數(shù)控刀架可靠性研究綜述

陳傳海，鄧倩，劉志峰，程強，楊聰彬，張亮

1.吉林大學(xué)機械與航空航天工程學(xué)院數(shù)控裝備可靠性教育部重點實驗室 吉林長春 130022 2.北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124 3.沈陽機床股份有限公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

數(shù)控機床是制造業(yè)的“工業(yè)母機”，其技術(shù)水平是國家制造業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。在全球范圍內(nèi)，強大的制造業(yè)是各工業(yè)強國的共同特征，而機床工業(yè)則是制造業(yè)中不可或缺的重要組成部分。同時，高端數(shù)控機床是實現(xiàn)國防軍工所需尖端技術(shù)和先進設(shè)備的基礎(chǔ)[1]。隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)機床行業(yè)市場競爭日益激烈，用戶對產(chǎn)品服役性能和可靠性的要求越來越高[2]。

數(shù)控機床是由主軸、換刀裝置（刀架和刀庫機械手）、滾珠絲杠等功能部件組成。機床企業(yè)大多通過外購?fù)鈪f(xié)不同功能部件并組合裝配，搭建完成機床整機。因此，功能部件的可靠性水平對整機可靠性水平會產(chǎn)生直接影響[3]。因此，提高數(shù)控機床可靠性水平的關(guān)鍵是提高數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件的可靠性。

數(shù)控刀架是數(shù)控車床的關(guān)鍵功能部件之一，其可靠性直接影響整機穩(wěn)定性及可靠性。數(shù)控刀架通過實現(xiàn)工序整合和換刀自動化，顯著減少了換刀時間，而且保證了車刀的位置精度。國內(nèi)對刀架的研究起步相對較晚，企業(yè)相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱，導(dǎo)致國產(chǎn)刀架在可靠性和綜合性能方面遠(yuǎn)低于國外高端產(chǎn)品。

目前，國內(nèi)高端刀架產(chǎn)品仍大量依賴進口[4]。為此，亟需加強相關(guān)技術(shù)研究和創(chuàng)新，提升國產(chǎn)刀架的競爭力。在此背景條件下，研究國產(chǎn)數(shù)控刀架的可靠性現(xiàn)狀，對數(shù)控刀架向高精度、高質(zhì)量、高可靠性發(fā)展有著重要意義。

2 數(shù)控刀架產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期以來，計算機技術(shù)迅速發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。計算機的引入為自動化和精準(zhǔn)控制提供了技術(shù)支持，為了與數(shù)控技術(shù)協(xié)同配合，以適應(yīng)新的加工環(huán)境，數(shù)控刀架應(yīng)運而生[5]。數(shù)控刀架的產(chǎn)生替代了傳統(tǒng)手動刀架，實現(xiàn)了車床在加工工件過程中自動換刀功能。

數(shù)控刀架作為數(shù)控車床的關(guān)鍵功能部件，主要承擔(dān)切削刀具的裝夾和更換作用。數(shù)控刀架的剛度和轉(zhuǎn)位精度對確定刀具刀尖位置起決定性作用，直接影響了待加工工件的加工精度。迄今為止，電動刀架和液動刀架已經(jīng)占據(jù)刀架主要市場，成為最主流的刀架產(chǎn)品[6]。其中，用電動機驅(qū)動的電動刀架在歐洲盛行，而日本、韓國主要推崇液壓馬達(dá)驅(qū)動的數(shù)控刀架。

與國內(nèi)相比，歐美企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量相對更好，產(chǎn)品的可靠性、精度和剛度指標(biāo)均優(yōu)于國內(nèi)相關(guān)品牌[7]。自20世紀(jì)50年代，美國K&T公司成功研發(fā)了首個自動換刀裝置后[8]，各國研究人員開始關(guān)注其可靠性問題。

國外比較有代表性的刀架公司主要包括德國DMG MORI、美國Haas Automation、日本Mazak等。德國DMG MORI公司數(shù)控刀架以其高精度、高效能而聞名，其通常配備先進的刀具管理系統(tǒng)，能夠?qū)Φ毒叩臓顟B(tài)進行監(jiān)控、管理和優(yōu)化，從而提高機床的工作效率。美國Haas Automation公司是一家優(yōu)秀的數(shù)控機床和刀具制造商，專注于設(shè)計和生產(chǎn)高性能數(shù)控機床及其相關(guān)配件，以高性能的數(shù)控刀架著稱。Haas Automation公司的數(shù)控刀架產(chǎn)品通常包括自動刀塔系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)刀具的快速、自動更換，提高了生產(chǎn)效率。日本Mazak公司也是一家優(yōu)秀的數(shù)控機床制造商，其產(chǎn)品線包括各種高精度數(shù)控刀架，其數(shù)控刀架通常配備多軸刀塔系統(tǒng)，實現(xiàn)了多刀具的自動切換，提高了切削效率。

20世紀(jì)80年代初，我國對國外的數(shù)控技術(shù)采取引進、消化、吸收的措施，為數(shù)控機床的蓬勃發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在90年代中期，隨著我國綜合國力的不斷增強，國內(nèi)開始逐漸提升國產(chǎn)數(shù)控刀架的技術(shù)水平，一些企業(yè)開始獨立研發(fā)數(shù)控刀架。進入21世紀(jì)，隨著我國制造業(yè)的迅速增長，數(shù)控刀架逐漸成為數(shù)控車床的重要組成部分。一些企業(yè)開始與國際市場競爭，產(chǎn)品的質(zhì)量和性能得到進一步提高。近年來，面對智能化、柔性化生產(chǎn)模式逐漸取替?zhèn)鹘y(tǒng)生產(chǎn)方式的發(fā)展趨勢，我國數(shù)控刀架行業(yè)不斷進行技術(shù)革新，生產(chǎn)效率得到了很大提升。目前我國大陸地區(qū)數(shù)控刀架生產(chǎn)企業(yè)主要有煙臺環(huán)球機床裝備股份有限公司、常州亞興（新墅）機床數(shù)控設(shè)備有限公司、常州宏達(dá)機床數(shù)控設(shè)備有限公司及沈陽機床股份有限公司等。中國臺灣地區(qū)數(shù)控刀架生產(chǎn)企業(yè)主要有六鑫股份有限公司、臺灣旭陽國際精機股份有限公司、臺灣德士股份有限公司等?？傮w而言，國產(chǎn)數(shù)控刀架主要占據(jù)中低端市場，而高端數(shù)控刀架主要依賴于進口，其根本原因是產(chǎn)品可靠性水平較低、精度保持性較差。

3 數(shù)控刀架可靠性研究現(xiàn)狀

可靠性最早出現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域。在1939年，美國航空委員會在《適航性統(tǒng)計學(xué)注釋》中提出了飛機因失效造成的事故率，被普遍認(rèn)為是可靠性最早出現(xiàn)的標(biāo)志。在20世紀(jì)30~40年代，德國在V1火箭的研制過程中，提出N個部件組成的系統(tǒng)的可靠度等于各個部件可靠度的乘積，這是最早期的系統(tǒng)可靠性理論。1943年，美國成立了“電子管技術(shù)委員會”，同時成立了“電子管研究小組”，針對電子管的可靠性開展研究。1949年，美國無線電工程學(xué)會成立了可靠性技術(shù)組，是世界第一個可靠性專業(yè)學(xué)術(shù)組織。1952年，在美國的一次學(xué)術(shù)會議中，可靠性的定義第一次被提出。1977年，美國成立了可靠性研究小組，開始針對機械設(shè)備的可靠性開展專門研究。與此同時，制定了一系列可靠性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證了可靠性工作有序開展。

在此期間，國外學(xué)者對數(shù)控刀架的可靠性進行了大量研究。DENIZEL[9]對自動換刀系統(tǒng)的機械手進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，進而提高了換刀系統(tǒng)的可靠性。DERELI等人[10]提出了一種面向自動換刀系統(tǒng)的優(yōu)化軟件，引入遺傳算法對刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。SELEK等人[11]搭建了數(shù)控刀架冷卻性能檢測平臺，提出了冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化方案。MENG等人[12]根據(jù)采集到的模糊信息，將故障率定義為一組模糊數(shù)，并通過模糊運算確定數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的故障模糊概率。SAYGIN等人[13]使用LabVIEW搭建了數(shù)控刀架檢測平臺，用于統(tǒng)計監(jiān)控數(shù)控刀盤的空間位置。

在20世紀(jì)70年代，我國開始從國外引進可靠性標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)資料，逐步將可靠性概念應(yīng)用到工程領(lǐng)域，從而填補了我國可靠性領(lǐng)域的空白。1979年，頒布了我國第一個可靠性標(biāo)準(zhǔn)GB 1977—1979《可靠性名詞術(shù)語》，自此，可靠性在國防軍工中得到了廣泛應(yīng)用。到20世紀(jì)80年代，隨著可靠性研究的不斷深入，我國開始形成一批專門從事可靠性研究的團隊，并制定了GJB 299—1987《電子設(shè)備可靠性設(shè)計手冊》等一系列標(biāo)準(zhǔn)，推動了可靠性規(guī)范化工作進程。

國內(nèi)學(xué)者針對數(shù)控刀架可靠性也開展了很多研究。張英芝等人[14]對數(shù)控刀架進行了為期一年的現(xiàn)場跟蹤試驗，采用隨機截尾數(shù)據(jù)分析方法對故障數(shù)據(jù)進行了分析，得到了數(shù)控刀架的故障過程規(guī)律。針對小樣本問題，張立敏等人[15]結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，采用Bayes理論建立了數(shù)控刀架的可靠性模型，并用粒子群優(yōu)化算法估計得到了模型的參數(shù)。黃賢振等人[16]對數(shù)控刀架的轉(zhuǎn)位系統(tǒng)進行了基于多體動力學(xué)的建模仿真分析，確定了其可靠性穩(wěn)健設(shè)計模型。重慶大學(xué)劉英等人[17]通過對刀架轉(zhuǎn)位過程中的失效模式和故障原因進行分析，結(jié)合FTA相關(guān)理論，構(gòu)建了一個以刀架鎖不緊、刀架卡死為頂層事件的故障樹模型。吉林大學(xué)可靠性團隊何佳龍、盧建偉[18，19]搭建了具備動靜態(tài)加載功能的數(shù)控刀架可靠性試驗臺，對數(shù)控刀架進行加速試驗，縮短了獲得故障數(shù)據(jù)的周期，為數(shù)控刀架的可靠性研究提供了試驗條件。吉林大學(xué)數(shù)控裝備可靠性教育部重點實驗室與沈陽機床、大連機床合作，共同制定了《數(shù)控機床的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則》[20]，對數(shù)控刀架的可靠性設(shè)計具有指導(dǎo)性作用。

數(shù)控刀架的可靠性技術(shù)研究隨著可靠性研究水平的提升取得了明顯進展。但由于國內(nèi)對其研究起步較晚，國產(chǎn)刀架的精度保持性和可靠性與國外相比仍有一定差距，這導(dǎo)致國內(nèi)高端刀架產(chǎn)品幾乎全都依賴于進口。因此，提高國產(chǎn)數(shù)控刀架可靠性依然是我國學(xué)者致力于解決的主要問題。

4 結(jié)束語

科技不斷進步，各國越來越重視制造業(yè)的發(fā)展。面向智能化、集成化的發(fā)展浪潮，數(shù)控機床成為制造業(yè)發(fā)展的核心載體。數(shù)控刀架作為數(shù)控車床的重要組成部分，提高其可靠性是產(chǎn)品高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路。隨著學(xué)者們在可靠性技術(shù)方面的不斷突破，數(shù)控刀架可靠性的相關(guān)理論與工程實踐將會得到進一步發(fā)展。