數(shù)控機(jī)床及加工中心可靠性研究概況
精工機(jī)床及加工中心可靠性研究概況1.2.1國內(nèi)外可靠性研究概況在第二次世界大戰(zhàn)中，德國為了確保V-II型火箭能夠在長途飛行后成功攻擊到目 標(biāo)，首先提出了可靠性的一些基本思想和概念。同時(shí)，美國在與日本進(jìn)行太平洋戰(zhàn)爭時(shí)， 多達(dá)兩萬架的飛機(jī)在飛行途中就因?yàn)榘l(fā)生故障而損失掉了。其中50%至60%的飛機(jī)電子 設(shè)備在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中就已經(jīng)失效了。這引起了美國軍部的重視，為了減少這類非戰(zhàn) 斗損失，美國的工程師對(duì)飛機(jī)上元器件的故障進(jìn)行了深入分析，第一次提出了產(chǎn)品可靠 性的定量要求。進(jìn)入上世紀(jì)六十年代，可靠性工程得到了全面的發(fā)展，其中美國發(fā)展的較為迅速。 這一時(shí)期是冷戰(zhàn)的關(guān)鍵時(shí)期，因此美國的導(dǎo)彈等武器發(fā)展的比較迅速。而武器在使用時(shí)， 其可靠性是一個(gè)十分重要問題。對(duì)此美國軍方聯(lián)合其他工業(yè)、學(xué)術(shù)領(lǐng)域?qū)＜以O(shè)立了專門 的研究小組，稱作電子設(shè)備可靠性咨詢組，簡稱為AGREE。該小組在1957年發(fā)表了“軍 用電子設(shè)備的可靠性”報(bào)告，并提出了對(duì)于電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中制定可靠性試 驗(yàn)的方法和注意事項(xiàng)，被認(rèn)為是電子產(chǎn)品可靠性理論發(fā)展的奠基之作。上世紀(jì)七八十年代，可靠性的發(fā)展非常迅速，各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家開始重點(diǎn)發(fā)展可靠 性工程，可靠性技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到各種制造領(lǐng)域。比較典型的是日本企業(yè)，他們成功 地將可靠性技術(shù)應(yīng)用到民用領(lǐng)域，使日本制造的產(chǎn)品獲得了極高的市場評(píng)價(jià)。可靠性工 程在很多重要領(lǐng)域和事件中發(fā)揮了積極的作用。比如前蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)期間，為了能夠確保 第一次載人航天飛船發(fā)射成功，要求飛船的可靠度達(dá)到0.999。我國的可靠性工程起始于上世紀(jì)50年代，但發(fā)展比較緩慢。直到70年代，我國開 始借鑒外國的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，并發(fā)布了我國第一個(gè)可靠性國家標(biāo)準(zhǔn)《電子元器件失效率試 驗(yàn)方法》。之后可靠性工程在我國的軍用和民用領(lǐng)域都開始迅速發(fā)展。比如1980年之 前，我國國產(chǎn)電視機(jī)的平均無故障時(shí)間僅僅四百多小時(shí)，而國產(chǎn)計(jì)算機(jī)的平均無故障時(shí) 間甚至僅僅只達(dá)到50小時(shí)，隨著可靠性工程的全面推廣，目前國產(chǎn)電視機(jī)的平均無故 障時(shí)間可以達(dá)到3萬小時(shí)以上。目前可靠性的研宄趨勢是結(jié)合更多的先進(jìn)研宄理論和成果，并向更多的領(lǐng)域發(fā)展。 1.2.2國內(nèi)外精工機(jī)床及加工中心發(fā)展概況加工中心實(shí)質(zhì)上就是帶有自動(dòng)換刀裝置的精工機(jī)床，其發(fā)展道路與研制水平與精工 機(jī)床的發(fā)展密不可分。上世紀(jì)50年代初，美國帕森斯公司和髙校合作共同研制出第一臺(tái)精工機(jī)床。之后 精工機(jī)床的發(fā)展越來越迅速，直到1959年，美國又研制出了加工中心的雛形。無論是 精工機(jī)床還是加工中心，其完成自動(dòng)化功能的核心部件是控制計(jì)算機(jī)，但是最初的控制 計(jì)算機(jī)價(jià)格很高，限制了其發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步，精工系統(tǒng)做的越來越小巧，功能越 來越完善，以計(jì)算機(jī)作為控制單元的CNC精工系統(tǒng)開始逐漸取代專用的硬件邏輯精工 系統(tǒng)NC。日本、德國等技術(shù)發(fā)達(dá)國家也緊跟美國的腳步，不斷研制出高技術(shù)水平的數(shù) 控機(jī)床和加工中心，并長期占據(jù)國際市場。目前先進(jìn)的加工中心逐漸向柔性化、高速精 密化、綠色化、高可靠性化發(fā)展，不斷采用新的技術(shù)，已經(jīng)成為了柔性加工生產(chǎn)線上最 重要的設(shè)備。在上世紀(jì)50年代末，我國就己經(jīng)開發(fā)出了精工機(jī)床。直到1966年，我國制造出了 第一臺(tái)國產(chǎn)晶體管精工系統(tǒng)。4年之后，我國也成功研制出了集成電路精工系統(tǒng)。早在 上世紀(jì)60年代初，我國己經(jīng)在精工機(jī)床的研制基礎(chǔ)上，制造出了第一臺(tái)國產(chǎn)加工中心， 它可以自動(dòng)更換十多把刀具[2]。但之后我國精工機(jī)床和加工中心技術(shù)發(fā)展得比較緩慢， 并未形成相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈，與國外的差距開始逐漸增大。特別是一些關(guān)鍵零部件達(dá)不到生 產(chǎn)和裝配要求，可靠性很差。直到上世紀(jì)八十年代，我國開始積極學(xué)習(xí)國外的精工機(jī)床 和加工中心的關(guān)鍵技術(shù)，從仿制開始，逐漸減小與國外的差距。上世紀(jì)九十年代末，我 國開始重點(diǎn)發(fā)展精工機(jī)床和加工中心的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，努力發(fā)展核心技術(shù)，爭取在國際國 內(nèi)市場上占據(jù)一定位置。這一階段是我國精工機(jī)床和加工中心發(fā)展最迅速的階段。直到 2010年，我國己經(jīng)成為了精工機(jī)床的第一制造大國[3]，國產(chǎn)加工中心也有了一定的市場 占有率。但是我國的精工機(jī)床和加工中心技術(shù)與國外的差距仍然很大。我國并沒有像 FANUC和西門子這種控制系統(tǒng)做的很好的高技術(shù)公司，造成核心技術(shù)還是要受制于人。 因此在關(guān)鍵技術(shù)上發(fā)展出我國的明星品牌是我國目前加工中心發(fā)展的關(guān)鍵。加工中心的 制造水平顯示了一個(gè)國家的綜合國力，因此提高國產(chǎn)加工中心的質(zhì)量需要我國全體制造 人員共同努力。1.2.3國內(nèi)外精工機(jī)床及加工中心可靠性研究概況上世紀(jì)七十年代，蘇聯(lián)第一次將可靠性技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床領(lǐng)域[4]，并取得了比較顯著 地成績。之后各個(gè)科技發(fā)達(dá)國家的學(xué)者都對(duì)生產(chǎn)線上的精工機(jī)床、加工中心及其配套設(shè) 施進(jìn)行了可靠性理論分析。前蘇聯(lián)的Vasil’ev, V.S.等人提出了 一種能夠綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性的精工機(jī)床設(shè) 計(jì)方法[5]。英國的A.Z.Keller等人對(duì)35臺(tái)精工機(jī)床跟蹤3年，并用代碼形式記錄了故障 數(shù)據(jù)，并引用杜安可靠性增長模型來分析可靠性數(shù)據(jù)，通過處理故障時(shí)間數(shù)據(jù)，他們發(fā) 現(xiàn)可以用威布爾分布來描述故障間隔時(shí)間的分布['LapiduS, A.S.等人對(duì)精工機(jī)床在運(yùn)行 狀態(tài)下的可靠性評(píng)估方法做了研究，分析了多種故障類型，并提出了精工機(jī)床的可靠性 評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]。Boguslavskii, B.L.根據(jù)生產(chǎn)線上的實(shí)際情況和實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)，專門對(duì)數(shù) 控機(jī)床的控制系統(tǒng)做了可靠性分析[8]。Starodubov, V.S.等人介紹了一種精工機(jī)床的可靠 性評(píng)估方法，并選取某類型精工銑床作為研究對(duì)象，根據(jù)這種精工銑床的特點(diǎn)做了可靠 性試驗(yàn)，并利用上述的評(píng)估方法對(duì)精工銑床的可靠性進(jìn)行了分析[9]。Rezvani等人利用 可靠性框圖、故障樹、離散型Markov模型等方法定性和定量分析了柔性加工單元的故 障，總結(jié)了每個(gè)部件的故障原因，并計(jì)算了系統(tǒng)的1^丁13?值[1()]。阿斯頓大學(xué)的Ahmed等人與精工機(jī)床生產(chǎn)廠家合作，找到了影響機(jī)床可靠性的關(guān)鍵部件，并將可靠性技術(shù)應(yīng) 用到了精工機(jī)床實(shí)際生產(chǎn)制造的過程中，為機(jī)床企業(yè)探索了一種能夠?qū)嶋H應(yīng)用可靠性技 術(shù)的方法[11]。Michael Vineyard等人對(duì)美國的某條柔性加工生產(chǎn)線設(shè)備的故障頻率分布 進(jìn)行了分析，總結(jié)了六種故障類型，并對(duì)每種故障類型建立了故障間隔時(shí)間分布模型， 總結(jié)了每種故障類型的發(fā)生頻率和對(duì)維修時(shí)間的影響[12]。韓國的Kim等人對(duì)加工中心 的故障模式進(jìn)行了分析，并利用了軟件系統(tǒng)對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類處理，對(duì)故障頻率進(jìn) 行了評(píng)估[13]。我國的精工機(jī)床和加工中心的可靠性理論研究開始于上世紀(jì)八十年代。并在“八五” 期間開始取得了巨大進(jìn)步，目前國內(nèi)很多學(xué)者都對(duì)精工機(jī)床和加工中心的可靠性進(jìn)行了 深入的研究。吉林大學(xué)的王桂萍首次提出了綜合考慮可靠性和綠色性的加工中心可靠性分析方 法，并在分析中引入了故障比重比[14_15]，建立了綠色評(píng)價(jià)體系，分析了加工中心在可靠 性增長方面的潛力[16]。張海波等人專門針對(duì)精工機(jī)床上的精工系統(tǒng)做了可靠性分析。通 過跟蹤某類型精工系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)，得出精工系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間也服從威布爾分布 [17]，并利用FMECA分析了精工系統(tǒng)的故障模式，為精工系統(tǒng)的改進(jìn)提供了建議[18]。針對(duì)加工中心可靠性建模的方法，國內(nèi)的一些學(xué)者也做了創(chuàng)新性地探索。上海交通 大學(xué)的王智明等人利用AIC和BIC信息準(zhǔn)則分析了精工機(jī)床的故障間隔時(shí)間分布模型， 并用Rsher信息矩陣做了區(qū)間估計(jì)[19]。吉林大學(xué)的楊兆軍等人針對(duì)傳統(tǒng)加工中心建模時(shí) 與工程實(shí)際條件的差異，提出了一種能描述加工中心可靠性變化趨勢的方法，并以此方 法分析了實(shí)際的加工中心的可靠性模型[20]。王東明等人在計(jì)算加工中心的危害度時(shí)引入了模糊數(shù)學(xué)的概念，提出了一種將危害 度定量處理的方法[21]。吉林大學(xué)的于捷等人利用FMECA分析了精工車床的故障，計(jì)算 了各個(gè)系統(tǒng)的致命度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，針對(duì)不同系統(tǒng)提出了改進(jìn)措施[22]。他們也對(duì)利用 FMEA法對(duì)某國產(chǎn)加工中心進(jìn)行了故障分析，定義了故障模式的類型，總結(jié)了故障模式 的原因和影響，并將總結(jié)結(jié)果反饋給企業(yè)，證明了該方法對(duì)提高加工中心可靠性水平的 可行性[23]。米金華等人利用模糊理論對(duì)精工機(jī)床的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了故障樹分析，得出了模糊重 要度[24]。葉伯生等人開發(fā)了一套利用故障樹分析精工機(jī)床故障的系統(tǒng)，具有一定的應(yīng)用 價(jià)值[25]。在對(duì)機(jī)床進(jìn)行可靠性分配時(shí)，張根保等人引入“任務(wù)”概念，建立了任務(wù)剖面層次 模型，降低了開發(fā)新產(chǎn)品帶來的風(fēng)險(xiǎn)[26]。他們也采用了遺傳算法求解可靠性分配的模型，并以此方法分析了主軸拉桿[27]。北京科技大學(xué)的張宏斌等人在進(jìn)行可靠性分配時(shí)引入了 模糊決策的概念，并進(jìn)行了實(shí)例分析[28]。國內(nèi)學(xué)者也對(duì)加工中心可靠性試驗(yàn)技術(shù)展開了研宄[29]。比如重慶大學(xué)的張根保等人 利用可靠性試驗(yàn)技術(shù)激發(fā)了加工中心精工轉(zhuǎn)臺(tái)潛在的故障，在試驗(yàn)中找到了潛在因子， 為改進(jìn)精工轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和裝配提供了有效的建議。并證明了加工中心可靠性試驗(yàn)的可行 性和意義[30"31]。吉林大學(xué)的劉瀚文針對(duì)某型號(hào)加工中心的主軸制定了可靠性分析試驗(yàn)方 案和試驗(yàn)規(guī)范，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法進(jìn)行了研究[32]。總體來說我國加工中心和精工機(jī)床可靠性研究水平有了很大的提高，但是在實(shí)際應(yīng) 用時(shí)的深度和廣度還有欠缺[33]。很多企業(yè)對(duì)可靠性理論的重視程度不夠，國產(chǎn)機(jī)床廠對(duì) 故障數(shù)據(jù)的管理還不夠科學(xué)，應(yīng)該建立完善的數(shù)據(jù)庫，一步步地提高國產(chǎn)精工機(jī)床和加 工中心的可靠性。1.3本文的研究內(nèi)容本文以某重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋生產(chǎn)線上型號(hào)為MDH80的國產(chǎn)加工中心作為 可靠性研宄對(duì)象。以生產(chǎn)線上采集到的故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用故障模式分析，故障樹分 析等方法找到提高加工中心可靠性水平的措施。利用可靠性分配技術(shù)將故障數(shù)據(jù)反饋給 設(shè)計(jì)部門，幫助設(shè)計(jì)人員提髙加工中心設(shè)計(jì)水平。第一章介紹了課題的來源及背景，本文的研宄意義，并介紹了國內(nèi)外關(guān)于精工機(jī)床 和加工中心可靠性的研究概況。第二章根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)不同的功能，將加工中心分為了十個(gè)子系統(tǒng)。制定了故障數(shù) 據(jù)的采集和整理規(guī)范。并對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析，為之后兩章的分析工作奠定了基 礎(chǔ)。第三章總結(jié)了加工中心的故障模式分類方法，分析了各種故障模式對(duì)加工中心造成 的影響。計(jì)算了故障模式和各個(gè)子系統(tǒng)的故障危害度。以故障模式分析為基礎(chǔ)，對(duì)各個(gè) 子系統(tǒng)進(jìn)行了故障樹分析，找到各個(gè)子系統(tǒng)的故障原因。針對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的故障原因和 故障隱患提出了改進(jìn)措施。第四章介紹了可靠性分配的作用并建立了加工中心的可靠性框圖。分析了四種可靠 性分配因素。最后用可靠性分配法，以本次研宄用的這批MDH80加工中心作為模板， 將新設(shè)計(jì)的加工中心的整機(jī)可靠性指標(biāo)分配給各個(gè)子系統(tǒng)。
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