數(shù)控機(jī)床的可靠性分析與故障時(shí)間分布研究

林海波，魏 鑫

（1上海優(yōu)尼斯工業(yè)設(shè)備銷售有限公司沈陽(yáng)分公司 遼寧 沈陽(yáng) 110142）

（2沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司沈一車床廠 遼寧 沈陽(yáng) 110142）

1 數(shù)控機(jī)床

圖1為數(shù)控機(jī)床實(shí)物圖。

圖1 數(shù)控機(jī)床

數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械化程度高，自動(dòng)化高、精度高，它是機(jī)電結(jié)合傳動(dòng)的產(chǎn)物，數(shù)控機(jī)床的未來(lái)發(fā)展，也是現(xiàn)在一些機(jī)床所具有的特點(diǎn)如下：

（1）高速化、高可靠性

提高數(shù)控機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)速度，提高加工效率，增加加工精度，增加數(shù)控機(jī)床的性價(jià)比；

（2）復(fù)合化

將數(shù)控機(jī)床的功能復(fù)合化，在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)不同的加工，例如車、銑、鉆等，將數(shù)控機(jī)床的操作工序多元化，提高零件的加工效率；

（3）智能化

追求數(shù)控機(jī)床加工質(zhì)量和操作的智能化，將人機(jī)界面與監(jiān)控結(jié)合，簡(jiǎn)化編程，增加自動(dòng)編程，將系統(tǒng)維護(hù)與診斷的復(fù)雜程度降低；

（4）柔性化、集成化

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是從點(diǎn)、線向著面、體的發(fā)展，通過(guò)將單體數(shù)控機(jī)床向著工段車間的發(fā)展，這樣就要體現(xiàn)機(jī)床的柔性化，柔性化和集成化是數(shù)控機(jī)床未來(lái)發(fā)展的必要趨勢(shì)。

除了以上這些特點(diǎn)外，一些加工商和設(shè)計(jì)者也將一些個(gè)性化和開(kāi)放性的元素融入到了機(jī)床內(nèi)，有一些設(shè)計(jì)者會(huì)根據(jù)客戶的需求進(jìn)行專用機(jī)床的生產(chǎn)，而一些開(kāi)發(fā)者將市場(chǎng)上一些開(kāi)放式系統(tǒng)、模塊化系統(tǒng)、層次化結(jié)構(gòu)并入到數(shù)控機(jī)床內(nèi)。將傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的封閉性和數(shù)控軟件替換掉，提高機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)、通信、配置，將數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化，增加數(shù)控機(jī)床的可靠性，極大的滿足市場(chǎng)和制造商的需求。

2 可靠性

可靠性最早的研究是在航空領(lǐng)域，最早是在德國(guó)，而國(guó)內(nèi)最早是在電子工業(yè)部門，所以現(xiàn)在電子工業(yè)體系中可靠性非常成熟，數(shù)控機(jī)床的可靠性分析，是在機(jī)床主軸上開(kāi)始的，最早是對(duì)主軸可靠性校驗(yàn)，最后衍生到整個(gè)機(jī)床。

對(duì)于產(chǎn)品可靠性的定義為“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”對(duì)于數(shù)控機(jī)床的可靠性可以通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段，利用計(jì)算的方法進(jìn)行可靠性計(jì)算，產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)之后在利用一些校驗(yàn)方法去鑒定它的可靠性，而對(duì)于像數(shù)控機(jī)床這樣的可修復(fù)系統(tǒng)，可以通過(guò)浴盆曲線進(jìn)行分析，如圖2。

圖2 浴盆曲線

浴盆曲線分為三個(gè)階段，分別為早期失效、偶然失效、損耗失效，在這個(gè)曲線上，數(shù)控機(jī)床的偶然失效是最低的，這種失效是不可控制的，屬于特殊失效，但是這種失效的可靠性最高。第一階段的早期失效，主要是針對(duì)數(shù)控機(jī)床本身的零件，這種失效率非常高，是屬于原材料制造過(guò)程中的缺陷，是隨著數(shù)控機(jī)床的使用和維護(hù)下降的，也就是數(shù)控機(jī)床在起初使用的時(shí)候，由于零件的因素可靠性最低。

數(shù)控機(jī)床隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng)，零件性能得到穩(wěn)定后，機(jī)床進(jìn)入第二階段，可靠性最高，但是使用時(shí)間不斷加長(zhǎng)，數(shù)控機(jī)床會(huì)進(jìn)入第三階段，也就是損耗失效階段，這個(gè)階段是設(shè)計(jì)者需要注重的階段，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間是數(shù)控機(jī)床即將達(dá)到使用期限，可靠性會(huì)降低，故障率會(huì)提高，失效會(huì)遞增。

3 故障時(shí)間分布

數(shù)控機(jī)床的可靠性是一個(gè)重要問(wèn)題，相對(duì)可靠性，對(duì)應(yīng)的就是故障，將數(shù)控機(jī)床的故障率降低，也就是提高機(jī)床的可靠性，對(duì)于數(shù)控機(jī)床的故障分析，可以根據(jù)機(jī)床使用時(shí)候的數(shù)據(jù)建立故障時(shí)間分布模型，如圖3。

圖3 數(shù)控機(jī)床故障時(shí)間分布模型的建立步驟

（1）可靠性數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)控機(jī)床故障時(shí)間的研究，可靠性數(shù)據(jù)是分離不了的，數(shù)據(jù)是研究的基礎(chǔ)，將數(shù)控機(jī)床的場(chǎng)地和試樣考慮進(jìn)去，同時(shí)還要結(jié)合機(jī)床本身特性，收集可靠數(shù)據(jù)；

（2）數(shù)據(jù)分析，對(duì)于機(jī)床故障時(shí)間的分析主要是采用函數(shù)和正態(tài)分布圖進(jìn)行，例如指數(shù)分布，主要是分析數(shù)控機(jī)床的設(shè)備和電子元件；正太分布，分析工藝誤差、尺寸誤差、材料特性、應(yīng)力分布等；威布爾分布，主要分析數(shù)控機(jī)床的強(qiáng)度。

（3）模型的選擇，對(duì)于數(shù)控機(jī)床故障分析模型有故障間隔時(shí)間概率密度模型、故障間隔時(shí)間經(jīng)驗(yàn)分布模型、故障時(shí)間分布擬合檢驗(yàn)等。

模型參數(shù)估計(jì)和模型假設(shè)檢驗(yàn)是對(duì)數(shù)控機(jī)床故障時(shí)間分析之后的一種判斷。

數(shù)控機(jī)床在加工時(shí)候，保證故障率是非常重要的，故障率降低加工效率才能增加，公司的贏利才能最大化，數(shù)控機(jī)床的可靠性數(shù)據(jù)要及時(shí)性、準(zhǔn)確性、完整性、連續(xù)性，只有這樣才能保證數(shù)控機(jī)床的故障低，數(shù)控機(jī)床的可靠性和故障分析是一個(gè)長(zhǎng)期的課題，只要生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床、使用機(jī)床，就需要分析，這是一個(gè)時(shí)效性很強(qiáng)的工作。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床的故障可以從故障模式、故障原因、故障危害度這三個(gè)方面去分析，而可靠性可以分析可靠性預(yù)計(jì)方法，分析數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，除此之外還要重視數(shù)控機(jī)床的硬件，控制好關(guān)鍵部件的性能，去除機(jī)床本身零件對(duì)可靠性的影響，對(duì)于數(shù)控機(jī)床的研究不僅是這些問(wèn)題，要從多方面考慮，將數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)最優(yōu)化。

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