数控转台的可靠性增长措施＊*

2015-07-13杨庆东

制造技术与机床 2015年1期

牟冰杨庆东

(北京信息科技大学机电工程学院，北京100192)

数控转台是五轴联动机匣加工中心实现五轴联动的必备功能部件，是加工中心向高速、高精度方向发展的集中体现［1］。数控转台不仅为机匣加工中心的回转轴提供了高精度的定位，而且实现了低速大负载的回转进给运动［2］。数控转台完善了我国精密机匣加工中心的整体性能，对扩大机匣加工中心的加工范围、提高加工效率、保证机匣工件的加工精度等都有重要作用［3］。

数控转台的加工环境十分恶劣，在加工工件时长期受切削液、工件切屑和切削力的影响，造成数控转台故障频发，精度保持性较差［4］，大大影响了国产五轴联动机匣加工中心的整机可靠性与机匣工件的加工质量。

数控转台作为五轴联动机匣加工中心重要的自制功能部件，对加工中心整机的可靠性影响非常大［5］，对数控转台进行故障分析找出其可靠性的薄弱环节，进行设计与改进以提高其可靠性具有重要意义。

1 数控转台的故障分析

1.1 数控转台的故障统计

从2013 年1 月1 日到2014 年6 月30 日，调查统计了14 台机匣加工中心数控转台在用户加工现场的故障数据，经整理得到有效故障21 个。

1.2 故障部位分析

机匣加工中心在进行切削时，数控转台、摆动主轴头与X、Y、Z 轴一起实现五轴联动，带动机匣工件实现复杂空间曲面的加工［6］。数控转台采用力矩电动机直接驱动，具有载荷量大、任意分度、转速高和可靠性高等优点［7］，但因数控转台的转动惯量较大，比较容易受到负载扰动及参数变化等因素的影响，致使系统的抗干扰性和跟随性受到削弱［8］。

要充分利用机匣加工中心数控转台的故障数据，通过FMECA 分析(failure mode，effects and criticality analysis，故障模式、影响及危害性分析)［9］，确定转台可靠性的薄弱部位，采取有针对性的可靠性改进措施，消除可靠性缺陷与薄弱部位实现数控转台的可靠性增长。

2 故障模式及危害度分析

根据统计的故障数据和相关计算公式［10］，计算机匣加工中心数控转台故障模式的危害度CR 并总结其故障模式如表1 所示。危害度CR 的计算公式:

表1 数控转台的故障模式及危害度表

式中:nj为故障模式j 发生的次数;n 为数控转台发生故障的次数;αj表示转台发生故障模式j 的概率;λ 表示转台的故障率;βj表示因故障模式j 造成转台失效的概率。对βj规定:若βj=1 表示该转台一定会损坏，若βj=0.5 表示转台有可能损坏，若βj=0.1 表示转台损坏的可能性很小，若βj=0 表示转台一定不会损坏。

式中:N 为转台本次调查期间故障发生的总次数;∑t为转台在调查期间的累计工作时间，因调查期间数控转台每天工作21 h，每月工作约22 天，共18 个月，所以∑t =21 ×22 ×18 =8 316 h。

根据表1 可得到数控转台各种故障模式的危害度大小分布直方图，如图2 所示。

通过图2 可知数控转台危害度最大的几个故障模式是:A01 切削液、液压油等泄漏，A06 转台工作精度超标，A02 转台不夹紧，运转不灵活和A04 转台返回参考点时振动或抖动，在对数控转台进行可靠性设计与增长时，应重点针对这几种故障模式开展。

3 故障原因分析

根据对数控转台的FMECA 分析结果，得到了数控转台可靠性的薄弱环节，对转台发生各种故障模式的根本原因分析如表2 所示。

4 可靠性增长措施

根据机匣加工中心数控转台的FMECA 分析结果，得到了转台各故障模式发生的潜在原因。下面根据转台故障发生的原因，从数控转台的设计、制造、装配和管理等环节给出了有针对性的可靠性增长措施。

表2 数控转台故障模式及原因分析

4.1 转台故障消除的措施

(1)对切削液、液压油等泄漏:控制转台装配流程，减小因装配不当造成的磨损，定期检查并更换已损坏的活塞;使用环形扣压方式，做好管路走线，尽量避免橡胶管发生弯曲，及时检查并更换已损坏的密封圈，选择可靠性高的外购密封圈;及时更换新的罩壳，并严格控制外购罩壳的质量。

(2)对转台不夹紧，运转不灵活:修复密封装置研损部位或及时更换密封圈，定期检查液压油量，且重新调节液压压力;将转台在无尘车间进行装配，并严格控制转台零部件的质量、装配方法等确保其装配精度，定期检查紧固位或更换胀紧套。

(3)对运动部件无动作:定期检查系统输入的脉冲数、信号输入情况并及时给予调节和修正;加强接近开关、支架强度，紧固螺钉防止松动，及时清洁、修复或更换光栅;加强数控转台装配质量检验，严格控制转台的装配精度，采用高可靠性的密封件;定期检查紧固或更换胀紧套，及时更换或修复损坏的锥销。

(4)对转台返回参考点时振动或抖动:定期检查并适当紧固螺母;改善转台的对称性和偏转特性，采用带阻滤波器对机械谐振进行抑制补偿，采用可调滤波器增益的观测器/滤波器结构自适应控制方法［11］，提高转台的位置跟踪能力。

(5)对转台转动过程中发出异响:及时修复或更换已损坏的轴承，选择可靠性高的密封件，定期维护以防止泄漏发生;将转台在无尘车间进行装配，并严格控制转台零部件的质量、装配方法等确保转台装配精度及转台内部的清洁;定期检查并适当紧固螺栓。

(6)对转台工作精度超标:改进罩壳的密封方式，选用效果好的密封圈，在结合处涂抹防水胶;尽量避免让数控转台长时间地连续加工工件，改善数控转台内部散热结构;定期检查修复转台缓冲装置，运用准滑动模态方法、平滑滤波等方法消除电磁干扰;严格保证转台零部件质量，按照装配要求和工序来安装转台，通过前馈控制方法和可预见控制方法消除反馈延迟，采用滑模和改进型干扰观测器结合的方法来设计控制器，保证伺服系统运行和机匣工件的加工精度［12］，通过电压/电流采样技术、增加滤波环节来消除电压/电流波动。

(7)对转台回零不准:及时更换失效的零位检测开关，并严格控制外购开关的质量，提高罩壳的密封性，并在结合处涂抹防水胶;对数控转台采用水冷套散热方式，将水冷套与转台力矩电动机的定子进行贴合，从而降低数控转台的温度。