数控机床可靠性研究进展及趋势

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1、大连理工大学网络教育学院毕业论文（设计）模板 网络教育学院本科生毕业大作业题目：数控机床可靠性研究进展及趋势学习中心：奥鹏远程教育沈阳学习中心（直属）32VIP层次： 专科起点本科 专业： 机械设计制造及其自动化 年级： 2013年秋季 学号： 张威东 学生： 201305624876 指导教师： 于昊 完成日期： 2015年6月28日 II数控机床可靠性研究进展及趋势内容摘要我国数控机床制造水平与国外先进水平相比很多差距，主要反映在可靠性差、故障率至上。由于随着我国数控机床市场的不断扩大，许多国外品牌大量进入中国，国内企业要想和这些国外品牌的竞争的话，必须提高国产数控机床的可靠性可靠性理论和

2、技术的发展及推广应用是当今科学研究、工业中的一项重要内容，尤其在高科技产品和机电产品的研制中，可靠性保证构成了产品质量保证的一个重要组成部分。可靠性是衡量数控机床质量的标准，也是数控行业发展的重要环节。数控机床是装备制造业的工作母机，其可靠性技术目前已成为制约行业发展的关键共性技术。主要对我国数控机床可靠性技术的研究进展进行综合评述。论述数控机床的可靠性建模技术、故障模式、影响和危害度分析技术、可靠性试验技术、可靠性评价指标、可靠性增长技术等的研究历程和技术进展。对刀库及自动换刀装置的可靠性相关研究进行了深入探讨。在肯定数控机床可靠性技术取得明显进展的基础上，分析指出研究工作存在的问题和不足，

3、并对数控机床可靠性技术研究的动态和热点进行论述。从产品可靠性技术自身的发展规律和行业需求的角度对数控机床可靠性的技术发展愿景进行了展望。关键词：数控机床；可靠性；刀库及自动换刀装置目录内容摘要I前言11数控机床可靠性的技术进展22数控机床可靠性建模43数控机床故障分析63.1数控机床的FMECA63.2数控机床的FTA74数控机床可靠性试验84.1可靠性试验的前期准备84.2可靠性试验内容94.3数控机床的故障分类、判别及计数准则94.4故障数据的记录与整理114.5可靠性考核指标及其评价方法研究115可靠性增长技术135.1基于故障分析的可靠性增长技术及其具体应用方法研究135.2设计、制造

4、、装配、外协、调试等阶段的具体增长可靠性的方法135.2.1可靠性设计改进措施135.2.2制造阶段的可靠性保证措施145.2.3使用过程中的可靠性保证措施166机床可靠性技术研究存在的问题176.1数控机床可靠性数据积累薄弱176.2数控机床故障机理研究不足186.3重机床整机、轻功能部件18参考文献20前言数控机床的可靠性差，性能稳定性差，直接影响着我国数控机床的销售和发展。为改变我国机床工业的现状，实现民族装备制造业的振兴，“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项实施方案经过多次论证，最终将目标落在重点解决我国数控机床与基础制造装备行业自主开发能力薄弱，功能部件发展滞后，产品自动化水平

5、低，可靠性、精度保持性差等突出问题上。所周知，在机床设计中选用高性能、高可靠性的数控系统、伺服驱动装置和优质的配套元部件可使国产数控机床的可靠性大大提高。由于同类型的数控机床选用的也是同类型的数控系统，因此国产机床在精度和性能方面与进口数控机床相比，差距并不太大，而且在售后服务和价格上还占有一定的优势，但两者在用户心目中的信誉却不相同。这是摆在国内数控机床制造厂面前亟待解决的问题。究其原因是多方面的，其关键还在源头，即国内数控机床制造厂的设计、服务和管理水平。随着我国数控机床市场的不断扩大，许多国外品牌大量进入中国，国内企业要想和这些国外品牌竞争的话，必须提高国产数控机床的可靠性。数控机床可靠

6、性的提高可以直接减少机床生产厂家的售后服务费用和三包费用以及机床使用厂家的停机损失、机床维修费用。国产数控机床可靠性的提高还可以抵制进口，扩大出口，增加外汇收入。所以此项研究的经济效益十分显著。11数控机床可靠性的技术进展20世纪70年代中期，随着数控机床在工业发达国家的普及和先进功能的不断增加，机床的故障问题开始引起行业的关注。早在20世纪70年代，前苏联的一些研究人员根据数控机床在结构、功能、外载荷等一些方面的特殊性，利用机床工作损耗中故障与可靠性这一矛盾点，运用现代物理学、现代数学、现代工程科学等新理论，对数控机床故障模型、可靠性模型和工艺可靠性进行了研究，建立了机床可靠性研究技术的最初

7、基本理论，为今后的可靠性研究指明了方向，并且发表了许多数控机床可靠性方面的专著，为可靠性研究奠定了基础。另外，前苏联的学者还提出了机床早期故障消除的可靠性试验的方法和进行工艺试运转。欧洲等工业发达国家对数控机床的可靠性研究开始于20世纪80年代，最初是企业与高校合作，从理论与实践两方面同时开展对数控机床可靠性的研究，通过收集数控机床现场试验数据建立数据库，并且开发了能够自动分析处理可靠性数据的软件，通过对数据分析找出数控机床的故障分布规律和机床薄弱部分。比如英国布拉德福大学的KellerA.Z等人运用模糊数学理论处理数控机床故障数据，从而达到定量处理模糊不确定性的问题。英国伯明翰大学的研究人员

8、通过跟踪监测，采集了35台数控机床数据，分析得出数控机床整机的故障时间分布服从威布尔分布，并且得到了分布模型形状参数。此项研究为后来的可靠性评价提供了理论依据，在可靠性评估中得到了广泛应用。从20世纪80年代中期开始，日本的一些专家学者开始研究数控机床的故障模式和故障原因，试图找出提高可靠性的方法。日本新泻大学的研究人员通过跟踪数控机床加工现场试验，分析评估其可靠性指标，发现所有故障中机床本体占了一半，机床本体是机床可靠性的薄弱环节，并且对故障原因提出了相应的可靠性改进意见，对机床可靠性水平的提高起到了重要作用。近年来，俄罗斯的研究人员对数控机床所受载荷大小与机床的可靠性之间的关系进行了广泛的

9、研究，找出可靠性如何分配才能达到经济利益最大化。此外，俄罗斯学者通过对数控机床故障分类，提出了许多预防故障的有效方法。数控机床的可靠性受到世界各国越来越多的重视，在可靠性设计、可靠性评估、可靠性管理、可靠性预测等方面都新提出了很多理论和方法，使数控机床今后的发展更为可靠、智能、协调。我国对数控机床可靠性的研究晚于西方国家，起步于20世纪80年代。1989年起开始对国内部分数控机床进行了可靠性考核。对数控机床的可靠性数据分析处理，考核了平均无故障间隔时间MTBF、平均修复时间MTTR等可靠性主要指标。20世纪90年代以来，国家将数控机床可靠性研究放入了重点科技攻关项目中。通过“七五”公关和“八五

10、”公关，制定了一系列可靠性标准，并组织一些科研院所和骨干企业联合制定了数控机床可靠性考核办法(试用稿)。“九五”期间，通过对10家机床企业的典型产品考核，MTBF提高到了400小时以上。“十五”期间，国家科技部专门设立了针对数控技术及其装备发展的科技项目，通过国家支持，许多可靠性关键技术取得了突破，形成了一批我国自主知识产权的研究成果和核心技术，并且在数控机床种类、质量水平、技术水平、工艺水平及外观等方面都取得了很大进步，促进了数控机床产业化发展和产业结构升级。在数控机床可靠性研究方面，我国很多高校及研究院所做了大量的研究工作。例如吉林大学的贾亚洲教授等人根据采集的一年半的数控机床故障数据，进

11、行了故障模式、故障部位、故障原因分析，并且利用FMECA分析法进行了进一步研究，找出了数控机床的及功能部件的薄弱环节，为数控机床改进设计提供了依据。装甲兵工程学院贾志成等人通过对加工中心故障数据进行假设检验和曲线拟合等处理分析，建立了加工中心寿命分布模型，为加工中心的可靠性预测和可靠性增长提供了理论依据。北京理工大学张之敬等人针对FMS系统进行了故障诊断，建立了包含推理机制和数据库知识库的故障诊断和维修系统。32数控机床可靠性建模早在上世纪80年代,英国便首对数控机床的可靠性进行了系统性的分析。在1981年，Bradford大学的Keller等人通过对数控系统的调查与研究，得出数控机床数控系统

12、MTBF达400小时，并用对数正态分布和威布尔分布描述故障维修和系统运行时间的可靠性模型。随后，诺丁汉大学的Peter对英国和土耳其的传统机床和数控机床可靠性进行了分析，结果表明，无视实际工况和盲目信任现有技术是造成可靠性低的主要原因。同时，英国国家系统可靠性中心(NCSR)也开始研究数控机床的可靠性。该中心将数控机床的用户和制造商联系在一起，对全体员工提出收集数据的要求。NCSR中心曾经发布过加工中心的可靠性数据，虽然这些数据是保密的，但是总体来说，这项工作在故障领域具有重大的意义。数控机床是可修复系统，其发生故障的时刻是随机出现的，可以把故障看作是时间轴上依次出现的随机点。所以，可以忽略维

13、修时间对可靠性模型的影响，用随机点过程来描述数控机床发生故障的过程。2.1 模型假设对于描述可修复系统的三种典型随机点过程来说，NHPP模型对数控机床整机来说较为适用。主要因为下列因素：1)齐次泊松过程HHP是建立在故障率为常数的基础上的，而对于数控机床而言，在实际生产运行中，由于零部件磨损、劣化等原因，使得这一假设很难适用于数控机床故障过程的模型。2)更新过程RP是齐次泊松过程HHP的发展，也是用于描述“修复如新”的可修系统。在处理数控机床的故障时，大多数维修手段只是更换一小部分系统的零部件，而不是将整个数控系统进行更新，因此，对于数控机床整机来说，“修复如新”的假设也有失偏颇。3)对于数控

14、机床的更换或修复故障零部件的修复性维修，会使数控机床所更换的零部件达到“如新”的状态，但是，对于整个数控机床系统的功能来说则只是恢复到原来的水平，系统的可靠度并没有更新，是“修复如旧”的维修过程，即产品修复后恢复到正常工作功能，但是其状态与新产品不完全一样。因此，本文假设数控机床整机的可靠度在维修前后保持一致，将NHPP作为数控机床故障过程的模型。非齐次泊松过程定义如下：如果一个计数过程满足下列条件，那么对于，该过程是强度函数为的非齐次泊松过程，即NHPP：1)2)具有独立增量3)，表示系统不会在同一时刻出现一个以上的故障；4)NHPP的强度函数也可以称为故障密度、故障发生度、更新率、危险率。

15、但是，切不可将它与寿命分布中的故障率函数混为一谈，因为代表单元在已经正常使用t时间后在t时间内发生故障的条件概率，而(t)t则表示在t时间里发生故障的概率，它不是条件概率。故障率函数(t)是仅与首次故障相关的相对率值，强度函数(t)t是可修系统故障的绝对率值。从强度函数可以得到故障次数期望值（即为在时间间隔为(0,t内的平均故障次数)为ENt=W(t)=t0(u)du当强度函数为(t)=t-1时，称此NHPP为威布尔过程，其中，0,0，为形状参数，为强度参数。当01时，为不断恶化的坏系统；当=1时，该系统则是齐次泊松过程HP。而=2的情况，被视为其强度函数是线性增加的。2.2 基于故障总时间法

16、的数据预处理(1)试验数据预处理故障总时间法(TotalTestTime，TTT)是一种数据变换的方法，由Barlow和Campo首次提出，随后该方法在模型选择、指数型检验、维修策略等方面得到了应用。假设共有m台观测的数控机床，其中第i台机床的观测区间为(0,=1,2,.,m,该机床共发生了个故障，每个故障发生的时间为(=1,2,.,)。将所有故障时间数据从小到大排序，得到00，0，为尺度参数，为形状参数。根据公式2.6可以看出，威布尔过程的强度函数(t)与威布尔分布的故障率函数具有相同的函数形式，但是，这绝对不代表威布尔分布可以用于模拟一个可修系统的故障出现间隔时间的趋势。2.4 拟合优度检

17、验本文所研究的数控机床整机可靠性模型是建立在“最小维修”的维修程度基础上的，使用威布尔过程或改进后的威布尔过程对整机进行分析。为了确定这些模型是否拟合优度检验。(1)多台同型数控机床威布尔过程模型的拟合优度检验对于威布尔过程来说，为了检验其模型的拟合优度，一般采用Cramer-VonMises统计量来进行检验。传统的Cramer-VonMises统计量适用于单台系统定时、定数截尾，或多台同型系统同步开始试验且同步截尾的试验。而数控机床的现场试验是多台同型系统不同步混合截尾的，因此，本文将借鉴周源泉提出的截尾故障数据的拟合优度检验方法，来解决数控机床整机的检验问题。为了进行此模型的拟合优度检验，

18、提出以下假设：H0：用强度函数为威布尔过程的NHPP模型描述该数据；H1：以上过程不能描述该数据。(2)卡方拟合优度检验威布尔过程不可能完全描述所有类型的数控机床故障数据，当威布尔过程不能通过威布尔过程的拟合优度检验时，则可以将数控机床故障数据视为几个分组数据，然后根据分组数据威布尔过程的参数估计方法，得到参数的估计值。由于Cramer-VonMises统计量适用于连续分布的检验，不适用于分组数据，因此，将使用卡方拟合优度检验统计量对模型进行检验(与Cramer-VonMises统计量的假设相同)。检验统计值为：此统计量中，d为区间个数，N为第组观测到的故障数据的个数，是用拟合模型得到第组区间

19、的期望的故障数，则对给定的显著性水平，如果，则接受拟合模型是合适的；反之，拒绝该拟合模型。其中的可以通过查表得出，为了查到，需要确定两个参数：显著性水平和自由度v，式中的e是拟合模型中被估计的模型参数的个数。另外，为提高模型的准确度，要确保值不能小于5。如果相邻区间有故障数小于5的分组，则要合并该相邻的区间，并确保合并后的区间里故障数至少为5。2.5数控机床整机的非齐次泊松过程可靠性指标(1)首次故障间隔时间首次故障间隔时间代表从t=0时刻开始，直到系统出现第一个故障的时间，的可靠度函数为因此，首次故障间隔时间的故障率函数(t)与该过程的强度函数(t)相同。但是，要注意的两个表达式的含义是有差

20、异的。故障率函数(t)近似于在(t,t+t内出现首次故障的概率(条件概率)，然而(t)t则近似于一个故障，而该故障并不一定要求是第一个故障，即在时间(t,t+t内无条件发生故障的概率。从上式可以看出，根据首次故障间隔时间的分布，可以推断出整个过程的强度函数(t)。因此，对于非齐次泊松过程模型来说，如果可以估算出首次故障间隔时间的故障率函数，就可以估计出整个寿命的强度函数。(2)故障间隔时间点估计和区间估计将定义为观察该过程的开始时间，Y()定义为下一个故障发生的时间。则Y()的分布表示为假设是第n-1个故障时的时间，即。在此假设下，表示第n1个故障与第n个故障间的时间，则第n个故障出现的间隔时

21、间的故障率函数为 则第n1个故障(时刻)与第n个故障之间的平均故障间隔运行时间为根据以上的推导可得在t时刻的瞬时,=在一段时间间隔的平均,.93数控机床故障分析故障分析是实施数控机床可靠性增长的必要措施。国内外主要采用故障模式影响及其危害性分析(Failuremode，effectsandcriticalityanalysis，FMECA)和故障树分析(Faulttreeanalysis，FTA)等两种方法。3.1数控机床的FMECAFMECA的主要目的是辨认产品的各种故障模式和评价其对产品可靠性的影响，为消除或减少故障的发生提供依据。在进行FMECA时，如不进行危害性分析则为故障模式及影响分

22、析(Failuremodeandeffectsanalysis，FMEA)。20世纪60年代，航天工业最早应用FMEA，70年代美国海军和国防部制定了相关的标准，相继应用和推广FMECA。80年代，我国开始有学者对数控机床进行故障分析方法的研究。1987年，我国将FMECA美国标准引入国内，之后推广应用于国防工业和机械行业。1986年，英国学者MCGOLDRICK等采用向专家和操作者进行问卷调查的方式对在英国和土耳其使用的一批相同类型数控机床的故障模式进行了分析，表明数控机床的设计者对其实际运行状况了解不足所导致的设计缺陷是致使数控机床故障频繁的主要原因。戴怡等运用常规FMEA方法对立式加工中

23、心的故障进行了分析。从故障模式和故障部位两个角度对其进行了统计分析：零部(元器)件损坏占总故障模式的42.31%，液、汽、油渗漏故障模式占总故障模式的26.92%，其他故障模式比较分散；主轴和刀库部位的故障占总故障的38.46%(其中主轴部位的故障多与换刀有关)，润滑系统故障占总故障的24.36%，z向进给系统故障占总故障的16.67%，其他系统故障比较分散。在应用FMEA时，经常需要由专家对各种故障模式的危险度、发生度和探测度进行打分，会产生主观误差。YANG用模糊隶属度函数表示专家对危险度、发生度和探测度的评分信息，对每个故障模式建立了影响因素空间图，利用加权欧式距离算法推导出风险优先系数

24、的截集，最后对其进行了解模糊，得到了故障模式的风险优先系数排序。FMECA是FMEA的扩展。于捷等在应用FMEA对一批数控车床进行故障分析的基础上，进行了故障模式的危害性分析，即实施了FMECA，找出了该批数控车床的薄弱环节：CNC系统和转塔刀架故障模式的危害性(致命度)最高，是影响该系列数控车床可靠性的关键部件，进而做出了更换CNC系统的建议，并对刀架进行了改进设计。传统FMECA方法考虑的是故障模式发生频率、故障模式对系统的影响以及故障率三个因素，没有考虑故障发生后的维修对系统的影响。许彬彬34在进行FMECA时考虑了维修程度对数控机床故障模式的影响，利用加权欧式距离和影响因素空间图得出各

25、故障模式的综合风险值，进而找出了数控机床的薄弱环节。南京理工大学金渊源等和大连理工大学的LU等将FMECA方法应用到了链式刀库及机械手早期故障筛选试验和盘式刀库及机械手的故障分析中，对FMECA的应用进行了拓展。3.2考虑维修程度的改进FMECA分析对数控车床的现场可靠性试验故障数据的统计分析，可以从图3.10中直接看出各子系统的故障频率情况。下面，将根据表4.4中所总结的数控车床主要故障模式进行FMECA中的危害度分析。故障模式概率比针对机床的主要故障模式类型，从数控车床的故障数据信息中，用统计的方式计算出各个故障模式占所在子系统总故障模式的频率比，如F1是主传动系统的主要故障模式之一，则有

26、F1故障模式的频率比为：,式中表示F1故障模式的数量，表示主传动系统的数量。故障模式所在子系统的故障率和各子系统的故障率是指在被分析各子系统在任务阶段内的故障率，通过故障总时间法的数据预处理，计算分析各子系统的故障率，如主传动系统的为式中表示所有数控车床在测试阶段的故障总时间。故障是产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态。而故障模式是故障的表现形式，如短路、开路、断裂、过度耗损等。一般在研究产品的故障时往往是从产品的故障现象入手，进而通过现象（即故障模式）找出故障原因。故障模式是FMECA分析的基础，同时也是进行其它故障分析（如故障树分析、事件树分析等）的基础之一。产品的故障与

27、产品所属系统的规定功能和规定条件密切相关，在对具体的系统进行故障分析时，必须首先明确系统在规定的条件下丧失规定功能的判别准则，即系统的故障判据，这样才能明确产品的某种非正常状态是否为该产品的故障模式。在进行故障模式分析时，应注意区分两类不同性质的故障，即功能故障和潜在故障。功能故障是指产品或产品的一部分不能完成预定功能的事件或状态。即产品或产品的一部分突然、彻底地丧失了规定的功能。潜在故障是指产品或产品的一部分将不能完成预定功能的事件或状态。潜在故障是一种指示功能故障将要发生的一种可鉴别（人工观察或仪器检测）的状态。需要指出的是并不是所有的故障都经历潜在故障再到功能故障这一变化过程。在进行故障

28、模式分析时，区分潜在故障模式与功能故障模式是十分必要的（如潜在故障模式可用于产品的故障监控与检测）。在进行故障模式分析时还应注意，应确定和描述产品在每一种功能下的可能的故障模式。一个产品可能具有多种功能，而每一种功能又可能具有多种故障模式，分析人员的任务就是找出产品每一种功能的全部可能的故障模式。在系统的寿命周期内，分析人员经过各种目的FMECA即可掌握系统的全部故障模式。3.3改进FMECA方法的实施流程系 统 定 义产品各子系统任务功能分析FMEA分析-RPN:1. 模糊S、O、D判断2. RPN影响因素空间图3. 加权欧式距离计算出RPNCA分析-Cr：1. 统计，2. Cr影响因素空间

29、图3. 欧式距离计算出Cr实 施 分 析给 出 结 论3.4数控机床的FTAFTA是采用特殊的倒立树状逻辑因果关系图对产品的故障原因进行分析的方法。通过FTA，可以知道可能导致系统发生故障(故障树的顶事件)的基本原因(故障树的底事件)，用于判明潜在故障和进行故障诊断，并通过改进设计、故障监测和预防性维修等措施降低故障的发生概率。1961年美国贝尔实验室在导弹发射控制系统的可靠性研究中首先应用了FTA，并取得成效。由此，FTA方法在国际上得到了快速发展和应用。在对数控机床应用FTA时，由于故障树结构复杂，计算困难。为了提高计算效率，于捷等和陈传海等分别利用二进制判决图(Binarydecisio

30、ndiagrams，BDD)技术建立了数控机床整机和液压系统故障树，并进行了结构重要度和概率重要度的求解，得到了研究对象的可靠性薄弱环节。苏州大学陈张荣等将故障树方法用于数控机床的故障诊断。事先将故障树模型存于计算机中，当机床发生故障时，计算机依据故障信息搜寻能够引起故障发生的最小割集，如与规则匹配，则输出诊断结果；如没有相匹配的规则，就在人工的干预下添加新的规则，使规则集得到补充。在进行数控机床FTA时，往往有许多底事件的发生概率是未知的，因此，常规FTA方法难以适用。LI等利用模糊马尔可夫模型建立了数控机床的液压系统故障树，利用模糊理论推断故障树的不确定信息，计算得到了液压系统的模糊故障率

31、，为数控机床的可靠性改进设计提供了依据。134数控机床可靠性试验可靠性理论和技术的发展及推广应用是当今科学研究、工业中的一项重要容，尤其在高科技产品和机电产品的研制中，可靠性保证构成了产品质量保证的一个重要组成部分。可靠性是衡量数控机床质量的标准，也是数控行业发展的重要环节。数控机床的可靠性差，性能稳定性差，直接影响着我国数控机床的销售和发展。为改变我国机床工业的现状，实现民族装备制造业的振兴，“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项实施方案经过多次论证，最终将目标落在重点解决我国数控机床与基础制造装备行业自主开发能力薄弱，功能部件发展滞后，产品自动化水平低，可靠性、精度保持性差等突出问题上

32、。可靠性试验是产品可靠性保障的基础性工作，是获取故障数据、建立可靠性模型、进行故障分析和可靠性设计的客观依据。4.1可靠性试验内容目前，加工中心可靠性试验普遍主要以现场统计试验的方式替代可靠性试验。必须对于已经研发成型的产品，技术成熟，批量大，才能利用现场试验的方式对其可靠性进行评估，反之，新研发品，数量小，不足以作为可靠性试验的确切依据。现场试验的方式具有数据收集时间长、反馈速度不快，不适合用于产品可靠性水平快速得以提升的场合，故在产品初期研发阶段利用小样本的方式进行可靠性验证，能起到有效评估和提高产品可靠性的目的。但数控机床可靠性试验中的敏感应力一般为加工过程中的工作应力，和常规电子产品有

33、着本质的区别，没有现行的成熟的国军标、行业标准实施试验可以借鉴，所以，针对不同机械系统与产品需要研究与之相适合的试验技术手段。在设计加工中心可靠性试验之前必须对加工中心故障进行明确的分析，在明确加工中心基本的故障原因，在可靠性试验中有针对性的予以关注，必要时进行专门试验，提高试验效率。总体上看，加工中心的故障部位主要集中在数控系统、主轴系统和换刀装置（包括刀库和机械手），上述故障占到整个加工中心故障的近70%。4.2数控机床的故障常用分类及诊断方法4.2.1.故障的基本概念故障数控机床全部或部分丧失原有的功能。故障诊断在数控机床运行中，根据设备的故障现象，在掌握数控系统各部分工作原理的前提下，

34、对现行的状态进行分析，并辅以必要检测手段，查明故障的部位和原因。提出有效的维修对策。2.故障的分类1）从故障的起因分类关联性故障和系统的设计、结构或性能等缺陷有关而造成（分固有性和随机性）。非关联性故障和系统本身结构与制造无关的故障。2）从故障发生的状态分类突然故障发生前无故障征兆，使用不当。渐变故障发生前有故障征兆，逐渐严重。3)按故障发生的性质分类软件故障程序编制错误、参数设置不正确、机床操作失误等引起。硬件故障电子元器件、润滑系统、限位机构、换刀系统、机床本体等硬件损坏造成。干扰故障由于系统工艺、线路设计、电源地线配置不当等以及工作环境的恶劣变化而产生。4）按故障的严重程度分类危险性故障

35、数控系统发生故障时，机床安全保护系统在需要动作时，因故障失去保护动作，造成人身或设备事故。安全性故障机床安全保护系统在不需要动作时发生动作，引起机床不能起动。3.数控机床维修的特点1）数控机床是高投入、高精度、高效率的自动化设备；2）一些重要设备处于关键的岗位和工序，因故障停机时，影响产量和质3）数控机床在电气控制系统和机械结构比普通机床复杂，故障检测和诊断有一定的难度。4.2.2对人员的基本要求a.应熟悉掌握数控机床的操作技能，熟悉编程工作，了解数控系统的基本工作原理与结构组成；b必须详细熟读数控机床有关的各种说明书，了解有关规格、操作说明、维修说明，以及系统的性能、结构布局、电缆连接、电气

36、原理图和机床PLC梯形图等；C除会用传统仪器仪表工具外，还应具备使用多通道示波器、逻辑分析仪和频谱分析仪等现代化、智能化仪器的技能；d在完成一次故障诊断及排除故障过程后，应能对诊断排除故障工作，进行总结；e能做好故障诊断及维护记录，分析故障产生的原因及排除故障的方法，归类存档；f知识面广，掌握计算机技术、模拟与数字电路基础、自动控制与电机拖动、检测技术及机械加工工艺方面的基础知识与具备一定的外语水平。4.2.3对排故手段的要求a准备好常用备品、配件并随时可以得到微电子元器件的实际供应；b必要的维修工具、仪器、仪表、接线、微机等；C完整资料、手册、线路图、维修说明书(包括CNC操作说明书)以及接

37、口、调整与诊断、PLC说明书等：4.2.4排故前的准备工作接到用户的直接要求后，应尽可能直接与用户联系，以便尽快地获取现场及故障信息。如数控机床的进给与主轴驱动型号、报警指示或故障现象、用户现场有无备件等。4.2.5现场排故与维修对数控机床出现的故障(主要是数控系统部分)进行诊断，找出故障部位过程的关键是诊断，即对系统或外围线路进行检测，确定有无故障，并对故障定位指出故障的确切位置。从整机定位到插线板，在某些场合下要定位到元器件。4.3故障数据的记录与整理试验中出现的每一个故障，首先必须按关联故障和非关联故障的准则进行分析。若是关联故障，则每一个故障都要计数；若是非关联故障，则不应计数。可靠性

38、试验的一个重要目的是获得可靠性数据，因此正确有效记录试验数据是可靠性试验的重要内容。数据记录的内容包括故障部位、故障现象、故障原因、当时环境条件，故障时间等等。如下表所示：加工中心信息编号型号名称生产厂家故障时间开始时间终止时间故障部位故障类别故障现象故障原因故障元器件故障处理维修时间开始时间结束时间人员记录操作人员记录人员维修人员4.4可靠性考核指标及其评价方法研究可靠性评估是根据产品的试验信息及可靠性结构模型，利用概率统计方法给出产品可靠性特征值。可靠性评估可以在产品研制的任一阶段进行，但在产品定型时总得经过可靠性评价来评估产品所达到的可靠性水平，因此，它是可靠性工作不可缺少的环节。（1）

39、平均无故障间隔时间平均无故障间隔时间，MTBF（MeanTimeBetweenFailures）是指对可修复产品，相邻故障工作时间的平均值，是衡量可靠性的重要指标，具体数值在产品标准中给出。据统计，数控系统最低可接受的MTBF不应该低于3000h。统计资料表明，国外数控系统的MTBF为5000h22000h。对可靠性的评估，主要是考核无故障性参数。数控系统丧失规定的功能称为故障。平均无故障工作时间能准确反映数控设备正常工作的时间。它是指一次故障发生后，到下次故障发生前无故障间隙工作时间的平均值。数控机床经过早期磨损期后，消除了早期故障，进入正常工作阶段，其工作基本控制在偶然失效阶段，可以认为其

40、故障间隔时间服从指数分布。数控机床故障间隔时间的区间估计一般取置信区间水平为1-=90%，即真值落在估计区间的概率为90%。（2）平均修复时间平均修复时间（MeanTimeToRepair）又称平均事后维修时间，是从发现故障到机床恢复规定性能所需修复时间的平均值，简称MTTR。它包括确认失效发生所必需的时间、维修所需要的时间、获得配件的时间、维修团队的响应时间、记录所有任务的时间以及将设备重新投入使用的时间。MTTP不仅和产品本身设计相关，而且和使用方法、维修水平、备件策略也密切相关。（3）固有可用度固有可用度又称有效度(Availability)，是在规定的使用条件下，机械设备及零部件保持其

41、规定功能的概率，简称A。有效度是评价设备利用率的一项重要指标，也是直接制约设备生产能力的重要因素。有效度是时间的函数，一般提到有效度是指时间t趋于时的瞬时有效度，它是数控机床平均无故障工作时间相对于平均无故障时间与平均修复时间和的比率，即在某个观察时间内，产品可工作时间对不可工作时间与可工作时间之和的比。（4）精度保持时间精度保持时间（Tk）是数控机床在两班工作制和遵守使用规则的条件下，其精度保持在机床精度标准规定的范围内的时间。其观测值以抽取的样机中精度保持时间最短的一台机床的精度保持时间为准。以上4个评定指标中，MTBF侧重于数控机床的无故障性，是最常用的评定指标；MTTR反映了数控机床的

42、维修性，即进行维修的难易程度；固有可用度A综合了反映无故障性和维修性，即有效性；精度保持时间反映了数控机床的耐久性和可靠寿命。185可靠性增长技术5.1基于故障分析的可靠性增长技术及其具体应用方法研究故障分析的最终目的是找出研究对象的可靠性薄弱部位，有针对性的对薄弱部位提出增长措施，最大程度地促进研究对象的可靠性增长。可靠性评估是利用产品寿命周期试验或运行所产生的故障数据，在给定置信度的条件下，对数控机床的零部件或整机的固有可靠性（例如MTBF值）进行分析和认定的过程。数控机床属于多品种、小批量产品，往往还具有定制的性质，且数控机床的寿命周期较长，很难获得大量的、具有可比性的故障数据。数控机床

43、的可靠性评估往往具有小样本数据的特征。数控机床的可靠性评估首先面对的问题是评估数据的收集，其次是如何从少量的数据中提取出（或补全）大量对评估有用的信息。数控机床可靠性评估中的数据主要来源于实验室、制造过程和运行现场。提高复杂系统可靠性效费比的最佳方法，首先是进行可靠性预计，确定可靠性值比要求值低得多的关键设备，然后，用FMECA等可靠性分析技术，对设备中所有可能的故障模式进行分析，找出薄弱环节并确定相应的纠正措施，再通过可靠性研制/增长试验、试飞试验等，暴露设计和工艺上的薄弱环节，进行设计更改并验证纠正措施的有效性。通过这种对设备可靠性有重点的增长工作，来提高产品的可靠性水平。5.2设计、制造

44、、装配、外协、调试等阶段的具体增长可靠性的方法数控机床属于典型的多品种、小批量产品，实施可靠性的特点不仅与汽车、电子等大批量产品不同，与飞机、火箭等产品也不相同，需要结合机床的特点提出针对性强的实施策略。归纳起来，笔者认为：为了提高国产机床的可靠性，需要从打造企业的可靠性增长能力入手，增强企业自身的“可靠性”素质，才能确保制造出比国外更可靠的产品。具体讲，需要在企业打造4种能力：可靠性预防能力（主要体现在设计方面）、可靠性控制能力（主要体现在制造方面）、可靠性基础能力（主要体现在试验手段方面）和可靠性保障能力（主要体现在管理方面）。5.2.1可靠性设计与分析国内机床制造企业在进行产品设计时，基

45、本上不做可靠性设计与分析，从源头上就带来可靠性差的隐患。为了提升可靠性预防能力，就必须从设计和分析入手，在企业搭建可靠性设计与分析平台，该平台应该包括以下功能：故障树分析、故障模式影响与危害性分析、结构应力均衡性分析及优化、电磁兼容性分析技术、可靠性建模、可靠性预计、可靠性分配、可靠性评估、可靠性基础数据管理等。制造过程是设计意图的具体体现，但国内企业所加工的零部件的一致性很差，在装配工艺中基本不考虑可靠性问题，所谓的精度调整事实上就是“敲打”轴承改变配合状态，造成轴承的附加应力大，不仅造成精度的快速丧失，还会增加产品的故障。为了提高制造控制能力，应该从以下几个方面入手：对零件加工的一致性进行

46、控制；对部件装配的可靠性进行控制；对整机装配的可靠性进行控制；对加工过程的残余应力进行控制。国内企业普遍缺乏可靠性试验手段，一般只做精度检验和功能验证，在出厂之前基本上发现不了故障，把故障都带给用户。部分企业尽管制造了一些试验装置，但缺乏适当的可靠性试验规范，或者发现不了问题，甚至对试验装置弃而不用，发挥不了作用。为了提高企业的基础能力，需要做好以下工作：通过用户现场跟踪试验采集产品的故障数据（或者开发机床的机载信息采集平台）、搭建功能部件的可靠性试验台、建立整机可靠性试验加载装置、建立成套试验规范、建立早期故障消除的技术体系。国内主机企业的可靠性增长能力低下，那么，配套件生产企业比主机企业更

47、差，基本上没有“可靠性”的概念，造成配套件质量极其低劣，满足不了主机企业的要求。长期以来，受计划经济的影响，再加上用户的需求旺盛，国内机床制造企业普遍不关注可靠性，大部分企业都没有形成一套系统、规范的可靠性保障体系。此外，用户“粗放型”使用国产机床，缺乏必要的维护和保养，也加剧了国产机床的不可靠。为了提升企业的可靠性保障能力，需要开展以下工作：配套件可靠性保障、可靠性保障体系的建立、可靠性管理体系的运行、用户可靠性控制等。5.2.2制造阶段的可靠性保证措施生产过程中的制造工艺及质量控制是影响系统可靠性的重要因素。通过消除制造过程中引入的系统性缺陷，便可实现可靠性增长。数控机床制造阶段的可靠性主

48、要通过关键工序零件特性一致性控制技术和装配过程可靠性控制技术保证的。系统从研制到生产过程中出现可靠性下降，变成一种比较常见的现象，因此通过质量控制技术来实现可靠性增长，成为了一条可靠、便捷之路。下面列出关键工序、关键装配过程、关键外购件、配套件的可靠性保证措施的要点。关键工序的可靠性保证措施主要是建立质量控制点，而建立质量控制点主要依从以下步骤。(1)质量控制点的策划在工艺方案设计阶段，产品主管工艺师应对产品的关键部件、关键项目的质量给以明确要求，针对这些要求，决定是否设立质量控制点。设立质量控制点，应遵循一定的原则。(2)质量控制点的建立设计工艺规程时,工艺人员必须按照工艺方案的要求,在工艺

49、规程中标明质量控制点工序,提出建点计划。工艺人员和相关部门,按照建点计划要求,编制相应的质量控制点作业指导书。经过批准的质量控制点文件下发后,技术开发部和建点车间技术组应建立质量控制点档案,档案应包括所有质量控制点的作业指导书文件。为便于管理，技术开发部和车间技术组可设立质量控制点明细表，对质量控制点实施控制。(3)质量控制点的管理和控制明确质量控制点设计人员的职责和要求，严格履行各自的职责并有效控制产品生产过程，实现产品质量的稳定。通过执行作业指导文件对设备的控制要求，保证设备满足适量控制点的工艺过程要求。能源动力公司应针对控制要求，将控制点设备作为重点管理和维护的对象。通过监督、检查设备点

50、检卡，及时发现设备问题，并有效解决，使设备始终保持必需的工艺过程能力。(4)质量控制点的验证经过一定次数的轮番生产，应对质量控制点的产品质量状况进行评价，验证实施控制的有效性。验证采取统计分析的方法，由技术开发部负责实施。通过对质量控制点的质量数据的统计、分析，确定控制点的质量要求是否达到了有效控制，形成评价报告。5.2.3使用过程中的可靠性保证措施据统计，由于用户使用不当造成的故障占总故障的20%左右，因此，必须控制用户对数控机床的使用。主要内容包括：极限运行条件控制技术，主要是预防用户对刀库及自动换刀装置的超载使用；强制维护保养技术，主要是确保用户不按规定保养；运行环境监控技术，主要监控不

51、要超出数控机床的正常使用环境条件（温度、湿度、灰尘、振动等），超出规定条件就进行预警；维修预警及维修决策技术，主要是确定数控机床的大修时间，通过大修恢复数控机床的精度和可靠性。任何一个产品从工程研制、生产制造到初始使用，都会出现很多问题，同时不断改进的过程。产品在生产制造过程中和使用维修过程中，一直进行着质量反馈和技术质量改进，不同程度的提高了产品的可靠性，实际上，这就是进行着可靠性增长。只不过这是一种非计划的增长，效果差，增长速度慢。这里说的可靠性增长是一种有计划的增长有可靠性目标值，有资和经费保证，有时间进度要求，要进行设计、工艺、结构改进，有控制和管理手段，有鉴定和考核措施。诚然，产品定

52、型后，再进行可靠性设计改进要比工程研制阶段困难得多，消耗的资源可能也大得多。但是，成熟性的一面却为可靠性改进提供了更有利的条件，设备经一定批量的生产并在现场使用了一段时间，暴露了基本的可靠性问题，系统性故障已较清楚，改进有了方向，可以针对可靠性薄弱环节，影响产品可靠性的主要故障模式，分析原因，进行设计、工艺和结构改进，这就大大减少了用于暴露故障的可靠性试验时间，降低了可靠性增长费用，可以实现短时间大幅度的可靠性增长。226机床可靠性技术研究存在的问题6.1数控机床可靠性数据积累薄弱数控机床的可靠性数据不仅包括故障数据，还应包括维修数据和载荷数据。目前数控机床的故障和维修数据已经有了一定的积累，

53、但是其载荷数据积累严重不足。已有数据只是针对于某一型号或某一用户，未覆盖量大面广的数控车床和加工中心，也未涵盖不同用户行业，所以不具有普遍性。载荷数据积累不足，难以编制数控机床整机、功能部件和关键零件的载荷谱，可靠性设计依据不够充分，特别是不能进行可靠性概率设计，造成产品的固有可靠性水平先天不足。近些年来，虽然我国机床行业的许多企业与高等学校及研究院所合作，实施可靠性设计制造管理等技术，研制了多台套可靠性试验台，研发了一些可靠性测评装置和方法，并且部分龙头企业开展了早期故障消除试验，初步建立了产品可靠性保障体系，制定了一批数控机床可靠性技术规范和标准国产机床的可靠性水平正在稳步增长，但是与先进

54、国家的同类产品相比差距依然明显。人们已经深刻地认识到，有效可靠的信息与数据是开展可靠性研究与应用的基础，是可靠性决策的依据，可见完善准确真实的可靠性基础数据库是可靠性设计与评价的保障可靠性数据是指在各项可靠性活动与工作中所产生的描述产品可靠性状况与水平的各种数据，可靠性数据是以数字图表符号与文字等形式表现采集与分析可靠性数据是为了在产品全寿命周期内有效地改进设计制造使用提供信息，为管理决策提供依据，为保证产品的可靠性提供服务对于众多产品，如果缺少系统定量的物理几何数据故障失效记录试验检测评估返修统计评价用户使用档案等与可靠性相关的数据，而谈可靠性估计与评价，势必是无源之水无根之木，这也正是我国

55、可靠性研究中薄弱的环节之一。产品可靠性分析所需要的基本数据按其性质可以划分为确定数据和随机数据，而产品不同深度的可靠性数据是评价系统可靠性的基础，对系统可靠性指标的可信度有重要影响企业应该通过深度不同的产品试验检修返修公开发表的文献和研究报告等途径获取产品故障的各种信息，建立数据搜集的基本要求和规章制度，并参考图所示的可靠性统计基本内容进行数据收集，将获得的数据在企业内部归总集中管理和使用。6.2数控机床故障机理研究不足故障机理研究是指针对故障现象通过理论与试验分析得到反映产品故障本质的物理或化学原因。现有研究偏重于在故障独立的假设下，利用机床的故障数据进行可靠性建模与评估和故障模式影响及危害

56、性分析，根据评估分析结果采取更换零部件和改变结构等设计改进措施。但由于故障机理研究不足，对产生故障的物理本质、故障之间的相关性和共因故障等问题认识不清，往往造成过度改进而增加成本，甚至出现改进无效的情况。6.3重机床整机、轻功能部件数控机床主要是由各类功能部件和数控系统及支撑结构组成的，因此机床的可靠性与机床功能往往造成过度改进而增加成本，甚至出现改进无效的情况。功能部件所包含的内涵随着技术的发展,也在不断地调整和变化。在上个世纪提出这个概念时,除数控系统外,很多人对其和机床附件、配套件的区分还不明确。而现在,刀架、刀库、机械手、工作台、托盘、主轴部件、滚珠丝杠、直线导轨、直线电动机甚至一些刀

57、具、量仪,在与数控机床功能配套、设备组合和技术成套时,也带有功能部件的意义。因此,数控机床功能部件是一个广义的、不断发展的技术概念和市场概念的综合。从现实发展看,数控机床功能部件体现了数控机床设计的模块化,生产的专业化,产品的个性化,以适应市场需求的多样化和技术发展的高速化。我国数控机床的发展经历了曲折的过程,到目前为止,仍和国外先进水平存在着一定的差距。但从1999年开始,我国机床行业开始进入了成长恢复期,并已经开始进入制造和使用的成熟阶段。这个阶段的重要标志之一就是数控机床设计的模块化、专门化,制表现在:一是我国功能部件的产品水平和国外有一定差距。我国目前生产的功能部件多数以劳动密集型为主

58、,技术含量低,难以适应国产数控机床的发展速度和技术要求。功能部件品种繁多,而高技术的、真正带有关键功能的部件对数控机床影响巨大。像刀库、机械手、托盘、主轴、直线导轨、直线电动机,还有一些专用的定位、检测、报警装置都应属于这个范畴。这些关键的功能部件,我们基本上还没有形成规模效应和优势品牌。二是我国功能部件开发能力较弱,新产品开发速度慢,多数功能部件需要与国外合作开发、合作生产、合资经营,甚至只能来件组装。要加强开发和科研力度,逐步改变我国功能部件总体水平不高的状况。国家应在科研开发和成果推广方面给予足够的支持。数控机床功能部件是一种高技术产品,随着数控机床本身功能需求的扩大,需要与之配套的功能

59、部件水平也要大幅度提高,甚至很多功能的增加和提高需要通过功能部件来完成。这些技术往往是前导型、基础型的,有的涉及国家安全和国防安全。因此,除了相关的科研和生产企业加强人才引进和科研攻关外,建议国家在一定程度上给予政策和资金的支持,促使其加快发展速度。数控机床功能部件企业要通过调整、重组发展,提高成套供应能力。数控机床近年来的发展趋势是高效、高速、成套。作为功能部件的发展,必须适应这个趋势。而我国功能部件企业“单打一”的较多,建议各生产企业通过各种合作和重组,逐步建立以资产为纽带的企业集团,以加强科研开发能力和成套供货能力,提高竞争力,提高市场占有率。数控功能部件的全面发展是我国数控机床和装备制

60、造发展进程中的重要环节和必经阶段,应引起各个方面的高度重视。我国的功能部件产业已有了一定的基础,再经过35年的努力,必将迎来一个全面发展的时期,将会进一步推动我国数控机床及其相关产业的进步。25参考文献1杨叔子，丁汉，李斌高端制造装备关键技术的科学问题J机械制造与自动化，2011，40(1)：1-52邱绍虎，吴必才，苏春国产数控机床可靠性现状及其改善对策研究J中国制造业信息化，2009，38(13)：1-53秦伟破解国产高数控机床市场之困J中国制造装备，2011，(05)：64-714李岳机电产品可靠性设计体系及其关键技术研究D重庆：重庆大学，2013.5凃林加工中心可靠性试验技术研究D重庆：重庆大