加工中心快速可靠性試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 衡，夏仰球, 石純標(biāo)

(1．中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900；2．國家機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(四川)，成都 610000)

0 引言

隨著數(shù)控機(jī)床注重實(shí)用性和可靠性的發(fā)展趨勢，世界各國紛紛投入人力和物力加大了可靠性試驗(yàn)方面的研究[1]。在德國、日本等工業(yè)較發(fā)達(dá)國家的機(jī)床公司已經(jīng)掌握了較為先進(jìn)和成熟的數(shù)控機(jī)床可靠性試驗(yàn)技術(shù)，并視其為企業(yè)的核心競爭力和核心機(jī)密，秘不外宣[2-3]。為開展數(shù)控機(jī)床可靠性研究，我國的某些科研機(jī)構(gòu)、檢測中心以及高校相繼創(chuàng)立了與機(jī)床裝備產(chǎn)品有關(guān)的試驗(yàn)研究部門，并展開了一系列性能和可靠性方面的研究：上海交通大學(xué)對數(shù)控車床的整機(jī)可靠性進(jìn)行了研究；許智對加工中心及其功能部件可靠性技術(shù)進(jìn)行了研究[4]；范志鋒、姚金勇等對機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)開展了快速可靠性試驗(yàn)研究[5-6]。但對于數(shù)控機(jī)床及其功能部件的可靠性研究主要聚焦在理論研究，實(shí)際工程應(yīng)用并未獲得較大的進(jìn)展。十五期間，國家機(jī)床質(zhì)量檢測中心(北京)在國內(nèi)首次開展了加工中心快速可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究，建立了立式加工中心快速可靠性試驗(yàn)平臺(tái)及可靠性指標(biāo)預(yù)估模型。但是由于數(shù)控機(jī)床本身系統(tǒng)的復(fù)雜性，加工中心快速可靠性試驗(yàn)仍有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。

加工中心作為數(shù)控機(jī)床的典型代表，開展其整機(jī)可靠性試驗(yàn)具有一定的難度，目前國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加工中心整機(jī)的可靠性試驗(yàn)主要是依據(jù)《GB/T 23567.1-2009 數(shù)控機(jī)床可靠性評定 第1部分：總則》以及《GB/T 23567.2-2018 數(shù)控機(jī)床可靠性評定 第2部分：加工中心》等標(biāo)準(zhǔn)[7-8]。上述標(biāo)準(zhǔn)提出了一種基于模擬現(xiàn)場試驗(yàn)的快速可靠性試驗(yàn)方法，該方法能夠快速考核和評價(jià)數(shù)控機(jī)床的可靠性，使產(chǎn)品缺陷迅速暴露。但是上述標(biāo)準(zhǔn)對加工中心快速可靠性試驗(yàn)要求、試驗(yàn)方案、試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)流程以及試驗(yàn)方法等內(nèi)容未進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定，不能對工程應(yīng)用中可靠性試驗(yàn)提供完善、明確的指導(dǎo)。除此以外，上述標(biāo)準(zhǔn)未就加工中心可靠性試驗(yàn)設(shè)備做明確規(guī)定，且目前沒有可用的數(shù)控機(jī)床可靠性試驗(yàn)設(shè)備商品化面市，制約著數(shù)控機(jī)床可靠性試驗(yàn)在國內(nèi)的開展。針對上述問題，本文將在加工中心故障分析的基礎(chǔ)上，對加工中心快速可靠性試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

1 加工中心故障分析

1.1 加工中心故障統(tǒng)計(jì)分析

加工中心故障統(tǒng)計(jì)分析主要包括故障模式統(tǒng)計(jì)分析與故障部位統(tǒng)計(jì)分析兩部分，通過統(tǒng)計(jì)分析手段，確定加工中心故障易發(fā)部位，以此確定加工中心可靠性試驗(yàn)強(qiáng)化對象，設(shè)計(jì)可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)各種公開數(shù)據(jù)資料，結(jié)合某研究所近年來故障數(shù)據(jù)記錄分析得出如下加工中心故障情況：

(1)零部件損壞、元器件損壞、報(bào)警、滲漏、主軸失調(diào)、轉(zhuǎn)位/位移超程、傳感器失靈與工作精度超標(biāo)是加工中心最主要的7種故障模式，上述故障比例之和大約占故障模式總比例的51%，尤其是以零部件損壞與元器件損壞為主[9]。

(2)在加工中心的部件及子系統(tǒng)中，故障高發(fā)位置(單項(xiàng)故障占比超過10%)主要包括主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)以及刀庫和機(jī)械臂4部分，其故障比例之和約占故障總比例的69%。除此以外，加工中心的電氣系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)也是故障的多發(fā)部位，是加工中心子系統(tǒng)中較為薄弱的環(huán)節(jié)。

1.2 加工中心故障機(jī)理分析

加工中心在正常的工況條件下運(yùn)行時(shí)，雖然工況應(yīng)力水平會(huì)有所差異，但是通常認(rèn)為其發(fā)生故障的機(jī)理不會(huì)改變。由于加工中心屬于金屬切削類機(jī)床，其加工工藝一般包括鉆削、鏜削、銑削等，因此加工中心進(jìn)行加工生產(chǎn)時(shí)主軸切削對機(jī)床施加的機(jī)械應(yīng)力是引起其眾多故障最直接的原因。除此以外，在切削力作用下，機(jī)械應(yīng)力將引發(fā)振動(dòng)應(yīng)力、沖擊應(yīng)力、熱應(yīng)力以及電應(yīng)力等二次應(yīng)力，導(dǎo)致機(jī)床產(chǎn)生故障。

通過以上分析，加工中心快速可靠性試驗(yàn)中應(yīng)選取對其失效機(jī)理起促進(jìn)作用最大的機(jī)械應(yīng)力作為加速應(yīng)力[10]?；谝陨戏治?，可以使用可靠性試驗(yàn)加載系統(tǒng)模擬工件加工過程中機(jī)床所受到的機(jī)械應(yīng)力，通過運(yùn)用可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)對加工中心線性軸運(yùn)動(dòng)與主軸運(yùn)動(dòng)的加載，由此激發(fā)機(jī)床加工過程中發(fā)振動(dòng)應(yīng)力、沖擊應(yīng)力、熱應(yīng)力以及電應(yīng)力等二次應(yīng)力，引起加工中心潛在故障的出現(xiàn)。

2 加工中心可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 加工中心可靠性試驗(yàn)總體方案

加工中心可靠性試驗(yàn)采用加速試驗(yàn)的方法，在模擬工況載荷的條件下，用可靠性試驗(yàn)裝置對機(jī)床主軸上的模擬刀具進(jìn)行模擬工況載荷加速加載，充分釋放其機(jī)械應(yīng)力，以求最大程度地激發(fā)機(jī)床潛在故障。加工中心可靠性試驗(yàn)方案如圖1所示，分為軸線加載試驗(yàn)與主軸加載試驗(yàn)兩部分。在加工中心可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)采用上位機(jī)進(jìn)行程序控制，采用下位機(jī)進(jìn)行加載功能實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)加載力大小、加載次數(shù)等參數(shù)設(shè)定的同時(shí)，也能夠進(jìn)行加載力、加載狀態(tài)、加載時(shí)間以及加載次數(shù)等參數(shù)的監(jiān)控和記錄；下位機(jī)主要由運(yùn)動(dòng)控制卡組成，接收來自上位機(jī)的控制指令，使氣動(dòng)加載裝置與扭矩加載裝置按照設(shè)定的程序執(zhí)行加載任務(wù)，并通過傳感器將加載力、加載扭矩、溫度以及轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)采集匯總傳送至上位機(jī)。

在軸線加載試驗(yàn)方案中，模擬刀具與主軸連接，作為加載受力部件使用；力傳感器一端接觸到加工中心的模擬刀具，另外一端連接氣缸。在機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)測試完成后，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，工作臺(tái)低速進(jìn)給，使模擬刀具與力傳感器接觸；然后按照給定的加載受力圖譜對氣動(dòng)加載系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對加工中心主軸X/Y/Z方向的動(dòng)態(tài)切削力加載。加載過程中主軸低速回轉(zhuǎn)，工作臺(tái)同時(shí)以不高于10 m/min速度移動(dòng)，移動(dòng)距離不大于160 mm，且整個(gè)加載過程中氣缸保持設(shè)定壓力不變；傳感器采集測試數(shù)據(jù)后傳送至氣動(dòng)加載系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡，最終反饋至上位機(jī)。

在主軸扭矩加載試驗(yàn)方案中，模擬刀具與主軸連接，作為加載受力部件使用；扭矩傳感器一端連接工裝，另外一端連接磁粉制動(dòng)器，組成扭矩加載裝置。工裝與加工中心的模擬刀具連接傳遞加載扭矩，磁粉制動(dòng)器提供扭矩加載。在機(jī)床軸線加載試驗(yàn)完成后，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使模擬刀具與工裝連接；然后按照給定的加載受力圖譜對扭矩加載系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對加工中心主軸扭矩加載。加載過程中主軸低速回轉(zhuǎn)，整個(gè)加載過程中磁粉制動(dòng)器保持設(shè)定加載扭矩不變；傳感器與功率分析儀采集測試數(shù)據(jù)后傳送至扭矩加載系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡，最終反饋至上位機(jī)。

(a) 軸線加載試驗(yàn)方案 (b) 主軸加載試驗(yàn)方案圖1 加工中心可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案示意圖

2.2 加工中心可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目及流程

根據(jù)第1節(jié)中相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析確定加工中心快速可靠性試驗(yàn)強(qiáng)化試驗(yàn)對象分別為主軸系統(tǒng)(含自動(dòng)松拉刀系統(tǒng))、刀庫和機(jī)械臂、數(shù)控系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及其他子系統(tǒng)，與GB/T 23567.1-2009《數(shù)控機(jī)床可靠性評定 第1部分：總則》及GB/T 23567.2-2018 《數(shù)控機(jī)床可靠性評定 第2部分：加工中心》中規(guī)定的加工中心可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目相符合，加工中心加速可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 加工中心可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23567.2-2018 《數(shù)控機(jī)床可靠性評定 第2部分：加工中心》中的規(guī)定，對加工中心可靠性試驗(yàn)流程進(jìn)行如圖2所示設(shè)計(jì)。

圖2 加工中心可靠性試驗(yàn)流程

2.3 加工中心可靠性試驗(yàn)條件及方法

在進(jìn)行加工中心快速可靠性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)遵循下列試驗(yàn)條件及方法：

(1)試驗(yàn)過程中，機(jī)床應(yīng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，其潤滑、冷卻應(yīng)正常開啟；

(2)試驗(yàn)裝置應(yīng)盡量安放在工作臺(tái)中間位置，并應(yīng)牢固可靠；

(3)試驗(yàn)過程中，加工中心空運(yùn)轉(zhuǎn)預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)間不少于24 h；X、Y、Z軸加載試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)分別不少于40 h；主軸加載試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)不少于24 h；強(qiáng)化空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)不少于24 h；

(4)X、Y、Z軸加載試驗(yàn)(圖3a)均采用單一加載方式，各軸加載力大小為最大切削抗力的75%，各軸累積加載時(shí)間不少于16 h；

(5)主軸加載(圖3b)采用單一加載方式，加載扭矩為最大設(shè)計(jì)扭矩的K倍(100 N·m以下K為0.75，100 N·m～500 N·m時(shí)K為0.5，500 N·m以上K為0.1)；

(6)試驗(yàn)時(shí)，每次加載的保持時(shí)間至少為5 min；

(7)每8 h檢查一次樣機(jī)的性能，包括噪聲，溫度和溫升，油、氣滲漏，部件運(yùn)轉(zhuǎn)情況等；

(8)每4 h檢查工況條件，包括環(huán)境溫度、相對濕度、電源電壓等。

(a) 軸線加載 (b) 主軸加載圖3 加工中心加載試驗(yàn)現(xiàn)場

3 加工中心可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

加工中心可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括加載裝置、數(shù)據(jù)采集裝置以及數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)三大部分，其總體構(gòu)成如圖4所示。加載裝置包括軸線進(jìn)給切削抗力加載裝置和主軸扭矩加載裝置，加載裝置通過模擬刀具與機(jī)床主軸相聯(lián)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別對加載過程中涉及的加載力、扭矩、功率、加載時(shí)間等可靠性試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)[11]；數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)主要完成各種數(shù)據(jù)處理以及機(jī)床可靠性指標(biāo)MTBF的評估。

圖4 加工中心可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)總體構(gòu)架

3.1 加工中心軸線加載裝置的設(shè)計(jì)

軸線加載裝置應(yīng)能根據(jù)預(yù)先給定的載荷譜穩(wěn)定地輸出相應(yīng)的軸向力，并能跟隨機(jī)床進(jìn)給軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。軸線進(jìn)給加載裝置主要由氣動(dòng)加載控制箱、氣動(dòng)加載裝置、氣缸、力傳感器以及固定支架等部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。氣動(dòng)加載控制箱主要作用是用于接收傳感器的反饋信號(hào)，通過內(nèi)部運(yùn)動(dòng)控制卡運(yùn)算后給氣動(dòng)加載裝置發(fā)出控制指令，并將采集記錄后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)；氣動(dòng)加載裝置接收來自氣動(dòng)加載控制箱的控制信號(hào)，通過控制內(nèi)部電氣比例閥，實(shí)現(xiàn)氣缸推力的調(diào)節(jié)；力傳感器安裝于氣缸活塞桿頂端，加載時(shí)與模擬刀具接觸并將測量信號(hào)反饋至氣動(dòng)加載控制箱，從而達(dá)到輸出力的閉環(huán)控制。

圖5 加工中心線性軸加載裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 加工中心主軸扭矩加載裝置的設(shè)計(jì)

主軸扭矩加載裝置采用磁粉式制動(dòng)器與主軸對拖式加載方案實(shí)現(xiàn)，其立式、臥式加載結(jié)構(gòu)如圖6所示。主軸加載試驗(yàn)中被測主軸通過刀具接口與模擬刀具相聯(lián)結(jié)，模擬刀具與測功機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)聯(lián)結(jié)，測功機(jī)采用磁粉制動(dòng)器作為加載源，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)對主軸加載。

圖6 加工中心主軸扭矩加載裝置結(jié)構(gòu)圖

3.3 加工中心可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由進(jìn)給抗力數(shù)據(jù)采集器、主軸扭矩?cái)?shù)據(jù)采集器、電參數(shù)測儀等部分組成。進(jìn)給抗力數(shù)據(jù)采集器中壓力信號(hào)由活塞桿端部的壓力傳感器提供，加載計(jì)時(shí)信號(hào)由無觸點(diǎn)接近感應(yīng)開關(guān)提供，采集器可以顯示總試驗(yàn)時(shí)間、累計(jì)加載試驗(yàn)時(shí)間、循環(huán)加載次數(shù)、實(shí)時(shí)進(jìn)給抗力、抗力負(fù)額比等數(shù)據(jù)；主軸扭矩?cái)?shù)據(jù)采集器中扭矩信號(hào)由對拖加載裝置中的扭矩傳感器提供，轉(zhuǎn)速信號(hào)由對拖加載裝置中的轉(zhuǎn)速傳感器提供，采集器可以顯示加載時(shí)間、總試驗(yàn)時(shí)間、循環(huán)次數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、施加的扭矩大小等參數(shù)；電參數(shù)測試儀主要用來采集試驗(yàn)過程中所涉及的各種電參數(shù)，試驗(yàn)中電參數(shù)測試儀與機(jī)床控制柜相聯(lián)接，用于采集整個(gè)加載過程中如機(jī)床電壓、電流、功率等電參數(shù)。

4 加工中心可靠性試驗(yàn)結(jié)果及評定

根據(jù)上述試驗(yàn)方法與要求，本文以某型號(hào)立式三軸加工中心為樣機(jī)，使用文中所述可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)開展了快速可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 加工中心可靠性試驗(yàn)結(jié)果匯總表

本次加工中心快速可靠性試驗(yàn)總共進(jìn)行了220 h，過程中產(chǎn)生了三次有效故障，包括兩次換刀故障與一次主軸報(bào)警，故障現(xiàn)象及故障分析見表3所示。按照標(biāo)準(zhǔn)中給出的點(diǎn)估計(jì)法評判可得出該加工中心的可靠性指標(biāo)MTBF約為242 h。

除此以外，項(xiàng)目組利用設(shè)備故障維修系統(tǒng)對5臺(tái)同年購置的同一類型的加工中心近4年故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出該類加工中心現(xiàn)場跟蹤統(tǒng)計(jì)獲得的可靠性指標(biāo)MTBF約為231 h，與快速可靠性試驗(yàn)獲得的結(jié)果之間的差值僅僅是4.5%左右，由此證實(shí)了本文所述加工中心快速可靠性試驗(yàn)技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性。

表3 故障現(xiàn)象及故障分析

表4 加工中心故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總表

5 結(jié)束語

本文對加工中心快速可靠性試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究：在對加工中心故障模式、類型統(tǒng)計(jì)分析與故障機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，確定了機(jī)械應(yīng)力作為試驗(yàn)強(qiáng)化應(yīng)力；設(shè)計(jì)了加工中心快速可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目及流程和試驗(yàn)條件及方法，研制了加工中心快速可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)，包括切削抗力加載裝置、主軸加載裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為加工中心快速可靠性試驗(yàn)開展提供了技術(shù)依據(jù)和硬件基礎(chǔ)；最后以某典型三軸加工中心為例開展了快速可靠性試驗(yàn)，與同年生產(chǎn)的同型號(hào)產(chǎn)品歷史故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比得出兩者之間的可靠性指標(biāo)MTBF僅相差4.5%左右，驗(yàn)證了本文所述加工中心快速可靠性試驗(yàn)技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性，為后續(xù)其他類型數(shù)控機(jī)床快速可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究提供了參考。