數控刀架可靠性研究綜述

陳傳海，鄧倩，劉志峰，程強，楊聰彬，張亮

1.吉林大學機械與航空航天工程學院數控裝備可靠性教育部重點實驗室 吉林長春 130022 2.北京工業大學 北京 100124 3.沈陽機床股份有限公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

數控機床是制造業的“工業母機”，其技術水平是國家制造業發展水平的重要標志。在全球范圍內，強大的制造業是各工業強國的共同特征，而機床工業則是制造業中不可或缺的重要組成部分。同時，高端數控機床是實現國防軍工所需尖端技術和先進設備的基礎[1]。隨著我國制造業的發展，國內機床行業市場競爭日益激烈，用戶對產品服役性能和可靠性的要求越來越高[2]。

數控機床是由主軸、換刀裝置（刀架和刀庫機械手）、滾珠絲杠等功能部件組成。機床企業大多通過外購外協不同功能部件并組合裝配，搭建完成機床整機。因此，功能部件的可靠性水平對整機可靠性水平會產生直接影響[3]。因此，提高數控機床可靠性水平的關鍵是提高數控機床關鍵功能部件的可靠性。

數控刀架是數控車床的關鍵功能部件之一，其可靠性直接影響整機穩定性及可靠性。數控刀架通過實現工序整合和換刀自動化，顯著減少了換刀時間，而且保證了車刀的位置精度。國內對刀架的研究起步相對較晚，企業相關技術基礎較為薄弱，導致國產刀架在可靠性和綜合性能方面遠低于國外高端產品。

目前，國內高端刀架產品仍大量依賴進口[4]。為此，亟需加強相關技術研究和創新，提升國產刀架的競爭力。在此背景條件下，研究國產數控刀架的可靠性現狀，對數控刀架向高精度、高質量、高可靠性發展有著重要意義。

2 數控刀架產品發展現狀

20世紀中期以來，計算機技術迅速發展，數字控制技術在制造業中得到了廣泛應用。計算機的引入為自動化和精準控制提供了技術支持，為了與數控技術協同配合，以適應新的加工環境，數控刀架應運而生[5]。數控刀架的產生替代了傳統手動刀架，實現了車床在加工工件過程中自動換刀功能。

數控刀架作為數控車床的關鍵功能部件，主要承擔切削刀具的裝夾和更換作用。數控刀架的剛度和轉位精度對確定刀具刀尖位置起決定性作用，直接影響了待加工工件的加工精度。迄今為止，電動刀架和液動刀架已經占據刀架主要市場，成為最主流的刀架產品[6]。其中，用電動機驅動的電動刀架在歐洲盛行，而日本、韓國主要推崇液壓馬達驅動的數控刀架。

與國內相比，歐美企業的產品質量相對更好，產品的可靠性、精度和剛度指標均優于國內相關品牌[7]。自20世紀50年代，美國K&T公司成功研發了首個自動換刀裝置后[8]，各國研究人員開始關注其可靠性問題。

國外比較有代表性的刀架公司主要包括德國DMG MORI、美國Haas Automation、日本Mazak等。德國DMG MORI公司數控刀架以其高精度、高效能而聞名，其通常配備先進的刀具管理系統，能夠對刀具的狀態進行監控、管理和優化，從而提高機床的工作效率。美國Haas Automation公司是一家優秀的數控機床和刀具制造商，專注于設計和生產高性能數控機床及其相關配件，以高性能的數控刀架著稱。Haas Automation公司的數控刀架產品通常包括自動刀塔系統，能夠實現刀具的快速、自動更換，提高了生產效率。日本Mazak公司也是一家優秀的數控機床制造商，其產品線包括各種高精度數控刀架，其數控刀架通常配備多軸刀塔系統，實現了多刀具的自動切換，提高了切削效率。

20世紀80年代初，我國對國外的數控技術采取引進、消化、吸收的措施，為數控機床的蓬勃發展奠定了基礎。在90年代中期，隨著我國綜合國力的不斷增強，國內開始逐漸提升國產數控刀架的技術水平，一些企業開始獨立研發數控刀架。進入21世紀，隨著我國制造業的迅速增長，數控刀架逐漸成為數控車床的重要組成部分。一些企業開始與國際市場競爭，產品的質量和性能得到進一步提高。近年來，面對智能化、柔性化生產模式逐漸取替傳統生產方式的發展趨勢，我國數控刀架行業不斷進行技術革新，生產效率得到了很大提升。目前我國大陸地區數控刀架生產企業主要有煙臺環球機床裝備股份有限公司、常州亞興（新墅）機床數控設備有限公司、常州宏達機床數控設備有限公司及沈陽機床股份有限公司等。中國臺灣地區數控刀架生產企業主要有六鑫股份有限公司、臺灣旭陽國際精機股份有限公司、臺灣德士股份有限公司等。總體而言，國產數控刀架主要占據中低端市場，而高端數控刀架主要依賴于進口，其根本原因是產品可靠性水平較低、精度保持性較差。

3 數控刀架可靠性研究現狀

可靠性最早出現在航空航天領域。在1939年，美國航空委員會在《適航性統計學注釋》中提出了飛機因失效造成的事故率，被普遍認為是可靠性最早出現的標志。在20世紀30~40年代，德國在V1火箭的研制過程中，提出N個部件組成的系統的可靠度等于各個部件可靠度的乘積，這是最早期的系統可靠性理論。1943年，美國成立了“電子管技術委員會”，同時成立了“電子管研究小組”，針對電子管的可靠性開展研究。1949年，美國無線電工程學會成立了可靠性技術組，是世界第一個可靠性專業學術組織。1952年，在美國的一次學術會議中，可靠性的定義第一次被提出。1977年，美國成立了可靠性研究小組，開始針對機械設備的可靠性開展專門研究。與此同時，制定了一系列可靠性相關標準，保證了可靠性工作有序開展。

在此期間，國外學者對數控刀架的可靠性進行了大量研究。DENIZEL[9]對自動換刀系統的機械手進行結構優化設計，進而提高了換刀系統的可靠性。DERELI等人[10]提出了一種面向自動換刀系統的優化軟件，引入遺傳算法對刀盤結構參數進行了優化。SELEK等人[11]搭建了數控刀架冷卻性能檢測平臺，提出了冷卻系統的優化方案。MENG等人[12]根據采集到的模糊信息，將故障率定義為一組模糊數，并通過模糊運算確定數控轉塔刀架的故障模糊概率。SAYGIN等人[13]使用LabVIEW搭建了數控刀架檢測平臺，用于統計監控數控刀盤的空間位置。

在20世紀70年代，我國開始從國外引進可靠性標準等相關資料，逐步將可靠性概念應用到工程領域，從而填補了我國可靠性領域的空白。1979年，頒布了我國第一個可靠性標準GB 1977—1979《可靠性名詞術語》，自此，可靠性在國防軍工中得到了廣泛應用。到20世紀80年代，隨著可靠性研究的不斷深入，我國開始形成一批專門從事可靠性研究的團隊，并制定了GJB 299—1987《電子設備可靠性設計手冊》等一系列標準，推動了可靠性規范化工作進程。

國內學者針對數控刀架可靠性也開展了很多研究。張英芝等人[14]對數控刀架進行了為期一年的現場跟蹤試驗，采用隨機截尾數據分析方法對故障數據進行了分析，得到了數控刀架的故障過程規律。針對小樣本問題，張立敏等人[15]結合現場試驗數據，采用Bayes理論建立了數控刀架的可靠性模型，并用粒子群優化算法估計得到了模型的參數。黃賢振等人[16]對數控刀架的轉位系統進行了基于多體動力學的建模仿真分析，確定了其可靠性穩健設計模型。重慶大學劉英等人[17]通過對刀架轉位過程中的失效模式和故障原因進行分析，結合FTA相關理論，構建了一個以刀架鎖不緊、刀架卡死為頂層事件的故障樹模型。吉林大學可靠性團隊何佳龍、盧建偉[18，19]搭建了具備動靜態加載功能的數控刀架可靠性試驗臺，對數控刀架進行加速試驗，縮短了獲得故障數據的周期，為數控刀架的可靠性研究提供了試驗條件。吉林大學數控裝備可靠性教育部重點實驗室與沈陽機床、大連機床合作，共同制定了《數控機床的可靠性設計準則》[20]，對數控刀架的可靠性設計具有指導性作用。

數控刀架的可靠性技術研究隨著可靠性研究水平的提升取得了明顯進展。但由于國內對其研究起步較晚，國產刀架的精度保持性和可靠性與國外相比仍有一定差距，這導致國內高端刀架產品幾乎全都依賴于進口。因此，提高國產數控刀架可靠性依然是我國學者致力于解決的主要問題。

4 結束語

科技不斷進步，各國越來越重視制造業的發展。面向智能化、集成化的發展浪潮，數控機床成為制造業發展的核心載體。數控刀架作為數控車床的重要組成部分，提高其可靠性是產品高質量發展的必經之路。隨著學者們在可靠性技術方面的不斷突破，數控刀架可靠性的相關理論與工程實踐將會得到進一步發展。