（机械电子工程专业论文）mch63卧式加工中心可靠性分析与研究.pdf

j 刎魁煅 n 砌i n gu 1 1 i v e r s i t ) ro f a e r c i n a u t i c sa n da s 仃o n a u t i c s t h e ( 许a d l l a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a l l i c a l & e l e c t r i c a le n g i l l e 咖g r e l i a b i l i 够a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fm c h 6 3 h o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e r a t h e s i si n m e c h a l l i c a le n g i i l e e r i n g b y w m gy u 卿吼 a d v i s e d b y a s s o c i a t ep r o f e s s o r z 狃gt i e g 觚g s 1 - l b i i l i t t e di np a r t i a lf u l f i l l 1 e n t o ft h er e q u i r e n l e n t s f 1 0 rm ed e 莎e eo f m a s t e ro f e n g i n e e 血g j a n u a 吼2 0 1 0 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：圣盘垦 日 期：过包、! 墨 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 加工中心是先进制造业的基础装备，随着加工中心向高性能、多功能、高精度、高速度、高 柔性的方向发展，不仅要求其有良好的性能，而且还要有很高的可靠性。因此对加工中心进行可 靠性分析与增长的研究意义重大。本文以m c h 6 3 卧式加工中心为研究对象，采用可靠性分析方 法研究了其可靠性特性。主要工作如下： 1 通过分析m c h 6 3 卧式加工中心的组成系统及其间的逻辑关系，建立了m c h 6 3 整机可靠性 框图模型，进而得出m c h 6 3 的可靠性数学模型： 2 根据m c h 6 3 卧式加工中心在用户单位实际使用而得到的小子样故障数据，计算出m c h 6 3 可靠性评价指标平均故障间隔时间、平均修复时间和可用度； 3 根据合作企业的要求，以m c h 6 3 卧式加工中心自动换刀系统和液压系统为对象重点进行 了可靠性试验，通过对m c h 6 3 的l o 0 0 0 次换刀可靠性试验，收集了其自动换刀系统和液压系统可 靠性数据： 4 采用可靠性分析工具w b i b u l l + + 7 对m c h 6 3 卧式加工中心自动换刀系统和液压系统的可靠 性试验数据进行了分布模型拟合和分布参数估计，采用b 1 0 c l 【s i m7 提供的故障树分析( 兀= a ) 方 法对m c h 6 3 的换刀系统和液压系统进行了系统可靠性分析，获取自动换刀系统和液压系统的可 靠性指标和可靠性特性； 5 对m c h 6 3 卧式加工中心进行了全生命周期的可靠性增长研究。从早期规划阶段、设计阶 段、制造阶段、使用阶段四个方面给出了m c h 6 3 的可靠性增长指导建议。并根据可靠性分析中 所暴露出来的薄弱环节，给出了相应的改进方案。 关键词：加工中心，可靠性，可靠性模型，故障树分析，可靠性增长 m c h 6 3 卧式加工中心可靠性分析与研究 a b s t r a c t m a c h i l l i n gc e n t e ri se s s e i n i a le q u i p m e n to fa d v a n c e d 枷f a c t i l 】曲g w i m 吐圮d e v e l o p 恤e n to f m c l l i i l i n gc e m e 塔t o w 莉l l i g l l p e r f o r m 锄c e ，舢l t i - f i l n c t i o n ，l l i g h - p r e c i s i o n ，l l i g h s p e e d 锄dh i g h n e 灿i l i 垓勰t om l l i l l i i l gc e n t e l l s ，to n l yh i g l lf i l ：n c 缸0 ns h o u l db e9 0 t ，b u ta l s oh i g l lr e l i a b i l 时s h o u l d b ep o s s s e da tm es 锄n et i m e t h e r e f o r c e ，i ti so fg 咒a ts i g i l i f i c a n c et 0 百、，ea1 1 e l i a _ b i l i t ) ，卸m y s i s 趾d 北l i a b i l 姆g r o w 吐lr c s e a r c ht 0m a c 胁l i i l gc e n t e lm c h 6 3h o r i 2 舶t a lm a c l l i i l i i l gc 髓t e ri sa d o p t e d 硒 r e s e a r c h0 _ b j e c ti i l “sp a p i t sr e l i a b i l i 锣c l l a 础：t e r i s t i c si ss t i l d i e db y 髑i n g 他l i a b i l i 锣a m l y s i s m e t 量1 0 d s m 珊痂t 豁l 【so f t h i sp a p e ra 托舔f o n o w s ： 1 b ya n a l y z i i l gs ) ，s t e mf i l ：n c t i o ns t r i l c t i l r ea n dl o 百c a lr e l a d o n s h i pb e t 、e t h ec o i i 耳) 0 s i t i o 腿o f m c h 6 3h 0 1 删m h i i l i i l gc 伽呱m er e l i a b i l 时b l o c kd i 孵锄m o d e li ss e tu p ，孤dt l 瑚i t s 托l i a b i l 畸m a l e m a t i c a lm o d e l i sj n 砌t e d 2 a c c o r d h 唱t 0m es n l a l ls a m p l ef i e l df a i h 玳d a 衄o fm c h 6 3b 硎z 咖t a l 础k h i i l i i l gc e n t i 粥w 1 1 i c h w 舔c o u e c t e d 硒mu s e 璐，地r e l i a b i l 埘e v a l u a t i o ni n d e x e so fm c h 6 3 sm e 锄1 i ：m eb e t w e 蛐 f a i l u 托s ( m t b f ) ，m e 锄n et 0r 印缸。肿r ) 锄da v a i l a b l er a t e a 托c a l c u l a t e d 3 a c c o r d 吨t 0 龇r e q u 岫n e 吣o fc 0 0 p e m t i v e 咖e r p r i ，ar e l i a b i l i t ) r t e s ta b o u tm c h 6 3 h 嘶z o n t a li m 蛐gc e l l t e f ，sa u t o l m t i ct i le x c h 觚g es y s t 锄锄dh y 出a u l i cs y s t i e mw 鼬c 枷e d 伽t 1 1 l ：u g hn 坞1 0 0 0 0 廿m e s 钏r t o m a t i ct o o lc i m g i i l g 他l i a b i l i 锣t e 瓯t h e 他l i a b i l i 哆d a 衄o fm c h 6 3 s a u t 优n a t i ct o o ld 删呜i i l gs y s t 锄锄dm e b 讪砌i cs y s t c mw e r ec o l l e c t e d 4 1 1 啪u 曲a m l y z i n g l e l i a b i l 时t e s td a t ao fm c h 6 3h 胁n t a lm a c l l i 血gc e n t e r sa u t 眦l a t i c t o o lc i 啪曲唱s y s t e ma n dt l 圮h y d r a u l i cs y s o 锄璐i i l gr e l i a b i l 埘柚a l y s i sf i l i l c t i o no fw e i b u l l + + 7 ，a d i s t r i b u t i o nm o d e lf i t c i i 唱弛dd i s t r i b u t i o np 缸锄e t e re s t 证嘶帆a g i v e n t h e 心h a _ b i l i 妙e v a l 删吼 i n d e x e s 锄dr e l i a b i l i t ) rc l l a r a c t i 砸s t i c so fm c h 6 3 s 撇a t i ct o o lc b 卸舒n gs y s t e m 锄d 圮h y d r 卸l i c s y s t e ma 托砌y di i lb l o c k s i m7b yu s i n gf a u l tn e 锄l y s i sm e 吐l o dt o o 5 m c h 6 3h 酬m h i n 吨c 钮t e r s 咒l i a b i l n yg r o w m 缸o u g l l0 u tn l ew h o l eh f c _ c y c l ei s s e a r c h e d t h er e l i a b i l 蚵伊删lr e c 伽姗e n d a 石帆st 0m c h 6 3a p u tf 0 1 吣w l l i c h 坨l a t et oe a r l y p l 锄i l i n gp h 舔e ，d e s i 笋p l l a ，f a c t l l | 血gp 1 1 a s e 锄dt l l el l s i i l gp l l a s e b 雒e d 佗l i a b i l 时锄a l y s i s ， t h ec o r r e s p o n d i n gr e l i a b i l n yi m p r 0 v e 珊m t 小s 鹪a r eg i v e l l k e 肿l i d s ：m a c 陆l i l l gc 饥t r e l i a b i l i 怫r e l i a b i l 蚵m 6 d e l ，f 叭n1 h e a 】y s i s jr e l i a b i l 埘 g “，w i l l ， 【 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 课题的来源及意义l 1 2 国内外研究状况2 1 2 1 国外机床可靠性研究现状2 1 2 2 国内机床可靠性研究现状。4 1 3m c h 6 3 卧式加工中心简介。5 1 4 本文的研究内容6 第二章m c h 6 3 卧式加工中心的可靠性评价指标及可靠性模型8 2 1m c h 6 3 卧式加工中心的可靠性评价指标。8 2 1 1 平均故障间隔时间8 2 1 2 平均修复时间。8 2 1 - 3 可用度。9 2 1 4m c h 6 3 可靠性评价指标的计算1 0 2 2 可靠性工程常用的概率分布模型1 1 2 2 1 指数分布1 1 2 2 2 正态分布1 2 2 2 3 三参数威布尔分布1 2 2 2 4m c h 6 3 平均故障时间间隔分布模型的拟合。1 5 2 3m c h 6 3 卧式加工中心的可靠性模型1 6 2 3 1 系统可靠性模型的基本概念及作用1 6 2 3 2 系统常用的可靠性模型1 7 2 3 3m c h 6 3 卧式加工中心的可靠性模型。1 9 第三章m c h 6 3 换刀系统和液压系统的可靠性试验数据采集2 2 3 1m c h 6 3 可靠性试验对象的确定2 2 3 2 可靠性试验方案的制定2 3 3 2 1 可靠性试验的分类及目的2 3 3 2 2 试验方案的制定- ：j j ：。：。：j ：。：。：j ：。2 4 3 3 可靠性故障数据的采集。2 6 3 3 1 故障数据的特点2 6 l i i m c h 6 3 卧式加工中心可靠性分析与研究 3 3 2 加工中心的故障判别依据2 6 3 3 3 故障统计2 7 第四章换刀系统和液压系统的可靠性分析2 8 4 1m c h 6 3 自动换刀系统的故障分析2 8 4 1 1m c h 6 3 刀库的故障分析。2 8 4 1 2m c h 6 3 机械手的故障分析2 9 4 2m c h 6 3 液压系统的故障分析3 l 4 2 1m c h 6 3 液压系统的组成3 l 4 2 2 液压系统特征信号与故障诊断3 4 4 2 3m c h 6 3 液压系统故障分析。3 5 4 3m c h 6 3 换刀系统可靠性数据的处理3 8 4 3 1 故障数据的分类统计3 8 4 3 2 可靠性数据的w b i b u m 斗7 处理3 9 4 4 自动换刀系统和液压系统的可靠性分析4 2 4 4 1b l o c k s i l i l7 功能简介4 2 4 4 2m c h 6 3 自动换刀系统可靠性建模及分析4 3 4 4 3m c h 6 3 液压系统可靠性建模及分析4 5 第五章m c h 6 3 卧式加工中心的可靠性增长研究4 6 5 1m c h 6 3 全生命周期的可靠性增长策略4 6 5 1 1 早期阶段的可靠性增长4 7 5 1 2 加工中心可靠性设计准则4 7 5 1 3 制造阶段的可靠性保证措施5 0 5 1 4 使用阶段的可靠性保障5 2 5 2m c h 6 3 的可靠性改进设计5 5 第六章总结与展望5 9 6 1 本文总结。5 9 6 2 研究展望6 0 参考文献6 l 致谢6 4 在学期间的研究成果及发表的学术论文，。6 5 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图表清单 图1 1m c h 6 3 卧式加工心外观模型6 图2 1 当y = o ，7 = 1 时，取不同值时厂( 曲的曲线图1 3 图2 2 当7 = o ，= 2 时，7 取不同值时厂( z ) 的曲线图1 4 图2 3m c h 6 3 卧式加工中心平均故障时间间隔分布模型拟合1 5 图2 4m c h 6 3 卧式加工中心的可靠度一时间图1 6 图2 5 串联系统的可靠性框图1 8 图2 6 并联系统的可靠性框图1 8 图2 7m c h 6 3 卧式加工中心的可靠性功能框图2 0 图2 8m c h 6 3 卧式加工中心的分系统级的可靠性框图2 0 图4 1m c h 6 3 卧式加工中心的刀库图2 8 图4 2m c h 6 3 刀库故障树2 9 图4 3m c h 6 3 换刀机械手结构图。3 0 图4 4m c h 6 3 换刀机械手故障树3l 图4 5 机械手回路液压原理图3 2 图4 6 刀库回路、主轴松刀回路、转台锁紧回路、托盘回路液压原理图3 3 图4 7 交换台回路液压原理图3 3 图4 8m c h 6 3 液压系统故障树3 6 图4 9 液压缸故障树3 6 图4 1 0 机械手故障的可靠度一时间图4 0 图4 1 1 刀库故障的可靠度一时间图。4 0 图4 1 2 液压故障的可靠度一时间图。4 l 图4 1 3 电气控制故障的可靠度一时间图。4 2 图4 1 4m c h 6 3 自动换刀系统的故障树可靠性模型4 3 图4 1 5m c h 6 3 自动换刀系统的可靠度一时间图4 4 图4 1 6m c h 6 3 液压系统的故障树可靠性模型。：。一4 5 图5 1 加工中心可靠性增长流程4 6 图5 2 刀库开关门机构5 6 v m c h 6 3 卧式加工中心可靠性分析与研究 图5 3 机械手刀爪防掉刀保险撞块5 7 图5 4 电磁换向阀渗油故障5 8 表清单 表1 - 1m c h 6 3 卧式加工中心主要技术参数6 表2 1 样本故障数据表1 0 表3 1m c h 6 3 卧式加工中心的故障现象及故障原因2 2 表3 2m c h 6 3 自动换刀系统和液压系统可靠性试验的试验部位和测试参数2 5 表3 3 可靠性试验故障统计表2 7 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 数控机床是先进制造技术的基础装备，其技术水平是衡量一个国家工业现代化水平的重要标 志，对国民经济的发展起到了重要作用。在数控机床中，加工中心又占有特别重要的位置。加工 中心由于汇集了落地镗床、床身式铣床、坐标钻床的基本功能，而且它具有自动换刀功能，工件 一次装卡后，能自动地完成或者接近完成工件各面的所有加工工序。由于加工中心能集中完成多 种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件周转、搬运和存放时间，使机 床的切削利用率( 切削时间和开动时间之比) 高于普通机床3 4 倍，达8 0 以上n 1 。尤其是在加工形 状比较复杂、精度要求较高、品种更换频繁高的零件时，更具有良好的经济效果。 我国的数控行业起步于1 9 5 8 年，比美国、德国迟了1 0 多年。早期由于被西方国家技术封锁， 进展十分缓慢，直到七十年代才开始试制数控机床。如1 9 7 3 年上海第二机车厂与复旦大学、上海 交通大学合作试制成功的c k 6 1 5 0 型数控车床，上海江宁机械厂制作的c k 6 1 4 0 型数控磨床，1 9 7 4 年沈阳第三机床厂试制c s 硒1 6 3 型数控车床等拉1 。改革开放后我国数控技术走引进、消化、吸收 国外高科技的道路，数控机床无论从产品种类、数量还是性能指标等方面都有了较大的进步。机 床产品基本上满足了机械制造业的需要。但我国的机床工业产品的结构还不太合理，产品主要集 中在经济型数控车床，高档次数控机床及配套部件还只能依靠进口n 1 。 我国是世界上数控机床消费大国和进口国，而国产数控机床不仅没有真正打入国际市场，在 国内的市场也面临着严峻的挑战。据统计，2 0 0 6 年1 月至l o 月，进口额增幅前三位的机床工具第 一是立式加工中心，为6 3 8 亿美元，增长2 3 7 3 ，其次是数控车床，4 6 1 亿美元，增长1 5 9 4 ， 第三位是卧式加工中心，4 4 1 亿美元，增长1 3 1 5 h 1 。除特殊需要的高端数控装备以外，大多 数国产数控机床在功能和性能等方面一般都能满足用户的要求，且在价格、售后服务方面还有一 定优势。然而在产品可靠性方面，国产数控机床存在故障多、可靠性差、稳定性差、一致性差、 制造工艺粗糙等方面的质量问题哺。可靠性水平不能满足用户的要求，已经成为影响国产数控机 床市场占有率的主要问题之一哺1 。 数控机床是一种自动化程度高、结构复杂的加工设备，经常处于生产中比较重要的位置，主 要用于加工各种精密、复杂的机械零件，一旦在加工过程中因发生故障而报废，则经济损失很大， 如果频繁出现故障，势必影响生产，且增加维修费用。这就要求数控机床能够保持较长时间的无 故障运行，当前，国产加工中心平均无故障时间( m t b f ) 只有少数厂达5 0 0 6 0 0 h ，而国外加 工中心的先进水平已达2 0 0 0 h 以上；刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，但用户 仍然不放心；位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高；至于外观粗糙、漏油、漏水、 m c h 6 3 卧式加工中心可靠性分析与研究 漏气等老问题仍然不同程度的存在。所有这些，在很大程度上影响了国产加工中心的质量可靠性， 导致用户在购买国产加工中心时犹豫不决m 。因此，提高可靠性意识，分析机床可靠性现状，开 发和应用高效的可靠性增长技术，减少与进口产品可靠性的差距，对于增强市场竞争力，促进机 械工业的迅速发展具有着重要意义。 数控机床总的发展趋势是高性能、多功能、高精度、高速度、高柔性及高可靠性，数控机床 能否发挥其高性能、高精度、高效率，关键取决于可靠性哺1 。先进性能不能维持，故障时间间隔 与国外产品差距明显，成为困扰国产数控装备发展的主要问题。加工中心由于系统集成度高，结 构复杂，对加工精度要求高，这导致其可靠性很难保证，并且目前国内机床企业出于对短期投资 回报率的考虑，在可靠性方面投入不足，没有形成完整通畅的数控机床可靠性保障体系。机床 产品的可靠性是一项系统工程，只有经过可靠性设计、制造、现场运行信息反馈、故障分析、改 进措施的不断循环、才可以大幅度提高其可靠性水平。 本课题来源于南京航空航天大学与南通科技投资集团股份有限公司的校企合作项目。针对 m c h 6 3 卧式加工中心的实际情况，其关键部分，如数控系统、电主轴、丝杠、电机等都是外购 的成品，其可靠性是通过成品生产厂家的质量保证体系来提供保障，换刀机构和液压系统是 m c h 6 3 卧式加工中心的可靠性薄弱环节，其可靠性是本课题的研究重点，通过建立可靠性模型， 并对其进行试验验证，采用故障分析和可靠性分析手段，找出其薄弱环节和潜在的弱点，把分析 结果反馈给设计、制造、装配、采购及可靠性管理部门，以保证m c h 6 3 卧式加工中心的高可靠 性及构建一个支持可靠性增长的良性环境，从而提升产品的有效竞争力。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外机床可靠性研究现状 可靠性是指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旧。可靠性是产品质 量的核心，它已成为国际产品质量认证体系i s 0 9 0 0 0 族的组成部分。可靠性研究工作始于第二次 世界大战期间。当时，美国生产的飞机由于电子设备经常出故障而近半数不能使用。为了解决这 个问题，美国国防部组织人力开展对电子管的可靠性进行研究，这标志可靠性研究的起步。早期 的可靠性研究，重点放在故障率比较高的电子元件方面，美国对机械可靠性的研究开始于6 0 年代 初期，当时在航天方面由于机械故障引起的事故多、损失大，因此美国宇航局州a s a ) 从1 9 6 5 年 起开始进行机械可靠性研究。到6 0 年代以后美国大约4 0 的大学开设了可靠性工程课程。 除美国以外，世界主要强国也逐步展开了可靠性工作的研究和推广。1 9 3 9 年英国航空委员会 出版的适航性统计学注释一书中首先提出了飞机故障率不应超过o 0 0 0 0 1 次h ，其可靠度为 0 9 9 9 9 9 ，这是最早的飞机安全性和可靠性定量指标。1 9 5 6 年日本开始引进可靠性技术，并组织 了电子管寿命研究小组。1 9 5 8 年，日本科技联盟成立了可靠性研究会。通过将可靠性技术推广应 2 南京航空航天大学硕士学位论文 用到民用工业部门后取得很大成功，大大提高了其产品的可靠度，带来巨大的经济效益。法国国 立通讯研究所于1 9 6 2 年成立了“可靠性中心，进行可靠性数据的收集与分析，并于1 9 6 3 年出版 了可靠性杂志。前苏联从5 0 代年起，开始重视可靠性的集成理论和应用技术，由于产品的可 靠性差对其造成了巨大的经济损失，因此，从6 0 年代初开始，苏联从技术上、组织上采取措施， 提高产品可靠性，促进了可靠性技术的发展。 我国对可靠性问题的研究起步较晚，在6 0 年代初进行了有关可靠性评估的研究工作。由于种 种原因，直到7 0 年代末、8 0 年代初可靠性研究才又重新受到重视，特别是八十年代初，伴随着全 面质量管理的兴起，质量意识的深入，可靠性研究的重要性才逐渐被人们所认识。1 9 7 9 年，中国 电子学会成立了可靠性与质量委员会。1 9 8 1 年，中国数学学会成立了可靠性专门委员会。1 9 8 4 年，中国汽车工程学会设立了汽车可靠性专门委员会。1 9 8 7 年，中国机械工程学会召开可靠性专 业学会筹备会议，1 9 8 8 年成立了中国可靠性工程专业管理委员会。 机床可靠性技术在7 0 年代发源于前苏联n 叭。当时苏联机床研究的权威机构“金属切削机床科 学试验研究院”的一些著名学者，开展了机床可靠性技术的研究。苏联高校机床界的一些权威人 士( 如a c 普罗尼柯夫) 根据机床产品在功能、结构、外载荷等方面的特殊性，在参数故障模型、 工艺可靠性等方面，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， 开辟了在机床领域进行可靠性研究的途径，发表了一系列针对机床具体产品的可靠性论著，如机 床热变形、导轨磨损对机床精度故障和无故障工作时间的影响u 1 1 ，并出版了论述数控机床精度与 可靠性的专著。 美国是世界上最早有组织，有系统地开展可靠性工作的国家n 铂。美国机械可靠性工作可分为 两支：一支是军工部门的可靠性研究；另一支是飞机、汽车、机床等民用部门的可靠性研究，建 立了一套完整的可靠性理论体系u 引。在数控机床可靠性方面，主要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，开发可靠性评价和故障分析软件，对现场采集的故障信息 进行分析和处理，找出故障的分布规律和薄弱环节u 引。美国学者y a s hp g u p t a 和t b n im s o i n e 瑙 等针对数控机床的维修性进行了一系列的研究，提出了数控机床维修性的传递函数理论n 朝。 英国布拉德福大学k e l ha z 等人提出了采用模糊理论进行故障分析与评价的方法，使模糊 的不确定性问题得到定量化处理n 乱1 7 1 ；英国伯明翰大学的研究人员，对在英国和土耳其使用的 3 5 台数控机床，进行现场跟踪考核，通过调查用户和亲临现场获得故障信息，并在可靠性领域的 国际权威杂志上公布了研究结果：数控机床整机的故障时间规律服从威布尔分布，威布尔分布的 形状参数为o 8 1 0 7 ，呈现恒定风险故障特征，说明产品运行在偶然故障期：数控系统的威布尔 分布尺度参数为”3 3 8 3 小时，机械系统的威布尔分布尺度参数为2 0 8 - 2 2 8 小时j 巩1 9 】。此项研究以 现场故障数据为基础，为数控机床可靠性评价提供了理论依据。 德国数控机床的可靠性目前是口碑最好的。德国政府的相关部门制定了严格的产品安全标 准，凡是进入欧共体市场的产品，都必须满足欧共体和该国的安全标准。德国数控机床厂商非常 3 m c h 6 3 卧式加工中心可靠性分析与研究 重视产品售后的故障信息反馈，其产品在制造、装配、检验的全过程都有质量和可靠性保障体系， 可靠性技术贯穿于产品生产的全部过程。 日本企业从三方面来保证其产品的可靠性：一是产品的可靠性设计规范；二是故障模式影响 分析和可靠性检查表；三是建立故障分析案例库。通过对故障案例的分析可以有针对性地消除故 障，从而提高产品可靠性。日本新泻大学的藤井义也教授等对4 5 台卧式加工中心和2 5 台立式加工 中心进行了现场跟踪，并在著名的机械技术期刊上公布了考核结果。在考核期内故障总次数 为4 9 5 次，其中，数控装置8 1 次，占1 6 4 ；机床本体2 5 2 次，占5 0 1 ；附属装置1 6 2 次，占3 2 7 啪1 。 从考核结果可以看出，机床结构本身依然是数控机床可靠性的薄弱环节。 1 2 2 国内机床可靠性研究现状 我国台湾学者王国松等应用模糊数学方法对柔性制造系统的故障模式、故障率及可靠度模 型等进行了分析幢。 我国数控机床可靠性研究是从8 0 年代末期开始的。“八五”和“九五”期间，我国机床制 造行业把提高数控机床可靠性列入国家重点科技攻关项目。通过“八五”攻关，制定了c n c 系统 的可靠性测定试验方案，积累且处理了部分国产数控机床的故障和维修数据，对国内外部分数控 机床的使用现状进行了可靠性初步考核。为了提高国产数控机床的声望和扩大国内外市场，我国 把“数控机床可靠性增长技术的应用研究”列入到“九五”国家重点科技攻关计划。“九五”期 间，国家重点科技攻关项目数控技术与装备工程化的研究要求：2 0 0 0 年底，承担数控技术 与装备工程化的研究项目的数控机床骨干制造企业，攻关机床的m 1 b f 大于4 0 0 h ，根据原吉林 工业大学数控机床可靠性研究室( 该研究室“八五”和“九五”期间承担对数控机床使用现场 跟踪考核) 反馈的情况，2 0 0 0 年底数控机床骨干制造企业攻关机床的m t b f 值均大于4 0 0 h 。“十 五”期间，我国机床产业发展十分迅猛。近些年来由于国家有关部门的高度重视和多数机床企业 与科研单位的密切合作，国产数控机床可靠性水平稳步增长。据有关部门调查统计，到2 0 0 5 年末 国产加工中心的平均故障间隔时间m t b f 已经普遍提高到5 0 0 小时以上，其中可靠性好的数控机 床，m t b f 已经提高到6 0 0 多小时，缩短了与国外同类产品的差距，提高了国产机床的声誉和市 场竞争力，得到国内很多机床用户的基本认可。 在我国机床可靠性的研究中，一些高校已经做出了很多卓越有效的研究。吉林大学计算机数 控机床可靠性研究室对加工中心进行了故障分析，得出了故障间隔时间，维修时间及可靠度的分 布模型，计算了加工中心的m t b f 、m 册t 和可用度a ，初步建立了加工中心换刀系统的故障树， 并提出了加工中心的可靠性改进设计意见陇1 ；西北工业大学王润孝等，分析了数控机床故障的特 征及故障诊断方法，探讨了容错技术在数控机床设计中的应用，并研究了利用人工神经网络砧呵n 诊断c n c 系统故障的方法啪1 ；北京理工大学的张之敬等，研究了机电系统概念描述和故障诊断 知识的表达，针对f m s 系统故障诊断，建立了从概念描述、知识表达到知识生成全过程的系统框 4 南京航空航天大学硕士学位论文 架，建立了包含数据库、知识库和推理机制的机电一体化的故障诊断和维修系统乜劓。 自动换刀系统通常是加工中心可靠性的瓶颈，其主要由刀库、机械手及相应的控制系统组成。 刀库的功能是存储加工中所需要的各种刀具，并且在数控系统的控制下，把即将要用的刀具传送 到换刀位置，以便机械手能抓取和归还刀具。近年来高荷重、高容量、高速化、低成本已经成为 刀库产品的发展趋势啪1 。链式刀库由于刀库容量大，结构紧凑，使用相当普遍。刀库常见的故障 有刀库不转位、不回零、乱刀、刀具不精确到位等。机械手主要完成将主轴上的工作刀具与刀库 中的待用刀具两者位置交换的任务。对与加工中心的机械手而言，其应具有换刀时间短、工作平 稳、定位准确的特点嘲。机械手通常会出现机械手掉刀、不能拔刀、撞刀、转塔刀架不转位、换 刀旋转不停、定位不准等问题。目前加工中心上用得较多的是由气压驱动的回转式单臂双爪机械 手，由于气体的可压缩性较大，工作压力较低，使得该种结构型式的机械手工作平稳性较差、结构 体积较大、换刀过程中存在噪声较大等问题。m c h 6 3 卧式加工中心使用的机械手，采用液压驱 动方式，从而有效地避免了上述问题的出现。 液压系统具有功率大、体积小、重量轻、响应快、精度高、负载刚性大等优点，应用十分广 泛。在加工中心中液压系统被应用于主轴的自动装夹、主轴轴承的润滑、自动换刀装置、回转工 作台等部件结构中，由于液压系统结构较复杂，零部件多，出现故障的机率较大。在对液压系统 早期故障统计中发现液压系统的早期故障模式主要为渗漏油、零部件损坏和噪声超标等。目前看 来，液压可靠性研究大体可分为两类：一是研究寿命短、可靠性差的原因，分析其失效机理，利 用新的结构或者材质，提高固有可靠性：另一类是对既有产品进行可靠性试验，并应用可靠性数 学理论对试验结果进行估测，给出可靠性指标比 。液压系统主要的可靠性设计方法有冗余设计、 节能设计、耐环境设计及简化设计等。 1 3m c h 6 3 卧式加工中心简介 m c h 6 3 卧式加工中心是南通科技投资集团股份有限公司新开发的产品，其加工特点是高精 度、高速、高效切削，结构特点是x 、y 、z 轴采用双丝杠传动，传动平稳，启动加速度大。该机 床特别适用于汽车、军工、模具制造、航天航空等有关机械制造行业。适合板类、盘类、箱体类 和模具等复杂零件的多品种加工。 m c h 6 3 卧式加工中心的外观见图1 3 ，主要技术参数见表1 1 。 5 m c h 6 3 卧式加工中心可靠性分析与研究 z 辅 双 丝 秆 驱 动 图1 1m c h 6 3 卧式加工中心外观模型 表1 1m c h 6 3 卧式加工中心主要技术参数 n o 参数名称单位设计值 l工作台尺寸i 肿6 3 0 6 3 0 2 三向行程( x 腭z ) r 啪9 0 0 6 5 0 7 0 0 3快速移动速度n 删n 4 2 4 切削移动速度 n n n l i n3 2 0 0 0 0 5主轴转速 “t n i n 2 0 之0 0 0 0 6 刀库容量 p c s4 8 ( 6 0 可选) 7换刀时间s e c盈 8 主轴电机功率 k w1 8 5 2 2 9 定位精度( x 仃z ) i 姗o 0 0 6 l o外形尺寸 眦n 4 4 5 0 3 2 0 0 2 6 2 6 1 1 机床重量 - 堍 2 3 0 0 0 1 4 本文的研究内容 本文结合江苏省科技成果转化专项资金项目“同步双驱高速高效精密卧式加工中心研发与 6 南京航空航天大学硕士学位论文 产业化，研究的目标是提高m c h 6 3 卧式加工中心的可靠性，针对m c h 6 3 卧式加工中心的实际 研发情况，其关键部分，如数控系统、电主轴、丝杠、电机等都是外购的成品，其可靠性是通过 成品生产厂家的质量保证体系来提供保障，换刀机构和液压系统是m c h 6 3 卧式加工中心的可靠 性薄弱环节，其可靠性是本课题的重点研究对象。本文主要研究了如下内容： 1 根据m c h 6 3 的现场使用故障数据，计算了其可靠性评价指标 加工中心常用的可靠性评价指标有平均故障间隔时间m t b f ( m e 锄t i m e b e 佃e 饥f a i l u r e s ) 、 平均修复时间m r n t ( m 啪t i m e t br 印a 的和可用度。根据m c h 6 3 卧式加工中心在用户单位实际 使用而得到的小子样故障数据，计算出了m c h 6 3 的平均故障间隔时间、平均修复时间和可用度。 。2 建立m c h 6 3 整机可靠性模型 建立可靠性模型是进行加工中心可靠性预测的关键。加工中心的可靠性模型分为：串联模型、 并联模型以及串、并联混合模型。为了避免造成加工中心各组成单元的功能冗余，从经济方面考 虑，加工中心的可靠性模型通常采串联模型。m c h 6 3 的可靠性模型由数控系统、电主轴、进给 系统、电气系统、工作台、自动换刀系统、液压系统、冷却系统串联构成。通过分析m c h 6 3 的 组成系统及组成系统之间的逻辑关系，建立加工中心各级别的可靠性框图，进而得出加工中心的 可靠性数学模型。 3 以m c h 6 3 自动换刀系统和液压系统为对象进行可靠性试验，收集其可靠性数据 可靠性试验是取得可靠性数据的主要来源之一，是进行可靠性设计和分析的基础。对于加工 中心可靠性试验，根据试验的场所可分为现场试验和实验室试验，根据样本的大小可分为全数试 验和样品试验。由于m c h 6 3 目前尚未大量生产销售，本试验为抽样定时截尾的实验室试验。本 可靠性试验以m c h 6 3 卧式加工中心自动换刀系统和液压系统为对象，通过对m c h 6 3 进行1 0 0 0 0 次换刀可靠性试验，收集其自动换刀系统和液压系统可靠性数据。 4 分析m c h 6 3 自动换刀系统和液压系统的可靠性特性 根据采集到得可靠性试验数据，采用美国蓝瑞公司( r e l i a s o f i ) 的可靠性分析软件w b i b u l l + + 7 和b 1 0 c l 【s i n l7 进行分析处理。w b i b u l h 斗7 可以对可靠性试验数据进行分布模型拟合和分布参数估 计；b 1 0 c k s i i i l7 可以对换刀系统和液压系统采用可靠性框图d ) 或故障树分析方法进 行完整的系统可靠性与维修性分析，获取换刀系统和液压系统的可靠性指标。 5 m c h 6 3 卧式加工中心全生命周期的可靠性增长研究 可靠性增长的事实存在于产品寿命周期的每一个阶段中。工程实践中的设计、制造、工艺、 管理等一系列过程