數(shù)控機(jī)床早期故障消除技術(shù)

范秀君 許靜林 張根保 許 智

1.重慶大學(xué)，重慶，400044 2.北京航空航天大學(xué)，北京，100191

0 引言

數(shù)控機(jī)床的使用初期是影響其可靠性的主要階段，將這一時(shí)期內(nèi)的故障消滅在制造企業(yè)內(nèi)部對(duì)提高數(shù)控機(jī)床可靠性具有重要意義。從20世紀(jì)60年代初普羅尼科夫［1］通過(guò)研究機(jī)床工作性能的變化建立多種機(jī)床故障模型起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了長(zhǎng)期的探究并取得了大量的成果：Keller等［2］將模糊數(shù)學(xué)引入數(shù)控機(jī)床故障數(shù)據(jù)處理過(guò)程，以定量方式處理了模糊不確定性問(wèn)題；Rao等［3］利用機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，擬合了機(jī)床故障分布規(guī)律并獲取了機(jī)床薄弱環(huán)節(jié)；Nelson［4］在統(tǒng)計(jì)模型、可靠性試驗(yàn)剖面和數(shù)據(jù)采集與分析等方面亦開(kāi)展了大量的研究工作。在國(guó)內(nèi)，吉林大學(xué)、重慶大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等院校在機(jī)床可靠性建模、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)、試驗(yàn)、維修等方面取得了一系列的進(jìn)展［5－7］。

然而，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)在可靠性方面仍存在較大的問(wèn)題［8］，具體表現(xiàn)在：①企業(yè)人員缺乏可靠性意識(shí)，認(rèn)為可靠性投入大、見(jiàn)效慢，因此，鮮有企業(yè)開(kāi)展可靠性工作；②缺少提高產(chǎn)品可靠性的技術(shù)和方法，部分企業(yè)雖認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品可靠性的重要性，力求從可靠性方面著手提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力，然而卻苦于“無(wú)計(jì)可施”；③可靠性在國(guó)內(nèi)起步較晚，機(jī)床產(chǎn)品的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，嚴(yán)重制約了可靠性工程在機(jī)床行業(yè)的發(fā)展。

在上述背景下，本文以某臥式加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)為例，系統(tǒng)地提出了消除其早期故障的技術(shù)和方法，該方法同樣適用于其他類(lèi)型機(jī)床的早期故障消除過(guò)程。

1 早期故障建模及其拐點(diǎn)分析

大量實(shí)踐表明，在機(jī)床壽命周期內(nèi)，其故障率和時(shí)間的關(guān)系表現(xiàn)為一種類(lèi)似于“浴盆”形狀的曲線(xiàn)［9］，如圖1所示。機(jī)床在使用初期故障頻發(fā)，而運(yùn)行一定時(shí)間后，其故障率逐漸趨于穩(wěn)定，這兩個(gè)階段分別稱(chēng)之為早期故障期和偶然故障期，兩者間的臨界狀態(tài)則稱(chēng)之為拐點(diǎn)。在早期故障期和偶然故障期內(nèi)故障發(fā)生的類(lèi)型和作用機(jī)理不同，故障分布模型亦不同。文獻(xiàn)［10］采用二重威布爾分段函數(shù)建立了數(shù)控車(chē)床產(chǎn)品的故障率分布模型，本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了機(jī)床產(chǎn)品早期故障時(shí)間的確定方法及數(shù)學(xué)模型。

圖1 數(shù)控機(jī)床故障率曲線(xiàn)

將機(jī)床出廠(chǎng)后的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間t分為兩個(gè)區(qū)間，t0為拐點(diǎn)，t≤t0為早期故障期，t＞t0為偶然故障期，則二重威布爾分段模型可表示為

式中，R（t）為可靠性函數(shù)；k為權(quán)系數(shù)；α1、α2、β1、β2為二重威布爾分布函數(shù)的參數(shù)。

由式（1）可以得到其概率密度函數(shù)為

利用極大似然法對(duì)式（2）進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，進(jìn)而可以確定其參數(shù)的表達(dá)式：

式中，n為樣本容量。

分別將早期故障期和偶然故障期的故障時(shí)間代入式（3），即可確定參數(shù)α1、α2、β1、β2的值。

由于浴盆曲線(xiàn)是連續(xù)的平滑曲線(xiàn)，故在拐點(diǎn)處兩分段函數(shù)的可靠度值和概率密度函數(shù)值相等，即有

將式（1）代入式（4），式（2）代入式（5），則有

進(jìn)一步簡(jiǎn)化可得

從而確定了故障率曲線(xiàn)的拐點(diǎn)t0和二重威布爾分段模型，t0即為數(shù)控機(jī)床的早期故障時(shí)間。

2 早期故障的成因及消除機(jī)理

2.1 早期故障的成因分析

機(jī)床產(chǎn)品功能得以實(shí)現(xiàn)是多個(gè)過(guò)程共同作用的結(jié)果，其早期故障的形成亦與這些過(guò)程中存在的缺陷有關(guān)。設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的缺陷主要包括：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，材料選擇不合理，外購(gòu)件選型不當(dāng)，缺少可靠性建模、預(yù)計(jì)、分配及整機(jī)可靠性匹配設(shè)計(jì)過(guò)程，缺少結(jié)構(gòu)應(yīng)力均衡性分析、機(jī)床動(dòng)靜態(tài)特性分析過(guò)程，缺少零部件及整機(jī)可靠性設(shè)計(jì)、機(jī)電參數(shù)匹配設(shè)計(jì)、電磁抗干擾設(shè)計(jì)過(guò)程等。在加工制造階段，零部件加工精度不一致、熱處理過(guò)程不一致、基礎(chǔ)鑄件殘余應(yīng)力控制不一致、加工材料不一致、操作環(huán)境一致性差、測(cè)量和過(guò)程檢驗(yàn)控制不一致、加工設(shè)備狀態(tài)不穩(wěn)定、加工工藝紀(jì)律執(zhí)行差等因素是加工過(guò)程中存在缺陷的主要原因；在裝配階段，裝配工藝不合理、裝配過(guò)程一致性控制差（特別是裝配應(yīng)力的控制）、裝配環(huán)境清潔度控制不穩(wěn)定等因素使裝配后的產(chǎn)品存在各種缺陷；在可靠性試驗(yàn)階段，缺少機(jī)床功能部件及整機(jī)的可靠性試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備、缺少可靠性評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)是試驗(yàn)過(guò)程中存在的主要缺陷。此外，早期故障的形成亦與機(jī)床運(yùn)輸過(guò)程、實(shí)地安裝調(diào)試過(guò)程、用戶(hù)使用過(guò)程有關(guān)。新產(chǎn)品早期故障的形成與上述過(guò)程密不可分，對(duì)于成熟的產(chǎn)品而言，設(shè)計(jì)過(guò)程的缺陷對(duì)其可靠性影響較小，加工、裝配、調(diào)試等過(guò)程的一致性問(wèn)題對(duì)其可靠性影響較大。圖2為某型號(hào)加工中心各階段在早期故障的成因的比重圖。

圖2 各階段在早期故障成因的比重

2.2 早期故障的消除機(jī)理

機(jī)床產(chǎn)品的可靠性首先決定于設(shè)計(jì)過(guò)程，其次是制造過(guò)程，兩者共同決定了機(jī)床的固有可靠性。機(jī)床早期故障的成因所處的階段不同，消除的機(jī)理亦有不同。在設(shè)計(jì)階段，采取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)并行實(shí)施的方式，利用對(duì)相似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品故障的可靠性分析結(jié)果，修正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷和可靠性模型，利用功能部件及整機(jī)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)［11］（reliability enhancement test，RET）激發(fā)機(jī)床潛在故障并根據(jù)故障的分析結(jié)果有針對(duì)性地提出設(shè)計(jì)改進(jìn)建議，通過(guò)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，最終實(shí)現(xiàn)消除機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷、滿(mǎn)足設(shè)計(jì)可靠性要求的目標(biāo)。在制造階段，由于加工和裝配過(guò)程產(chǎn)生的故障難以被發(fā)現(xiàn)，通常是以故障形式反映在機(jī)床安裝調(diào)試和用戶(hù)使用過(guò)程中的，給機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)和用戶(hù)均造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，機(jī)床在出廠(chǎng)前需要進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)（environmental stress screen，ESS）或高加速環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)（highly accelerated stress screen，HASS），以暴露制造過(guò)程中存在的各種問(wèn)題［11］，通過(guò)制定加工和裝配過(guò)程一致性控制措施，達(dá)到消除制造過(guò)程中的缺陷、保證機(jī)床的制造可靠性的目的。機(jī)床外購(gòu)件的可靠性對(duì)整機(jī)的可靠性有很大的影響，通過(guò)制定供應(yīng)商可靠性保障管理體系和外購(gòu)件入廠(chǎng)可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)的方式加強(qiáng)對(duì)供應(yīng)商的控制和管理，避免將外購(gòu)件的質(zhì)量缺陷帶入機(jī)床產(chǎn)品的制造過(guò)程。由于受到技術(shù)水平和試驗(yàn)手段的約束，早期故障無(wú)法在機(jī)床出廠(chǎng)前得到完全消除，部分早期故障會(huì)發(fā)生在使用過(guò)程中，對(duì)于這部分早期故障，消除的方法是：通過(guò)故障模式、故障原因和故障機(jī)理的分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性，最終將這些改進(jìn)措施落實(shí)到后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。

因此，可以認(rèn)為：機(jī)床產(chǎn)品早期故障的消除機(jī)理是以可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)、加工和裝配過(guò)程一致性控制技術(shù)為理論基礎(chǔ)，以可靠性試驗(yàn)技術(shù)為激發(fā)手段，以可靠性管理技術(shù)為保障，通過(guò)提出和實(shí)施改進(jìn)措施以達(dá)到消除設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中存在的缺陷為目的的消除故障的過(guò)程。

3 早期故障消除技術(shù)體系

早期故障消除技術(shù)體系框架如圖3所示，其中實(shí)線(xiàn)代表早期故障消除技術(shù)實(shí)施流程，虛線(xiàn)代表信息傳遞關(guān)系。早期故障消除技術(shù)按實(shí)施階段可劃分為故障信息收集、故障分析、可靠性試驗(yàn)、故障消除4個(gè)階段。

3.1 故障信息收集階段

機(jī)床故障信息和運(yùn)行狀態(tài)信息是其功能特性狀態(tài)的直接反映，是實(shí)施早期故障消除技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)。對(duì)于正在設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品，首先收集提取與其具有相似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的故障信息，分析在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中是否存在相同的設(shè)計(jì)缺陷，避免同樣的問(wèn)題在不同型號(hào)機(jī)床的設(shè)計(jì)過(guò)程中重復(fù)出現(xiàn)。建立機(jī)床故障及其運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫(kù)是全面、準(zhǔn)確收集故障信息的有效方式。故障信息主要包括：產(chǎn)品型號(hào)、生產(chǎn)日期、故障時(shí)間、故障部位、故障模式、故障原因、故障處理情況和維修起止時(shí)間等。機(jī)床故障與其載荷和工況具有相關(guān)性，有必要收集機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)信息，包括機(jī)床載荷信息、工況信息（環(huán)境狀態(tài)），可以通過(guò)建立機(jī)床載荷譜和工況譜的形式獲取。在實(shí)施過(guò)程中所涉及的軟硬件技術(shù)，筆者在文獻(xiàn)［12］中進(jìn)行了論述。

3.2 故障分析階段

機(jī)床產(chǎn)品的故障可概括為功能故障和性能故障兩類(lèi)。所謂功能故障是指產(chǎn)品喪失完成特定功能的能力。性能故障是指發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)品表現(xiàn)出性能指標(biāo)迅速衰退現(xiàn)象。故障分析階段應(yīng)涵蓋四部分內(nèi)容：產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力均衡分析、故障樹(shù)分析（fault tree analysis，F(xiàn)TA）、故障模式影響及危害度分析（failure modes and effects analysis，F(xiàn)MECA）。

分析產(chǎn)品故障原因和產(chǎn)生機(jī)理首先要進(jìn)行產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)分析。將產(chǎn)品按照“整機(jī)－部件－組件－零件”的順序進(jìn)行分解，利用可靠性建模方法建立產(chǎn)品零部件與功能實(shí)現(xiàn)的邏輯關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)到功能的映射。產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容是建立產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)圖，以便在進(jìn)行故障分析時(shí)能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位和發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患。

圖3 早期故障消除技術(shù)體系框架圖

性能故障（如精度快速衰退）是機(jī)床類(lèi)產(chǎn)品易發(fā)性故障，需要從機(jī)床運(yùn)動(dòng)副受力、鑄件殘余應(yīng)力、熱變形、裝配應(yīng)力、機(jī)床靜動(dòng)態(tài)特性方面進(jìn)行分析，通過(guò)建立機(jī)床物理數(shù)學(xué)模型并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行仿真，分析機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)力的不均衡點(diǎn)，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)、熱源以及加工和裝配工藝，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)力均衡設(shè)計(jì)。

FTA、FMECA是可靠性工程技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。FTA以故障事件作為頂事件，按照“從上到下”的原則進(jìn)行原因分析，最終建立故障與設(shè)計(jì)、制造和使用過(guò)程中的缺陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從物理失效的角度研究故障的失效機(jī)理，從而有針對(duì)性地提出改進(jìn)措施。FMECA的核心是對(duì)故障影響作出判斷并確定嚴(yán)酷度級(jí)別，分析潛在故障發(fā)生的物理參數(shù)類(lèi)型并確定其檢測(cè)方法和判斷標(biāo)準(zhǔn)，以此作為可靠性試驗(yàn)和仿真中的應(yīng)力參數(shù)類(lèi)型和水平的參考。

3.3 可靠性試驗(yàn)階段

可靠性試驗(yàn)階段包括可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)建模與仿真、試驗(yàn)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)四部分內(nèi)容。

在可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中需要確定試驗(yàn)時(shí)間、故障判據(jù)、應(yīng)力類(lèi)型和水平、綜合試驗(yàn)剖面、試驗(yàn)監(jiān)控項(xiàng)等內(nèi)容。其中，試驗(yàn)時(shí)間可依據(jù)浴盆曲線(xiàn)的拐點(diǎn)確定，在試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用允許的條件下盡可能充分地暴露全部早期故障；故障判據(jù)應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)書(shū)中的性能指標(biāo)和精度指標(biāo)確定；應(yīng)力類(lèi)型和水平、綜合試驗(yàn)剖面的建立應(yīng)參考機(jī)床實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)信息和FMECA的分析結(jié)果；試驗(yàn)監(jiān)控項(xiàng)主要根據(jù)故障原因分析的結(jié)果進(jìn)行選擇，如力、溫度、濕度、電壓、液壓、油液清潔度、氣體清潔度等，這些機(jī)床狀態(tài)信息的提取可以通過(guò)建立試驗(yàn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于目前無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提取的參數(shù)，例如油液滲漏等變化緩慢且難以測(cè)量的物理參數(shù)，可通過(guò)人工定時(shí)觀察記錄的方式獲取。

機(jī)床產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、成本高，在試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行建模和仿真，是降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、提高試驗(yàn)效率的有效途徑。進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的原則是在不改變故障機(jī)理的前提下，最大程度地激發(fā)出產(chǎn)品的潛在故障。根據(jù)可靠性試驗(yàn)方案中所施加的應(yīng)力類(lèi)型和機(jī)床工作狀態(tài)建立物理數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真，模擬分析試驗(yàn)激發(fā)的故障，判斷其失效機(jī)理是否改變，最終達(dá)到優(yōu)化試驗(yàn)方案的目的，其分析方法與機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)力均衡分析近似。

在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)品發(fā)生故障后應(yīng)立即停機(jī)，結(jié)合機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)信息，運(yùn)用3.2節(jié)的故障分析技術(shù)進(jìn)行故障原因和故障機(jī)理的分析；在故障機(jī)理未發(fā)生改變時(shí)，應(yīng)對(duì)故障進(jìn)行修復(fù)后繼續(xù)試驗(yàn)，并將故障信息和改進(jìn)措施存入故障信息庫(kù)作為機(jī)床的設(shè)計(jì)支持信息。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)仍未有效激發(fā)出故障，則認(rèn)為可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程存在缺陷，應(yīng)調(diào)整試驗(yàn)方案和試驗(yàn)參數(shù)重新進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，利用可靠性評(píng)估方法對(duì)正常工況下運(yùn)行的產(chǎn)品可靠性進(jìn)行評(píng)估。

3.4 故障消除階段

機(jī)床產(chǎn)品早期故障的消除過(guò)程是一系列可靠性技術(shù)工作共同作用的結(jié)果，需要通過(guò)可靠性管理技術(shù)加以保障才能徹底地將早期故障消滅于企業(yè)內(nèi)部。因此，可以說(shuō)故障消除技術(shù)是一項(xiàng)技術(shù)工作，更是一項(xiàng)管理工作。圖4為課題組為某機(jī)床企業(yè)建立的可靠性保障體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖4 數(shù)控機(jī)床可靠性保障體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

機(jī)床改進(jìn)措施得到驗(yàn)證后，應(yīng)按照保障體系的管理要求進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。各相關(guān)的部門(mén)（設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量、檢測(cè)、加工、裝配、采購(gòu)）根據(jù)故障分析結(jié)果和改進(jìn)措施建議制定具體的改進(jìn)作業(yè)指導(dǎo)文件并經(jīng)可靠性技術(shù)評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后，形成正式文件下發(fā)各相關(guān)部門(mén)，最終可實(shí)現(xiàn)將早期故障消除在企業(yè)內(nèi)部的目標(biāo)。

4 實(shí)例分析

本文以某型號(hào)臥式加工中心連續(xù)分度的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。在對(duì)已有的類(lèi)似結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析的基礎(chǔ)上，利用二重威布爾模型對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果如圖6所示，也驗(yàn)證了數(shù)控機(jī)床故障率服從威布爾分布這一假定，根據(jù)式（7）～式（9）計(jì)算出該型號(hào)轉(zhuǎn)臺(tái)的早期故障期為736h，結(jié)合試驗(yàn)條件，將可靠性試驗(yàn)的時(shí)間定為750h，以保證早期故障得到完全的消除。

圖5 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 威布爾概率紙上的擬合結(jié)果

4.1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)功能結(jié)構(gòu)分析

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)工件在托板上的定位；實(shí)現(xiàn)托板在轉(zhuǎn)臺(tái)上的定位；實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)1°×360的分度與定位。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)功能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系可描述為：依靠夾具將工件固定在托板的T形槽內(nèi)，保證工件在托板上的定位；利用托板底面的4個(gè)母錐和4個(gè)拉釘，與轉(zhuǎn)臺(tái)上的4個(gè)公錐和4個(gè)拉爪相互配合，保證托板在轉(zhuǎn)臺(tái)上的定位；通過(guò)交流伺服電機(jī)、蝸桿蝸輪副、齒輪副保證實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)分度功能，通過(guò)一對(duì)端齒盤(pán)和升降油缸保證實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)定位功能。通過(guò)上述描述分析，最終可繪制數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖7。

4.2 潛在故障分析

通過(guò)對(duì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)的故障及使用過(guò)程信息進(jìn)行分析，可初步判斷該系列結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺(tái)存在的潛在故障，主要表現(xiàn)為液、氣、油滲漏，幾何精度超標(biāo)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)異響等模式。利用FTA和FMECA進(jìn)行分析可得到以下結(jié)論。

（1）機(jī)床罩殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷和防護(hù)卷簾密封不嚴(yán)是造成切削液滲漏的主要原因。液壓缸與活塞由于加工和裝配過(guò)程一致性差，導(dǎo)致缸體磨損加劇，是液壓缸滲漏的主要原因。此外，液壓系統(tǒng)管接頭漏油現(xiàn)象也是由加工和裝配過(guò)程一致性差的原因所致。

圖7 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖

（2）工作臺(tái)軸向精度超差的原因：在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行四軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，蝸輪蝸桿副摩擦過(guò)熱，引起工作臺(tái)軸向熱伸長(zhǎng)，該變形量與加工程序有關(guān)，難以在程序中進(jìn)行熱補(bǔ)償。

（3）轉(zhuǎn)臺(tái)徑向精度超差，有時(shí)伴有異響的原因：切削液滲漏導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺(tái)軸承潤(rùn)滑脂耗盡，致使軸承滾動(dòng)體和滾道產(chǎn)生銹蝕和磨粒磨損現(xiàn)象。

4.3 可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，在可靠性試驗(yàn)中采用加速應(yīng)力作為產(chǎn)品故障的激發(fā)手段?？紤]到潛在故障因素，經(jīng)論證分析確定加速應(yīng)力選擇切削液流量、負(fù)載、轉(zhuǎn)速和液壓壓力4種類(lèi)型。其中，切削液的流量選用正常使用流量的120%，充分模擬加工環(huán)境，轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)重選用其最大設(shè)計(jì)極限的載荷塊1500kg，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速選用其設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速10r／min，液壓系統(tǒng)壓力選用7.5MPa（其最大使用極限為6.5MPa）。試驗(yàn)設(shè)置4種不同的旋轉(zhuǎn)角度（a1、a2、a3、a4）覆蓋轉(zhuǎn)臺(tái)的分度范圍，采用連續(xù)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和正反轉(zhuǎn)交替3種旋轉(zhuǎn)方式模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的分度。通過(guò)建立綜合應(yīng)力剖面，以模擬“轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)分度→到位后停止→4個(gè)夾緊油缸夾緊→延時(shí)后夾緊油缸放松→轉(zhuǎn)臺(tái)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)分度”等時(shí)序動(dòng)作。綜合應(yīng)力剖面如圖8所示。

圖8 綜合應(yīng)力剖面

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析及改進(jìn)措施

3臺(tái)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)進(jìn)行750h的環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)，轉(zhuǎn)臺(tái)依次在第78h、210h、325h、439h、514h、593h、746h發(fā)生故障，故障分析與處理結(jié)果如表1所示。

表1 故障分析與故障處理表

在實(shí)際分析處理過(guò)程中，應(yīng)對(duì)上述故障分別進(jìn)行FTA和FMECA分析，現(xiàn)以拉爪斷裂故障為例，闡述分析過(guò)程。

機(jī)床在拉爪斷裂后，轉(zhuǎn)臺(tái)喪失鎖定托板功能，由于數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法對(duì)該故障進(jìn)行檢測(cè)，機(jī)床始終處于工作狀態(tài)，導(dǎo)致機(jī)床零部件加速磨損和精度迅速衰退現(xiàn)象產(chǎn)生，甚至?xí)斐赏邪迕撾x，損壞機(jī)床部件和危害操作人員生命安全的嚴(yán)重后果。因此，在FMECA過(guò)程中，將拉爪斷裂故障的嚴(yán)酷度級(jí)別定為Ⅰ類(lèi)，是首要解決的故障。

對(duì)拉爪斷裂故障進(jìn)行FTA分析，圖9為拉爪斷裂的故障樹(shù)分析圖。對(duì)故障樹(shù)底層事件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)電磁換向閥、彈簧性能、拉爪材質(zhì)均處于正常狀態(tài)，拉爪顯然未到疲勞極限，亦不是斷裂的主要原因。最后，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：壓力開(kāi)關(guān)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致其感應(yīng)信號(hào)時(shí)續(xù)時(shí)斷，造成托板交換動(dòng)作與拉爪松開(kāi)動(dòng)作時(shí)序錯(cuò)誤是產(chǎn)生拉爪斷裂故障的主要原因。更換斷裂的拉爪，將壓力開(kāi)關(guān)的高低壓設(shè)置值分別設(shè)置為5MPa和1MPa，重新進(jìn)行試驗(yàn)，該故障沒(méi)有再發(fā)生，證明了改進(jìn)措施的有效性。

圖9 拉爪斷裂的故障樹(shù)分析圖

5 結(jié)論

（1）本文系統(tǒng)地提出一套消除機(jī)床早期故障的技術(shù)體系，將該技術(shù)應(yīng)用到某數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)，有效地激發(fā)出產(chǎn)品的早期故障，提高了產(chǎn)品的可靠性水平，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

（2）成功地將可靠性試驗(yàn)引入到數(shù)控機(jī)床的可靠性研究中，其他的功能部件和整機(jī)的可靠性試驗(yàn)可以借鑒該經(jīng)驗(yàn)。

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