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数控机床可靠性概述

2018-2-2 11:00:35阅读 作者:张根保

数控机床是装备制造业的“工作母机”,是实现国家工业化和现代化的基础装备,其性能、质量和拥有量是衡量一个国家工业现代化水平和综合国力的重要标志。目前,高速、高效、自动化、高精度和高可靠性是现代数控机床发展的主要趋势。而我国高档数控机床与世界先进水平相比,产品在运行过程中发生故障的频率高、寿命周期短、性能不稳定、可靠性差。可靠性作为衡量数控机床性能的重要指标,多年来一直困扰着我国数控机床行业的发展,严重影响了国产数控机床的市场竞争力。因此如何提高数控机床的可靠性已成为我国装备制造业面临的重大课题。作者所在的团队于2014年在《制造技术及机床》杂志第四期上发表了“数控机床可靠性方法论:8341工程”的文章,系统的介绍了制造企业可靠性工程实施的方法论,本文主要对数控机床可靠性相关知识进行概述,并为8341可靠性工程在企业的实施提供基础理论。


  1 数控机床可靠性的基本概念


  可靠性的定义最初是由Robert Lusser在1952年提出的,他认为,产品的可靠性就是“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力”。在我国的GB318-82标准中,也对可靠性下了类似定义。从可靠性的定义可以看出,可靠性是质量的一种属性,是产品的一种能力,是产品在“三个规定”的条件下满足成功使用的概率[1-2],可靠性在很大程度上代表了产品的“可用性”。根据可靠性的定义,在衡量数控机床的可靠性时,“规定的条件”就是机床在设计时确定的产品使用环境和工作条件,一般包括加工尺寸、切削用量、切削功率、使用环境条件、加工材料等;“规定的时间”指的是设计确定的运行寿命,也可以是机床大修前的年限,还可以是可靠性考核时确定的任何年限;“规定的功能”是指机床设计时确定的功能,例如加工中心可以完成钻、铣、镗、铰、攻丝等功能。


  数控机床的可靠性一般与故障相关,故障可分为功能性故障和非功能性故障。如果数控机床在运行过程中功能性故障很少,机床处于“随时可用”状态,则其可靠性就高;反之,如果数控机床功能性故障频出,经常需要停机维修,则其可靠性就差。值得注意的是,数控机床中的一些非功能性故障并不直接影响机床的正常运行,如漏油、异响、轻微振动、安全门开关费力等,但它们的存在反映了数控机床的整体质量水平,同时也为功能性故障的发生埋下了隐患,制造企业在进行产品和制造时必须同时关注功能性故障和非功能性故障。机床用户对产品可靠性最关心的问题是降低数控机床运行过程中故障率,减少功能性故障的发生,使机床处于“随时可用”的状态。


 2 可靠性的数学基础


  数控机床的可靠性是在“三个规定”同时满足情况下所展现出的“可用性”能力。由于产品故障的发生是随机的,因此可靠性是个统计概念,一般需要采用数理统计的语言去描述。描述数控机床可靠性的指标主要有以下几种[3-4]:


  (1)可靠度与故障概率分布函数


  数控机床可靠性的高低通常用可靠度来表征,记为R,由于它是时间t的函数,故也记为,称为可靠度函数,其数学表达式为:




  式中,T表示机床从开始工作到发生故障的时间,t表示某一规定的时间,为故障密度函数。通常情况下,的值越大,表明数控机床的可靠性越高,反之亦然。


  与可靠度相对应的是不可靠度,即故障概率分布函数,由于它也是时间t的函数,因此常用来表示,其数学表达式为:




  由式(1)与式(2)可知,可靠度与故障概率分布函数之间具有互补关系,即,如图1所示。




  (2)故障率


  故障率是指工作到某时刻t尚未发生故障的机床,在该时刻t以后的下一个单位时间内发生故障的概率,记为,其数学表达式为:




  故障率是数控机床可靠性常用的数字特征之一,它可以直观地反映机床在每个时刻的故障情况,故障率越高,则可靠性就越低,反之亦然。数控机床可靠度、故障概率分布函数、故障密度函数以及故障率之间的关系如表1所示。




  (3)平均故障间隔时间


  平均故障间隔时间是指数控机床相邻两次故障间工作时间的平均值,用MTBF(Mean Time Between Failure)表示,它是故障间隔时间的数学期望,代表了机床的“可用性”,其数学表达式为:




  简化计算公式为:




  式中,表示在评定周期内机床累计故障频数,为机床抽样台数,表示在评定周期内第i台机床的实际工作时间(h),表示在评定周期内第i台机床出现的故障频数。


  (4)维修度与维修密度


  数控机床的可用性除了与故障有关外,还与维修性有关。数控机床维修性的定义是在规定条件下和规定时间区间内,按规定的程序和方法进行维修时,机床保持或恢复到规定状态的能力。数控机床维修性的高低通常用维修度来表征,记为M,由于它是时间t的函数,故也记为,称为维修度函数,其数学表达式为:




  式中,T表示机床完成维修的时间,t表示某一规定的时间,为维修密度函数,其数学表达式为:




  (5)修复率


  修复率是指到时刻t尚未修复的数控机床,在该时刻t以后的下一个单位时间内被修复的概率,记为,其数学表达式为:




  (6)平均维修时间


  平均维修时间就是数控机床发生故障后用于实际维修的平均时间,用MTTR(Mean Time To Repair)表示。也许数控机床的可靠性非常高,在运行过程中很少发生故障,但是一旦发生故障就要花很长的时间、很多的人力物力财力来进行修理,显然这样的数控机床利用率也不高。平均维修时间是机床维修密度函数的数学期望值,记为,其数学表达式为:





  (7)可用度


  数控机床的可用性表示可维修机床在某一时刻具有或维持规定功能的能力,是可靠性、维修性和维修保障性的综合反映,是用户最关心的特性。机床可用性的高低由可用度来表征,其数学表达式为:





可见越高,表示机床的有效工作程度就越高。从式(10)中可以看出,提高数控机床可用度的方法是增长MTBF和缩短MTTR。


  (8)精度寿命


  精度寿命是指机床在规定加工条件,规定加工任务的情况下,其精度保持在规定的范围内的时间,它是针对数控机床特点而产生的一种衡量可靠性的指标。精度寿命越长,机床在没有其他故障情况下可工作的时间也就越长,其可用性也就越好。


  3 数控机床可靠性的主要内容


  提高数控机床的可靠性既是重要的技术问题,也是企业的管理问题,因此从产品全寿命周期的角度来说,数控机床可靠性的主要内容包括可靠性设计、制造可靠性、可靠性试验、可靠性管理以及运行可靠性5个部分,如图2所示。




  (1)可靠性设计方面


  可靠性设计是在综合考虑产品的性能、可靠性、费用和设计等因素的基础上,通过采用相应的可靠性设计技术,使产品在全寿命周期内符合所规定的可靠性要求。产品可靠性首先是设计出来,其次才是制造出来的。因此,机床的设计过程在提升可靠性方面具有重大作用。可靠性设计的主要内容概括起来可以有以下几个方面:


  ①建立可靠性模型,进行可靠性指标的预计与分配。可靠性建模是根据可靠性分析的需求,针对机床的结构建立逻辑分析模型。在此基础上预测机床的可靠性水平、找出薄弱环节,逐步合理地将可靠性指标分配到机床的各个层面上去。在机床的设计阶段,应反复多次地进行可靠性指标的预计和分配。随着机床设计的不断深入,可靠性建模和可靠性指标的预计、分配也应不断地修改和完善。


  ②可靠性分析。可靠性分析包括故障树分析、故障模式影响及危害性分析、应力分析、热分析等。通过可靠性分析发现和确定机床的缺陷和薄弱环节,从而进行针对性的改进设计以消除相应的缺陷和薄弱环节。


  ③采用各种有效的可靠性设计方法,包括制订和贯彻可靠性设计准则、优化设计、灵敏度设计、稳健设计、冗余设计、热设计、耐环境设计等,并把这些可靠性设计方法和机床的设计工作结合起来,减少机床故障的发生,最终实现可靠性的要求。


  (2)制造可靠性方面


  制造是可靠性的重要环节,它与设计过程共同形成产品的固有可靠性。制造可靠性的内容包括以下几个方面:


  ①外购件的质量与可靠性控制

  除了滚珠丝杆、直线导轨、轴承外,大多数机床外购件往往属于小批量生产,供应商的质量保证能力不强,产品质量与可靠性问题频出。为了提高零部件的质量和可靠性,必须从供应商质量管理能力提升和产品质量入厂把关入手,才能最终提高零部件质量和可靠性。


  ②加工一致性控制

  零部件的加工精度对产品性能稳定性和可靠性具有很大影响,为了提高机床的性能和可靠性,必须对其零部件的加工精度进行控制,提高零部件加工质量的一致性。提高加工一致性的手段主要是提高过程能力指数。


  ③可靠性驱动装配

  据调查,装配环节造成的机床故障会占到总故障数的40%以上,因此,对装配过程进行可靠性控制是非常重要的,包括可靠性装配工艺、清洁装配和无应力装配。


  (3)可靠性试验方面


  试验是保证和提高产品可靠性的重要技术手段,可以说,没有试验就没有可靠性。可靠性试验是对机床的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段,其目的是发现在设计、材料、制造、装配工艺方面的各种缺陷,为改善机床的性能,提高可靠性水平,减少维修及保障费用提供科学依据。机床的可靠性试验从功能来说包括功能部件可靠性试验和整机可靠性试验;从试验所处的阶段来说包括研发阶段的可靠性增长试验、产品验收试验和早期故障消除试验;从试验场地看包括实验室试验、制造现场试验和运行现场试验;从试验手段看包括空运转试验、加工试验和加速加载试验。图3、4给出作者所在团队进行功能部件以及整机可靠性试验现场的部分情况。






  (4)可靠性管理方面


  国产数控机床可靠性差除了技术水平差外,很大原因在于管理技术的落后。包括人员的素质差、工作的随意性强、缺乏成熟的可靠性管理标准(包括设计标准、试验标准、管理标准等)和系统的可靠性管理体系。因此,为了从本质上提高国产数控机床的可靠性,需要在企业建立系统的可靠性管理体系,并持续在企业实施。作者所在的团队先后在宁江机床、秦川机床、浙江亚威、扬州锻压等企业建立起完整的可靠性管理体系,在提升上述企业的产品可靠性方面发挥了较大作用。可靠性管理体系一般包括以下内容:可靠性组织机构和职责、可靠性数据管理规范、可靠性评审管理、可靠性检核表系统、可靠性评价管理、油品管理办法、可靠性推进中的激励制度、产品研发阶段可靠性文件及规范、加工阶段可靠性控制文件及规范、装配阶段可靠性控制文件及规范、安装调试及用户可靠性管理规范、可靠性实验文件及规范、采购可靠性控制文件及规范等。


  (5)运行可靠性方面


  机床的运行可靠性包括机床的安装调试、维护保养、维修、运行环境控制、加工条件控制等。统计数据表明,机床由于运行因素引起的故障会占到总故障数的20%左右,因此必须重视机床运行过程中的可靠性问题。



  作者所在的团队开发了用户开机强制维护保养界面(图5),可以强制用户在运行机床前对机床进行必要的保养。同时对数控机床运行过程中的工作参数进行监控(图6),可以实现对工作环境(湿度、温度、振动、灰尘等)、油液清洁度和极限加工条件进行预警,及时发现机床运行中的故障苗头,为机床的运行可靠性提供保障。


  4 国内外数控机床可靠性的发展


  4.1 国外数控机床可靠性研究及应用


  国外可靠性研究虽然起步较早,但直到上世纪70年代,前苏联机床研究机构—金属切削机床科学实验研究院才率先开展了数控机床可靠性的研究工作。机床专家A.C.普罗尼科夫组织了一批科学技术人员,根据数控机床的特性与结构特点,从工艺角度出发对机床可靠性进行了专门的研究,建立了机床可靠性技术的一些基本理论和方法,包括机床工艺可靠性的一般模型、机床工艺可靠性的试验方法及工艺可靠性的控制等,并出版了论述数控机床精度与可靠性的专著[5]。随后,俄罗斯的研究人员对机床的可靠性进行了广泛而深入的探索,在机床可靠性设计、制造和试验、故障数据的统计分析等方面均取得了卓有成效的成果[6-8]。


  从上世纪80年代开始,欧美、日本等工业发达国家也相继开展了数控机床可靠性技术的研究,其主要侧重点是从数控机床的现场可靠性信息采集入手,建立可靠性信息数据库,开发故障分析和可靠性评价软件,对现场采集的故障信息进行分析和处理,找出机床故障的分布规律和薄弱环节。英国布拉德福德大学的Keller等耗时3年跟踪记录了约35台数控机床的现场故障数据,分别用对数正态分布和威布尔分布,对故障间隔时间和维修时间进行了建模分析[9],国际上其他一些高校亦进行了类似的研究工作,并取得一些研究成果[10-11]。德国制定了严格的产品安全标准和法规,在机床产品制造、装配、检验的全过程都有质量和可靠性保障体系,数控机床厂商也非常重视产品售后的故障信息反馈和可靠性分析[12]。美国的大学对可靠性、维修性分布模型着重进行了研究,如Gupta利用时间序列分析的方法确定了数控机床的维修策略[13],Arts等研究了多种故障模式条件下混合寿命分布参数估计的问题[14]。日本新泻大学的藤井义也教授等对45台卧式加工中心和25台立式加工中心在日本的机床用户进行了现场跟踪,他们将加工中心分为数控装置、机床本体及附属装置三大类进行分析,结果表明当时日本卧式加工中心的MTBF值为700小时,立式加工中心MTBF值为824小时[15-16]。从记录结果可以看出,机床本体故障占一半,是数控机床可靠性的薄弱环节。日本机床企业通过可靠性设计规范、故障模式影响分析和可靠性检查表、建立故障分析案例库不断的提高机床产品的可靠性。此外,其他各国一些学者对影响数控机床可靠性的因素进行了研究分析[17-20],Das等人则对单元数控机床中的机床可靠性和预防性维修规划进行了研究[21];Kim等人用FMEA对数控机床的可靠性进行了评估,并介绍了两款基于WEB的分析软件[22-24]。通过几十年的持续努力,国外数控机床的可靠性普遍达到较高的水平,整机MTBF都在2000小时以上,部分产品声称可以达到5000小时。在学术研究方面,国外对可靠性的研究,引领了数控机床可靠性技术的发展,他们对新技术、新方法、新理论的大胆探索值得国内同行借鉴。


  4.2 国内数控机床可靠性研究及应用


  国内数控机床可靠性的研究始于上世纪80年代末期,当时主要进行的工作是调查研究部分数控机床的可靠性,以便对我国数控机床的可靠性进行摸底和初步考核。进入上世纪90年代,数控机床可靠性的基础研究工作被列入国家重点科技攻关项目。在“八五”、“九五”期间,我国先后组织了吉林大学、北京机床研究所、沈阳机床厂、大连机床厂等多家单位进行了数控机床可靠性的基础研究和攻关,开展了数控机床可靠性及数控系统的故障模式收集与分析、故障数据库建立、数控车床载荷谱建立和可靠性增长等基于数理统计方法的可靠性研究;建立了我国第一个专门的数控机床可靠性研究所—吉林大学装备可信性研究所;在国家重点科技攻关项目和国家“863”项目中,就数控机床可靠性问题进行了较为全面深入的研究,并取得了阶段性成果,为进一步开展数控机床可靠性研究奠定了基础。到2000年底,参加数控机床科技攻关企业相关产品的MTBF值均大于400小时,说明国产数控机床的可靠性已有一定程度的提高[25]。


  近几年,国内对数控机床可靠性的研究范围越来越广。吉林大学团队在贾亚洲教授的带领下,通过对现场故障数据的采集,对多种型号数控车床和加工中心进行了故障分析,提出了相应的改进措施,并得出了多种数控机床故障间隔时间和维修时间的可靠性模型[26-33];苏春等对传统可靠性建模方法在描述时间与机床动态过程方面存在的缺陷进行了分析,并给出了动态可靠性的定义及理论体系[34];刘学军将数控机床可靠性研究工作与网络联系起来,开发了可靠性智能网络信息机床,并建立了可靠性异质数据库共享集成模型[35];贾志成等通过对国内机床与德国机床进行现场跟踪与试验,通过故障模式对比分析,找到国产机床与德国机床故障模式的差异性[36];王涛研究了数控机床可靠性设计的理论、方法和技术,从数控机床设计的可靠性工程角度出发,研究了在不同机床设计阶段,如何提高机床设计的可靠性[37];高萍对基于可用度约束的维修费用最小的计划维修周期决策模型进行了探索[38];王智明等对数控机床的可靠性评估和预防维修策略进行了研究[39-41];陈琦建立了基于可靠性的单个产品预防性维护优化模型,综合考虑企业的生产与维护两方面的情况,减小大修维护造成的停机损失,同时考虑了不同维护活动对机床可靠性的动态变化影响情况[42]。


  在国家《高档数控机床及基础制造装备》科技重大专项的支持下,重庆大学研究团队与国内多家企业合作,对数控机床的可靠性进行了一系列探索。在机床可靠性设计方面,提出了基于任务的数控机床可靠性分配技术,并利用GO-FLOW法完成了分配模型的实现[43-45];在机床可靠性试验方面,对加工中心功能部件双工位数控转台的可靠性强化实验方法进行了研究,确定了加速因子的类型和水平,给出了强化试验综合应力剖面,并对结果进行了深入分析[46-47];在机床制造和装配方面,提出了“装配可靠性”的概念,并对装配可靠性的理论、方法和建模进行了一系列研究[48-53];在机床可靠性评估方面,建立了卧式加工中心的浴盆曲线的数学模型,对模型进行了应用[54-57]。


  另外,吉林大学在可靠性现场试验方面,东北大学在可靠性设计方面,机床国检中心在可靠性试验方面都开展了大量的工作,形成各自的团队,取得一批研究成果。


  从2009年起,《高档数控机床与基础制造装备》重大专项主要针对各类大型、高精度数控机床展开研究,其中提高数控机床的可靠性是该专项的重要任务之一,最终目标是使国产高档制造装备的可靠性得到实质性的提高。通过5年多时间的努力,大部分专项产品的可靠性水平基本达到了MTBF值900小时的目标,在接下来的几年里将继续开展可靠性共性关键技术的研究,使得高档数控机床MTBF的目标值达到2000小时,从而基本达到国际先进水平。


  5 目前存在的主要问题


  综上所述,数控机床可靠性的研究,其基本理论、基本方法已日渐成熟,但是面对未来装备制造业对国产数控机床可靠性提出的更高要求,目前仍存以下几点不足:


  (1)企业领导和全体员工的可靠性意识不强,缺乏可靠性控制的技术手段,特别是设计分析工具、实验平台等。另外,由于可靠性是质量的一种属性,但成熟的质量管理方法在可靠性工程中的应用还不够。


  (2)由于前期数控机床可靠性研究工作主要集中在数控机床故障率分布模型、可靠性综合评价方法上,对于机床企业而言,这些研究成果有利于机床生产商了解其机床的可靠性现状,但对提高机床的可靠性水平帮助不大。


  (3)提高国产数控机床的可靠性,还需要从打造企业的可靠性增长能力(包括设计预防能力、制造控制能力、试验改进能力和管理保障能力)入手,增强企业自身的“可靠性”素质,才能确保制造出比国外更可靠的产品。因此,要在国内机床企业推行8341工程,要强化全生命周期可靠性的理念,打造企业的可靠性提升能力。


  (4)用户的使用对数控机床可靠性的影响极大,大部分用户都不会严格按照使用说明书对机床进行使用和保养,造成机床的故障频出,精度很快丧失,因此还需要对用户的使用条件和维护保养进行强制管理,各机床制造企业与用户之间的沟通还需加强。

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