数控机床及其关键功能部件可靠性研究综述*

李 南，卢晓红，韩鹏卓，武文毅

(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连 116024)

数控机床及其关键功能部件可靠性研究综述*

李 南，卢晓红，韩鹏卓，武文毅

(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连 116024)

目前我国数控机床及其关键功能部件的可靠性水平与国外差距明显。而可靠性已经成为衡量数控机床及其关键功能部件性能好坏的重要指标之一，因此，数控机床及其关键功能部件可靠性研究迫在眉睫。文章在国内外大量相关可靠性研究的基础上，归纳总结了数控机床可靠性故障数据的分析及处理方法、可靠性评价方法、可靠性增长技术及可靠性试验技术;分析了数控机床关键功能部件可靠性研究与整机可靠性研究的不同之处，提出了数控机床整机及关键功能部件可靠性研究方案及展望。

功能部件;数控机床;可靠性

0 引言

数控机床产业是为装备制造业和国防军工提供基础装备的战略产业，是装备制造业的核心，其发展水平关乎国家安全和国民经济的发展。当今世界，数控机床的拥有量及其性能水平的高低已成为衡量一个国家综合制造实力的重要标志之一，其作为现代制造业的主流加工设备，已成为国际制造业和国防工业竞争的焦点。历史和现实表明，发展强大的数控机床产业是提高国家机械工业竞争力的重要保证。

随着现代制造业的发展，数控机床的使用已经越来越普遍。我国数控装备在可靠性方面与国外差距显著。首先，国产数控机床整机的可靠性水平与进口数控机床相比处于劣势，尤其是高档加工中心及车铣复合数控加工装备的可靠性指标明显低于欧美日等国生产的数控机床。其次，与数控机床配套的功能部件，如数控刀架、刀库、直线导轨、滚珠丝杠，机械手、主轴，还有一些专用的定位、检测、报警装置等的可靠性水平与国外相比差距更大。其大多依靠进口，拖了数控机床主机发展的后腿，成为数控机床产业发展的瓶颈。

我国已经认识到这种差距，在“八五”、“九五”及“十五”期间，均将数控机床可靠性研究作为国家重点科技攻关项目，“十一五”期间把数控机床及其关键功能部件可靠性研究放在首要位置，列为科技重大专项重要研究内容。本文结合国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项“大型链式刀库和高速盘式刀库及自动换刀装置开发研究”，对国内外数控机床及其关键功能部件可靠性研究进行归纳分析，结合现有可靠性分析数据，对数控机床及其关键功能部件可靠性研究现状及研究方法进行论述，探索数控机床及其关键功能部件的可靠性研究及可靠性试验的可行方案，以期为数控机床及其功能部件可靠性水平的提升提供参考。

1 数控机床整机可靠性研究概述

1.1 国外数控机床可靠性研究

可靠性技术研究是从1957美国著名的《军用电子设备可靠性报告》［1］开始的。这个报告被公认为是电子产品可靠性理论和方法的奠基性文件。从此，可靠性学科逐步发展为一门独立的学科。而机床可靠性的起源要追溯到20世纪70年代的前苏联，AC.普罗尼科夫［2］等学者专门从事机床可靠性的研究，主要进行机床参数故障模型、工艺可靠性以及可靠性预测等方面的研究。随着现代数控技术的发展，国外新一代数控机床可靠性研究学者对数控机床可靠性技术进行了更加深入的研究。

20世纪80年代，以美国为代表的一些工业发达国家开始了对机床可靠性技术的研究。他们对数控机床进行现场跟踪试验，收集了大量的故障数据，分析处理所获得的故障数据并进行可靠性评价，研究故障数据的分布规律，找到数控机床可靠性的薄弱环节，从而进行可靠性增长设计，实现数控机床的可靠性增长［3］。德国［4-5］则是对机床用户反馈的故障信息进行可靠性分析，建立了机床诊断与预测系统，并在数控机床的设计、制造及装配过程中建立了可靠性保障体系。而日本则是对数控机床进行故障诊断与分析，研究数控机床的故障模式与故障原因，对数控机床可靠性水平的提升有重要的意义。英国［6-7］将模糊理论运用到数控机床的可靠性故障数据的分析及处理中，解决了可靠性技术中的一些不确定性问题。意大利［8］将可维修系统的R＆M(可靠性及维修性)分析应用于一系列机床上。应用寿命数据分析，描述可维修部分的故障分布，最后给出了整个机床的R＆M方法。近几年，数控机床可靠性技术取得了深入的进展，由传统的定性分析到定量计算，并且计算机辅助可靠性技术的产生大大推动了数控机床可靠性技术的发展。

1.2 国内数控机床可靠性研究

20世纪80年代开始，我国开始重视机械可靠性的研究。经过了30多年的探索，我国数控机床可靠性水平得到了一定程度的提升。在“八五”、“九五”及“十五”期间，数控机床可靠性研究作为国家重点科技攻关项目，取得了丰硕的研究成果。“十一五”期间，国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项正在逐步实施，对数控装备(数控机床、数控系统及数控机床关键功能部件)的可靠性技术研究及数控机床产品的可靠性水平的提升和考核给予高度关注。国内各高校针对可靠性设计、可靠性计算方法、可靠性评估及可靠性分配及可靠性评价模型等方面开展了大量的研究。

张新民、李彦文［9-10］分析了传统设计方法与可靠性设计方法在设计思想及设计原理上的区别，从机械工程现代设计方法出发，在所建立的R-S干涉模型的基础上，综合论述了 JC法、Monte-Carlo法及Monte-Carlo有限元法等5种机械可靠性设计的工程方法及特点。王元文、陈连［11］对多维机械可靠性设计方法进行了系统的研究，对可能存在的各种情况进行分析并提出处理意见，将多维可靠性设计转化为求解非线性方程组，然后用数值方法求解;对一般可靠性设计方法进行分析，指出其存在的不足;提出了剩余可靠度的概念，建立了剩余可靠度之和为极小化目标函数，可靠性条件和边界条件为约束的机械可靠性优化设计的数学模型，编制了相应的计算机程序;对过盈联接的可靠性优化设计进行了研究，并用实例验证了研究结果的正确性。

可靠性本身是一个定性的概念，可以运用概率论与数理统计相关数学基础知识将其进行定量化计算。高永强、王善坤［12］采用一般概率摄动有限元法的边值求解方法，推导了多随机参数系统周期解稳定性的灵敏度和可靠性计算公式，分析了各随机参数对旋转机械故障特征的影响，可以得知故障发生时，需要首先修改哪些参数，从而可以减小或根治该类故障发生。东北大学［13］研究了五轴加工中心的运动学的可靠性计算方法。运用蒙特卡洛法，推断出了VMC650五轴数控机床的运动学的可靠性的数学模型。该机构的运动学可靠性的计算方法是通过点估计与跟踪估计提出的。运动可靠性分析为提高机床的加工精度及工作寿命提供了理论参考。

数控机床是高成本的产品，不能仅靠寿命试验获得数控机床的失效时间，研究数控机床的性能随时间而变化的规律，从而对数控机床进行可靠性评估是非常有意义的。Wu Jun，Deng Chao，Shao Xinyu以及天津工程师范学院的李斌、卢海龙［14-15］等基于性能退化数据提出了可靠性评估方法。性能退化数据包括大量的数控机床的可靠性信息，即使通过寿命试验无法获得数控机床的失效时间，数控机床的可靠性及寿命同样可以通过性能退化数据进行评价。提出了基于退化量分布的可靠性评估方法，将退化量在某时刻所服从Weibull分布的参数均视为时间的函数，利用退化数据找出它们与时间的关系，然后再利用性能可靠性评估方法对数控系统可靠性进行评估。这种评估方法直接利用性能退化数据，原理清晰、计算简单，避免了首先对轨迹参数进行分布假设的缺陷，更加符合数控系统性能退化的实际情况。上海交通大学［16-17］运用威布尔混合模型研究了多种数控机床定时截尾试验的可靠性评价问题。运用广义期望最大化(GEM)算法估计混合威布尔模型的参数，基于赤池信息准则与贝叶斯信息准则，提出了多种数控机床定时截尾试验的模型选择与故障间隔时间的参数估计的方法。结果显示混合模型比单一模型更适于评价数控机床的可靠性，并且运用蒙特卡洛仿真方法扩大了小样本数据的样本规模，进而提高区间估计的准确性。吉林大学与大连理工大学［18-19］将模糊理论运用到数控机床可靠性研究中。提出了基于区间分析的数控机床综合模糊可靠性分配方法以及评价数控机床的使用可靠性的综合评价模型，并且计算了可靠性指标的估计值。

2 数控机床可靠性试验的发展及现状

数控机床可靠性试验是可靠性研究一个非常重要的环节，是对数控机床产品可靠性水平进行分析和评价的一种方法。数控机床可靠性试验的目的是充分暴露产品在设计、制造和装配过程中的各种缺陷，进而为改善产品可靠性奠定基础。可靠性试验按试验场所的不同又可分为实验室试验和现场跟踪试验，按截尾方法分为定时截尾试验和定数截尾试验等。可靠性试验按试验目的的不同可分为综合试验和工程试验。可靠性综合试验包括模拟加载性能试验、加速寿命试验及失效分析等研究内容。综合试验首先要设计制造试验台，其次根据产品可靠性综合试验计划安排试验，根据得到的试验结果，分析试验条件、环境条件、失效模式、失效判据、任务剖面、试验剖面、性能检测点及检测周期等，为产品设计改进提出建议。而工程试验的研究内容包括设计环境应力加载方式与方法，进行筛选试验，筛除早期故障，目的是迫使存在于产品中的会变成早期故障的缺陷提前变成故障，以便在产品投入现场使用前就加以纠正;通过统计模型、环境应力、应力水平、试验顺序研究，加速寿命试验中设计额定应力最大值和设计应力极限值研究，破坏性评估试验中应力步进的步长研究。进行加速寿命试验的目的是让一台或多台试验产品承受加强的环境应力，从而使失效显现得比正常使用环境要快。

国外最初将可靠性试验技术应用在电子领域，起步较早。直到20世纪70年代后期，可靠性试验才逐步应用在机械产品领域。1977年，美国JLC(联合后勤司令部)成立了机械系统可靠性试验小组，主要研究机械设备的可靠性试验存在的问题，制定可靠性试验程序和规范，并发展新的可靠性试验方法。

国内的可靠性试验研究起步较晚，最初同样是将可靠性试验技术应用于电子领域，自70年代末以来，开展了大量的寿命与可靠性的研究工作。

现阶段，数控机床可靠性试验主要是早期故障试验及现场跟踪试验，前者的目的是激发产品的早期故障，并采取相应措施消除故障，而后者通过采集现场故障数据，为可靠性增长及可靠性设计提供数据基础。

3 数控机床关键功能部件可靠性研究

数控机床属于高新技术产业，而功能部件是高新技术产业里面的单元技术载体，对数控机床的功能扩展和性能提升起着极为重要的作用。数控机床的功能部件主要包括数控系统、主轴单元、滚珠丝杠、直线导轨、伺服电机、NC工作台、刀库及换刀装置、数控刀架和防护装置等。数控机床关键功能部件作为数控机床最重要的组成部分之一，其可靠性水平直接影响数控机床整机的可靠性水平。关键功能部件的可靠性研究与数控机床整机的可靠性研究有很多不同之处，因此不能照搬整机可靠性设计、评价及增长技术的研究，目前国内外对数控机床关键功能部件的可靠性研究尚处于起步阶段，仍需投入大量的研究工作。

目前对数控机床及其零部件的可靠性评价多采用平均故障间隔时间、平均修复时间、固有可用度及精度保持时间等与时间相关的指标来综合评定。吉林大学的宗立华［20］对数控刀架进行的可靠性研究中增加了平均首次故障时间等评价指标，更加全面地评价数控刀架的可靠性。在采用传统的可靠性评价指标的同时，提出了专门针对数控刀架产品的时间评价指标与转位次数相结合的评价指标。由于数控刀架故障的产生与其转位换刀过程有着很大的联系，而在实际工作过程中，刀架并不是一直处于转位工作状态，便提出进行关于转位次数的评价指标，即在试验过程中对刀架的转位次数进行计数。转位次数评价指标可以准确地评定数控刀架的可靠性，对数控刀架的可靠性评价具有非常重要的意义。加工中心自动换刀系统作为数控机床关键功能部件之一，其可靠性水平直接影响着整机的可靠性水平。吉林大学的许彬彬、杨兆军等人［21］对大连机床厂生产的圆盘式刀库进行了自动换刀系统的可靠性试验。传统的加工中心可靠性现场试验具有试验周期长、试验无法再现的缺点，为了克服可靠性现场试验的缺点，研制了加工中心自动换刀系统可靠性试验台，引入加工中心自动换刀系统的可靠性实验室试验。通过计算机和PLC的控制，实现自动换刀系统的换刀工作。实验室试验证明了自动换刀系统的试验台结构和控制程序的合理性，对提高加工中心自动换刀系统的可靠性有明显的帮助。针对高档数控机床关键滚动功能部件产品的可靠性问题，汉江机床有限公司［22］专门进行了研究，其设计思路包括五部分:指标确定及体系研究、试验与失效分析、产品性能及可靠性与寿命评估方法、试验标准制定、可靠性管理技术，详细介绍了其可靠性设计过程，并介绍了部分试验结果，为滚动功能部件的可靠性研究提供了有益的参考。

4 数控机床整机及关键功能部件可靠性研究方案及展望

数控机床整机可靠性研究领域及可行的研究方案为:

(1)确定数控机床整机的寿命分布模型，制定可靠性评价指标体系，从而进行可靠性评价;

(2)运用故障分析方法进行可靠性分析，运用模糊数学等相关理论进行故障分析，从而量化一些不确定因素;

(3)进行可靠性增长策略研究。制定数控机床整机的可靠性设计准则，结合现有机床产品暴露的薄弱环节及故障原因，提出可靠性改进措施。

数控机床功能部件可靠性研究方案:

(1)针对某种数控机床功能部件的特殊性，制定具体的可靠性试验规范，开发面向产品寿命周期动态过程和协同环境的可靠性现场试验新技术;

(2)根据所制定的试验规范，进行数控机床功能部件可靠性试验，获得数控机床功能部件产品的现场试验故障数据，将故障数据整理后进行可靠性分析(故障模式、影响及危害性分析)。根据可靠性分析结果得知该类数控机床功能部件产品的可靠性薄弱环节，为新产品可靠性试验方案的制定提供依据;

(3)制定专门针对数控机床功能部件产品的可靠性评价指标体系，准确有效地评价其可靠性水平;

(4)通过对数控机床功能部件的可靠性分析与评估，提出数控机床功能部件的可靠性增长新方法。

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Study on the Reliability of CNC Machine Tools and Key Function Units

LI Nan ，LU Xiao-hong，HAN Peng-zhuo，WU Wen-yi
(Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education，Dalian Liaoning 116024，China)

At present，the reliability of CNC machine tools and their key function units has a significant gap with that of abroad.The reliability has been an important index to judge the performance of CNC machine tools and their key function units.Therefore，the study on their reliability is extremely urgent.Based on the large quantities of reliability researches of home and abroad，the paper summarizes the analysis and processing method of the failure data，the reliability evaluation methodology，the reliability growth technology and the reliability testing technology of CNC machine tools.Additionally，the paper explains the difference between the reliability study of the key function units of CNC machine tools and the complete machines.Finally，the paper presents the reliability research scheme and prospect of CNC machine tools and their key function units.

key function unit;CNC machine tool;reliability

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)11-0105-04

2012-03-06

“高档数控机床与基础制造装备科技”重大专项(2011ZX04011-022);大连市科技计划项目(2010A16GX091)

李南(1986—)，吉林白山人，大连理工大学机械工程学院硕士研究生，主要研究方向为数控加工中心刀库的可靠性研究，(E-mail)xiaohonglu@yahoo.cn。

(编辑 赵蓉)