基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)估*

□ 孔維森 □ 陸 榮 □ 劉劍龍 □ 陳文成 □ 邱 碩 □ 劉 曉

上海航天設(shè)備制造總廠有限公司 上海 200240

1 研究背景

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代工業(yè)的母機(jī),是制造業(yè)發(fā)展必需的基礎(chǔ)裝備,其技術(shù)水平是衡量國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志。我國(guó)數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造產(chǎn)業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的機(jī)遇期,國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在航空、航天等軍工企業(yè)中的應(yīng)用已初具規(guī)模。提升國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的可靠性,是我國(guó)高端裝備制造業(yè)面臨的重大課題[1-3]。

數(shù)控機(jī)床的可靠性評(píng)估是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。張根保等[4]對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)、可靠性試驗(yàn)技術(shù)、可靠性評(píng)估技術(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)研究,提出了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性提升策略。楊兆軍等[5]對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性加速試驗(yàn)進(jìn)行研究,研發(fā)了模擬機(jī)床運(yùn)行工況的數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部件可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)。張海波等[6]通過(guò)回歸折算法對(duì)小樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)充,之后建立數(shù)控機(jī)床的可靠性模型,解決了樣本數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題。張海波等[7]還對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的故障間隔時(shí)間進(jìn)行了建模分析,結(jié)果表明考察期內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)故障間隔時(shí)間較短。聶萌、張海波[8]利用自助擴(kuò)充法將小樣本故障數(shù)據(jù)擴(kuò)充為大樣本,進(jìn)而對(duì)機(jī)床故障進(jìn)行建模分析。

目前,面向國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床故障模式及可靠性評(píng)估的研究仍較少,尤其是對(duì)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)跟蹤試驗(yàn)的研究更為少見(jiàn),相關(guān)國(guó)內(nèi)主機(jī)廠在設(shè)計(jì)改進(jìn)方面缺少相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持[9]。

筆者以某主機(jī)廠生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用為背景,對(duì)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在使用期間的故障數(shù)據(jù)、故障模式進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)與分析,獲得可靠的故障數(shù)據(jù),分析國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié),為國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的可靠性建模、分析與改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。

2 故障統(tǒng)計(jì)

基于國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在某企業(yè)的應(yīng)用情況,選擇9臺(tái)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床作為觀測(cè)樣本,取樣周期為2 a。對(duì)運(yùn)行期間的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)對(duì)象包含數(shù)控銑床和數(shù)控車(chē)床,數(shù)控系統(tǒng)包含國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)。

2.1 數(shù)據(jù)采集流程

為了保證數(shù)據(jù)采集的完整性與及時(shí)性,制訂了機(jī)床可靠性數(shù)據(jù)采集程序,如圖1所示。第一步,進(jìn)行需求分析,明確采集對(duì)象及采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容。第二步,根據(jù)機(jī)床的使用班次確定時(shí)間區(qū)間。第三步,制作統(tǒng)一、規(guī)范的數(shù)據(jù)采集表格。第四步,在機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。

▲圖1 機(jī)床可靠性數(shù)據(jù)采集程序

2.2 故障部位定義

為了能基于采集的數(shù)據(jù)對(duì)故障部位及失效模式進(jìn)行分析,找出國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),需要對(duì)數(shù)控機(jī)床的部位進(jìn)行劃分,依據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)、功能特性將數(shù)控機(jī)床劃分為若干系統(tǒng)與子系統(tǒng),進(jìn)而定義不同的故障部位及相應(yīng)編碼[10],見(jiàn)表1。

表1 數(shù)控機(jī)床故障部位定義

3 故障模式分析

對(duì)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)估期間所涉及的故障模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并對(duì)各故障部位所占的故障比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確認(rèn)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。

3.1 一級(jí)故障分析

對(duì)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床一級(jí)故障部位發(fā)生的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì),比例如圖2所示。機(jī)床結(jié)構(gòu)部分的故障占總故障的近一半,主要體現(xiàn)為刀具庫(kù)在換刀環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題,機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件由于進(jìn)場(chǎng)裝配不當(dāng)而造成精度不足,這表明要提高國(guó)產(chǎn)高檔機(jī)床的可靠性,還需要進(jìn)一步提高機(jī)床刀具庫(kù)、主軸等關(guān)鍵功能部件的穩(wěn)定性。數(shù)控系統(tǒng)故障也較多,原因是觀測(cè)樣本中有一半國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床配置的是國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng),故障率較高。

▲圖2 一級(jí)故障部位故障比例

3.2 二級(jí)故障分析

對(duì)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床按二級(jí)故障部位故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖3所示。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出,出現(xiàn)故障最多的部位是刀庫(kù),具體故障主要有刀具松動(dòng)、換刀故障、機(jī)械手卡滯等。國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)及附屬裝置中的氣壓裝置故障也較多,需要重點(diǎn)改進(jìn)。

▲圖3 二級(jí)故障部位故障分布

為了對(duì)比國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)與進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)在可靠性上的差異,對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)的故障數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖4所示。對(duì)比表明,與進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)相比,國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的故障率較高。盡管所發(fā)生的故障大多可以通過(guò)系統(tǒng)重啟或復(fù)位進(jìn)行消除,但是在可靠性方面,國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)與進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)仍存在較大差距。

4 可靠性評(píng)估

4.1 平均故障間隔時(shí)間

平均故障間隔時(shí)間MTBF是衡量數(shù)控機(jī)床可靠性的主要指標(biāo),指數(shù)控機(jī)床在比較長(zhǎng)的使用過(guò)程中兩次故障間隔的平均時(shí)間,可直觀反映數(shù)控機(jī)床故障發(fā)生的頻率。

▲圖4 數(shù)控系統(tǒng)故障數(shù)比較

平均故障間隔時(shí)間計(jì)算式為:

(1)

式中:n為評(píng)估期間的故障次數(shù);ti為每次故障修復(fù)后持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間。

對(duì)統(tǒng)計(jì)期間各國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的平均故障間隔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖5所示。樣本中所有國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的平均故障間隔時(shí)間約為35 d,大部分國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的平均故障間隔時(shí)間在28 d以內(nèi),表明國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的平均故障間隔時(shí)間較短,故障率較高。

▲圖5 平均故障間隔時(shí)間

4.2 停機(jī)故障間隔時(shí)間

停機(jī)故障間隔時(shí)間指兩次導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床停機(jī)的故障之間的間隔時(shí)間,可直觀反映數(shù)控機(jī)床重大故障發(fā)生的頻率。

平均停機(jī)故障間隔時(shí)間Δt計(jì)算式為:

(2)

式中:ns為評(píng)估期間停機(jī)故障次數(shù);tj為每次停機(jī)故障修復(fù)后持續(xù)工作的時(shí)間。

對(duì)統(tǒng)計(jì)期間各國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的平均停機(jī)故障間隔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖6所示。樣本中所有國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的平均停機(jī)故障間隔時(shí)間約為55 d,大部分國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床為42 d左右。

▲圖6 平均停機(jī)故障間隔時(shí)間

4.3 故障次數(shù)隨時(shí)間變化

以0.5 a為一個(gè)時(shí)間單位,對(duì)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在使用期內(nèi)的故障次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),故障次數(shù)隨時(shí)間變化如圖7所示。

▲圖7 故障次數(shù)隨時(shí)間變化

分析表明,國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在交付后的半年期內(nèi)故障次數(shù)最多,隨著使用時(shí)間的增加,故障次數(shù)逐漸減少。這是由于國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)階段對(duì)工藝適應(yīng)性等考慮不周、進(jìn)場(chǎng)調(diào)試階段對(duì)各系統(tǒng)聯(lián)調(diào)匹配測(cè)試不夠等,導(dǎo)致在使用初期磨合階段問(wèn)題頻發(fā),此類故障問(wèn)題稱為非本質(zhì)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)磨合階段后,非本質(zhì)問(wèn)題基本暴露并解決,隨后軟件、硬件等關(guān)鍵部位的本質(zhì)問(wèn)題逐漸顯現(xiàn),并且會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。本質(zhì)問(wèn)題的發(fā)生頻率最能表明國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)、制造方面的可靠性水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用進(jìn)行跟蹤,得到可靠的故障數(shù)據(jù)樣本,進(jìn)而對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明,國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在使用初期故障次數(shù)最多,并且在平均故障間隔時(shí)間、停機(jī)故障間隔時(shí)間等可靠性指標(biāo)方面與進(jìn)口機(jī)床仍存在差距。機(jī)床結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)等是國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)。所進(jìn)行的可靠性評(píng)估為國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了技術(shù)支撐。