链式刀库及机械手早期故障筛选试验及分析方法*

金渊源，冯虎田，李春梅，董维新，刘亚峰

(1.南京理工大学机械工程学院，南京 210094;2.陕西秦川机床工具集团有限公司 秦川发展研究院，陕西宝鸡 721009)

链式刀库及机械手早期故障筛选试验及分析方法*

金渊源1，冯虎田1，李春梅1，董维新2，刘亚峰2

(1.南京理工大学机械工程学院，南京 210094;2.陕西秦川机床工具集团有限公司 秦川发展研究院，陕西宝鸡 721009)

介绍了国内外链式刀库及机械手早期故障的研究现状和现存问题。针对该系统的结构特点，采用台湾吉辅刀库为核心部件，搭建了链式刀库及机械手可靠性试验台。通过对系统常见故障模式与失效机理的分析，提出一种基于环境应力筛选的早期故障试验方法，激发其早期故障与薄弱环节，对系统缺陷进行有效排除。最后采用FMECA分析方法对链式刀库及机械手进行了定性分析，提出后续分析的方法要点。该早期故障筛选试验与分析方法对同类产品的可靠性研究具有重要意义。

链式刀库;早期故障试验;环境应力筛选;FMECA

0 前言

链式刀库及机械手是现代数控机床的核心部件，是典型的机电一体化系统。换刀过程复杂，故障频发，国产链式刀库及机械手在可靠性与精度保持性上面与国际先进水平存在较大差距，其主要原因是未能有效排除其早期故障。在该产品整个使用寿命期间，其失效率符合浴盆曲线模型。在早期故障期中，失效率很高，主要因为存在设计、材料与结构方面的缺陷。为了有效提高该部件的可靠性，非常有必要进行早期故障筛选试验，激发产品早期故障，剔除不合格品，对系统缺陷进行修正与排除。

近年来世界各国对刀库及机械手的可靠性研究工作越来越重视，在故障数据采集、故障分析、可靠性设计与管理方面提出了新的理论和方法，逐渐由定性分析转变为定量分析，在可靠性试验与技术上有了长足发展。在早期故障筛选试验方面，国外先进厂商如德国DMG、美国哈斯、日本西门子等，主要是针对使用过程中出现的真实故障，采取现场跟踪的方法进行数据收集，并根据故障数据进行可靠性综合分析，进而进行可靠性优化设计［1］。国内在这一方面仍处于摸索阶段，缺乏相关的可靠性早期故障试验体系和行业标准。“九五”、“十五”期间，国内部分数控机床骨干厂商应用数控机床可靠性指标评价体系对本企业的数控机床产品进行可靠性评价，并对企业内部使用的机床关键部件进行现场数据采集，进行了一定程度的分析。“吉林大学数控设备可信性工程研究所”也在“863”国家重点科技攻关项目中，对数控机床的可靠性研究问题进行较为深入的考察分析，研究出了一套适合小样本数据采集的数控机床可靠性研究方法［2-3］。

但是，国内针对单样本链式刀库及机械手早期故障筛选试验及故障数据分析方面，还未进行深层次、针对性的探索，由于该部件结构复杂、价格昂贵，在早期故障排除方面仍存在很大困难，迫切需要进行系统研究。针对这一现状，本文以台湾吉辅链式刀库为研究对象，基于环境应力筛选方法，提出了一种单样本的早期故障筛选试验方法，并且应用FMECA方法对该系统进行了定性分析。这对于解决制约国产链式刀库及机械手产品可靠性的技术瓶颈，进一步促进高档数控机床的自主研发与国产化具有重要意义。

1 链式刀库及机械手的早期故障试验

1.1 早期故障试验系统构成

本文主要以陕西秦川机床工具集团有限公司生产的VTM180车铣复合加工中心用链式刀库及机械手为研究对象，采购台湾吉辅B5060VH2QCO1卧式刀库为核心部件，搭建QY012链式刀库及机械手试验台进行早期故障筛选试验。试验台主要由链式刀库、换刀机械手、模拟主轴、液压系统和测控系统组成，试验系统布局如图1所示。

图1 QY012链式刀库及机械手试验台结构图

1.2 早期故障筛选试验

(1)试验内容的制定

链式刀库及机械手是复杂的机电一体化系统，结构复杂，零部件较多，具有多个子系统，因此其故障位置与类型具有多样性。针对这一情况，本文在总结国内外链式刀库及机械手产品常见故障［4-5］(如图2所示)的前提下，结合本试验台的具体结构和零部件特性，制定早期故障筛选试验计划，主要包括以下六个方面:

①定位精度试验

②掉刀检测试验

③振动检测试验

④噪声检测试验

⑤压力监控试验

⑥其他故障检测试验

(2)试验的设计与实施

本试验采用的是单样本的早期故障筛选试验，为弥补样本不足导致故障收集不足、产品缺陷未能有效激发等问题，使用应力筛选法进行早期故障试验，即对链式刀库及机械手施加合理的环境应力，利用环境应力的破坏效应，使系统内部的早期潜在缺陷，以故障的形式被加速激发出来，找出零部件失效模式与机理，进而剔除其早期失效部件，有效缩短产品的早期失效期，提高其可靠性［5-6］。

图2 链式刀库及机械手常见故障

环境应力主要包括温度和振动两方面的内容，考虑到链式刀库及机械手的实际使用环境、换刀流程以及可能出现的故障模式与失效机理，本试验选择随机机械振动与温度循环相结合的早期故障筛选方法。参考GJB1023中典型温度振动应力安排，以10000次无故障换刀为试验指标，在施加环境应力的情况下，对试验台进行连续试验［6］。

根据制定的试验计划，布置测控系统，利用位移传感器、加速度传感器、光电接近开关、激光多普勒振动测试仪、噪声计、压力变送器等仪器进行检测，收集故障信息，按步骤进行试验。

①对试验台进行连续空转试验，直至达到试验指标。图3根据本刀库实际换刀流程给出了链式刀库及机械手试验故障采集方法。

②对试验台施加环境应力，在试验过程中，对试验台的各关键部分施加不同频率、不同幅值的随机机械振动;同时调节试验场地温度，进行高低温循环，施加温度循环应力，如出现故障则停机检查并记录，直至达到试验指标，即整个试验台进行10000次无故障换刀后停机，总结分析早期故障数据，在忠于原始故障记录的同时，建立该系统的早期故障试验数据库。

图3 单次换刀流程及试验检测示意图

1.3 早期故障试验中需要注意的问题

在对链式刀库及机械手进行早期故障试验时，参考JB/GQ1141-1989的有关规定，结合链式刀库及机械手的运转特性，应注意以下几个问题:

(1)随机机械振动中采用的筛选振动量应低于环境鉴定试验的合格值，参考GJB1032规定的振动谱形，选择筛选振动量值为0.04g2/Hz，加速度均方根值为6.06g，这个值对剔除早期故障最有效，且不容易对产品产生疲劳损伤。

(2)温度循环要求在0～40℃内进行循环，最好达到5～10℃/min的温度变化率，让零部件进行交替膨胀和收缩，放大设计缺陷。

(3)系统必须进行不间断连续运转，不得以累计方式重新开始运转，期间若出现故障必须重新开始计时运转，但保护性停机是允许的。

2 链式刀库及机械手FMECA分析方法

故障模式、影响与危害性分析，是确定产品的每个组成部分可能存在的故障模式，并确定各个故障模式对产品和其他组成部分以及产品要求功能的影响，同时考虑故障发生概率与故障危害度等级二者综合影响的一种可靠性分析方法。它包含两个步骤，即故障模式及影响分析(Failure Mode Effect Analysis)和危害性分析(Criticality Analysis)［7-8］。

进行FMECA的作用在于查明一切潜在的故障模式，以便通过修改设计或采用其他补救措施尽早消除或减轻其危害性。在对链式刀库及机械手进行早期故障试验后，获取了大量的故障数据，为提高该系统的可靠性、精度保持性和使用寿命，非常有必要对其进行系统的FMECA分析，结合链式刀库及机械手的故障模式与失效机理，对该系统的FMECA分析应包括以下几个方面的内容:

(1)总结分析故障数据

在已知链式刀库及机械手的可靠性逻辑关系的情况下，根据早期故障试验的真实数据，列出该系统与子系统全部零部件的所有可能出现的故障模式，分析各种故障对系统造成的影响和后果。

(2)严酷度的确定。

为了对系统设计上的错误或由于故障造成的最坏潜在影响规定一个定量量度，将链式刀库及机械手的故障分析由定性分析发展成定量分析，引入严酷度这一概念，根据早期故障试验得到的数据，对链式刀库及机械手故障模式与影响进行严酷度分类，按故障严重程度可分为四类:I类(致命性故障);II类(严重故障);III类(一般故障);IV类(轻度故障)。

(3)系统危害性分析

危害性分析(CA)是对故障后果严重程度进行分析与评价，按每一故障模式的严酷度(ESR)及其发生概率所产生的综合影响在危害性矩阵图上面表示出来，并划分等级。危害性分析分为填写危害性表格和绘制危害性矩阵两部分。

①填写危害性表格

填写危害性表格，主要需进行危害度的计算。

其计算公式是:Cj= λjαjβ

系统以故障模式j发生故障对链式刀库及机械手整体系统的危害度CAj算公式是:

根据早期故障试验获得的真实数据，通过以上方法分级计算可以准确得到不同故障模式对各零部件、子系统、整体的危害度，为进行危害性矩阵的绘制做出充分的准备。

②绘制危害性矩阵

计算出链式刀库及机械手的故障模式危害度Cj、CAj后，将其填入危害性矩阵中。危害度矩阵是用来确定每一故障模式的危害程度并与其他故障模式相比较，它表示各故障模式的危害度分布。危害性矩阵以故障模式严酷度等级作为横坐标，以故障模式的概率等级作为纵坐标来绘制。各故障模式分布点在对角线上的垂直投影点到原点的距离作为指标来比较危害性的大小，距离越长，危害越大。

(4)完成FMECA报告

根据上述分析结果，填写链式刀库及机械手FMECA分析报告，内容包括系统可靠性关键零部件的清单及优化设计意见。本文在参考GJB/Z1391、GJB450A等标准的基础上，结合本系统的结构特性，设计了FMECA表格。通过对台湾吉辅刀库附带的部分故障列表和零部件列表进行总结，进行了早期故障预计和定性分析，部分填写了FMECA表格(如图4所示)，在进行早期故障试验后，需完善该表格并绘制危害性矩阵图。

图4 链式刀库及机械手FMECA表

3 结束语

本论文介绍了国内外刀库及机械手早期故障试验分析的相关研究现状，提出了一种基于单样本的链式刀库及机械手早期故障筛选试验方法，并应用FMECA分析方法对该系统部分早期故障进行了定性分析。而且，本项目组联合秦川机床有限公司开展了链式刀库及机械手的可靠性综合试验，在早期故障试验方面有望制定一套技术路线，争取在国内刀库及机械手方面建立完善的可靠性研究体系，有效提高其可靠性和精度保持性。

［1］刘小敏，王元生.我国数控机床的现状与发展［J］.机械研究与应用，2003(6):5-6.

［2］张英芝.数控车床故障分布规律及可靠性［J］.农业机械学报，2006，37(1):156-159.

［3］李绪成，迟向磊，贾亚洲.立式加工中心故障模式及影响分析［J］.现代制造工程，2002(3):19-21.

［4］王元军，杨琪.某卧式加工中心自动换刀系统可靠性与故障分析［J］.中国制造业信息化，缺少年份(7):76-78.

［5］程晓民，崔玉国，贾亚洲.加工中心早期故障试验与故障数据库的建立［J］. 机械制造，2003，41(9):53-55.

［6］何国伟.可靠性试验技术［M］.北京:国防工业出版社，1995.

［7］戴怡，贾亚洲，申桂香.立式加工中心的故障分析与改进措施［J］. 中国机械工程，2001，12(11):1209-1211.

［8］周真，马德仲，于晓洋，等.用于产品可靠性分析的模糊FMECA 方法［J］. 电机与控制学报，2010，14(10):89-93.

The Early Malfunction Test and the Analysis Method of Chain Machine and the Manipulator

JIN Yuan-yuan1，FENG Hu-tian1，LI Chun-mei1，DONG Wei-xin2，LIU Ya-feng2
(1.Nanjing University of Science＆ Technology，Nanjing 210094，China;2.Shanxi Qinchuan Machine Tool Group Limited Company of Qinchuan Development Research Institute，Baoji Shanxi 721009，China)

The development status and existing problems of the early malfunction about chain machine and the manipulator were introduced.The reliability test bed for chain machine and the manipulator was put up by using GIFU tool magazine as the core component.Then the test of the early manipulator test method based on environmental stress screening was put forward through analyzing the failure mode and failure mechanism of the system，used for arousing the early malfunction and weak link.Finally，based on the FMECA method，the qualitative analysis about this system was summarized.This early malfunction test and the analysis method was important to the reliability study of similar products.

chain machine;the early malfunction test;environmental stress screening;FMECA

TP114.3

A

1001-2265(2012)12-0072-04

2012-04-19

国家科技重大专项(2010ZX04014-013)

金渊源(1988—)，男，辽宁铁岭人，南京理工大学机械工程学院硕士，研究方向为链式刀库及机械手可靠性综合试验与评估方法研究，(E-mail)jyy_jyy@126.com。

(编辑 赵蓉)