基于FMECA的数控机床主轴系统故障分析

J u n 2 0 1 5 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e r i n g V 0 l 4 3 N o 1 2 H y d r o me c h a t r o n ic s E n g i n e e r i n g h t t p j d y q k s c q u t e d u o n E ma i l j d y g c y w 1 2 6 c o rn F a i l u r e a n a l y s i s f o r s p i n d l e s y s t e m o f CN C ma c h i n e t o o l s b a s e d o n F ME C A 一 t i e Z HANG L i d a Z HU 1 2 D e p a r t m e n t o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s J i l i n V o c a t i 0 nal C o l l e g e O fI n d u s t r y a n d T e c h n o l o g y J i l l n 1 3 0 0 1 3 C h i n a C o l l e g e o fMe c han i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g fl l i n U n i v e r s i t y C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2 Ab s t r a c t T h e s p i n d l e s y s t e m i s t h e k e y s u b s y s t e m o f C NC ma c h i n e t o o l s i t h a s l o t s o f f a i l u I e a n d h a s c o mD a s o n o f a s i n g l e f a i l u r e p h e n o me n o n Th e r e f o r e f a i l u r e p h e n o me n o n o f t e n c a n n o t b e u s e d t 0 f a i l u r e di a g n o s i s a n d t r o u b l e s h o o t i n g I n t h i s p a p e r F MECA a n a l y s i s me t ho d s wa s us e d t o d e t e r mi n e t h e f a i l u r le m0 d e a n d c a u s e s o f t h e c o mp o n e n t s o f t h e s p i n d l e s y s t e m o f CNC ma c h i n e t o o l s a n d f u r t h e r c a l c u l a t e t h e d a ma g e d e e e o f e a c h c o rn p o n e n t F i n a l l y t h e d a ma g e d e g r e e p r o v i d e s t h e r e f e r e n c e f o r e q ui pme n t r e p a i r s t r a t e g y Ke y wo r d s C NC Ma c h i n e t o o l s F ME C A S p i nd l e s y s t e m d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 2 0 2 4 D o c u me n t c o d e A C L C n um b e r T H 1 7 1 I nt ro duc t i o n CNC ma c h i n e t o o l s i s a c o mp l e x r e p a i r a bl e s y s t e m 1 s p i n d l e s y s t e m i s t h e k e y s u b s y s t e m s o f C N C ma c h i n e t o o l s T h e p e r f o r ma n c e o f s p i n d l e s y s t e m d i r e c t l y a f f e c t s t h e p e rfo rm a n c e o f t h e ma c h i n e s a n d t h e mo t i o n a c c u r a c y d i r e c t l y a f f e c t s ma c h i n i n g a c e u r a c y Whe n t h e s p i n d l e s y s t e m f a i l s i t ha s l o t s o f f a i l u r e a n d ha s c o mp a ris o n o f a s i n g l e f a i l u r e p h e n o me n o n Th e c o mmo n f a i l u r e i nc l u d e n o t t u r n t h e s p i n d l e s p i n d l e j o g n o t A T C s e r v o a l a r m P L C a l a r m h y d r a u l i c s y s t e m a l a r m l a c k o f p r e c i s i o n s p i n d l e n o i s e c r a s h e s e t c T h e f a i l u r e ma y b e s t r u c t u r a l d e s i g n p r o b l e ms o p e r a t i o n a l p r o b l e ms p r o g r a mmi n g p r o b l e ms a n d ma i n t e n a n c e p r o b l e ms Th e f a c t o r s c a u s i n g t h e f a i l u r e a r e c o mp l e x a n d i n v o l v e ma n y t e c h n o l o g i e s s o t h e b a s i s o f f a u l t d i a g n o s t i c s a n d t r o u b l e s h o o t i n g c a n n o t i s t h e s i mp l y S y mp t o m T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s p i n d l e s y s t e m f a i l u r e a r e mo r e v a r i e t v t r o u b l e s h o o t i n g d i f fic u l t t h u s s t u d y f a i l u r e mo d e s a n d Re c e i v e d 1 D e c e mb e r 2 0 1 4 r e v i s e d 1 2 F e b r u a r y 2 0 1 5 a c c e p t e d 1 Ma r c h 2 0 1 5 C o r r e s p o n d i n g a u t h o r L i t i e Z HA NG As s o c i a t e p r o f e s s o r P o s t g r a d u a t e E ma i l Z h a n g l i t i e 1 9 6 7 1 6 3 c o n c a u s e s o f f a i l u r e t o d e t e rm i n e t h e e x t e n t o f d a ma g e e a c h c o mp o n e n t p a rt wh i c h h a s t a r g e t e d t h e e s t ab 1 i s h me n t o f CNC s pi n d l e r e pa i r s t r a t e gy i s i mp o r t a n t FMECA i s Fa i l u r e Mo d e s Ef f e c t s a nd Crit i c a l i t v A n a l y s i s i n c l u d i n g f a u l t mo d e a n d e f f e c t a n aly s i s F M E A a n d H a z a r d A n a l y s i s C A F ME C A i s a b o t t o m u D s u mma r i z e d a n a l y s i s me t h o d wh i c h i s c l a s s e d b y t h e s e v e rit y o f t h e f a i l u r e mo d e a n d p r o ba b i l i t y o f o c c u r r e n c e o f t h e f a i l u r e 2 T h e u s e o f FM ECA i s f o u n d t h e we a k l i n k o f pr o du c t i o n t h a t i n c l u d e i n p r o d u c t i o n d e s i gn p r o d u c t a n d o p e r a t e F ME C A c a n a l s o p r o v i d e e v i d e n c e fo r R r e l i a b i l i t y M m a i n t a i n a b i l i t y S s e c u ri t y T t e s t a b i l i t y S p r o t e c t i o n o f p r o p e r t y F ME C A i s a n i m p o r t a n t me t h o d i n ma n y o f e n g i n e e rin g t h a t u s e d t o r e l i a b i l i t y d e s i gn d e s i gn o p t i mi z a t i o n a n d f a i l u r e a n aly s i s Fo r e x a mp l e i mp r o v e d FMECA i s u s e d t o a n a l y s i s t h e d a n g e r s o f t h e C NC t o o l p o s t 3 4 I n t hi s p a pe r s t u d i e s us i n g q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f f a i l u r e mo d e s o c c u r r e d a c t u a l l y t h e c a u s e a n d i t s i m p a c t d u ri n g u s e o f t h e s p i n d l e s y s t e m o f t h e C NC ma c h i n e t o o l s F MECA a n a l y s i s me t h o d i s u s e d t o d e t e r mi n e t he e x t e n t o f d a ma g e o f t h e c o mp o n e nt s o f t he s p i n d l e s y s t e m F i n a l l y FMECA a n a l y s i s me t h o d p r o v i d e s t h e e v i d e n c e for t h e ma i n t e n a n c e s t r a t e g y o f t h e s pi n d l e s y s t e m F a i l u r e a n a l y s i s f o r s pi n dle s y s t e m o f CNC ma c h i n e t o o l s b a s e d o n FMECA 1 37 2 A s p i n d l e s y s t e m f a i l u r e a n a l y s i s I n t h i s pa p e r s t u d i e s b y 1 7 CNC ma c h i n e t o o l s we o b t a i n e d t h e r e l e v a n t ma i n t e n a n c e i n f o r ma t i o n o f t h e s p i n d l e s y rs t e m o f CNC ma c hi n e t o o l t o o l s b a s e d o n t h e c o l l a t e d a t a o f 5 y e a r s o f ma i n t e n a n c e i n f o r ma t i o n T h e s p i n d l e s y s t e m f a i l u r e i s a n a l y s e s o n t h e b a s i s o f t h e c o l l a t e d a t a 2 Fa u l t l o c a t i o n a n a l y s i s Af t e r a n a l y s i s f a u l t l o c a t i o n a n d f r e q ue n c y s p i n d l e s y s t e m a r e s h o wn i n Ta b l e 1 An a l y s i s o f t h e d a t a i n Ta b l e 1 ba s e d o n t he di v i d i n g t h e s t and a r d o f t h e f a i l u r e p r o b a b i l i t y l e v e l T a b l e 2 c a n o b t a i n s t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s Ta b l e 1 F a ult l o c a t i on a nd f r e qu e n c y o f a s p i n d l e s y s t em 3 Th e p r o p o r t i o n o f f a i l u r e o f t h e s e r v o s y s t e m a n d t h e P MC w e r e 9 4 9 1 t h e f a i l u r e l e v e l i s g r a d e C t h a t o c c u r s o c c a s i o n all y 2 2 Fa i l u r e mo d e a n d c a u s e a n a l y s i s A f t e r a n a l y s i s ab o v e ma i n t e n a n c e d a t a f a i l u r e mo d e o f t h e s p i nd l e s y s t e m a s s h o wn i n Tab l e 3 F r o m t h e a n a l y s i s o f T a b l e 3 t h e ma i n t h r e e k i n d o f s p i n d l e s y s t e m f a u h mo d e i s t h e t o o l t o o t i g h t e n b u t c a n n o t l o o s e c u t t e r h o l de r i s n o t t i g h t a n d S p i n d l e p o i n t mo v e Th e t h r e e f a u l t mo d e s a c c o u n t e d for 5 5 8 o f t h e t o t a 1 Of t h e e n t i r e f a u h mo d e t h e t o o l t o t i g h t e n b u t c a n n o t l o o s e o c c u r s mo s t f r e qu e n t l y a c c o un t s f o r ab o u t 2 7 3 o f t h e t o t a l f a u l t F r o m Ta b l e 4 a g i n g s t u c k a n d l o o s e i s t h e ma i n c a u s e o f f a i l u r e t h e c a u s e o f t h e t h r e e 3 8 2 o f t he t o t a 1 Fa i l u r e s c a u s e d b y s c r a t c h t h e g a p i s t o o l a r g e t he g a p i s t o o s ma l l a r e f e we r F a u l t p a r t s F a u h f r e q u e n c y T a b I e 3 S p i n d l e s y s t e m f a u l t mo d e a n d f r e q u e n c y S p i n d l e s y s t e m Pn e u ma t i c s y s t e m S e r v o s y s t e m De t e c t i o n s y s t e m P MC l 1 47 3 9 4 2 3 2 9 1 Ta b l e 2 F a ult p r ob a b i l i t y gr a di n g s t a nd a r d s F a u l t p r o b a b i l i t y s t a n d a r d s F a u l t f r e q u e n c y A l e v e l一0f t e n B l e v e 1 S o me t i me s C l e v e l B y a c c i d e n t D l e v e l Ra r e E l e v e l F e w 2 0 1 O 一2 0 1 一1 O 0 1 一1 d e t e c t i o n s y s t e m C R l 0 0 0 0 7 3 8 P MC C R 5 0 0 0 0 5 0 3 S e r v o s y s t e m C R 3 0 0 0 0 5 0 4 V R C F a i l u r e a na l y s i s f o r s p i n d l e s y s t e m o f CNC ma c h i n e t o o l s b a s e d o n F MECA 1 3 9 4 Co nc l us i o ns I n t h i s p a p e r we a n a l y s i s t h e f a i l u r e mo d e s t h e f a i l u r e c a u s e o f s p i n d l e s y s t e m a n d t h e c r i t i c a l i t y of t h e c o mp o n e n t s b y u s i n g F ME C A me t h o d C a s e s t u d y s h o we d t h a t t he h i g h e s t c rit i c a l i t y i s p n e u ma t i c s y s t e m a n d t h e s e c o n d c rit i c a l i t y i s d e t e c t i o n s y s t e m Th u s i t i s n e c e s s a r y t o r o u t i n e ma i n t e n a n c e W e c a n t a k e pr e v e n t i v e ma i n t e n a n c e s t r a t e g y t h e me c h a n i c al s t r u c t u r e o f t h e s p i n d l e mu s t b e s t r e n g t h e n e d t h e r o u t i n e ma i n t e n a n c e a n d i ns p e c t i o n s e r v o s y s t e ms a n d PMC ma i n t e na n c e s t r a t e gy c a n b e ma i n t e n a n c e a f t e r wa r d s Ref e r enc e s 1 S H E N G u i x i a n g S H A O N a Z h a n g Y i n g z h i e t a 1 R e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n o f n ume r i c a l l y c o n t r o l l e d ma c h i n e t o o l ba s e d o n e x t e n i c s t h e o r y l J 1 J o u r n al o f J i l i n U n i v e r s i t y E n g i n e e ri n g a n d T e c h n o l o g y E d i t i o n