我國(guó)數(shù)控裝備可靠性進(jìn)展研究

中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì) 北京 100055

我國(guó)是世界第一機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，根據(jù)中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)已擁有5000余家規(guī)模以上機(jī)床工具生產(chǎn)企業(yè)。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床整機(jī)和功能部件的可靠性水平低，導(dǎo)致國(guó)外功能部件占領(lǐng)了大部分的市場(chǎng)份額，中高端市場(chǎng)份額達(dá)80%以上。目前國(guó)家對(duì)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的投入逐漸加大，在“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)（以下簡(jiǎn)稱“04專項(xiàng)”）設(shè)立機(jī)床可靠性相關(guān)課題，取得了階段性的成果。工信部裝備司明確提出，將建立數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件可靠性試驗(yàn)環(huán)境作為企業(yè)承擔(dān)數(shù)控機(jī)床重大項(xiàng)目的必備條件，特別是企業(yè)為了自身的發(fā)展，對(duì)提高數(shù)控機(jī)床可靠性的投入逐漸加大，對(duì)關(guān)鍵功能部件的可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)具有迫切需求。因此，開展數(shù)控機(jī)床可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究工作，不僅有助于提升我國(guó)機(jī)床功能部件的可靠性，也有利于提升我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品與國(guó)際機(jī)床產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

相關(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代起，數(shù)控機(jī)床的可靠性問(wèn)題開始引起人們的關(guān)注。蘇聯(lián)機(jī)床專家普羅尼科夫根據(jù)生產(chǎn)和使用數(shù)控機(jī)床的經(jīng)驗(yàn)得出，數(shù)控機(jī)床的首要問(wèn)題之一是獲得規(guī)定的加工精度和高可靠性。首次在機(jī)床領(lǐng)域提出了可靠性的概念，并發(fā)表了專著《數(shù)控機(jī)床的精度與可靠性》，在其中論述了數(shù)控機(jī)床可靠性的試驗(yàn)和建模方法，為數(shù)控機(jī)床的可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究開辟了先河。

進(jìn)入80年代中后期，可靠性在機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域受到重視，數(shù)控機(jī)床可靠性的研究也進(jìn)入了一個(gè)新的階段。德國(guó)、日本、俄羅斯、英國(guó)、澳大利亞及韓國(guó)等國(guó)家都先后開始開展數(shù)控機(jī)床可靠性的研究，數(shù)控機(jī)床的可靠性水平也不斷提高。

直到90年代末，我國(guó)才開始關(guān)注機(jī)床產(chǎn)品的可靠性，最早開展數(shù)控機(jī)床可靠性研究工作的是北京機(jī)床研究所和吉林大學(xué)。在原機(jī)械部機(jī)床工具司的指導(dǎo)下對(duì)部分機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)行可靠性摸底，從“八五”開始把可靠性技術(shù)列入數(shù)控機(jī)床主機(jī)關(guān)鍵共性技術(shù)進(jìn)行研究，制定了JB/GQ 1153—1990《數(shù)控車床可靠性的評(píng)定方法》、GB 10962—1989《機(jī)床電器可靠性通則》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。“九五”至“十五”期間，國(guó)家先后批準(zhǔn)立項(xiàng)了“數(shù)控機(jī)床可靠性增長(zhǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究”“數(shù)控機(jī)床可靠性增長(zhǎng)技術(shù)研究和應(yīng)用示范”等一批國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，開始對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)研究。一批骨干企業(yè)（北京第一機(jī)床廠、沈陽(yáng)第一機(jī)床廠、中捷友誼機(jī)床廠、沈陽(yáng)機(jī)床廠、北京機(jī)電研究院、南京機(jī)床廠及寧夏長(zhǎng)城機(jī)床廠等）與高校聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)校企共同努力使攻關(guān)產(chǎn)品的MTBF（Mean Time Between Failure，平均故障間隔時(shí)間）由原來(lái)的200多h提高到400h以上，縮小了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。“十一五”期間04專項(xiàng)開始實(shí)施，國(guó)內(nèi)大量的主機(jī)和功能部件企業(yè)及高校投入到數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)研究隊(duì)伍中來(lái)，通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研、用的廣泛結(jié)合產(chǎn)生了一批研究成果，提升了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性水平。其中，北京機(jī)床研究所起草了數(shù)控機(jī)床整機(jī)和功能部件的可靠性評(píng)定相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了數(shù)控機(jī)床及功能部件在進(jìn)行可靠性驗(yàn)證、測(cè)定、評(píng)定時(shí)的故障判定原則、抽樣原則、試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果評(píng)定的總的要求。

國(guó)外企業(yè)如德馬吉森精機(jī)、格勞博、斗山等數(shù)控機(jī)床企業(yè)，發(fā)那科、岡田、博拉法蒂等數(shù)控系統(tǒng)、功能部件企業(yè)均擁有針對(duì)本公司產(chǎn)品的內(nèi)部可靠性試驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)，但屬于企業(yè)的核心機(jī)密，很難找到相關(guān)資料。國(guó)內(nèi)在整機(jī)和關(guān)鍵功能部件的可靠性試驗(yàn)方面主要依靠在機(jī)床用戶企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，不僅試驗(yàn)條件不可控，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，而且需要投入大量人力，高昂的時(shí)間和人力成本使企業(yè)望而卻步。

我國(guó)可靠性共性技術(shù)研究進(jìn)展

“十一五”期間，04專項(xiàng)部署了有關(guān)可靠性共性技術(shù)課題，分別從可靠性設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)、可靠性管理體系、可靠性評(píng)測(cè)技術(shù)以及機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、功能部件（如電主軸、刀庫(kù)、動(dòng)力伺服刀架等）開展了可靠性研究工作。“十二五”期間，04專項(xiàng)在強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合的同時(shí)由企業(yè)牽頭將可靠性研究工作進(jìn)行推廣。“十三五”期間根據(jù)專項(xiàng)前期部署課題持續(xù)推進(jìn)可靠性研究、評(píng)測(cè)工作。04專項(xiàng)設(shè)立的二十余項(xiàng)可靠性課題研究?jī)?nèi)容基本覆蓋了機(jī)床主機(jī)和功能部件的主要企業(yè)，見表1。

可靠性工作取得的階段性成果

在數(shù)控機(jī)床整機(jī)、關(guān)鍵功能部件、數(shù)控系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)、評(píng)價(jià)方面，國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、吉林大學(xué)以及華中科技大學(xué)均開展了大量研究和試驗(yàn)工作。“高檔數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)及功能部件關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)平臺(tái)研究”課題，針對(duì)進(jìn)口數(shù)量最多的數(shù)控機(jī)床整機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)及關(guān)鍵功能部件開展了綜合性能、可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法的研究，研制出一系列數(shù)控機(jī)床整機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)及功能部件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)的性能和可靠性試驗(yàn)裝置，為機(jī)床行業(yè)提供了數(shù)控機(jī)床整機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)及關(guān)鍵功能部件的產(chǎn)品綜合性能和可靠性測(cè)評(píng)解決方案，也為專項(xiàng)數(shù)控機(jī)床整機(jī)、關(guān)鍵功能部件等提供第三方綜合性能和可靠性測(cè)評(píng)，如圖1所示。

表1 04專項(xiàng)部分可靠性課題

圖1 整機(jī)可靠性試驗(yàn)

吉林大學(xué)機(jī)械工業(yè)數(shù)控裝備可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)加速試驗(yàn)應(yīng)遵循不改變故障模式和故障機(jī)理的原則，在滿足載荷種類和大小、載荷速度和頻率、耐久性三項(xiàng)基本要求的條件下，借助汽車行業(yè)成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)及關(guān)鍵總成的可靠性試驗(yàn)原理及技術(shù)，研發(fā)了具有工況模擬能力的數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件的可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)。其中，主軸和動(dòng)力刀架可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)具有電液伺服動(dòng)態(tài)切削力模擬加載和測(cè)功機(jī)扭矩加載功能，已在骨干機(jī)床企業(yè)推廣應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵功能部件可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)可靠性技術(shù)研究工作以相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，以可靠性工程理論為基礎(chǔ)，充分鑒借國(guó)內(nèi)外研究成果，圍繞數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等在氣候環(huán)境適應(yīng)性、機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性、電源環(huán)境適應(yīng)性、系統(tǒng)誤差補(bǔ)償精度及數(shù)控系統(tǒng)綜合性能等方面進(jìn)行測(cè)試分析。研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)包括關(guān)鍵元器件和制造裝配過(guò)程，關(guān)鍵元器件和制造工藝占了較大比例，如圖3和圖4所示。因此，加強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)元器件的入場(chǎng)檢驗(yàn)和制造裝配過(guò)程中的關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)監(jiān)控，是提高數(shù)控系統(tǒng)可靠性的重要保證措施。

圖3 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)故障模式分布

圖4 數(shù)控系統(tǒng)失效機(jī)理因素分布

國(guó)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)性價(jià)比較高，在技術(shù)性能上與國(guó)外產(chǎn)品差別不大，可以實(shí)現(xiàn)4聯(lián)動(dòng)控制及各種曲線插補(bǔ)功能。相比而言國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)開放性較好，可根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展功能便于進(jìn)行二次開發(fā)，與國(guó)外系統(tǒng)差距主要在元器件以及配套伺服驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)的性能上。國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)在功能上也有其特點(diǎn)（見表2），值得國(guó)內(nèi)企業(yè)借鑒學(xué)習(xí)。

數(shù)控機(jī)床可靠性研究工作越來(lái)越受到行業(yè)重視，通過(guò)近20余年的發(fā)展特別是近10年來(lái)專項(xiàng)的推進(jìn)取得了階段性成果。

1）通過(guò)近年來(lái)各承擔(dān)單位開展機(jī)床主機(jī)和關(guān)鍵功能部件可靠性研究工作，對(duì)我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品可靠性整體水平有明確認(rèn)識(shí)，基本掌握了相關(guān)試驗(yàn)研究方法，包括可靠性建模、故障分析、可靠性設(shè)計(jì)及可靠性試驗(yàn)等。

2）專項(xiàng)支持的多數(shù)主機(jī)產(chǎn)品在MTBF（MTBF，即平均故障間隔時(shí)間，具體是指產(chǎn)品從一次故障到下一次故障的平均時(shí)間，是衡量一個(gè)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，單位為h，數(shù)控機(jī)床常用它作為可靠性的定量指標(biāo)）上得到了提升，由實(shí)施前的600h提高到900h以上；在關(guān)鍵功能部件上面也取得較好效果，MTBF能夠達(dá)到2000h以上，特別是復(fù)雜數(shù)控系統(tǒng)方面提升較大。

表2 部分品牌數(shù)控系統(tǒng)功能

3）根據(jù)專項(xiàng)部署課題任務(wù)積累了大量可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床可靠性動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，為機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)、可靠性評(píng)測(cè)等工作提供數(shù)據(jù)支撐。

4）企業(yè)通過(guò)承擔(dān)專項(xiàng)工作，逐漸完善并建立了本企業(yè)可靠性保障體系。可靠性問(wèn)題既是技術(shù)問(wèn)題也是管理問(wèn)題，近來(lái)從企業(yè)管理層面和課題執(zhí)行層面都得到高度重視并建立責(zé)任追究機(jī)制。通過(guò)研究機(jī)床故障溯源技術(shù)，在機(jī)床全壽命周期內(nèi)促進(jìn)其可靠性提升。

可靠性研究工作存在的問(wèn)題

近年來(lái)，我國(guó)機(jī)床行業(yè)在數(shù)控機(jī)床可靠性方面雖然取得了一定進(jìn)展也得到了行業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比此技術(shù)仍處于滯后狀態(tài)，經(jīng)分析存在以下一些問(wèn)題。

1）專門從事數(shù)控機(jī)床可靠性研究的技術(shù)人員較少。高校內(nèi)很少設(shè)有可靠性專業(yè)，大多數(shù)機(jī)床企業(yè)對(duì)可靠性重視程度不夠，加之可靠性研究工作是一項(xiàng)交叉學(xué)科工作，企業(yè)內(nèi)很難設(shè)有專門從事這項(xiàng)工作的人員。目前國(guó)內(nèi)開展數(shù)控機(jī)床可靠性工作還是專項(xiàng)推動(dòng)為主，總體來(lái)看，專門從事這方面研究的科研機(jī)構(gòu)和研究團(tuán)隊(duì)太少，對(duì)我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)影響有限。

2）需持續(xù)加大對(duì)關(guān)鍵功能部件的重視。數(shù)控機(jī)床包括了機(jī)、電、液、控多套系統(tǒng)，運(yùn)行、加工工況復(fù)雜。往往在某些關(guān)鍵功能部件出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致機(jī)床整機(jī)可靠性下降，借助對(duì)關(guān)鍵功能部件可靠性問(wèn)題的研究工作倒逼國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵功能部件企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品提質(zhì)升級(jí)。

3）持續(xù)推進(jìn)已經(jīng)開展的數(shù)控機(jī)床可靠性研究工作。可靠性研究是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期跟蹤研究、積累的工作，涵蓋機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造、裝配調(diào)試及用戶使用等各個(gè)環(huán)節(jié)。總體來(lái)看，我國(guó)數(shù)控機(jī)床可靠性研究總體還處于起步階段，隨著近年來(lái)可靠性工作的推進(jìn)已經(jīng)有了一定數(shù)據(jù)積累但還不具備普遍性，研究體系還需通過(guò)大量各類機(jī)床數(shù)據(jù)和故障分析不斷積累、完善。

4）建立行業(yè)信息交互、共享平臺(tái)。我國(guó)機(jī)床及零部件廠商眾多，大多數(shù)中小型機(jī)床行業(yè)企業(yè)產(chǎn)品可靠性仍然處于較低水平，形成了產(chǎn)品低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)、高端市場(chǎng)無(wú)法與國(guó)外產(chǎn)品抗衡的局面，而通過(guò)共享平臺(tái)將可靠性技術(shù)向全行業(yè)共享、推廣，能夠整體帶動(dòng)我國(guó)制造業(yè)水平的提高。

結(jié)語(yǔ)

04專項(xiàng)有關(guān)可靠性課題的實(shí)施，對(duì)行業(yè)和企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步以及對(duì)機(jī)床可靠性水平的提升都起到了積極推動(dòng)作用。一方面，在我國(guó)機(jī)床行業(yè)非常困難的時(shí)刻加速了我國(guó)機(jī)床企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，一些行業(yè)重點(diǎn)龍頭企業(yè)將自身產(chǎn)品升級(jí)換代轉(zhuǎn)向高端市場(chǎng)；另一方面，隨著我國(guó)機(jī)床可靠性水平提升，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床逐步被用戶認(rèn)可，也因此迫使進(jìn)口機(jī)床廠商進(jìn)行降價(jià)應(yīng)對(duì)。

數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)床行業(yè)最主要的關(guān)鍵共性技術(shù)之一，也是制約我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、與進(jìn)口機(jī)床直接競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵因素。我國(guó)數(shù)控機(jī)床早期故障率較國(guó)外機(jī)床高出很多，嚴(yán)重影響了用戶對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的信心，應(yīng)加大對(duì)早期故障的研究工作，使早期故障在用戶前得到消除。筆者長(zhǎng)期從事汽車生產(chǎn)制造工藝及裝備研究工作，汽車行業(yè)生產(chǎn)制造特點(diǎn)為大批量、高節(jié)拍，汽車生產(chǎn)對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性要求極高，MTBF一般要在3000h以上，國(guó)際主流廠商可以做到5000h以上。以目前調(diào)研情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)除個(gè)別企業(yè)產(chǎn)品能夠在汽車產(chǎn)線應(yīng)用外，大部分機(jī)床廠商很難達(dá)到汽車行業(yè)要求水平，這也是制約我國(guó)數(shù)控機(jī)床難以進(jìn)入汽車制造行業(yè)生產(chǎn)線的主要原因之一。

汽車制造行業(yè)是機(jī)床行業(yè)的最大用戶，我國(guó)機(jī)床行業(yè)在過(guò)去的10余年里已經(jīng)錯(cuò)過(guò)了一次和汽車制造行業(yè)緊密結(jié)合發(fā)展的寶貴機(jī)會(huì)，在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，汽車產(chǎn)品市場(chǎng)將進(jìn)入深度調(diào)整階段，除了關(guān)注汽車主機(jī)廠方面的應(yīng)用以外，也要聚焦在汽車零部件上的應(yīng)用。通過(guò)充分了解用戶工藝需求研發(fā)產(chǎn)品、提升機(jī)床可靠性與精度保持性及改善售后服務(wù)，滿足汽車零部件生產(chǎn)的需求，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在汽車零部件行業(yè)的占有率，逐步贏得汽車行業(yè)用戶的認(rèn)可。