數控機床可靠性評價體系探究*

黃洪鐘 劉 征 彭衛(wèi)文 李彥鋒 米金華

(電子科技大學可靠性工程研究所，四川 成都 611731)

數控機床是裝備制造業(yè)實現現代化的關鍵設備，是裝備制造業(yè)發(fā)展的重中之重，數控機床的技術水平也是衡量一個國家工業(yè)現代化發(fā)展水平和綜合經濟實力的重要標志［1-3］。隨著國民經濟的快速增長，我國機床行業(yè)取得了長足的發(fā)展和進步，可靠性水平也有了較大的提高，但與發(fā)達國家相比仍然有一定的差距，早期故障頻發(fā)、精度保持性差等問題是制約國產機床可靠性的重要問題［4］。數控機床的可靠性與數控機床設計、制造、裝配、運輸和使用等壽命周期各階段的可靠性工作密切相關［5-7］，以往單一的以平均故障間隔時間為依據的可靠性評價體系難以對數控機床的可靠性、維修性及精度進行全面評價，也不能為數控機床各階段的可靠性工作提供參考［8］。因此，研究完善的數控機床可靠性評價體系，實現機床可靠性、維修性、安全性的綜合評價以及相關可靠性工作的量化考核，對于減少機床早期故障、保持機床精度有重要作用，也可以為機床開展設計改進、質量提升和可靠性增長等工作提供依據。

1 可靠性評價體系

1.1 可靠性評價體系的概念

可靠性評價體系是由一系列的可靠性評價指標和可靠性考核指標組成的，這些指標根據系統(tǒng)的結構特征、功能需求及可靠性要求來選取，分別用來評價系統(tǒng)的可靠性、維修性、安全性并考核系統(tǒng)在設計、生產、裝配、使用等階段的可靠性工作。通過可靠性評價體系，一方面完成對結構系統(tǒng)各項性能指標的考核，也實現對結構系統(tǒng)在設計、制造、裝配及使用過程中的各項可靠性工作的管理。在可靠性評價指標的選取過程中，要遵循以下原則［9-12］:

(1)充分性原則

可靠性評價體系應覆蓋整個系統(tǒng)，要充分反映系統(tǒng)的任務需求，體現系統(tǒng)的類型和使用特點［12］。例如，數控機床由主傳動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、床身基礎件等組成，在選取可靠性評價指標時，不僅要考慮到機床主傳動系統(tǒng)，還要考慮其他子系統(tǒng)。

(2)必要性原則

用來評價系統(tǒng)可靠性的指標有很多，這些指標之間會有各種各樣的關系，考慮到工程應用的實用性和可操作性，不可能也沒有必要選取太多的指標。在滿足充分性要求的基礎上，要剔除多余的和不必要的指標，盡量選用符合工程習慣且使用較為廣泛的指標。

(3)可行性原則

對于數控機床來說，選取可靠性評價指標時應充分考慮該機床的研制水平、研制費用和研制周期的限制，使其建立在切實可行的基礎上。另外，所選的可靠性評價指標應該滿足驗證性要求，如果提出的指標沒法進行驗證與考核，那么所提的參數指標也沒有任何意義。

1.2 可靠性評價體系的應用

數控機床可靠性的研究起源于前蘇聯。前蘇聯機床專家普羅尼科夫［13］提出了工藝可靠性的概念，并提出了一系列評價指標用來評價機床服役時的加工質量。俄羅斯學者Vasilev［14］和Chirkov［15］指出，在數控機床設計時就應提出明確的指標，以便在設計和制造階段都有標準可循，這一觀點體現了可靠性指標在數控機床整個壽命周期中的重要性。德國和瑞士的數控機床廠商則以售后故障信息的反饋和分析為指導，通過對機床的可靠性進行分析與評價，不斷完善機床全壽命周期內的質量和可靠性保障體系［6］。日本機床界的學者根據數控機床的結構功能和使用特點，在對現場數據進行采集與分析的基礎上對機床進行可靠性評估，為機床的可靠性增長提供依據［16］。許多歐美學者［17-19］也對現場故障數據的采集、故障數據的統(tǒng)計分析及可靠性評價指標的確定做了大量研究。針對數控機床的可靠性評價，國內專家和學者也從多個角度做了工作。郝慶波［8］從模糊綜合評判的角度針對數控機床在設計階段的可靠性分配與預計進行了分析與評價。杜慶林［20］針對數控系統(tǒng)使用周期長、故障點少的特點，運用熵權綜合評價的方法建立了數控系統(tǒng)的可靠性評價體系。申桂香等［21］基于熵權法建立了數控機床的綜合評價模型，克服了常用評價方法中主觀權重不一定可靠的問題。陳宥宇［22］提出了沖床外購件供應商可靠性能力的綜合評價方法。邵娜［23］基于用戶視角提出了數控機床顧客滿意度評價體系，構建了顧客滿意度指數模型。黃正豪［24］、周愛萍［25］等針對液壓系統(tǒng)提出了一系列可靠性評價指標，通過這些指標的計算和比較，為液壓系統(tǒng)的可靠性改進提供了方向。

此外，可靠性評價體系還廣泛應用在發(fā)電系統(tǒng)、工程機械、武器裝備及企業(yè)管理等方面。孫昕等［26］、丁明等［27］對大型電力系統(tǒng)建立了可靠性評價體系并提出了相關算法。婁云永［28］從設備可靠性和人的可靠性等角度對電力通信網建立了可靠性評價體系，并通過實際應用驗證了該體系的有效性。謝偉［29］將我國現行的輸電系統(tǒng)可靠性評價體系與國外的指標體系進行了分析對比，提出了一些改進建議。張祖明［30］對機械產品可靠性指標體系進行了研究，為機械行業(yè)可靠性工作的研究提供了參考。胡超斌［31］從性能退化的角度提出了性能可靠性的概念，并從可靠性、維修性、可用性等方面探討了性能可靠性的各種指標。盧雷［9］、王喆峰［32］等建立了雷達系統(tǒng)可靠性指標體系，為雷達裝備的可靠性驗證提供了依據。彭立影［11］、李根成［12］、李近衛(wèi)［33］、李偉剛［34］等探究了導彈發(fā)射裝置的可靠性評價體系，提出了開展發(fā)射裝置可靠性指標論證的原則、步驟及方法。張錦鵬等［10］提出了船舶引航員的可靠性評價體系，從多個角度考慮了人在操作過程中的可靠性。

以上可靠性評價體系是從可靠性、維修性、安全性、可用性的某一方面來建立的，很少考慮壽命周期各階段的可靠性工作對系統(tǒng)可靠性的影響。通過對數控機床可靠性的研究發(fā)現，可靠性工作貫穿于數控機床壽命周期的各個階段且各階段的工作重心不同。在設計階段，可靠性工作的重心是通過對機床的可靠性分析發(fā)現并改進薄弱環(huán)節(jié)，完成數控機床的可靠性預計和分配，將可靠性定性和定量要求設計到產品中去;在制造階段，可靠性工作的重心是關鍵零部件的可靠性試驗及可靠性數據的收集與分析、外購件進廠的可靠性管理等;在裝配調試階段，可靠性工作的重心是數控機床整機的可靠性試驗及可靠性數據的收集分析、早期故障的發(fā)現與控制等。壽命周期各階段可靠性工作的切實開展對保障數控機床可靠性有重要作用，無論在哪個階段忽視了數控機床可靠性工作的管理與考核，都將給數控機床的可靠性帶來隱患。本文以數控機床為對象，在考慮數控機床可靠性、維修性、安全性要求的基礎上，重點考慮了壽命周期各階段的可靠性工作對數控機床可靠性的影響，針對各階段的可靠性工作重心提出了一系列的考核指標，形成了數控機床全壽命周期的可靠性評價體系。

1.3 數控機床可靠性評價體系三維模型

數控機床的全壽命周期主要包括設計、制造、裝配、使用等階段，影響數控機床可靠性的因素隨著時間點的后移而增加，因此在不同階段所選取的可靠性評價指標應該是不同的［35］。此外，數控機床按照重量可以劃分為大型數控機床、重型數控機床、超重型數控機床等，按照工藝用途和伺服方式又可以分為其他多種類型，因此，針對不同類型的數控機床，要根據機床的具體特點來選擇對應的可靠性評價指標。一般來說，數控機床由機械傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)的結構和功能不同，所選取的可靠性評價指標也是不同的。本文針對數控機床整機及關鍵子系統(tǒng)的結構特征，結合機床在工藝、精度、壽命、維修性、經濟性等方面的特性和要求，按照壽命周期不同階段可靠性工作重心不同的思想，從系統(tǒng)、壽命周期及評價要素這3 個維度建立了數控機床可靠性評價體系的三維模型，如圖1 所示。該模型為廣義模型，將該模型應用到具體的數控機床時，應根據機床的結構特征和功能要求來確定各個維度的具體內容。本文主要通過某型數控落地銑鏜床可靠性評價模型的構建，來研究和應用圖1 所示的數控機床可靠性評價體系的三維模型。

2 數控落地銑鏜床可靠性評價體系的建立

2.1 數控落地銑鏜床簡介

某型數控落地銑鏜床主要由主軸箱、方滑枕等9個部分組成，如圖2 所示。

該機床具有鏜孔、鉆孔、銑削、切槽等功能，主要用來加工形狀復雜、加工精度要求高、通用機床無法加工或者很難保證加工質量的工件。根據各部分功能，數控落地銑鏜床可以劃分為主傳動系統(tǒng)、各向進給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等若干子系統(tǒng)。

對于可靠性要求很高的數控落地銑鏜床來說，影響其可靠性的主要因素有［5，30］:銑鏜床床身和立柱的重力變形問題，電動機、電柜及靜壓油等熱源帶來的溫度問題，自制關鍵零部件在加工和裝配時的工藝問題，外購件在質量考核和缺陷剔除的規(guī)范問題以及售后維修的規(guī)范化問題。由此來看，數控落地銑鏜床的技術性能指標要求為精度高、可用性好、易于維護、用戶滿意且有較高的動靜剛度。

2.2 數控落地銑鏜床可靠性評價體系的建立

2.2.1 數控落地銑鏜床售后維修數據分析

數控落地銑鏜床售后維修數據是確定其主要故障部位及故障模式的基本依據。將某落地銑鏜床劃分為11 個子系統(tǒng)，通過對該機床售后維修數據整理分析，其各個子系統(tǒng)的故障頻數、故障頻率及主要故障模式統(tǒng)計結果如表1 和表2 所示。

表1 某型數控落地銑鏜床各子系統(tǒng)故障頻率統(tǒng)計表

表2 某型數控落地銑鏜床主要故障模式

由以上統(tǒng)計結果可以看出，主傳動系統(tǒng)、各向進給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)為該落地銑鏜床的主要故障部位;機械零部件故障、精度指標異常、液壓系統(tǒng)故障及電氣元器件故障為該機床主要的故障模式。

通過對機床故障的進一步分析可知，主傳動系統(tǒng)及各向進給系統(tǒng)的精度指標異常大多是由機械零部件故障引起的，其中，機械零部件故障多表現為機械零部件的斷裂、磨損、變形、松動等。機械零部件的故障與機床設計、機械零部件原材料的選擇、零件的加工工藝、部件和系統(tǒng)的裝配工藝以及實際工況下的工作應力有關，且機械零部件的故障在實際使用中具有故障檢測、定位和維修難度較大、故障危害程度相對較高等特點。

液壓系統(tǒng)的主要故障模式表現為液壓元件的故障、液壓油的滲漏等。電氣系統(tǒng)的主要故障模式表現為數顯、手控、電柜等器件的故障。這兩部分的故障多為危害程度較低的故障，在故障檢測、定位和維修方面較為容易。

因此，該數控落地銑鏜床發(fā)生故障較多的子系統(tǒng)為機械結構及傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)，其中機械結構及傳動系統(tǒng)主要包括主傳動系統(tǒng)及各向進給系統(tǒng)。

2.2.2 數控機床早期故障原因分析

早期故障頻發(fā)是制約國產機床可靠性的重要問題，而早期故障的產生與機床設計、制造和裝配階段的可靠性工作中存在的缺陷有關，因此分析早期故障產生的原因可為機床設計、制造和裝配階段可靠性工作重心的確定提供依據。大量實踐表明，在機床投入使用后其故障率近似服從浴盆曲線，如圖3 所示。浴盆曲線大致可以分為3 個階段:早期故障期、偶然故障期和耗損故障期。本文主要考慮的是早期故障產生的原因，其他兩個階段的故障原因不做考慮。

早期故障產生的原因可以從壽命周期各階段來進行分析。在設計階段，如果機床結構設計存在缺陷，機械零部件材料選擇不合理，外購件選型不當，缺少可靠性建模、預計和分配等過程都會引起數控機床早期故障的產生。在加工階段，如果機床自制零部件加工不合格，表面處理不恰當，這都會加劇數控機床的磨損;同時，數控機床中液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的元器件多為外購件，外購件的質量與可靠性對機床整機的可靠性也有直接的影響。在裝配階段，裝配工藝不合理、裝配過程一致性差、裝配環(huán)境清潔度不夠等因素會導致裝配后的機床存在各種缺陷，這些缺陷在機床運行早期也會凸現出來。此外，早期故障的形成亦與機床運輸過程、實地安裝調試過程、用戶使用過程有關［5，35］。

2.2.3 數控落地銑鏜床可靠性評價體系

通過以上分析可知，該落地銑鏜床的關鍵子系統(tǒng)為機械結構及傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)劃分維度，除了考慮整機的可靠性要求外還重點分析了這3 個關鍵子系統(tǒng)的可靠性。通過早期故障原因分析，將早期故障定位到各個子系統(tǒng)及零部件并將其發(fā)生故障的原因追溯到設計、制造及裝配調試階段，進而確定了該數控落地銑鏜床在以上各個階段的工作重心。依據可靠性評價體系三維模型的建模思想，我們針對各階段的工作重心確定了機床整機及關鍵子系統(tǒng)在各個階段的評價指標，建立了該數控落地銑鏜床的可靠性評價體系，如圖4 所示。

2.2.3.1 數控落地銑鏜床整機可靠性評價指標

(1)設計階段

設計階段的可靠度是機床的固有可靠度，從根本上決定了機床的可靠性水平［36］。在設計階段，需要先預計機床的可靠度，從而為其他階段的可靠性工作提供依據。

用可靠度R(t)來表征，是指機床在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的概率［36］。在設計階段與機床相關的數據較少，一般根據相似比較法來預計，其計算公式為

其中，Ri(t)為機床第i 個子系統(tǒng)的可靠度，某型數控落地銑鏜床有11 個子系統(tǒng)，即1≤i≤11。

(2)加工階段

數控落地銑鏜床的機械零部件多為自制零件，液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的零部件多為外購件，因此考查機床廠生產線的可靠性水平以及外購件的合格率尤其重要。選用一次交驗合格率和外購件進廠驗收合格率［37］來分別表征機床廠生產線的可靠性水平和外購件的質量好壞。

①一次交驗合格率FPY(first pass yield)

一次交驗合格率代表著生產線的加工能力，一次交驗合格率越高，代表著該生產線性能越可靠，其計算公式為

②外購件進廠驗收合格率

外購件進廠驗收合格率是指經過驗收合格的外購件占所有外購件的比例，計算公式為

(3)裝配階段

如果數控落地銑鏜床在裝配時使用了不合格零部件，該機床發(fā)生早期故障的概率也高于其他機床［38］，因此需要考慮裝配過程中使用了不合格零部件對機床可靠性帶來的影響。

用受不合格零部件影響的機床可靠度RA來表征。

以p(0≤p≤1)表示機床使用不合格零部件的概率。在機床裝配完成后受不合格零部件影響的機床可靠度為

其中:R0(t)表示使用合格零部件的機床可靠度;Fb(t)表示那些存在不合格零部件的機床累計故障分布函數。

(4)使用階段

①首次故障前平均時間MTBFF

首次故障前平均時間是指機床開始服役后首次發(fā)生故障前的平均工作時間［35］，其計算公式為:

其中:N0為數控落地銑鏜床樣本數;ti為第i 臺數控落地銑鏜床首次故障前工作時間。

②可用度A

可用度是指產品在任意時刻需要和開始執(zhí)行任務時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度［35］。其計算公式為

其中:n 為數控落地銑鏜床總臺數;Ti為第i 臺數控落地銑鏜床在考核期內的累計工作時間，h;τi為第i 臺數控落地銑鏜床在考核期內的累計維修時間，h。

2.2.3.2 機械結構及傳動系統(tǒng)可靠性評價指標

(1)設計階段

機械結構及傳動系統(tǒng)中，主傳動系統(tǒng)與滑枕的主要故障為機械零部件的性能退化引起的精度降低，例如主傳動系統(tǒng)中齒輪磨損、膠合、點蝕帶來的齒輪傳動的平穩(wěn)性降低，滑枕軌道磨損導致定位精度的降低等。因此，在設計階段考察機械零部件的性能退化程度是十分必要的。用性能可靠度RD來衡量。

設零部件某一性能參數為x(t)，性能可靠度RD是指產品在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時間內性能參數x(t)保持在規(guī)定范圍［XL，XU］內的概率，用公式可以表示為［39］

性能可靠度是用來表征機械零部件在規(guī)定條件和規(guī)定時間內性能退化程度的特征量，在設計階段，可以利用相似比較法來預計零部件的性能可靠度。

(2)加工階段

在機械零部件加工過程中，由于加工工藝等過程的影響，會引起機床的實際性能指標相對于設計目標值的波動，這種波動可以用質量損失函數來表示。我們選用加工質量可靠度RL(y)來描述某機械零部件在加工完成后其質量損失函數值在允許范圍內的概率，其計算公式為［37］

其中:L(y)為質量損失函數，L(y)=K(y-m)2，K=代表加工出來的產品性能相對于設計目標值的偏離量;y 為加工后的性能指標;m 為設計目標值;Δ 為允許的偏離量;A0為偏離量大于容差時造成的損失;θ 為質量損失的允許值［37］。

(3)使用階段

機械結構及傳動系統(tǒng)的運動精度可作為一種性能指標，當其不能滿足要求時，系統(tǒng)則處于失效狀態(tài)［39］。本文選用運動精度可靠度Racc來表征機械結構及傳動系統(tǒng)的運動可靠性。

運動精度可靠度是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，傳動系統(tǒng)的輸出運動誤差保持在規(guī)定范圍內的概率。設機床運動部件到達空間某一點的誤差為ΔX且誤差的允許范圍為[δ'，δ″]，則機構的運動精度可靠度為［39］

2.2.3.3 液壓系統(tǒng)可靠性評價指標

液壓系統(tǒng)的元器件多為外購件，液壓系統(tǒng)的可靠度可以在設計階段用相似比較法預計得到。液壓系統(tǒng)可靠性的影響因素多樣，系統(tǒng)故障的機理復雜，并且系統(tǒng)故障的檢測難度較大，因此考慮用故障探測度來表征液壓系統(tǒng)故障的難易程度［24-25］。針對液壓系統(tǒng)，主要考慮以下兩個指標:

(1)設計階段

用液壓系統(tǒng)可靠度RHyd來表征。液壓系統(tǒng)可靠度是指液壓系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的概率。液壓系統(tǒng)的可靠度可以在設計階段根據相似比較法來預計。

(2)使用階段

用故障探測度來表征。故障探測度指的是系統(tǒng)發(fā)生故障時被探測出來的難易程度。故障探測度主要根據專家的工程經驗，采用打分的方式來評定，其打分依據如表3 所示。

表3 故障探測度等級

2.2.3.4 電氣系統(tǒng)可靠性評價指標

電氣系統(tǒng)的元器件多為外購件，電氣系統(tǒng)的主要故障模式表現為數顯、手控、電柜等器件的故障，考核電氣系統(tǒng)關鍵元器件的可靠性十分重要。針對電氣系統(tǒng)，主要考慮以下兩個指標:

(1)設計階段:用關鍵元器件失效率λ(t)來表征。電氣系統(tǒng)關鍵零部件故障率λ(t)是指工作到某一時刻尚未發(fā)生失效的元件在該時刻后單位時間內發(fā)生失效的概率，其計算公式為［36］

其中:r(t)為t 時刻后dt 時間內失效的產品數，Ns(t)為t 時刻尚未失效的產品數。

(2)使用階段

用元器件平均更換時間MTTCE來表征。在使用過程中，電氣系統(tǒng)的主要失效模式為電子元器件的燒毀、短路、斷路、無響應等，考核電子元器件平均更換時間是十分重要的，其計算公式為［36］

其中:n 為測試時間內某一元器件的更換次數，ti為每次更換元器件前元器件的工作時間。

3 應用與推廣

上述可靠性評價體系的研究思路可以推廣應用到其他系統(tǒng)中。首先，分析系統(tǒng)的結構特點和功能特性，分析整個系統(tǒng)、子系統(tǒng)和關鍵零部件的性能要求。其次，收集該系統(tǒng)或者相似系統(tǒng)的售后維修數據，確定該系統(tǒng)的主要故障部位及主要故障模式，進而可以確定該系統(tǒng)故障頻率較高的關鍵子系統(tǒng)。然后，分析故障的原因，將故障原因關聯到系統(tǒng)壽命周期各階段的可靠性工作中。最后，根據可靠性評價體系的三維模型，針對系統(tǒng)、子系統(tǒng)和關鍵零部件選取壽命周期內各階段的可靠性評價指標，實現對系統(tǒng)的可靠性綜合評價指標體系的構建。

4 結語

本文通過對數控機床可靠性評價體系存在的問題進行分析，提出了構建數控機床可靠性評價體系的基本方法。該方法從系統(tǒng)、壽命周期和評價要素這3 個維度建立了構建數控機床可靠性評價體系的廣義模型，該模型一方面有助于人們理解數控機床在不同壽命周期內可靠性的演變過程，另一方面有助于人們了解壽命周期各階段影響機床可靠性的不同要素。該模型被應用到某型數控落地銑鏜床的可靠性評價體系構建中，該應用不僅可以為數控機床減少早期故障、增強精度穩(wěn)定性提供保證，也可以為數控機床開展設計改進、質量提升和可靠性增長提供依據［6］。數控機床可靠性評價體系的研究思路可以推廣應用到其他系統(tǒng)，在實際工作中可以根據實際情況對可靠性評價指標加以調整，使評價體系更加適合工程應用。

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