直驱式A/C轴双摆角铣头故障树分析和泄漏问题改进

郑鹏， 王耀博

（沈阳工业大学，沈阳110178）

0 引言

机电系统中的薄弱环节对系统可靠性影响显著,系统可靠性设计的优劣就在于能否准确预测薄弱环节的位置和影响程度,并据此在系统设计阶段进行合理考虑。应用故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）将双摆角铣头系统可能出现的故障作为分析的目标，逐层向下推出所有可能的原因，从而找出双摆角铣头系统内可能存在硬件和软件因素与系统失效之间的逻辑关系，并用倒立树状图表示出来。应用故障树分析法的必要性是可以帮助设计者及早有效地评价设计中存在的薄弱环节及缺陷，以此来改进设计，提高产品的可靠性水平［1］。

1 双摆角铣头结构简析

直驱式A/C轴双摆角数控万能铣头能够实现大型、复杂工件的加工，直驱式A/C轴数控加工机床的“五轴”主要由基本线性轴X、Y、Z和绕X轴的A轴和绕Z轴的C轴组成。直驱式A/C轴双摆角铣头采用力矩电机直接驱动结构，直驱式电机传动模式取代传统机械传动模式，实现“零传动”，使铣头结构更加紧凑［2-3］。

直驱式A/C轴双摆角数控万能铣头的结构中，在C轴内部串联安装两个力矩电机，实现C轴回转是通过一个连接套带动万向架旋转；在A轴内部并联安装两个力矩电机，实现A轴摆动是通过并联A轴内部的力矩电机带动主轴座旋转［4-5］。

直驱式A/C轴双摆角数控万能铣头的实体装配图如图1所示。C轴和A轴结构模型如图2和图3所示。图4为直驱式A/C轴双摆角铣头现场安装图。

图1 铣头装配图

图2 C轴结构模型

2 双摆角铣头结构故障树分析

因为双摆角铣头结构复杂，任何一个单元失效，都可能导致整个系统失效，所以铣头的可靠性由单元的可靠度决定［6］。针对双摆角铣头可能出现的故障，对双摆角铣头系统分析，建立故障总树，如图5。

从双摆角铣头故障总树可以看出，造成双摆角铣头可能出现故障的主要因素有力矩电机故障、回转轴承故障、端齿盘故障、冷却系统故障、圆光栅故障、控制系统故障等。

以力矩电机故障为例，建立力矩电机故障树如图6所示，其中，冷凝水进入机体可能会造成力矩电机损坏等重大事故，在设计中应重点加以考虑。

图3 A轴结构模型

图4 直驱式A/C轴双摆角铣头现场安装图

图5 双摆角铣头系统故障总树

图6 力矩电机故障树

3 双摆角铣头故障模式分析

数控机床故障模式有如下几种：损坏型，退化型，松脱型，失调型，堵塞型，渗漏型，性能衰退型，功能失效型等［7］。通对双摆角铣头与数控机床故障模式的对比，归纳故障模式分析如表2所示。

表2 双摆角铣头故障模式分析

4 泄漏问题及其改进

力矩电机在工作过程中，由于自身发热以及冷却水的影响，很可能在力矩电机周围形成冷凝水。这些多余的流体，很可能会腐蚀电机、轴承，甚至可能造成电机烧毁的严重后果。此外，双摆角铣头内部存在很多液压管路，多个零件之间通过静密封及打孔的方式，很难保证不存在任何泄漏。

为了解决泄漏问题，在C轴及A轴内部，可能会出现流体的地方，设计流体泄漏通道，使得流体能顺利从高处流到低处，然后顺着泄漏通道从C轴流到A轴，再从A轴排到外部，泄漏通道在设计路径时，要远离精密部件及带电部件，如图7。

图7 泄漏通道路径

在双摆角铣头的设计中，特别是在A轴壳体的设计中，最大限度地使用接管的方式来连接不同零部件的流体。这样既能方便维护，又能在很大程度上避免了不同零件之间通过静密封与打孔的方式导致的泄漏隐患［10］，如图8。

图8 接管式连接

5结 论

在双摆角铣头结构方案设计的基础上，建立双摆角铣头故障总树模型，针对每一个可能出现故障的部件和环节进行故障因素分析，并对故障模式归纳与总结，为系统改进和诊断提供了参考依据。针对冷凝水和液压管路泄漏问题提出相应改进措施，有效减少了故障发生率，提高了系统可靠性。在运行过程中遇到如上问题，可以参考以上故障树进行分析和诊断。

［1］ 陈建军，张建国，段宝岩，等.大型星载天线的展开系统失效树分析［J］.机械设计与研究，2005（3）：6-8，18.

［2］ 林剑峰，闫明，郑鹏，等.直驱式A/C轴双摆角铣头模态分析［J］.机械传动，2010（4）：61-63.

［3］ 闫明，林剑峰，郑鹏，等.直驱式A/C轴双摆角铣头C轴结构单元有限元分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2010（4）：13-15，19.

［4］ 郑鹏，闫明，孙淑霞，等.直驱式A/C轴双摆角铣头的扭转刚度［J］.制造技术与机床，2011（8）：44-47.

［5］ Yang Qingdong，Liu Guoping.Dynamics Analysis of Special Structure of Milling-head Machine Tool［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering （ English Edition），2008，21（ 6）：103-107.

［6］ 周磊，陈时锦，梁迎春，等.液压摆角铣头系统的故障树分析及可靠性改进［J］.机床与液压，2007（9）：236-238，214.

［7］ 贾志成，胡仲翔，申桂香，等.数控机床故障模式的对比分析［J］.兵工学报，2009（1）：86-90.