加工中心故障模式的可靠性分析*

楊志偉,任工昌,孟勃敏

(陜西科技大學機電工程學院,西安 710021)

加工中心故障模式的可靠性分析*

楊志偉,任工昌,孟勃敏

(陜西科技大學機電工程學院,西安 710021)

根據(jù)采集的加工中心的故障數(shù)據(jù),對加工中心的故障模式、故障部位及故障原因進行了故障分析。統(tǒng)計出各個子系統(tǒng)發(fā)生故障的概率,找出了故障發(fā)生的高頻子系統(tǒng),并深入對故障最頻繁的CNC子系統(tǒng)進行了故障模式和故障原因的研究分析。在故障模式及影響分析的基礎上對整機進行了危害度分析,通過危害度分析獲得了影響加工中心可靠性的關(guān)鍵子系統(tǒng)及部件,確定了加工中心的可靠性薄弱環(huán)節(jié),為加工中心進行可靠性設計提供了依據(jù)。

加工中心；故障模式；危害度；可靠性

0 引言

絕大多數(shù)的故障分析都要以大量的故障信息為基礎,對產(chǎn)品進行可靠性的故障分析,更重要的是為了提高產(chǎn)品的可靠性。通過對產(chǎn)品的各個重要組成部分進行故障分析,可以獲得產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié),找到影響產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵部位,為設計、制造部門的改進設計提供參考依據(jù)[1]。本文以某機床廠生產(chǎn)的加工中心為研究對象,根據(jù)長期跟蹤收集的加工中心在實際使用過程中的故障數(shù)據(jù),對這些故障數(shù)據(jù)進行了多方面的故障分析及對各個子系統(tǒng)進行危害度分析。

1 加工中心整機故障模式、故障部位及故障原因的分析

1.1 故障模式分析

在分析產(chǎn)品故障時,一般從產(chǎn)品的故障模式入手,通過故障模式找出故障原因和故障機理,故障模式不僅是故障原因分析的依據(jù),也是進行可靠性設計的基礎。

從表1故障模式頻率表和圖1故障模式頻率直方圖可以看出,該加工中心最頻繁的故障模式為:零、部件損壞(26.5%)、數(shù)據(jù)程序丟失(11.8%)、元器件損壞(11.8%)其中損壞型故障占47%；狀態(tài)型故障占26.4%；失調(diào)型故障占14.6%。由上可以看出,損壞型的故障模式是最常發(fā)生的,應特別給予重視。

表1 故障模式頻率表

圖1 故障模式頻率圖

1.2 故障部位分析

為了摸清加工中心整機故障發(fā)生部位的情況,有必要在故障模式分析的基礎上通過故障現(xiàn)象等數(shù)據(jù)對加工中心深入進行故障部位的分析,從而獲得故障發(fā)生的關(guān)鍵部件。

由故障部位頻率表2和故障部位頻率直方圖2可以分析得出該加工中心的故障發(fā)生最頻繁的部位為:CNC系統(tǒng)(23.5%)、刀庫(17.6%)、電氣系統(tǒng)(11.8%)等。

表2 故障部位頻率表

圖2 故障部位的頻率圖

通過以上數(shù)據(jù)的分析,我們可知:

(1)CNC系統(tǒng)是發(fā)生故障最為頻繁的部位,該部位的故障明顯高于其它部位,CNC系統(tǒng)在數(shù)控機床中具有極其重要的地位,但該部位故障率最高,所以應該高度重視,只有CNC系統(tǒng)的可靠性提高了,才能保證整個加工中心的可靠性有所提高。

(2)刀庫發(fā)生故障的頻率占第二位,刀庫的故障主要是由于無法換刀和刀庫故障等,大多是由于刀庫失調(diào)和零部件的損壞引起的,所以在日常使用中應該注意加強維護。

(3)電氣系統(tǒng)的故障也比較多,占第三位。主要是手輪零部件的損壞以及部分按鈕的損壞,該部位的故障將會導致加工中心無法正常使用,需加強日常的維護,從而提高該加工中心的可靠性。

1.3 故障原因分析

在進行加工中心的可靠性的研究中,僅僅研究分析其發(fā)生的模式不能解決根本的問題,必須深入研究分析其發(fā)生故障的原因,故為了使加工中心的可靠度有實質(zhì)性的提高,就必須分析產(chǎn)生每個故障的原因,這樣才能更加準確的分析出故障發(fā)生的機理,對此采取有利的措施,減少加工中心的故障發(fā)生率。

表3 故障原因頻率表

由故障原因頻率表3和故障原因頻率直方圖3可以看出,加工中心最頻繁的故障原因是零部件損壞(17.6%)、CNC 參數(shù)錯 (14.7%)、失調(diào)(14.7%)、磨損(11.7%)等。應對這些故障原因給予重視,并采取相應的措施來提高加工中心的可靠性。

圖3 故障原因頻率圖

2 加工中心子系統(tǒng)的故障分析

由上述對加工中心整機故障部位的分析可知,該加工中心故障頻率最高的4個子系統(tǒng)分別是:CNC系統(tǒng)、刀庫、電氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),為了提高加工中心整機的可靠性,有必要對故障高頻的子系統(tǒng)進行故障模式、故障影響及故障原因的分析。限于篇幅,本文以故障最頻繁的CNC系統(tǒng)為例做進一步的深入分析。

表4 CNC系統(tǒng)故障模式頻率表

圖4 CNC系統(tǒng)故障模式比重圖

由CNC系統(tǒng)故障模式頻率表4和故障模式比重圖4可以看出CNC系統(tǒng)最頻繁的故障模式是數(shù)據(jù)程序丟失和性能參數(shù)下降,各占該子系統(tǒng)所有故障模式的25%,這兩種故障模式是CNC系統(tǒng)的主要故障模式。

表5 CNC系統(tǒng)故障原因頻率表

由CNC系統(tǒng)故障原因頻率表5和故障原因比重圖5可以看出,CNC系統(tǒng)的故障原因主要有系統(tǒng)的故障(37.5%)和CNC參數(shù)錯(25%)。

圖5 CNC系統(tǒng)故障原因比重圖

3 加工中心的危害度分析

為了深入了解加工中心的故障發(fā)生機理,查明每種故障模式對子系統(tǒng)及整個加工中心的可靠性影響,有必要對其進行危害度分析,獲得影響加工中心可靠性的薄弱環(huán)節(jié),以便進行可靠性改進設計[2]。

零部件i以故障模式j發(fā)生故障致使該零部件發(fā)生故障的危害性CRij,其計算公式為[3-4]:

零部件i對整機的危害度為:

綜合以上二式可得:

式中:n——零部件 i出現(xiàn)的故障模式的種類數(shù)；αij——嚴重性級別,零部件i以故障模式 j而引起該零部件發(fā)生故障的故障模式概率。計算公式為:

其中:nj——零部件i第j種故障模式出現(xiàn)的次數(shù)；ni——零部件i全部故障模式發(fā)生的總次數(shù)；βij—— 嚴重度,即零部件i以故障模式j發(fā)生故障造成該零件損傷的概率,國標草案將此稱為喪失功能的條件概率,其值如下[5-6]:

βij=1,表示該件肯定發(fā)生損傷；

βij=0.5,表示該件可能發(fā)生損傷；

βij=0.1,表示該件很少發(fā)生損傷；

βij=0,表示該件無影響。

λi——零部件i的基本故障率(可取平均故障率ˉλ i),計算公式 為 :

經(jīng)過計算得各個子系統(tǒng)的危害度CRi,并將其相關(guān)數(shù)據(jù)加于整理,得出如表6所示:

表6 加工中心部件危害度表

由表6分析可知,CNC系統(tǒng)的危害度最高,對該加工中心的可靠性的影響最大,是加工中心可靠性的關(guān)鍵部位,CNC系統(tǒng)、刀庫和電氣系統(tǒng)是該系列加工中心最為薄弱的環(huán)節(jié),應對這些系統(tǒng)重點進行可靠性改進設計。

4 結(jié)束語

根據(jù)現(xiàn)場采集的加工中心故障數(shù)據(jù),通過對加工中心的整機進行故障模式、故障部位以及故障原因的分析,得出影響該系列加工中心主要的故障模式是零部件損壞、數(shù)據(jù)程序丟失和元器件損壞；發(fā)現(xiàn)CNC系統(tǒng)是該系列加工中心發(fā)生故障最為頻繁的子系統(tǒng)；對該加工中心的故障原因進行分類,得出影響該系列加工中心的主要原因是零部件損壞、CNC參數(shù)錯、失調(diào)和磨損。并進一步對故障發(fā)生頻率最高的CNC子系統(tǒng)進行了故障模式、故障影響及故障原因的研究分析,最后對整機各個子系統(tǒng)進行了危害度分析,得出了各個子系統(tǒng)的危害度,確定該系列加工中心的薄弱環(huán)節(jié),得出CNC系統(tǒng)的危害度最高,是影響該系列加工中心可靠性的關(guān)鍵子系統(tǒng)。

[1]唐珂.數(shù)控沖床可靠性關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長春:吉林大學,2006.

[2]張海波,賈亞洲,周廣文,等.數(shù)控系統(tǒng)故障模式、影響及危害度分析[J].中國機械工程,2004,15(6):491-494.

[3]肖俊,胡偉,魯志政,等.數(shù)控車床故障率的可靠性分析[J].現(xiàn)代制造工程,2006(12):34-36.

[4]賈志新,艾冬梅,賈亞洲,等.數(shù)控車床致命性分析[J].機床與液壓,2000(4):81-83.

[5]王昕,呂長松.數(shù)控車床故障分析與提高可靠性的措施[J].機床與液壓,2008,36(9):163-166.

[6]湯本金.提高國產(chǎn)數(shù)控車床可靠性的對策[J].中國制造業(yè)信息化,2003,32(8):129-131.

Reliability Analysis of Failure Mode for Machining Center

YANG Zhi-wei,REN Gong-chang,MENG Bo-min
(Institute of Electrical and Mechanical Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi'an 710021,China)

According to the failure data of acquisition the machining center,the failure of machining center is analyzed from failure mode,failure part and failure reason.The failure probability of every subsystem is counted,to find out the subsystems of the high-frequency failure.Failure mode and failure reason are analyzed deeply for the most frequent failure of the CNC subsystems.Based on analysis on the failure mode and influence,was made the criticality analysis on the complete machine.Through the criticality analysis to obtained the key subsystems and parts of the reliability influencing processing center,to determine the reliability weak links of the machining center,so as to provide basis for the reliability design of machining center.

machining center；failure mode；criticality；reliability

TH16

A

1001-2265(2011)10-0010-03

2011-03-29；

2011-04-13

國家“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項(2009ZX04001-014)

楊志偉(1986—),男,江西南昌人,陜西科技大學機電工程學院碩士研究生,研究方向為數(shù)控機床的可靠性研究,(E-mail)bluememorysky@163.com。

(編輯 趙蓉)