加工中心刀庫系統(tǒng)可靠性強化試驗方法

叢 明 韓玉婷 劉 冬

大連理工大學，大連，210200

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加工中心刀庫系統(tǒng)可靠性強化試驗方法

叢 明 韓玉婷 劉 冬

大連理工大學，大連，210200

對某型號加工中心的刀庫及機械手的早期故障進行分析后，假設了其主要的故障原因。為了加速試驗過程并進一步驗證假設的故障原因，設計了刀庫系統(tǒng)的可靠性強化試驗方案。首先選取了3個加速因子并確定了加速因子的大小，然后確定出試驗的綜合應力剖面，對刀庫的3個位置的性能情況進行了監(jiān)控。最后對試驗發(fā)生的6次故障進行了分析，驗證了假設的故障原因并提出對應的改進措施。

刀庫及機械手；可靠性強化試驗；試驗剖面；加速因子

0 引言

高可靠性、長壽命已經(jīng)成為現(xiàn)在加工中心發(fā)展的趨勢，所以需要大量試驗時間的傳統(tǒng)可靠性評價試驗和故障篩選試驗已經(jīng)不能滿足加工中心可靠性試驗的需求?？煽啃詮娀囼?reliability enhancement testing，RET)可以施加比正常使用時大得多的應力，能迅速暴露產(chǎn)品的潛在缺陷。在工程研制階段進行強化試驗，可提高產(chǎn)品的可靠性[1]。刀庫及機械手是加工中心的重要功能部件之一，因其受到的沖擊力較大，且換刀動作頻繁，所以會經(jīng)常發(fā)生故障[2]。

目前，對刀庫及機械手進行的可靠性試驗大都是故障篩選試驗和可靠性評價試驗。文獻[3-6]對加工中心刀庫及機械手的可靠性試驗臺的搭制、故障篩選試驗及可靠性評價試驗進行了研究，得出了刀庫及機械手的主要故障模式。但可靠性評價和故障篩選試驗所需的試驗時間比較長，通常都需要6個月以上的試驗時間。為了縮短傳統(tǒng)刀庫可靠性試驗的試驗時間，加速可靠性試驗的過程，本文對刀庫及機械手進行了可靠性強化試驗。

目前，對刀庫及機械手的可靠性強化試驗的研究還比較少，文獻[7-8]在可靠性強化試驗中找出了影響失效的最敏感因子。張根保等[9]將可靠性強化試驗理論應用到數(shù)控轉(zhuǎn)臺上并制訂了試驗剖面，為可靠性強化試驗在加工中心上的應用提供借鑒。

本文對刀庫及機械手的可靠性強化試驗方法進行了深入研究，以期加速機床功能部件暴露故障的過程，發(fā)現(xiàn)設計缺陷，提高其可靠性并減少故障。

1 故障模式的失效分析和加速因子的選擇

1.1 故障模式失效分析

試驗選取的刀庫及機械手是國產(chǎn)某系列加工中心的直線型鏈式刀庫，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。伺服電機1通過鏈輪4帶動刀庫刀具旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)選刀動作；倒刀氣缸2帶動刀套6實現(xiàn)刀具從刀庫到換刀位置的移動；兩爪回轉(zhuǎn)機械手7通過復合分度凸輪8和錐齒輪5傳動實現(xiàn)機械手的換刀動作；步進電機9通過鏈條3和齒輪的傳動實現(xiàn)防護門的迅速開關。

1.伺服電機 2.倒刀氣缸 3.鏈條 4.鏈輪 5.錐齒輪

為了方便，下面將刀庫及機械手統(tǒng)稱為刀庫系統(tǒng)。首先對刀庫系統(tǒng)的9次早期故障進行統(tǒng)計分析，將所有故障分類成4種模式，統(tǒng)計得出每種故障模式的頻數(shù)。從表1可以看出，刀庫掉刀、刀檢失調(diào)和刀檢誤報警的頻數(shù)比較高，如果能減少這三類故障模式發(fā)生的概率就可以從根本上提高刀庫系統(tǒng)的可靠性。

表1 刀庫系統(tǒng)的早期故障模式分析表

根據(jù)上述故障模式的分析結(jié)果，對故障模式的故障原因做出以下假設：

(1)刀庫掉刀的主要原因是刀庫換刀位置設置不合理。設置的換刀位置和實際的換刀位置有偏差，導致?lián)Q刀時刀庫掉刀；換刀點參數(shù)對這把刀是適合的，對下一把刀也許就不適合。所以需要進行多次換刀，提高換刀的頻率，并多次修改換刀位置參數(shù)，直到找到對所有刀具都適合的換刀位置。對每一把刀反復多次進行換刀試驗可以更精確地確定換刀位置，減少掉刀故障的發(fā)生。

(2)刀檢失調(diào)和刀檢誤報警發(fā)生的主要原因是刀檢值設置不合理。刀檢的主要作用是檢查刀具是否有刀尖斷刀現(xiàn)象，其工作原理是：如果刀具的刀尖在傳感器的檢測范圍內(nèi)，傳感器就會獲得一個信號，說明刀具沒有斷刀；如果沒有收到信號就說明這把刀具的刀尖斷刀。一臺加工中心至少安裝有十幾把各種不同型號的刀具，各種刀具的長短也不同，而刀檢傳感器并不會在使用不同種刀具的時候作位置上的調(diào)整。因此刀檢傳感器的值設置不合理就會使傳感器有時無法檢測到刀尖，比如某把刀具的的刀尖沒斷，但此時傳感器沒有檢測到刀尖的信號，發(fā)出刀具斷刀報警，產(chǎn)生了刀檢誤報警故障。刀庫發(fā)出錯誤的報警信號，會導致檢測系統(tǒng)的程序失調(diào)，不能進行正常的刀尖檢測。

1.2 加速因子的選擇

根據(jù)上面假設的故障原因，選擇并確定可靠性強化試驗的加速因子。根據(jù)機械部件在生命周期內(nèi)的應力和壽命之間的關系方程，選取可靠性強化試驗的加速因子：

SmN=c

式中，m、c為材料常數(shù)；N為應力幅值為S時的破壞循環(huán)次數(shù)[10]。

根據(jù)強化原理，為了減小循環(huán)次數(shù)N，需要增大應力S，所以本試驗選取一個或多個加速因子來增大環(huán)境應力、減小循環(huán)次數(shù)。根據(jù)1.1節(jié)假設的故障原因，選擇并確如下定加速因子：

(1)換刀頻率。換刀頻率是最重要的加速因子，增大刀庫的換刀頻率可以加速試驗中掉刀故障以及刀檢故障的發(fā)生過程，而且對不同的刀具進行換刀試驗可以提高試驗的可信性。

(2)刀庫載重量。加大刀庫的載重量并超出正常加工時的載重量，可以激發(fā)出刀庫旋轉(zhuǎn)時發(fā)生的故障；加大載重量的同時增加換刀刀具的種類，可以加速刀檢故障的發(fā)生。

(3)刀庫轉(zhuǎn)速。提高刀庫的轉(zhuǎn)速可以使刀庫旋轉(zhuǎn)時發(fā)生的故障更快地激發(fā)出來，也可以加速故障的發(fā)生。

2 失效準則和性能監(jiān)控

試驗過程中，為判斷刀庫系統(tǒng)是否已經(jīng)進入失效狀態(tài)，需要對刀庫系統(tǒng)的一些性能參數(shù)進行監(jiān)測，并制定相應的失效準則來判定系統(tǒng)是否失效。具體監(jiān)測項目如下：

(1)振動。在刀庫和換刀位置安裝三向加速度傳感器和單向加速度傳感器，實現(xiàn)對刀庫和換刀點振動的實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)振動幅值過大的情況。

(2)壓力。在刀庫推刀氣缸上安裝壓力傳感器，實時監(jiān)控氣缸的壓力變化，便于及時發(fā)現(xiàn)壓力的異常變化。

(3)電流。對控制刀庫和機械手運轉(zhuǎn)的步進電機和伺服電機的電流進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)電機燒毀故障(加工中心常見的故障)，并找出導致電路短路的具體位置。

對刀庫監(jiān)測出的以上物理參數(shù)，制定其失效的判定準則，如表2所示，所監(jiān)控的參數(shù)值若超出了工作范圍則判定為刀庫系統(tǒng)失效。

表2 監(jiān)測性能失效準則表

3 刀庫系統(tǒng)可靠性強化試驗方案

3.1 加速因子水平的設計

可靠性強化試驗的加速因子施加的原則是，加速因子的大小要超過設計上下限，而不超過工作上下限[10]，這樣才可以既加速可靠性試驗，又不破壞刀庫系統(tǒng)。本次試驗的刀庫系統(tǒng)為MDH80配套的OEM刀庫系統(tǒng)，產(chǎn)品的工作極限：刀庫的轉(zhuǎn)速為100 m/min，換刀頻率為每分鐘6次。因此為試驗設計的加速因子的水平如下：

(1)刀庫轉(zhuǎn)速。本著加速因子的大小不超過刀庫轉(zhuǎn)速的工作極限的原則，本次試驗設計刀庫轉(zhuǎn)速為60 m/min。

(2)換刀頻率。換刀頻率的設計極限為每分鐘1.6次，本次試驗的換刀頻率為每分鐘3次，稍稍高于刀庫的設計極限。

(3)刀庫載刀量。一般加工時刀庫的載刀量是4～7把刀，本次試驗時刀庫裝滿刀具，共40把模擬刀具，每把刀的質(zhì)量為25 kg，總質(zhì)量為1000 kg。

3.2 強化試驗綜合應力剖面

刀庫系統(tǒng)進行換刀動作的具體過程如圖2所示，依據(jù)刀庫系統(tǒng)的換刀過程得出刀庫系統(tǒng)可靠性強化試驗的綜合應力剖面，如圖3所示。在可靠性強化試驗中，刀庫和機械手在圖3所示的綜合應力水平下按照圖3的過程循環(huán)動作。

圖2 刀庫系統(tǒng)換刀順序動作圖

圖3 可靠性強化試驗綜合應力剖面圖

4 試驗結(jié)果分析

按照上面設置的應力剖面參數(shù)，總共對5個刀庫系統(tǒng)功能部件進行了可靠性強化試驗。試驗開始后的第 154 h、165 h、352 h、396 h、484 h、495 h出現(xiàn)了故障，試驗現(xiàn)場的故障信息采集結(jié)果如表3所示。

表3 故障信息采集表

對刀庫系統(tǒng)進行可靠性強化試驗后，對出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進行分析，發(fā)現(xiàn)刀庫系統(tǒng)的主要故障為：刀具檢測故障和換刀機械手故障。對表3所示的故障原因進行總結(jié)，得出刀庫系統(tǒng)故障的主要原因：①刀檢值設置不合理，只有在大量的試驗之后才可以確定合適的刀檢值，而使用可靠性強化試驗后可以縮短試驗時間，快速發(fā)現(xiàn)合適的刀檢值；②刀檢裝置的可靠性不高，導致刀檢故障的頻繁發(fā)生；③換刀故障的主要原因是換刀位置參數(shù)設置不合理，從而導致機械手沒有抓穩(wěn)刀具，但合理的換刀位置參數(shù)也需要大量的試驗才能確定。

5 結(jié)論

(1)該可靠性強化試驗達到了試驗預期，選取的加速因子的工作極限很好地激發(fā)了刀庫系統(tǒng)的故障，加速了故障暴露的過程，驗證了試驗前的故障模式及危害度分析的故障原因假設。

(2)成功地將可靠性強化試驗理論應用到加工中心的刀庫系統(tǒng)，填補了加工中心的可靠性強化試驗的空缺，并為其他功能子系統(tǒng)的可靠性強化試驗方法提供借鑒。

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(編輯 張 洋)

RET of Machining Center Tool Magazine System

Cong Ming Han Yuting Liu Dong

Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning，210200

The main failure causes were assumed after the early failures about tool magazine and manipulator of a type of machining center were analyzed. In order to accelerate the testing processes and further to validate the hypothesis, the test scheme of RET was designed. Firstly, three acceleration factors were choosen and their values were also determined, then the comprehensive stress profile of RET was determined, and the performances of three positions of the tool magazine were monitored. Finally, 6 failures of the test were analyzed, and the hypothesis of the failure causes were verified. And the improvement measures were put forward.

tool magazine and manipulator; reliability enhancement testing(RET); testing profile; accelerated factor

2015-12-31

國家科技重大專項(2011ZX04015-021)

TH311

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.21.003

叢 明，男，1963年生。大連理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為機器人技術、可靠性技術、優(yōu)化設計。發(fā)表論文200余篇。韓玉婷，女，1990年生。大連理工大學機械工程學院碩士研究生。劉 冬，男，1985年生。大連理工大學機械工程學院博士后研究人員。