数控车床的可靠性分析

杨浦良，李玉菊

(长春理工大学 机电工程学院，长春 130022)

数控车床的可靠性分析

杨浦良，李玉菊

(长春理工大学 机电工程学院，长春 130022)

应用数理统计的方法分析了CAK3275V型数控车床的故障现象、故障部位、故障原因，指出了该型车床最薄弱的环节，为机床的制造商提高该型数控车床固有可靠性提供了有价值的参考数据，同时提出了一种提高数控车床工作可靠性的方法。

数控车床;故障分析;固有可靠性;工作可靠性

0 引言

数控车床又称为CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工工艺性能，因此在机械零件的生产中发挥了重要作用，取得了良好的经济效果。同时由于数控车床的故障而造成的停机以及维修费用又给数控车床用户带来了极大的困惑。这样数控车床的可靠性问题就摆在了机床制造商和用户的面前，可靠性已成为数控车床的制造商和用户使用频率极高的的一个术语。

数控车床的可靠性是指在规定的条件下和规定的时间内，数控车床稳定完成其功能的程度或性质。它分为固有可靠性和工作可靠性两种。其中固有可靠性是指数控车床的设计制造者按照可靠性规划，从原材料和零部件的选用，经过设计、制造、试验，直到数控车床出产的各个阶段所确立的可靠性。工作可靠性是指已生产的数控车床经过包装、运输、存储、安装、使用、维修等因素影响的可靠性。

CAK3275V型数控车床采用了华中数控系统，是一种真正意义上的国产数控车床，它的研发和应用对提高我国国产数控车床的市场占有率，增强国产数控车床的自主化，具有重要意义。本文通过对该型数控车床的故障分析，找出数控车床容易出现的故障和薄弱的环节，其目的一方面是为机床的制造商设计和制造数控车床提供必要的参考数据，以提高该型数控车床的固有可靠性，另一方面是为机床的用户正确维修和保养数控车床提供必要的理论指导，以提高该型数控车床的工作可靠性。

1 故障数据的采集与整理

1.1 数据采集

本文的故障数据是通过长春理工大学工程训练中心在实际教学使用中的12台沈阳机床集团生产的CAK3275V型数控车床进行跟踪调查得到的。主要是按部颁标准JB/GQ 1153-90的CNC机床故障记录报告的格式对上述数控车床的实际故障进行跟踪记录得到的。

1.2 数据处理

故障数据采集后，首先对采集的数据进行整理和必要的预处理，然后对数据进行编码，并建立数控车床的故障数据库。数据库的数据格式如表1所示。

数据库中机床编码、制造厂家、故障原因、故障部位、故障编码等均按一定的方式进行数字编码。例如机床编码由8位数字组成，数据库中的数据均可按照特定的机床、制造厂、故障原因、故障部位、故障编码等进行检索或数据库重组，以满足不同目的的故障数据分析。

表1 故障数据库的数据结构

2 故障分析

2.1 故障现象及其频次分析

从表2和图1可以看出，该型数控车床的故障现象主要是加工尺寸不准(28.6%)、加工零件有振纹(12%)、X、Z轴不运动(9.5%)、X、Z轴噪音(7.2%)等。这说明该型数控车床的功能是可以满足顾客需求的，而其加工零件的精度是有待提高的，这就给我们指明了一个提高该型数控车床可靠性的方向，那就是提高数控车床的加工精度。其中影响加工精度的因素是数控车床的机械零部件占86%、电气零部件占9%，可以看出机械方面的原因是影响该型数控车床加工精度的主要原因。

表2 故障现象、现象编码、及其现象频次表

图1 故障现象频次图

2.2 故障部位及其频次分析

从表3和图2可以看出，该型数控车床的故障部位主要是进给传动系统(34.1%)、主轴部件(22%)、电气系统(14.6%)等，它们都是数控车床加工零件时与零件直接发生作用的部位，因此这些部位的故障对数控车床加工零件精度影响是相当大的，只有把这些部位的可靠性提高才能有效地提高数控车床的可靠性。其中进给传动系统即进给驱动装置，是指将伺服电动机的旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，它包括滚珠丝杠螺母副、联轴器、滑板、滑鞍压板等，其中滚珠丝杠螺母副是进给传动系统中最主要的故障部位。主轴部件是数控车床主运动系统的主要组成部分，它在主轴箱内，它由主轴、主轴轴承、工件或刀具自动夹紧机构等组成，其中主轴轴承是主轴部件中最主要的故障部位。

表3 故障部位、部位代码、及其部位频次表

图2 故障部位频次图

2.3 故障原因及其频次分析

从表4和图3可以看出，该型数控车床的主要故障原因是元器件损坏(31.7%)、零部件松动(22%)、零部件安装不良(14.3%)、线路连接不良(7.8%)，这说明厂家在设计、制造和装配数控车床的元器件的过程中缺乏合理的可靠性分配措施。因此，要想提高该型车床的可靠性，必须在数控车床设计、制造、装配过程中的各个环节加强可靠性工作。另外，还可以看出许多故障原因数控车床的使用单位是可以发现并提早处理的，因此，要想提高数控车床的可靠性，数控车床使用过程中的可靠性工作也是必须加强的。在易损坏的元器件中机械元器件(轴承、编码器、滚珠丝杠螺母副、联轴器等)占70.3%，电子元器件占27.2%，其它元器件占2.5%。而易松动的零部件中机械零部件占85%，其它零部件占15%。

表4 故障原因、原因代码及其原因频次表

图3 故障原因频次图

3 工作可靠性

如何提高数控车床的工作可靠性，各个单位都有自己的不同做法。根据故障率的浴盆曲线，在车床使用的初期，故障率较高，随着时间的推移故障率逐渐下降并趋于平稳，在车床使用的末期，故障率也较高。本文通过提高维护时间间隔的柔性来提高数控车床的工作可靠性。具体方法是根据每次任务量的大小来决定维护的间隔时间的长短，即任务量大时经常维护任务小时偶尔维护。实践证明，这种方法可以在一定程度上提高数控车床的工作可靠性。图4是这种方法在长春理工大学工程训练中心的验证结果，从图中可以看出，提高维护时间间隔的柔性后，数控车床的故障率明显降低了。

图4 维修时间间隔调整效果图

4 结语

(1)机械零件加工精度差是该型数控车床的主要故障现象。

(2)进给传动系统和主轴部件是该型数控车床的主要故障部位。

(3)元器件损坏、零部件松动和零部件安装不良是该型车床的主要故障原因。

(4)长春理工大学工程训练中心的经验表明，提高数控车床的维护时间间隔的柔性可以提高其工作可靠性。

［1］ 王义强，曲兴田，仇健.CNC车床的工作可靠性分析［J］.汽车工艺与材料，1999(2):34－36.

［2］ 李梦群，马维金，王爱玲，等.现代数控机床故障诊断及维修［M］.第3版.北京:国防工业出版社，2009.

［3］ JB/CQ1153-90.CNC车床可靠性考核方法［S］.

An Analysis on the Reliability of CNC Lathe

YANG Pu-liang，LI Yu-ju

(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

This paper analyzes the fault phenomenon，location and causes of CAK3275V-type CNC lathe by applying mathematical statistics method，pointing out the weakest link in the lathe，which provides valuable references datum for machine manufacturers to improve the inherent reliability of CNC lathe，and it presents a way to improve the working reliability.

CNC lathe;failure analysis;inherent reliability;working reliability

TG519.1

A

1009－3907(2012)06－0637－04

2012-04-12

杨浦良(1979-)，男，吉林敦化人，硕士研究生，主要从事可靠性方面研究;李玉菊(1955-)，女，重庆人，教授，主要从事工程图学方面研究。

责任编辑:吴旭云