數控機床可靠性技術及其應用研究

張遠望

摘 要：我國是世界上數控機床消費大國，數控機床可靠性技術的高低直接影響到整個國家制造業的發展，起到一定關鍵作用。然而我國現階段機床功能的維持功能與國際水平存在一定差異，我國眾多行業的數控機床用戶之所以不選購國產機床的主要原因就是因為產品可靠性不能滿足用戶需求，這個局面嚴重影響到我國制造業數控機床行業的發展，因此怎樣改善當前數控機床技術的可靠性成為當前學術界的一大難題。隨著我國科技發展的日新月異，提高數控機床可靠性成為當前最為關注的話題，經濟的飛速發展使整個市場競爭形勢變得越來越嚴峻，在這種發展局勢下，數控機床可靠性的提升必須通過現場運行驗證，避免紙上談兵。

關鍵詞：數控機床 可靠性 技術研究

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0026-02

該文將對數控機床可靠性技術進行研究，分別從：數控機床可靠性內涵、數控機床可靠性技術存在的必要性、數控機床可靠性技術的研究、現階段數控機床可靠性技術存在的問題、數控機床可靠性的設計準則、提高數控機床運行可靠性的具體措施、數控機床可靠性技術的展望7個部分進行闡述。

1 數控機床可靠性內涵

關于數控機床可靠性的定義，最初是由盧瑟爾提出的。所謂“可靠性”是指“產品能在規定條件及規定時間內完成的規定功能的能力。”可靠性很難用一個量來表示，因此在對可靠性進行定義時必須根據具體情況、具體場合來選擇適當的指標。值得注意的是，可靠性是產品實際運行過程中所顯露出的屬性，且數控機床可靠性存在一定特殊性，它是集機、電、氣等高新技術于一身的現代化工作母機，它對加工精度有一定要求。當前，數控機床在現場運行過程中最易發生的故障以功能性故障居多。所謂功能性故障一般指：加工中心刀庫不轉位、不執行程序指令、定位不準、旋轉工作臺不定位以及電氣系統大量故障等，是當前廣大機床用戶亟待解決的。在機床用戶看來，數控機床的可靠性涵義實際上指的就是機床在運行過程中故障頻率出現次數相對較低。因此在開展數控機床可靠性工作時必須做些真實操作的實事，切實解決可靠性實際問題，讓用戶看到實效。高速、高精度以及高可靠性是現代數控機床發展的主要趨勢，數控機床可靠性成為市場競爭的焦點，目前國內的數控機床研發方向主要朝高檔次方向發展，提高數控機床可靠性成為當下最為急迫的事。

2 數控機床可靠性技術存在的必要性

2.1 數控機床可靠性技術滿足市場發展需求

我國正處于工業化發展中，汽車、鋼鐵、機械等一批重工業為基礎的行業發展勢頭越來越迅猛，導致對數控機床的需求也越來越大。為了滿足市場發展需求，數控機床可靠性技術必須不斷發展創新，使其功能日趨完善。

2.2 機床故障頻率普遍偏高

由于我國數控機床現階段的自主開發能力相對薄弱，自動化水平低，精度保持性相對較差，制約了我國數控機床的發展及銷售，與國際現階數控水平存在較大差距，對數控機床的運行故障不能及時準確的排除，此外還承受著市場巨大需求量的壓力。因此為了解決這個問題就必須提高數控機床的可靠性。

2.3 數控機床可靠性技術的意義

數控機床的可靠性對用戶來說十分關鍵，還在一定程度上影響了我國與國際水平間的較量，提高數控機床可靠性能促進數控機床市場的持續發展，對于改變我國機床工業現狀有推動作用。數控機床可靠性技術的存在是必要的，它充分滿足了市場發展需求，減少了數控機床運行故障的發生頻率，它是實現民族裝備制造業振興的催化劑。數控機床作為復雜的機電液系統，它還沒有相對成熟的可靠性理論與技術，加上我國數控機床可靠性技術研究起步較晚，涉足此行業的相關研究人員與研究機構相對較少，技術積累相對薄弱，處于發展階段，相對德國等工業發達的國家來說還有很長一段發展距離，為了縮短與發達國家之間的差距，我們必須拿出實際行動。

3 現階段數控機床可靠性技術存在的問題

3.1 數控機床可靠性研究者及相關機構普遍較少

由于我國在數控機床可靠性技術的研究人員與研究機構比較缺乏，加上數控機床可靠性技術研究的成本比較高，時間相對過長，其研究成果的獲取相對過慢，導致我國數控機床可靠性技術體系缺乏完整性。

3.2 數控機床可靠性數據累積相對薄弱

制造業數控機床的可靠性的提高需要一定的數據作為實踐基礎，由于我國數控機床發展較晚，導致我國數控機床可靠性數據累積相對薄弱，從而不能為廣大的數控機床用戶可靠性技術的研究提供任何幫助，這也是我國數控機床可靠性技術發展相對滯后的主要原因。

3.3 數控機床的維修性及可用性得不到重視

要提高我國數控機床的可靠性技術就必須對數控機床的維修性及可用性重視起來，根據企業的需求去簡化維修過程，縮短維修時間，將可靠性最大化，我國必須提高對其重視的程度，最大程度滿足數控機床用戶的需求，制定相關政策，奠定我國數控機床可靠性研究基礎。

3.4 數控機床故障機理研究相對不足

當前我國對數控機床故障機理的研究相對不足，所謂故障機理研究主要是針對故障現象分析得出的反映故障本質的原因。但由于我國現階段對故障機理研究相對缺乏，從而對產生故障的物力本質障礙直接的相關性以及故障問題認識不清，使改進成本不斷增加，造成了經濟資源浪費。

3.5 對機床整機功能部件缺乏重視

數控機床由各類功能部件及數控系統組成，其組成部件的可靠性制約著數控機床的整體可靠性，因此制造者必須對機床功能部件的質量加以重視。但由于國內機床功能部件企業技術比較薄弱，研究機構工作的重心又都放到了機床整機上，導致其功能部件得不到重視，無法提高數控機床可靠性技術發展。

3.6 數控機床電元器件質量相對較差

當前，國內機電元器件市場存在粗制濫造及惡意壓價的現象，并且質量相對較差，溫度特性差、電器反應不靈敏、使用壽命短等特點。如果將這些質量差的電元器件應用到數控機床，會造成嚴重的生產事故。

3.7 CNC安裝不當

CNC是指數控系統，數控系統的正確安裝對數控機床正常運行起到一定保障，如果沒有按照相關要求進行安裝則會造成驅動軸失控，引起機器報廢，使數控機床免疫力降低，導致故障發生頻率不斷提高。

4 數控機床可靠性的設計準則

必須建立豐富的可靠性設計規范。

在對數控機床可靠性進行設計時，應建立起可靠性設計規范，設計規范的建立能在一定程度上對數控機床設計環節的可靠性設計以及分析工作進行約束管理，對不同的產品采取不同的可靠性設計。

4.1 建立可靠性設計評審大綱及流程

評審大綱的評審內容將會涵蓋產品從概念到生產的所有開發階段，它的重要性不言而喻，因此企業必須建立可靠性設計評審大綱及流程，并邀請一些在產品設計、制造、應力分析、安全維修等專業領域的專業研究人員參與到評審中來。

5 提高數控機床運行可靠性的具體措施

5.1 提高數控系統設計的可靠性

在設計數控系統時，應該按照不同機床功能需求來進行模塊組建，可以在一定程度上提高機床使用的穩定性還能降低機床維護成本，兼顧人機對話以及機械故障自診斷，對機床起到自我保護作用。數控機床運行的速率與系統性能的好壞息息相關，因此必須提高數控系統設計的可靠性。

5.2 保證數控系統的正確操作

邏輯程序編寫失誤、參數配置的錯誤都會給數控機床埋下質量隱患，會給用戶帶來很多不便，對自己的信譽有一定影響。因此在對數控系統操作時必須保證一定正確性，否則會使誤差累積，對機床轉動鏈造成沖擊。

5.3 采用有效隔離屏蔽技術

由于CNC系統的濾波環節降噪功能有限，因此必須配置相關隔離設備，盡量減小干擾信號。屏蔽干擾信號可以從兩方面入手：一是取東西元件，將干擾源屏蔽起來，從而達到阻斷靜電與電磁信號傳遞的目的；二是利用雙層金屬屏蔽控制系統，以防高壓線外在物質的干擾，促進數控機床可靠性大大提高。

5.4 合理布線與接地

由于數控機床地線相對比較復雜，系統中的機架箱體等結構件應予以接地。且接地電纜的橫截面積不能小于10 mm2，布線必須遵循“強弱分開”原則，利用金屬屏蔽線隔開輸入信號線，嚴禁與其他設備接地。

5.5 運行可靠性控制

實驗表明用戶使用不當造成的故障占機床總體故障的20%左右。因此必須控制用戶對機床的使用，預防用戶對機床的超載使用，通過大修恢復機床精度與可靠性。

5.6 完善數控機床可靠性技術體系

要促進數控機床可靠性技術的發展必須對數控機床可靠性技術體系進行完善，以數控機床可靠性建模為基礎，對數控機床的可靠性技術進行拓展，對研究成果進行嚴格篩選，構建故障案例庫與數據庫，促進我國數控機床可靠性技術的發展。

6 數控機床可靠性技術的應用研究

6.1 數控機床可靠性評定方法

數控機床可靠性的評定方法有三種，一是修正極大似然法和序貫壓縮相結合的方法；二是指數壽命型串聯系統法；三是基于信賴方法的數控機床可靠度的分析法。第一種的準確度比第二種更高，在數據充分的情況下，采用基于信賴方法的數控機床可靠度分析方法更為合理。

6.2 數控機床可靠性技術分析方法

加工中心是現代信息科學與傳統機械技術相結合的典型產品，通過對其故障信息的科學分析，找出運行中的薄弱環節。將故障分析結果反映到各個部門，以提高產品可靠性為重要任務，將傳統頻次主次圖分析方法與故障比重比方法相結合來解決故障問題。

6.3 重視數控機床可靠技術，更好促進機床的現代化

根據機床各部分組建的功能將經濟、資源等內容進行綜合考慮，來確定影響可靠性指標的因素，更好促進可靠性的提高，同時抓好改制改組工作，注重售后服務降低故障發生頻率，一旦出現故障必須及時解決，重視質量與服務，積極引進國外先進技術，更好促進數控機床的現代化發展，努力掌握好數控機床可靠性技術，為機床質量提供一定保障。

6.4 數控機床可靠性信息體系及開發“可靠性數據庫”和信息處理軟件

開發出可靠性信息源，開發出可靠性信息存儲、處理技術；數控機床可靠性數據庫、可靠性評價軟件、故障分析軟件，為數控機床建立集成化可靠性信息體系。

6.5 建立可靠性指標（水平）評價體系

針對數控機床產品的特點，建立了數控機床可靠性指標評價體系，對平均故障間隔時間MTBF進行點估計和區間估計，并評估出平均修復時間MTTR和固有可用度Ai等具體數值，從而評價出數控機床可靠性水平。此項成果建立了完全針對數控機床行業特點的可靠性增長理論體系，開發出了實用技術以及可靠性增長的具體實施方法， 在國內外均屬首創。

7 數控機床可靠性技術的展望

數控機床可靠性技術研究歷經幾十年，在可靠性設計、故障分析、可靠性建模、可靠性試驗等方面取得了明顯的進展。目前正在形成可靠性動態建模、可靠性綜合設計、故障預警等數控機床可靠技術領域的研究熱點。但由于從事數控機床可靠性研究的學者及相關機構普遍較少，對數控機床故障機理、數控機床維修性及可用性研究不夠重視，從而導致數控機床可靠性技術一直得不到發展。隨著科技的迅速發展，數控機床可靠性技術已經成為現代機床行業最關鍵的技術之一，我們必須從數控機床可靠性技術及行業需求角度進行技術展望。

7.1 強化全生命周期可靠性技術理念

數控機床可靠性技術的發展必須建立在可靠性建模、分析、設計等研究基礎上，加強數控機床制造可靠性、早期故障排除、運輸可靠性、維修性設計等可靠性技術研究，強化全生命周期可靠性技術理念，將其應用到數控機床可靠性技術的發展當中去。

7.2 構建數控機床可靠性技術體系

通過強化全生命周期可靠性技術理念，對研究成果不斷進行完善，在此基礎上制定數控機床可靠性技術規范，形成具有數控機床行業特色產品的可靠性技術體系。技術的研究離不開企業，在應用可靠性技術管理體系時應該保障可靠性技術研究成果在企業中的有效應用，使企業逐漸成為可靠性技術研發主體。

8 結語

可靠性有關學科發展始于20世紀50年代，并形成了相對完善的理論體系，要提高數控機床產品的可靠性，企業必須建立一定的可靠性保障能力，并且數控機床可靠性技術的發展離不開企業的支持，企業應該從戰略角度出發，從零部件設計到故障數據分析方面做好調研工作，構建完善的管理體系，并給出相應改進意見，提高數控機床可靠性，促進數控機床可靠性技術的發展。在第十二個五年計劃期間，我國的機械制造業逐漸朝著集成化、自動化、智能化方向發展，同時也為數控機床行業提供了良好機會。

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