数控机床早期故障消除技术

范秀君 许静林 张根保 许 智

1.重庆大学，重庆，400044 2.北京航空航天大学，北京，100191

0 引言

数控机床的使用初期是影响其可靠性的主要阶段，将这一时期内的故障消灭在制造企业内部对提高数控机床可靠性具有重要意义。从20世纪60年代初普罗尼科夫［1］通过研究机床工作性能的变化建立多种机床故障模型起，国内外学者对此进行了长期的探究并取得了大量的成果：Keller等［2］将模糊数学引入数控机床故障数据处理过程，以定量方式处理了模糊不确定性问题；Rao等［3］利用机床现场数据采集与分析系统，拟合了机床故障分布规律并获取了机床薄弱环节；Nelson［4］在统计模型、可靠性试验剖面和数据采集与分析等方面亦开展了大量的研究工作。在国内，吉林大学、重庆大学、国防科技大学等院校在机床可靠性建模、预测、评价、试验、维修等方面取得了一系列的进展［5－7］。

然而，国产数控机床产业在可靠性方面仍存在较大的问题［8］，具体表现在：①企业人员缺乏可靠性意识，认为可靠性投入大、见效慢，因此，鲜有企业开展可靠性工作；②缺少提高产品可靠性的技术和方法，部分企业虽认识到产品可靠性的重要性，力求从可靠性方面着手提高产品的竞争能力，然而却苦于“无计可施”；③可靠性在国内起步较晚，机床产品的可靠性基础数据匮乏，严重制约了可靠性工程在机床行业的发展。

在上述背景下，本文以某卧式加工中心数控转台为例，系统地提出了消除其早期故障的技术和方法，该方法同样适用于其他类型机床的早期故障消除过程。

1 早期故障建模及其拐点分析

大量实践表明，在机床寿命周期内，其故障率和时间的关系表现为一种类似于“浴盆”形状的曲线［9］，如图1所示。机床在使用初期故障频发，而运行一定时间后，其故障率逐渐趋于稳定，这两个阶段分别称之为早期故障期和偶然故障期，两者间的临界状态则称之为拐点。在早期故障期和偶然故障期内故障发生的类型和作用机理不同，故障分布模型亦不同。文献［10］采用二重威布尔分段函数建立了数控车床产品的故障率分布模型，本文在此基础上，进一步研究了机床产品早期故障时间的确定方法及数学模型。

图1 数控机床故障率曲线

将机床出厂后的累计运行时间t分为两个区间，t0为拐点，t≤t0为早期故障期，t＞t0为偶然故障期，则二重威布尔分段模型可表示为

式中，R（t）为可靠性函数；k为权系数；α1、α2、β1、β2为二重威布尔分布函数的参数。

由式（1）可以得到其概率密度函数为

利用极大似然法对式（2）进行参数估计，进而可以确定其参数的表达式：

式中，n为样本容量。

分别将早期故障期和偶然故障期的故障时间代入式（3），即可确定参数α1、α2、β1、β2的值。

由于浴盆曲线是连续的平滑曲线，故在拐点处两分段函数的可靠度值和概率密度函数值相等，即有

将式（1）代入式（4），式（2）代入式（5），则有

进一步简化可得

从而确定了故障率曲线的拐点t0和二重威布尔分段模型，t0即为数控机床的早期故障时间。

2 早期故障的成因及消除机理

2.1 早期故障的成因分析

机床产品功能得以实现是多个过程共同作用的结果，其早期故障的形成亦与这些过程中存在的缺陷有关。设计过程中存在的缺陷主要包括：产品结构设计缺陷，材料选择不合理，外购件选型不当，缺少可靠性建模、预计、分配及整机可靠性匹配设计过程，缺少结构应力均衡性分析、机床动静态特性分析过程，缺少零部件及整机可靠性设计、机电参数匹配设计、电磁抗干扰设计过程等。在加工制造阶段，零部件加工精度不一致、热处理过程不一致、基础铸件残余应力控制不一致、加工材料不一致、操作环境一致性差、测量和过程检验控制不一致、加工设备状态不稳定、加工工艺纪律执行差等因素是加工过程中存在缺陷的主要原因；在装配阶段，装配工艺不合理、装配过程一致性控制差（特别是装配应力的控制）、装配环境清洁度控制不稳定等因素使装配后的产品存在各种缺陷；在可靠性试验阶段，缺少机床功能部件及整机的可靠性试验方法和试验设备、缺少可靠性评价环节是试验过程中存在的主要缺陷。此外，早期故障的形成亦与机床运输过程、实地安装调试过程、用户使用过程有关。新产品早期故障的形成与上述过程密不可分，对于成熟的产品而言，设计过程的缺陷对其可靠性影响较小，加工、装配、调试等过程的一致性问题对其可靠性影响较大。图2为某型号加工中心各阶段在早期故障的成因的比重图。

图2 各阶段在早期故障成因的比重

2.2 早期故障的消除机理

机床产品的可靠性首先决定于设计过程，其次是制造过程，两者共同决定了机床的固有可靠性。机床早期故障的成因所处的阶段不同，消除的机理亦有不同。在设计阶段，采取产品结构设计与可靠性设计并行实施的方式，利用对相似结构产品故障的可靠性分析结果，修正结构设计缺陷和可靠性模型，利用功能部件及整机的可靠性强化试验［11］（reliability enhancement test，RET）激发机床潜在故障并根据故障的分析结果有针对性地提出设计改进建议，通过可靠性验证试验对样机进行可靠性评价，最终实现消除机床产品设计缺陷、满足设计可靠性要求的目标。在制造阶段，由于加工和装配过程产生的故障难以被发现，通常是以故障形式反映在机床安装调试和用户使用过程中的，给机床生产企业和用户均造成较大的经济损失。因此，机床在出厂前需要进行环境应力筛选试验（environmental stress screen，ESS）或高加速环境应力筛选试验（highly accelerated stress screen，HASS），以暴露制造过程中存在的各种问题［11］，通过制定加工和装配过程一致性控制措施，达到消除制造过程中的缺陷、保证机床的制造可靠性的目的。机床外购件的可靠性对整机的可靠性有很大的影响，通过制定供应商可靠性保障管理体系和外购件入厂可靠性验收试验的方式加强对供应商的控制和管理，避免将外购件的质量缺陷带入机床产品的制造过程。由于受到技术水平和试验手段的约束，早期故障无法在机床出厂前得到完全消除，部分早期故障会发生在使用过程中，对于这部分早期故障，消除的方法是：通过故障模式、故障原因和故障机理的分析，提出相应的改进措施，通过试验验证其有效性，最终将这些改进措施落实到后续产品的设计和制造过程。

因此，可以认为：机床产品早期故障的消除机理是以可靠性设计与分析技术、加工和装配过程一致性控制技术为理论基础，以可靠性试验技术为激发手段，以可靠性管理技术为保障，通过提出和实施改进措施以达到消除设计和制造过程中存在的缺陷为目的的消除故障的过程。

3 早期故障消除技术体系

早期故障消除技术体系框架如图3所示，其中实线代表早期故障消除技术实施流程，虚线代表信息传递关系。早期故障消除技术按实施阶段可划分为故障信息收集、故障分析、可靠性试验、故障消除4个阶段。

3.1 故障信息收集阶段

机床故障信息和运行状态信息是其功能特性状态的直接反映，是实施早期故障消除技术的基本出发点。对于正在设计的新产品，首先收集提取与其具有相似结构的产品的故障信息，分析在新产品设计过程中是否存在相同的设计缺陷，避免同样的问题在不同型号机床的设计过程中重复出现。建立机床故障及其运行状态信息数据库是全面、准确收集故障信息的有效方式。故障信息主要包括：产品型号、生产日期、故障时间、故障部位、故障模式、故障原因、故障处理情况和维修起止时间等。机床故障与其载荷和工况具有相关性，有必要收集机床的实际运行状态信息，包括机床载荷信息、工况信息（环境状态），可以通过建立机床载荷谱和工况谱的形式获取。在实施过程中所涉及的软硬件技术，笔者在文献［12］中进行了论述。

3.2 故障分析阶段

机床产品的故障可概括为功能故障和性能故障两类。所谓功能故障是指产品丧失完成特定功能的能力。性能故障是指发生故障时，产品表现出性能指标迅速衰退现象。故障分析阶段应涵盖四部分内容：产品功能结构分析、结构应力均衡分析、故障树分析（fault tree analysis，FTA）、故障模式影响及危害度分析（failure modes and effects analysis，FMECA）。

分析产品故障原因和产生机理首先要进行产品功能结构分析。将产品按照“整机－部件－组件－零件”的顺序进行分解，利用可靠性建模方法建立产品零部件与功能实现的逻辑关系，从而实现从产品结构到功能的映射。产品功能结构分析的主要内容是建立产品功能结构图，以便在进行故障分析时能够快速准确地进行故障定位和发现潜在的故障隐患。

图3 早期故障消除技术体系框架图

性能故障（如精度快速衰退）是机床类产品易发性故障，需要从机床运动副受力、铸件残余应力、热变形、装配应力、机床静动态特性方面进行分析，通过建立机床物理数学模型并利用计算机对其进行仿真，分析机床结构应力的不均衡点，优化机床结构、热源以及加工和装配工艺，以实现机床结构应力均衡设计。

FTA、FMECA是可靠性工程技术中的关键技术。FTA以故障事件作为顶事件，按照“从上到下”的原则进行原因分析，最终建立故障与设计、制造和使用过程中的缺陷的对应关系，从物理失效的角度研究故障的失效机理，从而有针对性地提出改进措施。FMECA的核心是对故障影响作出判断并确定严酷度级别，分析潜在故障发生的物理参数类型并确定其检测方法和判断标准，以此作为可靠性试验和仿真中的应力参数类型和水平的参考。

3.3 可靠性试验阶段

可靠性试验阶段包括可靠性试验方案设计、试验建模与仿真、试验监控及数据采集和试验结果分析与评价四部分内容。

在可靠性试验方案设计中需要确定试验时间、故障判据、应力类型和水平、综合试验剖面、试验监控项等内容。其中，试验时间可依据浴盆曲线的拐点确定，在试验时间和费用允许的条件下尽可能充分地暴露全部早期故障；故障判据应依据产品设计技术书中的性能指标和精度指标确定；应力类型和水平、综合试验剖面的建立应参考机床实际运行状态信息和FMECA的分析结果；试验监控项主要根据故障原因分析的结果进行选择，如力、温度、湿度、电压、液压、油液清洁度、气体清洁度等，这些机床状态信息的提取可以通过建立试验监控和数据采集系统实现，对于目前无法通过试验监控和数据采集系统提取的参数，例如油液渗漏等变化缓慢且难以测量的物理参数，可通过人工定时观察记录的方式获取。

机床产品可靠性试验时间长、成本高，在试验前对试验方案进行建模和仿真，是降低试验风险、提高试验效率的有效途径。进行可靠性试验的原则是在不改变故障机理的前提下，最大程度地激发出产品的潜在故障。根据可靠性试验方案中所施加的应力类型和机床工作状态建立物理数学模型并进行仿真，模拟分析试验激发的故障，判断其失效机理是否改变，最终达到优化试验方案的目的，其分析方法与机床结构应力均衡分析近似。

在进行可靠性试验时，产品发生故障后应立即停机，结合机床运行状态信息，运用3.2节的故障分析技术进行故障原因和故障机理的分析；在故障机理未发生改变时，应对故障进行修复后继续试验，并将故障信息和改进措施存入故障信息库作为机床的设计支持信息。如果在规定时间内仍未有效激发出故障，则认为可靠性试验设计过程存在缺陷，应调整试验方案和试验参数重新进行试验。在试验结束时，利用可靠性评估方法对正常工况下运行的产品可靠性进行评估。

3.4 故障消除阶段

机床产品早期故障的消除过程是一系列可靠性技术工作共同作用的结果，需要通过可靠性管理技术加以保障才能彻底地将早期故障消灭于企业内部。因此，可以说故障消除技术是一项技术工作，更是一项管理工作。图4为课题组为某机床企业建立的可靠性保障体系结构简图。

图4 数控机床可靠性保障体系结构简图

机床改进措施得到验证后，应按照保障体系的管理要求进行相应的改进。各相关的部门（设计、工艺、质量、检测、加工、装配、采购）根据故障分析结果和改进措施建议制定具体的改进作业指导文件并经可靠性技术评审通过后，形成正式文件下发各相关部门，最终可实现将早期故障消除在企业内部的目标。

4 实例分析

本文以某型号卧式加工中心连续分度的数控转台为研究对象，其结构如图5所示。在对已有的类似结构转台的故障数据进行收集和分析的基础上，利用二重威布尔模型对故障数据进行了拟合，拟合结果如图6所示，也验证了数控机床故障率服从威布尔分布这一假定，根据式（7）～式（9）计算出该型号转台的早期故障期为736h，结合试验条件，将可靠性试验的时间定为750h，以保证早期故障得到完全的消除。

图5 数控转台结构示意图

图6 威布尔概率纸上的拟合结果

4.1 数控转台功能结构分析

数控转台的主要功能包括：实现工件在托板上的定位；实现托板在转台上的定位；实现转台1°×360的分度与定位。数控转台功能和结构的关系可描述为：依靠夹具将工件固定在托板的T形槽内，保证工件在托板上的定位；利用托板底面的4个母锥和4个拉钉，与转台上的4个公锥和4个拉爪相互配合，保证托板在转台上的定位；通过交流伺服电机、蜗杆蜗轮副、齿轮副保证实现转台分度功能，通过一对端齿盘和升降油缸保证实现转台定位功能。通过上述描述分析，最终可绘制数控转台功能结构图，见图7。

4.2 潜在故障分析

通过对类似结构转台的故障及使用过程信息进行分析，可初步判断该系列结构的转台存在的潜在故障，主要表现为液、气、油渗漏，几何精度超标，转动时异响等模式。利用FTA和FMECA进行分析可得到以下结论。

（1）机床罩壳的结构设计缺陷和防护卷帘密封不严是造成切削液渗漏的主要原因。液压缸与活塞由于加工和装配过程一致性差，导致缸体磨损加剧，是液压缸渗漏的主要原因。此外，液压系统管接头漏油现象也是由加工和装配过程一致性差的原因所致。

图7 数控转台功能结构图

（2）工作台轴向精度超差的原因：在数控转台进行四轴联动加工时，蜗轮蜗杆副摩擦过热，引起工作台轴向热伸长，该变形量与加工程序有关，难以在程序中进行热补偿。

（3）转台径向精度超差，有时伴有异响的原因：切削液渗漏导致转台轴承润滑脂耗尽，致使轴承滚动体和滚道产生锈蚀和磨粒磨损现象。

4.3 可靠性试验方案设计

为缩短产品研发周期，在可靠性试验中采用加速应力作为产品故障的激发手段。考虑到潜在故障因素，经论证分析确定加速应力选择切削液流量、负载、转速和液压压力4种类型。其中，切削液的流量选用正常使用流量的120%，充分模拟加工环境，转台负重选用其最大设计极限的载荷块1500kg，转台转速选用其设计最高转速10r／min，液压系统压力选用7.5MPa（其最大使用极限为6.5MPa）。试验设置4种不同的旋转角度（a1、a2、a3、a4）覆盖转台的分度范围，采用连续正转、反转和正反转交替3种旋转方式模拟转台的分度。通过建立综合应力剖面，以模拟“转台旋转分度→到位后停止→4个夹紧油缸夹紧→延时后夹紧油缸放松→转台继续旋转分度”等时序动作。综合应力剖面如图8所示。

图8 综合应力剖面

4.4 试验结果分析及改进措施

3台数控转台同时进行750h的环境应力筛选试验，转台依次在第78h、210h、325h、439h、514h、593h、746h发生故障，故障分析与处理结果如表1所示。

表1 故障分析与故障处理表

在实际分析处理过程中，应对上述故障分别进行FTA和FMECA分析，现以拉爪断裂故障为例，阐述分析过程。

机床在拉爪断裂后，转台丧失锁定托板功能，由于数控系统无法对该故障进行检测，机床始终处于工作状态，导致机床零部件加速磨损和精度迅速衰退现象产生，甚至会造成托板脱离，损坏机床部件和危害操作人员生命安全的严重后果。因此，在FMECA过程中，将拉爪断裂故障的严酷度级别定为Ⅰ类，是首要解决的故障。

对拉爪断裂故障进行FTA分析，图9为拉爪断裂的故障树分析图。对故障树底层事件进行检查，发现电磁换向阀、弹簧性能、拉爪材质均处于正常状态，拉爪显然未到疲劳极限，亦不是断裂的主要原因。最后，通过分析发现：压力开关参数设置错误导致其感应信号时续时断，造成托板交换动作与拉爪松开动作时序错误是产生拉爪断裂故障的主要原因。更换断裂的拉爪，将压力开关的高低压设置值分别设置为5MPa和1MPa，重新进行试验，该故障没有再发生，证明了改进措施的有效性。

图9 拉爪断裂的故障树分析图

5 结论

（1）本文系统地提出一套消除机床早期故障的技术体系，将该技术应用到某数控机床制造企业，有效地激发出产品的早期故障，提高了产品的可靠性水平，验证了该技术的可行性。

（2）成功地将可靠性试验引入到数控机床的可靠性研究中，其他的功能部件和整机的可靠性试验可以借鉴该经验。

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