數(shù)控轉(zhuǎn)臺的可靠性增長措施＊*

牟 冰 楊慶東

(北京信息科技大學機電工程學院，北京100192)

數(shù)控轉(zhuǎn)臺是五軸聯(lián)動機匣加工中心實現(xiàn)五軸聯(lián)動的必備功能部件，是加工中心向高速、高精度方向發(fā)展的集中體現(xiàn)［1］。數(shù)控轉(zhuǎn)臺不僅為機匣加工中心的回轉(zhuǎn)軸提供了高精度的定位，而且實現(xiàn)了低速大負載的回轉(zhuǎn)進給運動［2］。數(shù)控轉(zhuǎn)臺完善了我國精密機匣加工中心的整體性能，對擴大機匣加工中心的加工范圍、提高加工效率、保證機匣工件的加工精度等都有重要作用［3］。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺的加工環(huán)境十分惡劣，在加工工件時長期受切削液、工件切屑和切削力的影響，造成數(shù)控轉(zhuǎn)臺故障頻發(fā)，精度保持性較差［4］，大大影響了國產(chǎn)五軸聯(lián)動機匣加工中心的整機可靠性與機匣工件的加工質(zhì)量。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺作為五軸聯(lián)動機匣加工中心重要的自制功能部件，對加工中心整機的可靠性影響非常大［5］，對數(shù)控轉(zhuǎn)臺進行故障分析找出其可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，進行設(shè)計與改進以提高其可靠性具有重要意義。

1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺的故障分析

1.1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺的故障統(tǒng)計

從2013 年1 月1 日到2014 年6 月30 日，調(diào)查統(tǒng)計了14 臺機匣加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺在用戶加工現(xiàn)場的故障數(shù)據(jù)，經(jīng)整理得到有效故障21 個。

1.2 故障部位分析

機匣加工中心在進行切削時，數(shù)控轉(zhuǎn)臺、擺動主軸頭與X、Y、Z 軸一起實現(xiàn)五軸聯(lián)動，帶動機匣工件實現(xiàn)復雜空間曲面的加工［6］。數(shù)控轉(zhuǎn)臺采用力矩電動機直接驅(qū)動，具有載荷量大、任意分度、轉(zhuǎn)速高和可靠性高等優(yōu)點［7］，但因數(shù)控轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量較大，比較容易受到負載擾動及參數(shù)變化等因素的影響，致使系統(tǒng)的抗干擾性和跟隨性受到削弱［8］。

要充分利用機匣加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺的故障數(shù)據(jù)，通過FMECA 分析(failure mode，effects and criticality analysis，故障模式、影響及危害性分析)［9］，確定轉(zhuǎn)臺可靠性的薄弱部位，采取有針對性的可靠性改進措施，消除可靠性缺陷與薄弱部位實現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的可靠性增長。

2 故障模式及危害度分析

根據(jù)統(tǒng)計的故障數(shù)據(jù)和相關(guān)計算公式［10］，計算機匣加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺故障模式的危害度CR 并總結(jié)其故障模式如表1 所示。危害度CR 的計算公式:

表1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺的故障模式及危害度表

式中:nj為故障模式j(luò) 發(fā)生的次數(shù);n 為數(shù)控轉(zhuǎn)臺發(fā)生故障的次數(shù);αj表示轉(zhuǎn)臺發(fā)生故障模式j(luò) 的概率;λ 表示轉(zhuǎn)臺的故障率;βj表示因故障模式j(luò) 造成轉(zhuǎn)臺失效的概率。對βj規(guī)定:若βj=1 表示該轉(zhuǎn)臺一定會損壞，若βj=0.5 表示轉(zhuǎn)臺有可能損壞，若βj=0.1 表示轉(zhuǎn)臺損壞的可能性很小，若βj=0 表示轉(zhuǎn)臺一定不會損壞。

式中:N 為轉(zhuǎn)臺本次調(diào)查期間故障發(fā)生的總次數(shù);∑t為轉(zhuǎn)臺在調(diào)查期間的累計工作時間，因調(diào)查期間數(shù)控轉(zhuǎn)臺每天工作21 h，每月工作約22 天，共18 個月，所以∑t =21 ×22 ×18 =8 316 h。

根據(jù)表1 可得到數(shù)控轉(zhuǎn)臺各種故障模式的危害度大小分布直方圖，如圖2 所示。

通過圖2 可知數(shù)控轉(zhuǎn)臺危害度最大的幾個故障模式是:A01 切削液、液壓油等泄漏，A06 轉(zhuǎn)臺工作精度超標，A02 轉(zhuǎn)臺不夾緊，運轉(zhuǎn)不靈活和A04 轉(zhuǎn)臺返回參考點時振動或抖動，在對數(shù)控轉(zhuǎn)臺進行可靠性設(shè)計與增長時，應重點針對這幾種故障模式開展。

3 故障原因分析

根據(jù)對數(shù)控轉(zhuǎn)臺的FMECA 分析結(jié)果，得到了數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，對轉(zhuǎn)臺發(fā)生各種故障模式的根本原因分析如表2 所示。

4 可靠性增長措施

根據(jù)機匣加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺的FMECA 分析結(jié)果，得到了轉(zhuǎn)臺各故障模式發(fā)生的潛在原因。下面根據(jù)轉(zhuǎn)臺故障發(fā)生的原因，從數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計、制造、裝配和管理等環(huán)節(jié)給出了有針對性的可靠性增長措施。

表2 數(shù)控轉(zhuǎn)臺故障模式及原因分析

4.1 轉(zhuǎn)臺故障消除的措施

(1)對切削液、液壓油等泄漏:控制轉(zhuǎn)臺裝配流程，減小因裝配不當造成的磨損，定期檢查并更換已損壞的活塞;使用環(huán)形扣壓方式，做好管路走線，盡量避免橡膠管發(fā)生彎曲，及時檢查并更換已損壞的密封圈，選擇可靠性高的外購密封圈;及時更換新的罩殼，并嚴格控制外購罩殼的質(zhì)量。

(2)對轉(zhuǎn)臺不夾緊，運轉(zhuǎn)不靈活:修復密封裝置研損部位或及時更換密封圈，定期檢查液壓油量，且重新調(diào)節(jié)液壓壓力;將轉(zhuǎn)臺在無塵車間進行裝配，并嚴格控制轉(zhuǎn)臺零部件的質(zhì)量、裝配方法等確保其裝配精度，定期檢查緊固位或更換脹緊套。

(3)對運動部件無動作:定期檢查系統(tǒng)輸入的脈沖數(shù)、信號輸入情況并及時給予調(diào)節(jié)和修正;加強接近開關(guān)、支架強度，緊固螺釘防止松動，及時清潔、修復或更換光柵;加強數(shù)控轉(zhuǎn)臺裝配質(zhì)量檢驗，嚴格控制轉(zhuǎn)臺的裝配精度，采用高可靠性的密封件;定期檢查緊固或更換脹緊套，及時更換或修復損壞的錐銷。

(4)對轉(zhuǎn)臺返回參考點時振動或抖動:定期檢查并適當緊固螺母;改善轉(zhuǎn)臺的對稱性和偏轉(zhuǎn)特性，采用帶阻濾波器對機械諧振進行抑制補償，采用可調(diào)濾波器增益的觀測器/濾波器結(jié)構(gòu)自適應控制方法［11］，提高轉(zhuǎn)臺的位置跟蹤能力。

(5)對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動過程中發(fā)出異響:及時修復或更換已損壞的軸承，選擇可靠性高的密封件，定期維護以防止泄漏發(fā)生;將轉(zhuǎn)臺在無塵車間進行裝配，并嚴格控制轉(zhuǎn)臺零部件的質(zhì)量、裝配方法等確保轉(zhuǎn)臺裝配精度及轉(zhuǎn)臺內(nèi)部的清潔;定期檢查并適當緊固螺栓。

(6)對轉(zhuǎn)臺工作精度超標:改進罩殼的密封方式，選用效果好的密封圈，在結(jié)合處涂抹防水膠;盡量避免讓數(shù)控轉(zhuǎn)臺長時間地連續(xù)加工工件，改善數(shù)控轉(zhuǎn)臺內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu);定期檢查修復轉(zhuǎn)臺緩沖裝置，運用準滑動模態(tài)方法、平滑濾波等方法消除電磁干擾;嚴格保證轉(zhuǎn)臺零部件質(zhì)量，按照裝配要求和工序來安裝轉(zhuǎn)臺，通過前饋控制方法和可預見控制方法消除反饋延遲，采用滑模和改進型干擾觀測器結(jié)合的方法來設(shè)計控制器，保證伺服系統(tǒng)運行和機匣工件的加工精度［12］，通過電壓/電流采樣技術(shù)、增加濾波環(huán)節(jié)來消除電壓/電流波動。

(7)對轉(zhuǎn)臺回零不準:及時更換失效的零位檢測開關(guān)，并嚴格控制外購開關(guān)的質(zhì)量，提高罩殼的密封性，并在結(jié)合處涂抹防水膠;對數(shù)控轉(zhuǎn)臺采用水冷套散熱方式，將水冷套與轉(zhuǎn)臺力矩電動機的定子進行貼合，從而降低數(shù)控轉(zhuǎn)臺的溫度。

4.2 可靠性管理與試驗措施

(1)機床企業(yè)應建立數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性崗位責任制，通過保證轉(zhuǎn)臺零部件的質(zhì)量和裝配方法來確保轉(zhuǎn)臺的裝配可靠性;定期對工作人員進行有針對性的可靠性培訓，提高工作人員素質(zhì)，加強可靠性人才方面的培養(yǎng)。

(2)機床企業(yè)應建立以可靠性管理為核心的數(shù)控轉(zhuǎn)臺質(zhì)量體系、轉(zhuǎn)臺早期故障試驗和消除體系，在總裝前對機匣加工中心的數(shù)控轉(zhuǎn)臺進行可靠性試驗，有效地激發(fā)和發(fā)現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的早期故障，采取有效措施將故障隱患消除于企業(yè)內(nèi)部，提高數(shù)控轉(zhuǎn)臺的可靠性水平［13］。

5 結(jié)語

對機匣加工中心的數(shù)控轉(zhuǎn)臺在用戶加工現(xiàn)場的故障數(shù)據(jù)進行了深入分析，找出了數(shù)控轉(zhuǎn)臺在設(shè)計和裝配等環(huán)節(jié)的薄弱部位，認清了故障發(fā)生的潛在原因，有針對性地提出了一些預防及優(yōu)化改進措施，消除了數(shù)控轉(zhuǎn)臺的早期故障，提高了轉(zhuǎn)臺的可靠性水平，為國產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的可靠性設(shè)計與增長等提供了一定的參考。

［1］欒強利.直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺性能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計［D］.濟南:山東輕工業(yè)學院，2011.

［2］張文博，李焱，高秀峰，等.幾種數(shù)控機床回轉(zhuǎn)進給機構(gòu)的傳動形式［J］.機械傳動，2011，35(5):76 -80.

［3］楊凌云，葉文華，劉世豪.數(shù)控機床二軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺動力學仿真與耦合分析［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2012(3):11 -16.

［4］涂林. 臥式加工中心可靠性試驗技術(shù)研究［D］. 重慶:重慶大學，2012.

［5］張根保，涂林，許智，等.雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性試驗技術(shù)及失效分析［J］.機械科學與技術(shù)，2011，30(10):1737 -1742.

［6］范長庚，王燕，李鳳春，等. 采用薄型油壓缸等分數(shù)控轉(zhuǎn)臺的裝置［J］.液壓氣動與密封，2014，(3):45 -49.

［7］呂超，劉建華. 數(shù)控轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)形式［J］. 金屬加工:冷加工，2013(13):18 -19.

［8］尹明，范麗鵬，張高平.影響直接驅(qū)動數(shù)控轉(zhuǎn)臺伺服剛度的因素分析［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2013(2):58 -60.

［9］派切特.產(chǎn)品可靠性、維修性及保障性手冊［M］.王軍鋒，陳云斌，周寬，等譯.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［10］賈敬陽.數(shù)控砂帶磨床可靠性評估與故障分析［D］. 長春:吉林大學，2013.

［11］楊松.高精度機械軸承轉(zhuǎn)臺摩擦補償研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2009.

［12］崔晨. 數(shù)控轉(zhuǎn)臺直接驅(qū)動伺服系統(tǒng)間接/直接自適應魯棒控制［D］.沈陽:沈陽工業(yè)大學，2013.

［13］范秀君，許靜林，張根保，等.數(shù)控機床早期故障消除技術(shù)［J］.中國機械工程，2013，24(16):2241 -2247.