数控刀架可靠性研究综述

陈传海，邓倩，刘志峰，程强，杨聪彬，张亮

1.吉林大学机械与航空航天工程学院数控装备可靠性教育部重点实验室 吉林长春 130022 2.北京工业大学 北京 100124 3.沈阳机床股份有限公司 辽宁沈阳 110142

1 序言

数控机床是制造业的“工业母机”，其技术水平是国家制造业发展水平的重要标志。在全球范围内，强大的制造业是各工业强国的共同特征，而机床工业则是制造业中不可或缺的重要组成部分。同时，高端数控机床是实现国防军工所需尖端技术和先进设备的基础[1]。随着我国制造业的发展，国内机床行业市场竞争日益激烈，用户对产品服役性能和可靠性的要求越来越高[2]。

数控机床是由主轴、换刀装置（刀架和刀库机械手）、滚珠丝杠等功能部件组成。机床企业大多通过外购外协不同功能部件并组合装配，搭建完成机床整机。因此，功能部件的可靠性水平对整机可靠性水平会产生直接影响[3]。因此，提高数控机床可靠性水平的关键是提高数控机床关键功能部件的可靠性。

数控刀架是数控车床的关键功能部件之一，其可靠性直接影响整机稳定性及可靠性。数控刀架通过实现工序整合和换刀自动化，显著减少了换刀时间，而且保证了车刀的位置精度。国内对刀架的研究起步相对较晚，企业相关技术基础较为薄弱，导致国产刀架在可靠性和综合性能方面远低于国外高端产品。

目前，国内高端刀架产品仍大量依赖进口[4]。为此，亟需加强相关技术研究和创新，提升国产刀架的竞争力。在此背景条件下，研究国产数控刀架的可靠性现状，对数控刀架向高精度、高质量、高可靠性发展有着重要意义。

2 数控刀架产品发展现状

20世纪中期以来，计算机技术迅速发展，数字控制技术在制造业中得到了广泛应用。计算机的引入为自动化和精准控制提供了技术支持，为了与数控技术协同配合，以适应新的加工环境，数控刀架应运而生[5]。数控刀架的产生替代了传统手动刀架，实现了车床在加工工件过程中自动换刀功能。

数控刀架作为数控车床的关键功能部件，主要承担切削刀具的装夹和更换作用。数控刀架的刚度和转位精度对确定刀具刀尖位置起决定性作用，直接影响了待加工工件的加工精度。迄今为止，电动刀架和液动刀架已经占据刀架主要市场，成为最主流的刀架产品[6]。其中，用电动机驱动的电动刀架在欧洲盛行，而日本、韩国主要推崇液压马达驱动的数控刀架。

与国内相比，欧美企业的产品质量相对更好，产品的可靠性、精度和刚度指标均优于国内相关品牌[7]。自20世纪50年代，美国K&T公司成功研发了首个自动换刀装置后[8]，各国研究人员开始关注其可靠性问题。

国外比较有代表性的刀架公司主要包括德国DMG MORI、美国Haas Automation、日本Mazak等。德国DMG MORI公司数控刀架以其高精度、高效能而闻名，其通常配备先进的刀具管理系统，能够对刀具的状态进行监控、管理和优化，从而提高机床的工作效率。美国Haas Automation公司是一家优秀的数控机床和刀具制造商，专注于设计和生产高性能数控机床及其相关配件，以高性能的数控刀架著称。Haas Automation公司的数控刀架产品通常包括自动刀塔系统，能够实现刀具的快速、自动更换，提高了生产效率。日本Mazak公司也是一家优秀的数控机床制造商，其产品线包括各种高精度数控刀架，其数控刀架通常配备多轴刀塔系统，实现了多刀具的自动切换，提高了切削效率。

20世纪80年代初，我国对国外的数控技术采取引进、消化、吸收的措施，为数控机床的蓬勃发展奠定了基础。在90年代中期，随着我国综合国力的不断增强，国内开始逐渐提升国产数控刀架的技术水平，一些企业开始独立研发数控刀架。进入21世纪，随着我国制造业的迅速增长，数控刀架逐渐成为数控车床的重要组成部分。一些企业开始与国际市场竞争，产品的质量和性能得到进一步提高。近年来，面对智能化、柔性化生产模式逐渐取替传统生产方式的发展趋势，我国数控刀架行业不断进行技术革新，生产效率得到了很大提升。目前我国大陆地区数控刀架生产企业主要有烟台环球机床装备股份有限公司、常州亚兴（新墅）机床数控设备有限公司、常州宏达机床数控设备有限公司及沈阳机床股份有限公司等。中国台湾地区数控刀架生产企业主要有六鑫股份有限公司、台湾旭阳国际精机股份有限公司、台湾德士股份有限公司等。总体而言，国产数控刀架主要占据中低端市场，而高端数控刀架主要依赖于进口，其根本原因是产品可靠性水平较低、精度保持性较差。

3 数控刀架可靠性研究现状

可靠性最早出现在航空航天领域。在1939年，美国航空委员会在《适航性统计学注释》中提出了飞机因失效造成的事故率，被普遍认为是可靠性最早出现的标志。在20世纪30~40年代，德国在V1火箭的研制过程中，提出N个部件组成的系统的可靠度等于各个部件可靠度的乘积，这是最早期的系统可靠性理论。1943年，美国成立了“电子管技术委员会”，同时成立了“电子管研究小组”，针对电子管的可靠性开展研究。1949年，美国无线电工程学会成立了可靠性技术组，是世界第一个可靠性专业学术组织。1952年，在美国的一次学术会议中，可靠性的定义第一次被提出。1977年，美国成立了可靠性研究小组，开始针对机械设备的可靠性开展专门研究。与此同时，制定了一系列可靠性相关标准，保证了可靠性工作有序开展。

在此期间，国外学者对数控刀架的可靠性进行了大量研究。DENIZEL[9]对自动换刀系统的机械手进行结构优化设计，进而提高了换刀系统的可靠性。DERELI等人[10]提出了一种面向自动换刀系统的优化软件，引入遗传算法对刀盘结构参数进行了优化。SELEK等人[11]搭建了数控刀架冷却性能检测平台，提出了冷却系统的优化方案。MENG等人[12]根据采集到的模糊信息，将故障率定义为一组模糊数，并通过模糊运算确定数控转塔刀架的故障模糊概率。SAYGIN等人[13]使用LabVIEW搭建了数控刀架检测平台，用于统计监控数控刀盘的空间位置。

在20世纪70年代，我国开始从国外引进可靠性标准等相关资料，逐步将可靠性概念应用到工程领域，从而填补了我国可靠性领域的空白。1979年，颁布了我国第一个可靠性标准GB 1977—1979《可靠性名词术语》，自此，可靠性在国防军工中得到了广泛应用。到20世纪80年代，随着可靠性研究的不断深入，我国开始形成一批专门从事可靠性研究的团队，并制定了GJB 299—1987《电子设备可靠性设计手册》等一系列标准，推动了可靠性规范化工作进程。

国内学者针对数控刀架可靠性也开展了很多研究。张英芝等人[14]对数控刀架进行了为期一年的现场跟踪试验，采用随机截尾数据分析方法对故障数据进行了分析，得到了数控刀架的故障过程规律。针对小样本问题，张立敏等人[15]结合现场试验数据，采用Bayes理论建立了数控刀架的可靠性模型，并用粒子群优化算法估计得到了模型的参数。黄贤振等人[16]对数控刀架的转位系统进行了基于多体动力学的建模仿真分析，确定了其可靠性稳健设计模型。重庆大学刘英等人[17]通过对刀架转位过程中的失效模式和故障原因进行分析，结合FTA相关理论，构建了一个以刀架锁不紧、刀架卡死为顶层事件的故障树模型。吉林大学可靠性团队何佳龙、卢建伟[18，19]搭建了具备动静态加载功能的数控刀架可靠性试验台，对数控刀架进行加速试验，缩短了获得故障数据的周期，为数控刀架的可靠性研究提供了试验条件。吉林大学数控装备可靠性教育部重点实验室与沈阳机床、大连机床合作，共同制定了《数控机床的可靠性设计准则》[20]，对数控刀架的可靠性设计具有指导性作用。

数控刀架的可靠性技术研究随着可靠性研究水平的提升取得了明显进展。但由于国内对其研究起步较晚，国产刀架的精度保持性和可靠性与国外相比仍有一定差距，这导致国内高端刀架产品几乎全都依赖于进口。因此，提高国产数控刀架可靠性依然是我国学者致力于解决的主要问题。

4 结束语

科技不断进步，各国越来越重视制造业的发展。面向智能化、集成化的发展浪潮，数控机床成为制造业发展的核心载体。数控刀架作为数控车床的重要组成部分，提高其可靠性是产品高质量发展的必经之路。随着学者们在可靠性技术方面的不断突破，数控刀架可靠性的相关理论与工程实践将会得到进一步发展。