我國數控裝備可靠性進展研究

中國汽車工程學會 北京 100055

我國是世界第一機床生產大國和消費大國，根據中國機床工具工業協會統計，全國已擁有5000余家規模以上機床工具生產企業。但由于國產數控機床整機和功能部件的可靠性水平低，導致國外功能部件占領了大部分的市場份額，中高端市場份額達80%以上。目前國家對數控機床行業的投入逐漸加大，在“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項（以下簡稱“04專項”）設立機床可靠性相關課題，取得了階段性的成果。工信部裝備司明確提出，將建立數控機床關鍵功能部件可靠性試驗環境作為企業承擔數控機床重大項目的必備條件，特別是企業為了自身的發展，對提高數控機床可靠性的投入逐漸加大，對關鍵功能部件的可靠性試驗系統具有迫切需求。因此，開展數控機床可靠性試驗技術研究工作，不僅有助于提升我國機床功能部件的可靠性，也有利于提升我國數控機床產品與國際機床產品的競爭力。

相關技術國內外發展現狀

從20世紀70年代起，數控機床的可靠性問題開始引起人們的關注。蘇聯機床專家普羅尼科夫根據生產和使用數控機床的經驗得出，數控機床的首要問題之一是獲得規定的加工精度和高可靠性。首次在機床領域提出了可靠性的概念，并發表了專著《數控機床的精度與可靠性》，在其中論述了數控機床可靠性的試驗和建模方法，為數控機床的可靠性試驗技術研究開辟了先河。

進入80年代中后期，可靠性在機械產品領域受到重視，數控機床可靠性的研究也進入了一個新的階段。德國、日本、俄羅斯、英國、澳大利亞及韓國等國家都先后開始開展數控機床可靠性的研究，數控機床的可靠性水平也不斷提高。

直到90年代末，我國才開始關注機床產品的可靠性，最早開展數控機床可靠性研究工作的是北京機床研究所和吉林大學。在原機械部機床工具司的指導下對部分機床產品進行可靠性摸底，從“八五”開始把可靠性技術列入數控機床主機關鍵共性技術進行研究，制定了JB/GQ 1153—1990《數控車床可靠性的評定方法》、GB 10962—1989《機床電器可靠性通則》等相關標準。“九五”至“十五”期間，國家先后批準立項了“數控機床可靠性增長技術的應用研究”“數控機床可靠性增長技術研究和應用示范”等一批國家重點科技攻關項目，開始對國產數控機床的可靠性技術與應用進行重點研究。一批骨干企業（北京第一機床廠、沈陽第一機床廠、中捷友誼機床廠、沈陽機床廠、北京機電研究院、南京機床廠及寧夏長城機床廠等）與高校聯合攻關，經校企共同努力使攻關產品的MTBF（Mean Time Between Failure，平均故障間隔時間）由原來的200多h提高到400h以上，縮小了與國際先進水平的差距。“十一五”期間04專項開始實施，國內大量的主機和功能部件企業及高校投入到數控機床可靠性技術研究隊伍中來，通過產、學、研、用的廣泛結合產生了一批研究成果，提升了國產數控機床的可靠性水平。其中，北京機床研究所起草了數控機床整機和功能部件的可靠性評定相關國家標準，規定了數控機床及功能部件在進行可靠性驗證、測定、評定時的故障判定原則、抽樣原則、試驗方法、數據處理及結果評定的總的要求。

國外企業如德馬吉森精機、格勞博、斗山等數控機床企業，發那科、岡田、博拉法蒂等數控系統、功能部件企業均擁有針對本公司產品的內部可靠性試驗設備和技術，但屬于企業的核心機密，很難找到相關資料。國內在整機和關鍵功能部件的可靠性試驗方面主要依靠在機床用戶企業的生產過程中進行現場跟蹤，不僅試驗條件不可控，試驗周期長，而且需要投入大量人力，高昂的時間和人力成本使企業望而卻步。

我國可靠性共性技術研究進展

“十一五”期間，04專項部署了有關可靠性共性技術課題，分別從可靠性設計、可靠性試驗、可靠性管理體系、可靠性評測技術以及機床數控系統、功能部件（如電主軸、刀庫、動力伺服刀架等）開展了可靠性研究工作。“十二五”期間，04專項在強調產、學、研、用相結合的同時由企業牽頭將可靠性研究工作進行推廣。“十三五”期間根據專項前期部署課題持續推進可靠性研究、評測工作。04專項設立的二十余項可靠性課題研究內容基本覆蓋了機床主機和功能部件的主要企業，見表1。

可靠性工作取得的階段性成果

在數控機床整機、關鍵功能部件、數控系統的可靠性試驗、評價方面，國家機床質量監督檢驗中心、吉林大學以及華中科技大學均開展了大量研究和試驗工作。“高檔數控機床、數控系統及功能部件關鍵技術標準和試驗平臺研究”課題，針對進口數量最多的數控機床整機、數控系統及關鍵功能部件開展了綜合性能、可靠性試驗與評價方法的研究，研制出一系列數控機床整機、數控系統及功能部件的技術標準以及相應的性能和可靠性試驗裝置，為機床行業提供了數控機床整機、數控系統及關鍵功能部件的產品綜合性能和可靠性測評解決方案，也為專項數控機床整機、關鍵功能部件等提供第三方綜合性能和可靠性測評，如圖1所示。

表1 04專項部分可靠性課題

圖1 整機可靠性試驗

吉林大學機械工業數控裝備可靠性技術重點實驗室根據加速試驗應遵循不改變故障模式和故障機理的原則，在滿足載荷種類和大小、載荷速度和頻率、耐久性三項基本要求的條件下，借助汽車行業成熟的發動機及關鍵總成的可靠性試驗原理及技術，研發了具有工況模擬能力的數控機床關鍵功能部件的可靠性試驗系統。其中，主軸和動力刀架可靠性試驗系統具有電液伺服動態切削力模擬加載和測功機扭矩加載功能，已在骨干機床企業推廣應用，如圖2所示。

圖2 關鍵功能部件可靠性試驗系統

數控系統可靠性技術研究工作以相關國家標準、國家軍用標準為指導，以可靠性工程理論為基礎，充分鑒借國內外研究成果，圍繞數控裝置、伺服驅動系統、主軸驅動系統等在氣候環境適應性、機械環境適應性、電源環境適應性、系統誤差補償精度及數控系統綜合性能等方面進行測試分析。研究發現，國產數控系統可靠性薄弱環節包括關鍵元器件和制造裝配過程，關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，加強數控系統元器件的入場檢驗和制造裝配過程中的關鍵質量點監控，是提高數控系統可靠性的重要保證措施。

圖3 國產數控系統故障模式分布

圖4 數控系統失效機理因素分布

國產經濟型數控系統性價比較高，在技術性能上與國外產品差別不大，可以實現4聯動控制及各種曲線插補功能。相比而言國產系統開放性較好，可根據實際情況擴展功能便于進行二次開發，與國外系統差距主要在元器件以及配套伺服驅動和電動機的性能上。國外數控系統在功能上也有其特點（見表2），值得國內企業借鑒學習。

數控機床可靠性研究工作越來越受到行業重視，通過近20余年的發展特別是近10年來專項的推進取得了階段性成果。

1）通過近年來各承擔單位開展機床主機和關鍵功能部件可靠性研究工作，對我國數控機床產品可靠性整體水平有明確認識，基本掌握了相關試驗研究方法，包括可靠性建模、故障分析、可靠性設計及可靠性試驗等。

2）專項支持的多數主機產品在MTBF（MTBF，即平均故障間隔時間，具體是指產品從一次故障到下一次故障的平均時間，是衡量一個產品的可靠性指標，單位為h，數控機床常用它作為可靠性的定量指標）上得到了提升，由實施前的600h提高到900h以上；在關鍵功能部件上面也取得較好效果，MTBF能夠達到2000h以上，特別是復雜數控系統方面提升較大。

表2 部分品牌數控系統功能

3）根據專項部署課題任務積累了大量可靠性基礎數據，構建了數控機床可靠性動態數據庫，為機床可靠性設計、可靠性評測等工作提供數據支撐。

4）企業通過承擔專項工作，逐漸完善并建立了本企業可靠性保障體系。可靠性問題既是技術問題也是管理問題，近來從企業管理層面和課題執行層面都得到高度重視并建立責任追究機制。通過研究機床故障溯源技術，在機床全壽命周期內促進其可靠性提升。

可靠性研究工作存在的問題

近年來，我國機床行業在數控機床可靠性方面雖然取得了一定進展也得到了行業內的普遍認可，但與工業發達國家相比此技術仍處于滯后狀態，經分析存在以下一些問題。

1）專門從事數控機床可靠性研究的技術人員較少。高校內很少設有可靠性專業，大多數機床企業對可靠性重視程度不夠，加之可靠性研究工作是一項交叉學科工作，企業內很難設有專門從事這項工作的人員。目前國內開展數控機床可靠性工作還是專項推動為主，總體來看，專門從事這方面研究的科研機構和研究團隊太少，對我國數控機床行業影響有限。

2）需持續加大對關鍵功能部件的重視。數控機床包括了機、電、液、控多套系統，運行、加工工況復雜。往往在某些關鍵功能部件出現問題導致機床整機可靠性下降，借助對關鍵功能部件可靠性問題的研究工作倒逼國產關鍵功能部件企業進行產品提質升級。

3）持續推進已經開展的數控機床可靠性研究工作。可靠性研究是一項需要長期跟蹤研究、積累的工作，涵蓋機床的設計、制造、裝配調試及用戶使用等各個環節。總體來看，我國數控機床可靠性研究總體還處于起步階段，隨著近年來可靠性工作的推進已經有了一定數據積累但還不具備普遍性，研究體系還需通過大量各類機床數據和故障分析不斷積累、完善。

4）建立行業信息交互、共享平臺。我國機床及零部件廠商眾多，大多數中小型機床行業企業產品可靠性仍然處于較低水平，形成了產品低價競爭、高端市場無法與國外產品抗衡的局面，而通過共享平臺將可靠性技術向全行業共享、推廣，能夠整體帶動我國制造業水平的提高。

結語

04專項有關可靠性課題的實施，對行業和企業的技術進步以及對機床可靠性水平的提升都起到了積極推動作用。一方面，在我國機床行業非常困難的時刻加速了我國機床企業的轉型升級，一些行業重點龍頭企業將自身產品升級換代轉向高端市場；另一方面，隨著我國機床可靠性水平提升，國產數控機床逐步被用戶認可，也因此迫使進口機床廠商進行降價應對。

數控機床可靠性技術已經成為機床行業最主要的關鍵共性技術之一，也是制約我國數控機床行業高質量發展、與進口機床直接競爭的關鍵因素。我國數控機床早期故障率較國外機床高出很多，嚴重影響了用戶對國產數控機床的信心，應加大對早期故障的研究工作，使早期故障在用戶前得到消除。筆者長期從事汽車生產制造工藝及裝備研究工作，汽車行業生產制造特點為大批量、高節拍，汽車生產對數控機床可靠性要求極高，MTBF一般要在3000h以上，國際主流廠商可以做到5000h以上。以目前調研情況來看，國內除個別企業產品能夠在汽車產線應用外，大部分機床廠商很難達到汽車行業要求水平，這也是制約我國數控機床難以進入汽車制造行業生產線的主要原因之一。

汽車制造行業是機床行業的最大用戶，我國機床行業在過去的10余年里已經錯過了一次和汽車制造行業緊密結合發展的寶貴機會，在接下來的一段時間內，汽車產品市場將進入深度調整階段，除了關注汽車主機廠方面的應用以外，也要聚焦在汽車零部件上的應用。通過充分了解用戶工藝需求研發產品、提升機床可靠性與精度保持性及改善售后服務，滿足汽車零部件生產的需求，提高國產數控機床在汽車零部件行業的占有率，逐步贏得汽車行業用戶的認可。