数控机床的可靠性研究.doc

引言在经济全球化背景下，产品结构和功能日趋复杂，顾客对产品性能和质量的要求不断提高，市场需求趋于多品种、小批量。数控机床具有加工精度高、加工质量稳定、柔性好和适合于复杂产品制造等特点。满足了现代制造业的加工需求。数控机床的研发及其应用水平已成为衡量一个地区乃至一个国家综合实力的重要标志。2006年，国务院颁布国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，其中将数控机床作为振兴装备制造业的重点工作之一。国务院在中要求：发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状，并提出，到2010年，国产数控机床中经济型数控机床要占50市场份额、普及型数控机床占45、高级型数控机床占5，其中，高速、高精度数控铣镗床是机床工业“十一五”的发展重点之一。数控机床的可靠性研究具有特殊性，既不同于纯电子产品也不同于纯机械产品，数控机床可靠性的研究要有大批有效的试验数据和先进的数据处理与管理手段，经过多年的生产实践和可靠性试验，我们积累了大量宝贵的试验数据，但如何对其进行妥善的处理与保存，如何从大量的数据中进行分类统计和查询，所有这些繁琐工作单凭人力是无法达到实际要求的。所以为了更好地评价与提高数控机床现有可靠性水平，迫切需要研究、建立一套数控机床可靠性信息管理系统，充分发挥计算机高速、准确的运算功能和数据库系统极强的管理功能，为将来全行业乃至更大范围内的信息交换打下坚实的基础。1数控机床应用及可靠性现状分析数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物， 是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比，其优越性是显而易见的，不仅零件加工精度高，产品质量稳定，且自动化程度极高，可减轻工人的体力劳动强度，大大提高了生产效率，特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工，因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。数控机床体现了当前世界机床技术进步的主流，是衡量机械制造工艺水平的重要指标，在柔性生产和计算机集成制造技术中起着重要的基础核心作用。因此，如何更好的使用数控机床是一个很重要的问题。1.1 数控机床的应用影响数控机床的应用水平的因素很多，如操作人员的综合素质，是否按正确的操作规程使用，使用环境如何，机床的开动率的高低，对待机床故障的态度等，下面就具体谈一下使用和维护数控机床时的注意事项：1、数控机床使用中应注意的事项使用数控机床之前，应仔细阅读机床使用说明书以及其他有关资料，以便正确操作使用机床，并注意以下几点：（1）机床操作、维修人员必须是掌握相应机床专业知识的专业人员或经过技术培训的应人员，且必须按安全操作规程及安全操作规定操作机床。（2）非专业人员不得打开电柜门，打开电柜门前必须确认已经关掉了机床总电源开关。只有专业维修人员才允许打开电柜理门，进行通电检修。（3）除一些供用户使用并可以改动的参数外，其它系统参数、主轴参数、伺服参数等。用户不能私自修改，否则将给操作者带来设备，工件，人身等伤害。（4）修改参数后，进行第一次加工时，机床在不装刀具和工件的情况下用机床锁住，单程序段等方式进行试运行，确认机床正常后再使用机床。（5）机床的PLC程序是机床制造商按机床需要设计的。不需要修改。不正确的修改，操作机床可能造成机床的损坏，甚至伤害操作者。（6）建议机床连续运行最多24小时，如果连续运行时间太长会影响电气系统和部分机械器件的寿命，从而会影响机床的精度。(7) 机床全部连接器，接头等，不允许带电拔插操作，否则将引起严重的后果。2、数控机床正常使用时的维护措施数控系统是数控机床的核心部件，因此，数控机床的维护主要是数控系统的维护。数控系统经过一段较长时间的使用，电子元器件性能要老化甚至损坏，有些机械部件更是如此。为了尽量地延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，防止各种故障，特别是恶性事故的发生，就必须对敷控系统进行日常的维护。概括起来，应注意下几个方面。（1）制订数控系统日常维护的规章制度。根据各种部件特点。确定各自保养条例。如明文规定哪些地方需要天天清理哪些部件要定期检查或更换。（2）应尽量少开数控柜和强电柜的门。因为在机加工车间的空气中一般都含有油雾、灰尘甚至金属粉。一旦它们落在数控系统内的印制线路或电器件上。容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及印制线路的损坏。有的用户在夏天为了使数控系统超负荷长期工作，打开数控柜的门来散热，这是种绝不可取的方法，最终会导致数控系统的加速损坏。正确的方法是降低数控系统的外部环境温度。因此，应该有一种严格的规定，除非进行必要的调整和维修，不允许随便开启柜门，更不允许在使用时敞开柜门。（3）定时清扫数控柜的散热通风系统。应每天检查数控系统柜上各个冷却风扇工作是否正常，应视工作环境状况，每半年或每季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象。如果过滤网上灰尘积聚过多，需及时清理，否则将会引起数控系统柜内温度高(一般不允许超过55)，造成过热报警或数控系统工作不司靠。1.2 国产数控机床可靠性分析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，它是产品质量在时间尺度上的描述。对机床制造企业而言，可靠性低意味着产品的故障率高、寿命短、售后服务和维修成本高。对机床用户而言，低可靠性意味着机床故障停机频繁、加工质量不稳定，不仅影响企业的正常生产，甚至会造成灾难性的事故。若缺乏必要可靠性保证，任何先进的加工性能将失去意义，机床产品及相关制造企业也将失去竞争力。目前可靠性已成为产品技术指标的重要组成部分，平均无故障工作时间(Mean Time BetweenFailures，MTBF)等已成为机床产品必须提供的基础数据。对生产现场的跟踪考核表明，目前国产数控机床的MTBF在500h-600h之间，进口加工中心及数控铣床的MTBF在800h-1000h之间。另据一些厂商提供的数据，国外数控机床产品的MTBF已达到5 000h，数控系统的MTBF甚至达到80 000hL4|。因此，与世界先进水平相比，国产数控机床的可靠性总体水平仍然偏低。近年来，我国机床工业得到长足发展，成为数控机床制造大国。2007年，数控金属切削机床年产量达到123万台，产量跃居世界首位。目前国产数控机床已能满足多数用户的要求，在价格和售后服务等方面也具有优势。但是，与世界先进水平相比，国产数控机床在性能、精度尤其是可靠性方面仍存在明显的差距，因而导致进口数控机床数量增加、高端数控机床的市场占有率偏低。2 提高国产数控机床可靠性的对策研究2.1 正确理解可靠性的价值产品可靠性水平的提高要有一定的技术和经济投入。那么能否据此得出结论，提高产品可靠性在经济上得不偿失?实际上，对数控机床等制造装备而言，产品全生命周期费用包括购置费用和维护费用两部分。随着设备可靠性(R)的提高，购置费用将增加，但维护费用将减少；反之，低劣的可靠性虽然有利于减少购置费用，但由于设备故障停机频繁，维护费用以及因停机造成的停机损失、机会损失等将急剧增加，使得全生命周期费用居高不下。因此，在产品研发和设备选型时，应确定合理的可靠性水平(R)，以实现设备全生命周期费用最小(C)，在市场竞争日趋激烈的今天，高可靠性已成为数控机床产品开拓市场的利器，高可靠性的产品有利于增强企业的市场竞争力。日本、德国以及瑞士等国的制造企业因重视质量和可靠性，产品畅销全球市场。2.2 从设计的源头把握可靠性产品的固有可靠性(inherent reliability)是由设计决定并通过制造实现的。从提高产品可靠性的角度看，数控机床设计应遵循以下原则：(1)简化系统结构，减少零部件数量。从故障维修的角度看，任何一个单元的故障都将导致系统的故障、停机和维修。系统基本可靠性模型将各组成单元之间界定为串联关系，研究系统在规定条件下无故障工作的持续时间或概率。此外，随着零部件数量的增多，系统设计、制造、装配和维护变得复杂，发生冲突、干涉和参数不匹配等现象的概率增大，也会降低系统可靠性。从提高机床可靠性的角度看，应简化系统结构、减少零件数量。例如：以封装的集成电路代替分离器件；在高速数控机床中，由内置式电机直接驱动机床主轴，取消皮带或齿轮等传动链，不仅能减小传动误差，提高加工精度，也有利于提高机床的可靠性。(2)寻找薄弱环节，提高零部件的可靠性。零部件是系统结构和功能的基本单元。在任何时刻，系统可靠度都不高于系统中可靠度最小的单元的可靠度。改善薄弱单元可靠度的基本途径包括：优化结构设计；选择合适的材料；改进制造工艺；强化质量检验和检测，通过老化和加速应力筛选等淘汰存在质量隐患的零件；加强外购件的质量控制。选择具有良好信誉和质量资质的供应商。(3)重视可靠性设计方法的应用。产品性能、可靠性和全生命周期成本主要由设计阶段决定。在产品研发的早期，应充分了解产品的工作要求、载荷特征和使用环境，确定合理的可靠性，不断寻找产品的薄弱环节，有针对性地加以改进和优化。可靠性预计与分配、失效模式影响及危害度分析、故障树分析零件可靠性设计等都是常用的可靠性设计方法。2.3 重视现场故障数据的采集与分析由于研发周期短、试验成本高等原因，机床研发时企业通常难以获得足够的可靠性数据。对出厂产品进行质量跟踪、从生产现场采集故障数据，通过对样本数据的分析，寻找可靠性薄弱环节，成为机床可靠性评估与改进的重要数据源。根据现场数据，可以得到机床可靠性指标。2.4 持续改进，实现可靠性增长数控机床的可靠性受多种因素的共同影响。高可靠性的实现决不是一蹴而就的事情。只有不断地寻找可靠性薄弱环节，持续地消除产品设计或制造中的缺陷，才是提高产品可靠性的惟一途径，上述过程称为可靠性增长。在产品研发初期，由于结构设计不合理、材料选择不合适、制造工艺不成熟、操作方式不正确以及管理维护不及时等原因，致使产品缺陷多、故障频繁、可靠度偏低。可靠性增长就是通过“试验-分析纠正-再试验-再分析-再纠正”的循环过程，不断暴露产品在设计、制造工艺以及使用维护等方面的缺陷，并加以改进，使产品可靠性不断提高。 可靠性增长是反复进行的循环过程，其中发现故障源是实现可靠性增长的关键和前提。发现故障源的途径包括数值计算、仿真分析、故障推理、产品历史数据、类似产品的经验数据、性能试验、环境试验、寿命试验、现场跟踪数据等。在发现故障源后，需要将所暴露的缺陷反馈给设计人员，以便制定改进措施，完成产品改进，并通过测试验证改进措施的有效性，直至产品达到可靠性设计目标。值得指出的是，应正确理解可靠性增长，主要注意以下几点：(1)可靠性试验本身并不能提高产品的可靠性。它只能用来暴露产品缺陷或得到产品性能数据。(2)简单地修理或更换零部件无法消除产品的薄弱环节，不能实现可靠性增长。(3)可靠性增长是不断改进的过程，只有通过改进，才能达到可靠性增长的目的。(4)改进措施是用来消除薄弱环节的，但改进措施本身也可能会引入新的薄弱环节，因此对改进措施本身也要进行试验验证。3数控技术、数控机床及可靠性技术概念阐释及可靠性指标3.1.数控技术简称数控（Numerical Control ）就是用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。它通常是对位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量的控制。3.2.数控机床数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。程序控制系统能够处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并且将其进行译码，用代码化的数字表示出来，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作使其按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。3.3.数控机床可靠性数控机床产品、数控系统在其规定的特有条件下及规定的时间内，完成规定功能的能力，称为数控机床可靠性。3.4.数控机床可靠性指标平均无故障时间MTBF、平均故障修复时间MTTR、可用度A。平均无故障时间（Mean Time Between Failure，简称 MTBF），是指产品从一次故障到下一次故障的平均时间。平均故障修复时间（Mean Time To Repair，简称MTTR)，是随机变量恢复时间的期望值。它包括确认失效发生所需的时间，和维护所需要的时间，获得配件的时间，维修团队响应的时间，记录所有任务的时间，还有将设备重新投入使用的时间，即指系统修复一次故障所需要的时间。它是衡量一个产品可靠性的指标，它的值越小说明该系统的可靠性越高。数控机床常用平均无故障时间MTBF作为可靠性的定量指标。4数控机床可靠性技术存在的必要性4.1数控机床市场的不断发展（需求）目前我国正处于工业化中期，即从解决短缺为主的开放逐步向建设经济强国转变，从脱贫向致富转变，煤炭、汽车、钢铁、房地产、建材、机械、电子、化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，构成了对机床市场尤其是数控机床的巨大需求。数控机床已成为机床消费的主流。我国未来数控机床市场巨大。近年来国产中档数控机床进步明显，但所占市场份额仍然不够大。由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。因此数控机床领域也将不断壮大和发展。数控机床的不断发展，从而使得对数控机床可靠性技术的研究成为十分必要。4.2机床故障率的偏高我国数控机床存在着自主开发能力薄弱，功能部件发展滞后，产品自动化水平低，可靠性、精度保持性差等突出问题。而这些突出问题使得数控机床的可靠性差，性能稳定性差，从而直接制约着我国数控机床的销售和发展。近几年虽然国产数控系统MTBF大都超过10000H，但国际上先进企业数控系统MTBF已达80000H，这表明我国与国际先进数控水平仍存在较大差距。同样地，虽然我国机床工业取得了较大进步，每年的产量达到了千台以上，但我国的机床大部分水平较低。一些用户对数控机床的故障还不能及时正确的判断和准确的排除故障，生产厂家的售后服务又存在很多不周之处从而使得国内数控机床系统开动率平均不高。巨大的市场需求，但是技术方面却又存在着很多不足，这样大量国外数控机床产品大量涌入，挤占我国大份额的市场，要想解决这一问题就要提高数控机床可靠性，那么对数控机床可靠性技术的分析和研究也就十分必要。 4.3数控机床可靠性技术的意义数控机床的可靠性，影响着数控机床的使用情况，影响着人们的使用信心，影响着我国数控机床市场的继续发展和持续稳定，影响着我国与国际水平的较量。提高数控机床的可靠性，不仅可以促进机床市场的持续稳定发展，更有利于改变我国机床工业的现状，实现民族装备制造业的振兴。5数控机床可靠性技术的研究5.1数控机床可靠性评定方法在提高数控机床可靠性的过程中，有来自使用现场和来自经验的数据之分。要跟据根据所获得的数据方法的不同，采用不同的评价方法。一般而论，数控机床可靠性的评定方法有以下几种。修正极大似然法和序贯压缩相结合的方法（法）指数寿命型串联系统的法指数寿命型单元产品在数控机床中应用十分广泛。指数寿命型串联系统的方法，其基本思想是先将指数寿命型单元转换为成败型单元，然后应用法和法对转换后的等效系统进行可靠性评估。基于信赖方法的数控机床可靠度的分析法信赖方法是求构件、子系统及系统可靠度的置信界限的一种近似方法。第一种的准确度较第二种更高,表明将数控机床的各个单元看成是成败型较指数型更合理;在数据充分的情况下,采用基于信赖方法的数控机床可靠度分析方法更为合理 结论 可靠性学科始于第二