可靠性分析技術(shù)

張根保 楊興勇

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 400044）

在數(shù)控機(jī)床的可靠性設(shè)計(jì)中，分析是一種重要的技術(shù)手段，通過可靠性分析了解產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案存在的缺陷，并通過設(shè)計(jì)改進(jìn)將潛在的失效原因消滅在設(shè)計(jì)階段，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)防的目的。在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造過程中，常用的可靠性分析技術(shù)包括：故障模式、影響及危害性分析（FMECA 分析）、故障樹分析（FTA 分析）、熱分析、應(yīng)力均衡分析、整機(jī)匹配性分析等內(nèi)容。

1 故障模式、影響及危害性分析

故障模式、影響及危害性分析(failure mode， effects and criticality analysis， FMECA)是分析產(chǎn)品中所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對產(chǎn)品造成的所有可能影響，并按每一個故障模式的嚴(yán)酷度及其發(fā)生概率予以分類的一種自下而上進(jìn)行歸納的分析技術(shù)，它由故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）兩部分組成[1-2]。

1.1 FMECA用途

FMECA 的用途主要有以下幾點(diǎn)[3]：

（1）找出產(chǎn)品所有可能的故障模式及其影響，并進(jìn)行定性、定量的分析，進(jìn)而采取相應(yīng)的糾正措施，并確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)低于可接受水平；

（2）對確定嚴(yán)酷度為Ⅰ、Ⅱ類故障模式的清單和單點(diǎn)故障模式清單提供定性、定量分析依據(jù)；

（3）作為維修性（M）、安全性（S）、測試性（T）、保障性（S）設(shè)計(jì)與分析的輸入；

（4）為確定可靠性試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)的產(chǎn)品項(xiàng)目清單提供依據(jù)；

（5）為確定關(guān)鍵、重要件清單提供定性、定量信息。

1.2 FMECA分類

產(chǎn)品在壽命周期中的不同階段，要選擇不同的FMECA 分析方法，F(xiàn)MECA 分類方法如圖1 所示[4]。FMECA方法在產(chǎn)品壽命周期各階段的應(yīng)用如表1 所示。

圖1 FMECA方法分類

表1 產(chǎn)品壽命周期各階段選用的FMECA 方法

1.3 FMECA分析流程

本文以設(shè)計(jì)FMECA（Design Failure Mode，Effects and Criticality Analysis.DFMECA）和過程FMECA（Process Failure Mode，Effects and Criticality Analysis.PFMECA）的分析步驟為例，對FMECA 分析流程進(jìn)行簡單介紹，詳細(xì)細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[3]。

圖2 設(shè)計(jì)FMECA分析流程

圖3 過程FMECA分析流程圖

設(shè)計(jì)FMECA 分析流程如圖2 所示。

過程FMECA 分析流程如圖3 所示。

FMECA 方法是一種有效的可靠性分析方法，目前已廣泛應(yīng)用到汽車、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、軌道交通、航天產(chǎn)品、電子產(chǎn)品等行業(yè)，并取得豐碩成果。圖4為某加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺FMECA 分析報(bào)告局部圖。

圖4 FMECA分析報(bào)告

1.4 FMECA分析中的注意事項(xiàng)

1.4.1 重視FMECA 計(jì)劃工作

實(shí)施FMECA 之前，要進(jìn)行全面、系統(tǒng)的計(jì)劃，實(shí)施過程中要實(shí)行邊設(shè)計(jì)、邊分析、邊改進(jìn)以及“誰設(shè)計(jì)、誰分析”的原則，確保FMECA 分析工作于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研制工作并行開展，以提高分析工作的有效性。

1.4.2 加強(qiáng)規(guī)范化工作

對于同一個產(chǎn)品而言，應(yīng)統(tǒng)一使用一種FMECA 表、統(tǒng)一初始約定層次、相同的嚴(yán)酷度級別與定義、統(tǒng)一的技術(shù)指導(dǎo)等，以保證分析結(jié)果的正確性、可比性。

1.4.3 深刻理解、掌握分析中的基本概念

嚴(yán)酷度是一種故障模式對初始約定層次產(chǎn)品的最終影響的嚴(yán)重程度；嚴(yán)酷度與危害度是兩個不同的概念，前者是故障模式影響嚴(yán)重程度的度量，而后者是故障模式影響的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率的綜合度量；故障檢測方法是產(chǎn)品運(yùn)行或使用維修時(shí)發(fā)現(xiàn)故障的方法，而不是研制試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)中暴露故障的方法。

1.4.4 積累經(jīng)驗(yàn)、注重信息

故障模式時(shí)FMECA 的基礎(chǔ)，為此在研制、生產(chǎn)和使用單位應(yīng)注意收集、分析、整理產(chǎn)品以及相似產(chǎn)品的故障模式，建立相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)工作提供支持。

1.4.5 注意與其他故障分析方法相結(jié)合

FMECA 是一種有效的故障分析方法，但非萬能。設(shè)計(jì)FMECA 是一種靜態(tài)、單因素的分析方法，在動態(tài)多因素分析方面還不夠完善，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全面分析，還需要與其他方法相結(jié)合。

2 故障樹分析（FTA）

故障樹分析（fault tree analysis， FTA）是通過對可能造成產(chǎn)品故障的硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等進(jìn)行分析，畫出故障樹，從而確定產(chǎn)品故障原因的各種可能組合方式和（或）其發(fā)生概率的一種分析技術(shù)[2]。從1961 年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的華生（H. A. Watson）和漢塞爾（D.F. Haasl）提出以后[5]，經(jīng)過多年發(fā)展，在汽車、柴油機(jī)、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療設(shè)備、電力變壓器、液壓系統(tǒng)等的系統(tǒng)故障診斷、安全性分析和風(fēng)險(xiǎn)評估中發(fā)揮了重要作用。

故障樹是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖，它用事件符號、邏輯門符號和轉(zhuǎn)移符號描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。邏輯門的輸入事件是輸出事件的“因”，邏輯門的輸出事件是輸入事件的“果”[6]。其中“事件”用來描述系統(tǒng)和元、部件故障的狀態(tài)，“邏輯門”把事件聯(lián)系起來，表示事件之間的邏輯關(guān)系。故障樹中常用事件及其符號如表2 所示；常用邏輯門及其符號如表3 所示[3]。

表2 故障樹常用事件及其符號

表3 故障樹常用邏輯門及其符號

2.1 故障樹分析（FTA）流程

作為一種可靠性分析方法，為保證其實(shí)施的有效性，需要以一套合理的分析流程為指導(dǎo)。FTA 分析流程如圖5 所示[7]。

圖5 FTA分析流程

選擇好頂事件之后最重要的步驟就是故障樹的建立，只有故障樹正確合理，后面的定性分析和定量分析才有意義，才可以真正發(fā)揮故障樹分析的作用。

2.2 故障樹的建立

2.2.1 建樹基本規(guī)則

要實(shí)現(xiàn)正確建樹，需要對建樹基本規(guī)則進(jìn)行規(guī)范，以保證建立故障樹的合理性[3]。建樹基本規(guī)則如下：

（1）明確建樹邊界條件，簡化系統(tǒng)構(gòu)成；

（2）故障事件應(yīng)嚴(yán)格定義；

（3）應(yīng)從上向下逐級建樹；

（4）建樹時(shí)不允許門-門直接相連；

（5）把對事件的抽象描述具體化；

（6）處理共因事件和互斥事件。

2.2.2 故障樹的建樹流程

科學(xué)合理的建樹流程是正確建樹的保障，故障樹建樹流程如圖6 所示。

圖6 故障樹的建樹流程

為保證FTA 工作的及時(shí)性，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段初期就開始FTA 工作，并在各個研制階段都要迭代進(jìn)行，以反映產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)和工藝的變化，并邀請經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)、使用和維修人員參與建樹工作，以保證故障邏輯關(guān)系的正確性。為了提高工作效率，故障樹的頂事件首先選擇FMECA 結(jié)果中故障后果為Ⅰ、Ⅱ類的系統(tǒng)故障模式，并且產(chǎn)品處于多個環(huán)境剖面下工作或者具有多個工作模式時(shí)，應(yīng)該分別進(jìn)行分析。圖7 為某加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺拉爪斷裂FTA 圖。

2.3 故障樹分析中的注意事項(xiàng)

（1）為保證分析工作的及時(shí)性，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段早期開始FTA 工作，并在研制過程的各個階段迭代進(jìn)行，以反映產(chǎn)品的工藝變化和技術(shù)狀態(tài)。

（2）貫徹“誰設(shè)計(jì)、誰分析”的原則，邀請經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)、使用和維修人員參與建樹工作，以保證工作的正確性。

（3）應(yīng)該首先開展FMECA 工作，從后果為Ⅰ、Ⅱ類的系統(tǒng)故障模式中選擇最不希望發(fā)生的故障模式作為頂事件，建立故障樹。

圖7 拉爪斷裂故障樹分析圖

（4）必須考慮環(huán)境、人為因素對產(chǎn)品的影響，當(dāng)產(chǎn)品處于多個環(huán)境剖面下工作時(shí)，應(yīng)分別進(jìn)行。

（5）在進(jìn)行故障樹分析時(shí)，假設(shè)底事件之間是相互獨(dú)立的，并且每個底事件及頂事件只考慮其發(fā)生或不發(fā)生兩種狀態(tài)。

（6）建樹時(shí)，門與門之間不能直接相連。

（7）復(fù)雜產(chǎn)品故障樹應(yīng)進(jìn)行模塊分解和簡化。

（8）必須進(jìn)行薄弱環(huán)節(jié)分析及重要度分析，并提出可能的改進(jìn)措施及改進(jìn)的先后順序，最后反饋到設(shè)計(jì)、加工、使用等環(huán)節(jié)。

3 熱分析

熱分析，又稱熱模擬分析，是利用數(shù)學(xué)手段并輔以試驗(yàn)方法，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段獲得運(yùn)行時(shí)溫度分布的方法，它可以使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷（由熱不均衡引起的應(yīng)力和變形），從而改進(jìn)設(shè)計(jì)，為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性及可靠性提供有力保障[8]。熱分析在電子設(shè)備、發(fā)動機(jī)、鋼架結(jié)構(gòu)、數(shù)控機(jī)床等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，也是一種重要的可靠性分析技術(shù)。

3.1 熱分析步驟

熱分析必須考慮熱交換的3 種途徑：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。熱分析需要建立產(chǎn)品溫度場和流場的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行求解。這種求解過程非常復(fù)雜，一般需要借助軟件和試驗(yàn)儀器（熱成像儀）來完成[3]。目前常用的熱成像儀有FlukeTi20 熱成像儀、FlukeTi30 熱成像儀、FlukeTi40 熱成像儀、FlukeTi50熱成像儀、IRInSightXS/XST 便攜式紅外熱像儀，圖8即為FlukeTi50 熱成像儀（左）和IRInSightXS/XST便攜式紅外熱像儀（右）圖片。

圖8 熱成像儀

應(yīng)用軟件進(jìn)行熱應(yīng)力分析的基本步驟為：（1）建立熱分析模型，確定邊界條件；（2）劃分網(wǎng)格，進(jìn)行計(jì)算，迭代直到收斂為止；（3）后處理，以報(bào)表、圖形或動畫的形式觀察溫度場。

3.2 熱分析實(shí)施要點(diǎn)

3.2.1 建模

分析模型的建立是熱分析的基礎(chǔ)，如果過于簡單，會忽略大量細(xì)節(jié)，達(dá)不到分析的目的，如果過于復(fù)雜，又占用大量計(jì)算機(jī)資源，花費(fèi)大量計(jì)算時(shí)間并可能達(dá)不到分析效果。因此需要采用正確的建模策略，即由重要到次要，由簡單到復(fù)雜，必要時(shí)忽略對結(jié)果影響不大的次要因素。

首先從最重要的入手，即先確定整體布局，然后加入其它較重要影響因素；對重點(diǎn)部位進(jìn)行詳細(xì)建模，對次要因素進(jìn)行粗略建模，甚至可以忽略。

3.2.2 輸入?yún)?shù)的確定

輸入?yún)?shù)主要包括材料的熱傳導(dǎo)率、元器件的熱功耗及初始條件等。熱傳導(dǎo)率可以通過查工程熱設(shè)計(jì)手冊、實(shí)驗(yàn)或反復(fù)修正來得到，初始條件通過測量獲得，熱功率可以通過查產(chǎn)品手冊得到。

3.2.3 網(wǎng)格劃分技術(shù)

通常情況下，網(wǎng)格劃分越多，計(jì)算精度越高。但是網(wǎng)格過多會導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長，而精度卻提高不明顯。因此要選用合適的網(wǎng)格劃分方法，在重要部位進(jìn)行局部加密，在不規(guī)則形狀處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

目前，ANSYS 是較為常用的熱分析軟件，基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。ANSYS 熱分析功能主要包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析、熱輻射相變、熱應(yīng)力、線性和非線性分析及和熱有關(guān)的耦合場分析等[9]。 圖9 即 為 用ANSYS 進(jìn)行某零件的熱分析，得到該零件溫度分布圖。

圖9 零件溫度分布圖

工程人員進(jìn)行熱分析工作時(shí)，應(yīng)選用成熟商業(yè)軟件工具，盡量減小由于建模不合理、輸入?yún)?shù)不準(zhǔn)確、邊界條件設(shè)置不符合實(shí)際等造成的分析誤差。

4 應(yīng)力均衡分析

機(jī)械制造工藝中如鑄造、鍛造、切削、焊接、熱處理、表面處理等都會使工件表面和內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力，有些工藝還會使工件產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成工件內(nèi)部應(yīng)力分布不均而處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4.1 殘余應(yīng)力分析

構(gòu)件在制造過程中，會受到來自各種工藝等因素的作用與影響，當(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件表面或內(nèi)部，則這種殘留的作用與影響稱為殘留應(yīng)力或殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是一種與工作載荷無關(guān)、存在于構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力。幾乎在構(gòu)件的每一步制造加工過程中都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，尤其是在熱處理和鑄造件中，存在殘余應(yīng)力均較大。構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力與所受載荷的工作應(yīng)力以及工作溫度等相互作用，使其抗脆斷能力、抗應(yīng)力腐蝕開裂以及抗疲勞變形能力都會有所下降，嚴(yán)重影響構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及疲勞壽命。因此，殘余應(yīng)力是影響構(gòu)件性能的一個重要因素[10]。

目前測量殘余應(yīng)力的方法按其對結(jié)構(gòu)是否破壞來講，有全破壞法、半破壞法和無損法，按其測試原理來講，可分為機(jī)械測定法和物理測定法。機(jī)械釋放測量方法主要包括截條法、逐層剝層法、Gunnert 切銑環(huán)槽法、盲孔法、鉆階梯孔法、套取芯棒法、內(nèi)孔直接貼片法、以及釋放管孔周應(yīng)變測量法等。物理測量方法主要有X 射線衍射法、磁性法、超聲波法以及固有應(yīng)變法等[11]，各種方法具體原理在此不詳細(xì)論述。

目前市面上有多種殘余應(yīng)力檢測儀，為殘余應(yīng)力的檢測、分析、消除提供了便利，圖10 為幾種常用殘余應(yīng)力檢測儀。

圖10 殘余應(yīng)力檢測儀

ANSYS 是較為常用的應(yīng)力分析軟件，可以仿真出構(gòu)件殘余應(yīng)力分布，進(jìn)而可以對殘余應(yīng)力進(jìn)一步分析，而且可以施加外作用，分析其對殘余應(yīng)力的影響，對于殘余應(yīng)力的減小和消除奠定了基礎(chǔ)。圖11 為用ANSYS 對某零件進(jìn)行殘余應(yīng)力分析得到的殘余應(yīng)力分布圖。

圖11 零件殘余應(yīng)力分布圖

降低或消除殘余應(yīng)力的過程稱為時(shí)效處理，傳統(tǒng)的方式主要有熱時(shí)效和自然時(shí)效。在消除殘余應(yīng)力方面，還有其他技術(shù)和方法，如：振動消除應(yīng)力技術(shù)、外加拉伸載荷法、超聲沖擊法、電擊法、電脈沖法、爆炸法、后熱處理、頻譜諧波時(shí)效技術(shù)等[12-13]，在此不一一詳述。

4.2 應(yīng)力集中分析

在零件的截面幾何形狀突然變化、螺栓過度擰緊、軸承過度預(yù)緊、結(jié)構(gòu)受力變形等處，局部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中產(chǎn)生局部應(yīng)力的作用可以用理論應(yīng)力集中系數(shù)來表征： 。其中 表示應(yīng)力系數(shù)， 表示應(yīng)力集中處的最大局部應(yīng)力， 為應(yīng)力集中截面的名義應(yīng)力[14]。目前，應(yīng)力集中系數(shù)值主要通過以下幾種方法獲得：

（1）根據(jù)數(shù)學(xué)分析，采用彈性力學(xué)原理計(jì)算應(yīng)力分布及應(yīng)力集中系數(shù)。

（2）采用試驗(yàn)技術(shù)，典型的試驗(yàn)方法有脆性涂漆、應(yīng)變片、光彈性和光應(yīng)力法。

（3）采用有限元法進(jìn)行分析，它需要無限小的單元，對于幾何形狀相差不大的構(gòu)件更為適合。圖12為用ANSYS 對某零件進(jìn)行應(yīng)力集中分析所得到的該零件應(yīng)力分布圖。

圖12 應(yīng)力分布圖

此外，應(yīng)力集中的檢測可用專用的應(yīng)力集中檢測儀，圖13 即為兩種常用應(yīng)力集中檢測儀（廠商為俄羅斯動力診斷公司和北京奧德盛世科技有限公司）。

圖13 應(yīng)力集中檢測儀

在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，避免幾何形狀的突然變化，盡可能做到光滑、逐漸過渡，開孔、開槽處邊緣進(jìn)行加強(qiáng)，另外，有裂紋的地方在裂紋尖端打孔；孔腔內(nèi)采用噴丸處理等，均可減小應(yīng)力集中。

5 匹配性分析

數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品是一種高度集成、各種因素耦合較多的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床由驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成，之所以能高效率、高質(zhì)量地完成任務(wù)，主要是因?yàn)槠涓鹘M成部分具有良好的匹配性，相互配合、相互協(xié)調(diào)，可以在要求時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的工作任務(wù)。

由于構(gòu)成數(shù)控機(jī)床的子系統(tǒng)相互作用，系統(tǒng)性能受到“木桶效應(yīng)”的影響，即最為薄弱的子系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的技術(shù)性能有重要影響。這導(dǎo)致局部子系統(tǒng)的性能會影響到其他子系統(tǒng)乃至整個系統(tǒng)，從而產(chǎn)生“牽一發(fā)而動全身”的影響，這客觀上要求其他子系統(tǒng)與之相適應(yīng)、相匹配。

但是現(xiàn)在存在這樣一個問題：即使采用同樣的零部件，國產(chǎn)機(jī)床和進(jìn)口機(jī)床的性能和可靠性也存在很大差距，這在很大程度上是匹配性存在問題，因此對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行匹配性分析不僅重要，而且非常必要。

本文從機(jī)電液控等幾個方面針對機(jī)械系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)4 個方面的匹配性進(jìn)行分析。

5.1 “機(jī)——機(jī)”匹配性

機(jī)械系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的匹配性可以通過結(jié)合面、運(yùn)動性能、精度和動態(tài)特性4 個方面的匹配來控制。

5.1.1 結(jié)合面匹配

由于數(shù)控機(jī)床中存在大量的結(jié)合面，破壞了整機(jī)的連續(xù)性，并且整機(jī)的動態(tài)性能又受到結(jié)合面與構(gòu)件性能的共同影響，因此結(jié)合面的有效匹配對整機(jī)性能的提高至關(guān)重要。結(jié)合面匹配性主要分析部件之間的技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用特性是否匹配。根據(jù)產(chǎn)品所需要實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用特性，經(jīng)建模、分析、計(jì)算之后，選擇合適的尺寸、公差等技術(shù)參數(shù)。

以螺釘連接結(jié)合面為例[15]，先建立結(jié)合面接觸分析模型，分析得到結(jié)合面接觸壓強(qiáng)分布，通過改變結(jié)合面的設(shè)計(jì)參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)螺釘有效影響半徑、有效連接區(qū)域的最大化，進(jìn)而可以得到被連接件厚度與螺釘直徑的匹配關(guān)系，以及相鄰螺釘?shù)淖畲箝g距。

5.1.2 運(yùn)動性能匹配

機(jī)械產(chǎn)品各零部件之間的有效匹配不僅僅要考慮匹配零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸，還需要考慮其運(yùn)動性能是否匹配。如汽車的行駛性能（動力性能、制動性能、燃料經(jīng)濟(jì)性、行駛平順性、通過性和操縱穩(wěn)定性）不僅與輪胎的結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)，還與輪胎和路面之間的附著性能、側(cè)偏特性、垂直特性以及滾動阻力等運(yùn)動性能密切相關(guān)。數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品亦是如此，如果運(yùn)動零部件之間的運(yùn)動性能無法有效匹配，整機(jī)的功能也無法發(fā)揮出來。因此首先要分析相互運(yùn)動零部件的運(yùn)動性能是什么，進(jìn)而分析影響運(yùn)動性能匹配的因素有哪些，在設(shè)計(jì)、制造、裝配以及維護(hù)保養(yǎng)等各環(huán)節(jié)控制影響運(yùn)動性能匹配的主要因素，達(dá)到提高運(yùn)動性能匹配性的目的。

5.1.3 精度匹配

數(shù)控機(jī)床的主要性能指標(biāo)就是其精度、精度壽命和可靠性。其精度指標(biāo)包括工作精度、動靜態(tài)下的運(yùn)動精度、幾何精度以及運(yùn)動軸的控制精度等。

精度匹配，即依據(jù)系統(tǒng)總精度要求來確定各分系統(tǒng)乃至各組成單元的誤差大小，在便于工程設(shè)計(jì)的同時(shí)，使系統(tǒng)效能達(dá)到最大[16]。要實(shí)現(xiàn)精度匹配，需要在對整機(jī)進(jìn)行精度分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)床中各部分、各環(huán)節(jié)對整機(jī)精度影響程度的不同，根據(jù)現(xiàn)實(shí)可能，分別對各部分、各環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當(dāng)?shù)木确峙?。例如，機(jī)床運(yùn)動連中某些環(huán)節(jié)精度要求高，就應(yīng)當(dāng)設(shè)法使這些環(huán)節(jié)保持足夠的精度，對于其他環(huán)節(jié)，則應(yīng)根據(jù)不同的要求分配不同的精度。另外，還要注意機(jī)床各部分之間相互牽連、相互要求上的銜接問題，對各部分之間的耦合關(guān)系進(jìn)行分析，從而達(dá)到整機(jī)精度最優(yōu)化。

5.1.4 動態(tài)特性匹配

數(shù)控機(jī)床作為一個復(fù)雜的多自由度振動系統(tǒng)，是由多個具有固有振動特性的子系統(tǒng)組成的。對機(jī)床的振動特性進(jìn)行分析時(shí)，可以將其看作是一個多振源的彈性系統(tǒng)，承受著電機(jī)、液壓油缸、傳動軸等產(chǎn)生的激勵。

要使數(shù)控機(jī)床內(nèi)部動態(tài)特性匹配，首先需要建立準(zhǔn)確的有限元模型；然后對機(jī)床各部件進(jìn)行模態(tài)分析，得出各部件低階的固有頻率和振型，分析各部件動態(tài)特性分布；然后利用建立的機(jī)床模型，用有限元法進(jìn)對機(jī)床運(yùn)行過程進(jìn)行仿真，獲得運(yùn)行中各部件的一系列響應(yīng)結(jié)果，得到對振動貢獻(xiàn)最大的固有頻率值；最后利用模態(tài)分析的結(jié)果，對機(jī)床進(jìn)行動態(tài)特性的匹配分析，確定各部件固有頻率適當(dāng)范圍以及有改進(jìn)空間的部件，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件對部件進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到系統(tǒng)固有頻率和動態(tài)激勵特性合理匹配的目的[17]。

5.2 “機(jī)——電”匹配性

高伺服精度和優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)特性已經(jīng)成為當(dāng)今高速高精度數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的追求目標(biāo)。進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的匹配性研究時(shí)，不能只重視轉(zhuǎn)矩的匹配，應(yīng)該更加重視慣量的匹配，做到轉(zhuǎn)矩雖有所過剩，但慣量匹配達(dá)到最佳狀態(tài)。這對于提高加工效率、零件加工幾何精度和表面粗糙度都是十分有利的。

當(dāng)選定進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電機(jī)后，轉(zhuǎn)矩也隨之成為定值。電動機(jī)本身的轉(zhuǎn)動慣量與折合到電動機(jī)軸的負(fù)載慣量之和越小，越有利于調(diào)速，瞬態(tài)響應(yīng)越好，伺服電動機(jī)加減速所需要的能量就越少。一般高速高精度機(jī)床，負(fù)載慣量不能超過電動機(jī)本身慣量的3 倍，而且二者比值越小越好，這是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)這需要解決的首要問題[17]。

實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，有多種方法可以減小折合到電動機(jī)軸的負(fù)載慣量。如有限元分析、通過優(yōu)化移動零部件的設(shè)計(jì)減小其重量、合理選擇伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺距、降低絲杠轉(zhuǎn)速等。

5.3 “機(jī)——液”匹配性

液壓系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床中必不可少的組成部分，是數(shù)控機(jī)床零部件的運(yùn)動和功能部件的功能實(shí)現(xiàn)的動力裝置。作為重要動力裝置，其各油路的壓力和流量必須與機(jī)械系統(tǒng)相關(guān)功能部件的運(yùn)動和動作相匹配，否則就會造成零部件運(yùn)動不到位或者因壓力、流量過大而導(dǎo)致機(jī)床性能下降甚至機(jī)床本身的損壞。

做好數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的匹配，要對液壓裝置進(jìn)行合理選擇。例如：根據(jù)場地條件和工作要求，進(jìn)行液壓泵裝置（分為立式和臥式兩種）、液壓站結(jié)構(gòu)形式（分為分散式和集中式）等的選擇。又如：液壓系統(tǒng)動力源形式有很多，如定量泵——比例溢流閥方式、定量泵——蓄能器——卸荷溢流閥方式、恒壓變量泵——安全閥方式。對于機(jī)床系統(tǒng)而言，執(zhí)行機(jī)構(gòu)快進(jìn)時(shí)需要較大流量和較低的壓力，而工進(jìn)時(shí)需要較小流量和較高的壓力，恒壓式變量泵正好和這種工況適應(yīng)，因此比較適合選用恒壓變量泵——安全閥方式。

在確定液壓裝置的類型后，通過計(jì)算液壓系統(tǒng)各支路所需的壓力和流量，根據(jù)所得的結(jié)果，可以得出每個執(zhí)行元件的型號參數(shù)以及其所在油路的最大壓力和最大流量參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)排量、額定工作壓力、最大工作壓力等參數(shù)選擇機(jī)床系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的液壓泵，最后根據(jù)液壓站電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行電機(jī)的選擇。

一般情況下，所選液壓元件的額定壓力和流量盡可能與其計(jì)算所需值相近，必要時(shí)，通過元件的最大流量可大于它的額定流量，一般不超過20%，以免壓力損失過大，引起油液發(fā)熱，噪聲和其他性能惡化[18]。

5.4 “機(jī)——控”匹配性

數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)之間也有個匹配問題，這就是為什么在安裝數(shù)控系統(tǒng)后，需要測量機(jī)械部分的特性，再調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)與機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行匹配的原因。

為了使數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床相匹配，首先要針對數(shù)控機(jī)床本身，進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的合理選擇，主要考慮數(shù)控裝置、可編程邏輯控制器、驅(qū)動裝置和檢測元件（閉環(huán)控制）幾個方面。

數(shù)控裝置的選擇主要考慮數(shù)控系統(tǒng)的類型（用于何種數(shù)控機(jī)床或加工中心；用經(jīng)濟(jì)型、普通型還是全功能型；用開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)）、功能（機(jī)床所需要的功能要求，如幾軸聯(lián)動）、可維修性（系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和自診斷能力）、配套性（設(shè)計(jì)、安裝、配套供應(yīng)、維修服務(wù)）、以及價(jià)格。

可編程邏輯控制器主要對其功能指標(biāo)的選擇，如：輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的個數(shù)、總步數(shù)以及每執(zhí)行一步所需要的時(shí)間等。

對于閉環(huán)系統(tǒng)，驅(qū)動裝置主要是伺服驅(qū)動和伺服電機(jī)的選擇，主要根據(jù)負(fù)載、速度、精度等確定運(yùn)行頻率、轉(zhuǎn)動慣量等性能指標(biāo)，進(jìn)行伺服電機(jī)的選擇。

檢測元件的選擇，首先要考慮數(shù)控裝置的類型、接口，對于全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，一般可選擇光柵尺或同步感應(yīng)器。

數(shù)控系統(tǒng)選擇好了不一定能夠在數(shù)控機(jī)床上正常運(yùn)行，這就需要數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商專業(yè)人員進(jìn)行安裝調(diào)試或由購買方專業(yè)人員嚴(yán)格按照說明書進(jìn)行安裝，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試步驟一般為：準(zhǔn)備調(diào)試電纜、語言設(shè)定、輸入機(jī)床初始化文件、機(jī)床參數(shù)設(shè)定、可編程邏輯控制器調(diào)試、驅(qū)動調(diào)試、NC 參數(shù)設(shè)定以及數(shù)據(jù)備份等。

在選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)并準(zhǔn)確安裝調(diào)試后，機(jī)械系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的匹配性將得以保證。

6 結(jié)語

本文介紹了五種常用可靠性分析技術(shù)，合理利用這些技術(shù)可以有效提高數(shù)控機(jī)床的可靠性水品。這5種可靠性分析技術(shù)具有通用性，不僅可以用于機(jī)床行業(yè)，還可以應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械等其他行業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和工程實(shí)踐意義。

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