平。此項(xiàng)成果建立了完全針對(duì)數(shù)控機(jī)床行業(yè)特點(diǎn)的可靠性增長理論體系，開發(fā)出了實(shí)用技術(shù)以及可靠性增長的具體實(shí)施方法， 在國內(nèi)外均屬首創(chuàng)。

7 數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的展望

數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)研究歷經(jīng)幾十年，在可靠性設(shè)計(jì)、故障分析、可靠性建模、可靠性試驗(yàn)等方面取得了明顯的進(jìn)展。目前正在形成可靠性動(dòng)態(tài)建模、可靠性綜合設(shè)計(jì)、故障預(yù)警等數(shù)控機(jī)床可靠技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但由于從事數(shù)控機(jī)床可靠性研究的學(xué)者及相關(guān)機(jī)構(gòu)普遍較少，對(duì)數(shù)控機(jī)床故障機(jī)理、數(shù)控機(jī)床維修性及可用性研究不夠重視，從而導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)一直得不到發(fā)展。隨著科技的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)床行業(yè)最關(guān)鍵的技術(shù)之一，我們必須從數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)及行業(yè)需求角度進(jìn)行技術(shù)展望。

7.1 強(qiáng)化全生命周期可靠性技術(shù)理念

數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的發(fā)展必須建立在可靠性建模、分析、設(shè)計(jì)等研究基礎(chǔ)上，加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床制造可靠性、早期故障排除、運(yùn)輸可靠性、維修性設(shè)計(jì)等可靠性技術(shù)研究，強(qiáng)化全生命周期可靠性技術(shù)理念，將其應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的發(fā)展當(dāng)中去。

7.2 構(gòu)建數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)體系

通過強(qiáng)化全生命周期可靠性技術(shù)理念，對(duì)研究成果不斷進(jìn)行完善，在此基礎(chǔ)上制定數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)規(guī)范，形成具有數(shù)控機(jī)床行業(yè)特色產(chǎn)品的可靠性技術(shù)體系。技術(shù)的研究離不開企業(yè)，在應(yīng)用可靠性技術(shù)管理體系時(shí)應(yīng)該保障可靠性技術(shù)研究成果在企業(yè)中的有效應(yīng)用，使企業(yè)逐漸成為可靠性技術(shù)研發(fā)主體。

8 結(jié)語

可靠性有關(guān)學(xué)科發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，并形成了相對(duì)完善的理論體系，要提高數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的可靠性，企業(yè)必須建立一定的可靠性保障能力，并且數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的發(fā)展離不開企業(yè)的支持，企業(yè)應(yīng)該從戰(zhàn)略角度出發(fā)，從零部件設(shè)計(jì)到故障數(shù)據(jù)分析方面做好調(diào)研工作，構(gòu)建完善的管理體系，并給出相應(yīng)改進(jìn)意見，提高數(shù)控機(jī)床可靠性，促進(jìn)數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的發(fā)展。在第十二個(gè)五年計(jì)劃期間，我國的機(jī)械制造業(yè)逐漸朝著集成化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，同時(shí)也為數(shù)控機(jī)床行業(yè)提供了良好機(jī)會(huì)。

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