2017年5月23日

数控机床及加工中心可靠性研究概况

精工机床及加工中心可靠性研究概况1.2.1国内外可靠性研究概况在第二次世界大战中，德国为了确保V-II型火箭能够在长途飞行后成功攻击到目标，首先提出了可靠性的一些基本思想和概念。同时，美国在与日本进行太平洋战争时，多达两万架的飞机在飞行途中就因为发生故障而损失掉了。其中50%至60%的飞机电子设备在储存和运输过程中就已经失效了。这引起了美国军部的重视，为了减少这类非战斗损失，美国的工程师对飞机上元器件的故障进行了深入分析，第一次提出了产品可靠性的定量要求。进入上世纪六十年代，可靠性工程得到了全面的发展，其中美国发展的较为迅速。这一时期是冷战的关键时期，因此美国的导弹等武器发展的比较迅速。而武器在使用时，其可靠性是一个十分重要问题。对此美国军方联合其他工业、学术领域专家设立了专门的研究小组，称作电子设备可靠性咨询组，简称为AGREE。该小组在1957年发表了“军用电子设备的可靠性”报告，并提出了对于电子产品在设计、生产过程中制定可靠性试验的方法和注意事项，被认为是电子产品可靠性理论发展的奠基之作。上世纪七八十年代，可靠性的发展非常迅速，各个工业发达国家开始重点发展可靠性工程，可靠性技术也被广泛应用到各种制造领域。比较典型的是日本企业，他们成功地将可靠性技术应用到民用领域，使日本制造的产品获得了极高的市场评价。可靠性工程在很多重要领域和事件中发挥了积极的作用。比如前苏联在冷战期间，为了能够确保第一次载人航天飞船发射成功，要求飞船的可靠度达到0.999。我国的可靠性工程起始于上世纪50年代，但发展比较缓慢。直到70年代，我国开始借鉴外国的可靠性标准，并发布了我国第一个可靠性国家标准《电子元器件失效率试验方法》。之后可靠性工程在我国的军用和民用领域都开始迅速发展。比如1980年之前，我国国产电视机的平均无故障时间仅仅四百多小时，而国产计算机的平均无故障时间甚至仅仅只达到50小时，随着可靠性工程的全面推广，目前国产电视机的平均无故障时间可以达到3万小时以上。目前可靠性的研宄趋势是结合更多的先进研宄理论和成果，并向更多的领域发展。 1.2.2国内外精工机床及加工中心发展概况加工中心实质上就是带有自动换刀装置的精工机床，其发展道路与研制水平与精工机床的发展密不可分。上世纪50年代初，美国帕森斯公司和髙校合作共同研制出第一台精工机床。之后精工机床的发展越来越迅速，直到1959年，美国又研制出了加工中心的雏形。无论是精工机床还是加工中心，其完成自动化功能的核心部件是控制计算机，但是最初的控制计算机价格很高，限制了其发展。随着科技的进步，精工系统做的越来越小巧，功能越来越完善，以计算机作为控制单元的CNC精工系统开始逐渐取代专用的硬件逻辑精工系统NC。日本、德国等技术发达国家也紧跟美国的脚步，不断研制出高技术水平的数控机床和加工中心，并长期占据国际市场。目前先进的加工中心逐渐向柔性化、高速精密化、绿色化、高可靠性化发展，不断采用新的技术，已经成为了柔性加工生产线上最重要的设备。在上世纪50年代末，我国就己经开发出了精工机床。直到1966年，我国制造出了第一台国产晶体管精工系统。4年之后，我国也成功研制出了集成电路精工系统。早在上世纪60年代初，我国己经在精工机床的研制基础上，制造出了第一台国产加工中心，它可以自动更换十多把刀具[2]。但之后我国精工机床和加工中心技术发展得比较缓慢，并未形成相关的产业链，与国外的差距开始逐渐增大。特别是一些关键零部件达不到生产和装配要求，可靠性很差。直到上世纪八十年代，我国开始积极学习国外的精工机床和加工中心的关键技术，从仿制开始，逐渐减小与国外的差距。上世纪九十年代末，我国开始重点发展精工机床和加工中心的产业化发展，努力发展核心技术，争取在国际国内市场上占据一定位置。这一阶段是我国精工机床和加工中心发展最迅速的阶段。直到 2010年，我国己经成为了精工机床的第一制造大国[3]，国产加工中心也有了一定的市场占有率。但是我国的精工机床和加工中心技术与国外的差距仍然很大。我国并没有像 FANUC和西门子这种控制系统做的很好的高技术公司，造成核心技术还是要受制于人。因此在关键技术上发展出我国的明星品牌是我国目前加工中心发展的关键。加工中心的制造水平显示了一个国家的综合国力，因此提高国产加工中心的质量需要我国全体制造人员共同努力。1.2.3国内外精工机床及加工中心可靠性研究概况上世纪七十年代，苏联第一次将可靠性技术应用于机床领域[4]，并取得了比较显著地成绩。之后各个科技发达国家的学者都对生产线上的精工机床、加工中心及其配套设施进行了可靠性理论分析。前苏联的Vasil’ev, V.S.等人提出了一种能够综合考虑经济性和可靠性的精工机床设计方法[5]。英国的A.Z.Keller等人对35台精工机床跟踪3年，并用代码形式记录了故障数据，并引用杜安可靠性增长模型来分析可靠性数据，通过处理故障时间数据，他们发现可以用威布尔分布来描述故障间隔时间的分布['LapiduS, A.S.等人对精工机床在运行状态下的可靠性评估方法做了研究，分析了多种故障类型，并提出了精工机床的可靠性评价指标[7]。Boguslavskii, B.L.根据生产线上的实际情况和实际采集到的数据，专门对数控机床的控制系统做了可靠性分析[8]。Starodubov, V.S.等人介绍了一种精工机床的可靠性评估方法，并选取某类型精工铣床作为研究对象，根据这种精工铣床的特点做了可靠性试验，并利用上述的评估方法对精工铣床的可靠性进行了分析[9]。Rezvani等人利用可靠性框图、故障树、离散型Markov模型等方法定性和定量分析了柔性加工单元的故障，总结了每个部件的故障原因，并计算了系统的1^丁13?值[1()]。阿斯顿大学的Ahmed等人与精工机床生产厂家合作，找到了影响机床可靠性的关键部件，并将可靠性技术应用到了精工机床实际生产制造的过程中，为机床企业探索了一种能够实际应用可靠性技术的方法[11]。Michael Vineyard等人对美国的某条柔性加工生产线设备的故障频率分布进行了分析，总结了六种故障类型，并对每种故障类型建立了故障间隔时间分布模型，总结了每种故障类型的发生频率和对维修时间的影响[12]。韩国的Kim等人对加工中心的故障模式进行了分析，并利用了软件系统对故障数据进行了分类处理，对故障频率进行了评估[13]。我国的精工机床和加工中心的可靠性理论研究开始于上世纪八十年代。并在“八五” 期间开始取得了巨大进步，目前国内很多学者都对精工机床和加工中心的可靠性进行了深入的研究。吉林大学的王桂萍首次提出了综合考虑可靠性和绿色性的加工中心可靠性分析方法，并在分析中引入了故障比重比[14_15]，建立了绿色评价体系，分析了加工中心在可靠性增长方面的潜力[16]。张海波等人专门针对精工机床上的精工系统做了可靠性分析。通过跟踪某类型精工系统的故障数据，得出精工系统的平均无故障时间也服从威布尔分布 [17]，并利用FMECA分析了精工系统的故障模式，为精工系统的改进提供了建议[18]。针对加工中心可靠性建模的方法，国内的一些学者也做了创新性地探索。上海交通大学的王智明等人利用AIC和BIC信息准则分析了精工机床的故障间隔时间分布模型，并用Rsher信息矩阵做了区间估计[19]。吉林大学的杨兆军等人针对传统加工中心建模时与工程实际条件的差异，提出了一种能描述加工中心可靠性变化趋势的方法，并以此方法分析了实际的加工中心的可靠性模型[20]。王东明等人在计算加工中心的危害度时引入了模糊数学的概念，提出了一种将危害度定量处理的方法[21]。吉林大学的于捷等人利用FMECA分析了精工车床的故障，计算了各个系统的致命度，根据计算结果，针对不同系统提出了改进措施[22]。他们也对利用 FMEA法对某国产加工中心进行了故障分析，定义了故障模式的类型，总结了故障模式的原因和影响，并将总结结果反馈给企业，证明了该方法对提高加工中心可靠性水平的可行性[23]。米金华等人利用模糊理论对精工机床的液压系统进行了故障树分析，得出了模糊重要度[24]。叶伯生等人开发了一套利用故障树分析精工机床故障的系统，具有一定的应用价值[25]。在对机床进行可靠性分配时，张根保等人引入“任务”概念，建立了任务剖面层次模型，降低了开发新产品带来的风险[26]。他们也采用了遗传算法求解可靠性分配的模型，并以此方法分析了主轴拉杆[27]。北京科技大学的张宏斌等人在进行可靠性分配时引入了模糊决策的概念，并进行了实例分析[28]。国内学者也对加工中心可靠性试验技术展开了研宄[29]。比如重庆大学的张根保等人利用可靠性试验技术激发了加工中心精工转台潜在的故障，在试验中找到了潜在因子，为改进精工转台的设计和装配提供了有效的建议。并证明了加工中心可靠性试验的可行性和意义[30"31]。吉林大学的刘瀚文针对某型号加工中心的主轴制定了可靠性分析试验方案和试验规范，并对试验数据的处理方法进行了研究[32]。总体来说我国加工中心和精工机床可靠性研究水平有了很大的提高，但是在实际应用时的深度和广度还有欠缺[33]。很多企业对可靠性理论的重视程度不够，国产机床厂对故障数据的管理还不够科学，应该建立完善的数据库，一步步地提高国产精工机床和加工中心的可靠性。1.3本文的研究内容本文以某重型柴油发动机缸体、缸盖生产线上型号为MDH80的国产加工中心作为可靠性研宄对象。以生产线上采集到的故障数据为基础，利用故障模式分析，故障树分析等方法找到提高加工中心可靠性水平的措施。利用可靠性分配技术将故障数据反馈给设计部门，帮助设计人员提髙加工中心设计水平。第一章介绍了课题的来源及背景，本文的研宄意义，并介绍了国内外关于精工机床和加工中心可靠性的研究概况。第二章根据各个子系统不同的功能，将加工中心分为了十个子系统。制定了故障数据的采集和整理规范。并对故障数据进行了初步分析，为之后两章的分析工作奠定了基础。第三章总结了加工中心的故障模式分类方法，分析了各种故障模式对加工中心造成的影响。计算了故障模式和各个子系统的故障危害度。以故障模式分析为基础，对各个子系统进行了故障树分析，找到各个子系统的故障原因。针对各个子系统的故障原因和故障隐患提出了改进措施。第四章介绍了可靠性分配的作用并建立了加工中心的可靠性框图。分析了四种可靠性分配因素。最后用可靠性分配法，以本次研宄用的这批MDH80加工中心作为模板，将新设计的加工中心的整机可靠性指标分配给各个子系统。

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