数控机床可靠性评价体系探究*

黄洪钟 刘 征 彭卫文 李彦锋 米金华

(电子科技大学可靠性工程研究所，四川 成都 611731)

数控机床是装备制造业实现现代化的关键设备，是装备制造业发展的重中之重，数控机床的技术水平也是衡量一个国家工业现代化发展水平和综合经济实力的重要标志［1-3］。随着国民经济的快速增长，我国机床行业取得了长足的发展和进步，可靠性水平也有了较大的提高，但与发达国家相比仍然有一定的差距，早期故障频发、精度保持性差等问题是制约国产机床可靠性的重要问题［4］。数控机床的可靠性与数控机床设计、制造、装配、运输和使用等寿命周期各阶段的可靠性工作密切相关［5-7］，以往单一的以平均故障间隔时间为依据的可靠性评价体系难以对数控机床的可靠性、维修性及精度进行全面评价，也不能为数控机床各阶段的可靠性工作提供参考［8］。因此，研究完善的数控机床可靠性评价体系，实现机床可靠性、维修性、安全性的综合评价以及相关可靠性工作的量化考核，对于减少机床早期故障、保持机床精度有重要作用，也可以为机床开展设计改进、质量提升和可靠性增长等工作提供依据。

1 可靠性评价体系

1.1 可靠性评价体系的概念

可靠性评价体系是由一系列的可靠性评价指标和可靠性考核指标组成的，这些指标根据系统的结构特征、功能需求及可靠性要求来选取，分别用来评价系统的可靠性、维修性、安全性并考核系统在设计、生产、装配、使用等阶段的可靠性工作。通过可靠性评价体系，一方面完成对结构系统各项性能指标的考核，也实现对结构系统在设计、制造、装配及使用过程中的各项可靠性工作的管理。在可靠性评价指标的选取过程中，要遵循以下原则［9-12］:

(1)充分性原则

可靠性评价体系应覆盖整个系统，要充分反映系统的任务需求，体现系统的类型和使用特点［12］。例如，数控机床由主传动系统、进给系统、液压系统、电气系统、冷却系统、润滑系统、床身基础件等组成，在选取可靠性评价指标时，不仅要考虑到机床主传动系统，还要考虑其他子系统。

(2)必要性原则

用来评价系统可靠性的指标有很多，这些指标之间会有各种各样的关系，考虑到工程应用的实用性和可操作性，不可能也没有必要选取太多的指标。在满足充分性要求的基础上，要剔除多余的和不必要的指标，尽量选用符合工程习惯且使用较为广泛的指标。

(3)可行性原则

对于数控机床来说，选取可靠性评价指标时应充分考虑该机床的研制水平、研制费用和研制周期的限制，使其建立在切实可行的基础上。另外，所选的可靠性评价指标应该满足验证性要求，如果提出的指标没法进行验证与考核，那么所提的参数指标也没有任何意义。

1.2 可靠性评价体系的应用

数控机床可靠性的研究起源于前苏联。前苏联机床专家普罗尼科夫［13］提出了工艺可靠性的概念，并提出了一系列评价指标用来评价机床服役时的加工质量。俄罗斯学者Vasilev［14］和Chirkov［15］指出，在数控机床设计时就应提出明确的指标，以便在设计和制造阶段都有标准可循，这一观点体现了可靠性指标在数控机床整个寿命周期中的重要性。德国和瑞士的数控机床厂商则以售后故障信息的反馈和分析为指导，通过对机床的可靠性进行分析与评价，不断完善机床全寿命周期内的质量和可靠性保障体系［6］。日本机床界的学者根据数控机床的结构功能和使用特点，在对现场数据进行采集与分析的基础上对机床进行可靠性评估，为机床的可靠性增长提供依据［16］。许多欧美学者［17-19］也对现场故障数据的采集、故障数据的统计分析及可靠性评价指标的确定做了大量研究。针对数控机床的可靠性评价，国内专家和学者也从多个角度做了工作。郝庆波［8］从模糊综合评判的角度针对数控机床在设计阶段的可靠性分配与预计进行了分析与评价。杜庆林［20］针对数控系统使用周期长、故障点少的特点，运用熵权综合评价的方法建立了数控系统的可靠性评价体系。申桂香等［21］基于熵权法建立了数控机床的综合评价模型，克服了常用评价方法中主观权重不一定可靠的问题。陈宥宇［22］提出了冲床外购件供应商可靠性能力的综合评价方法。邵娜［23］基于用户视角提出了数控机床顾客满意度评价体系，构建了顾客满意度指数模型。黄正豪［24］、周爱萍［25］等针对液压系统提出了一系列可靠性评价指标，通过这些指标的计算和比较，为液压系统的可靠性改进提供了方向。

此外，可靠性评价体系还广泛应用在发电系统、工程机械、武器装备及企业管理等方面。孙昕等［26］、丁明等［27］对大型电力系统建立了可靠性评价体系并提出了相关算法。娄云永［28］从设备可靠性和人的可靠性等角度对电力通信网建立了可靠性评价体系，并通过实际应用验证了该体系的有效性。谢伟［29］将我国现行的输电系统可靠性评价体系与国外的指标体系进行了分析对比，提出了一些改进建议。张祖明［30］对机械产品可靠性指标体系进行了研究，为机械行业可靠性工作的研究提供了参考。胡超斌［31］从性能退化的角度提出了性能可靠性的概念，并从可靠性、维修性、可用性等方面探讨了性能可靠性的各种指标。卢雷［9］、王喆峰［32］等建立了雷达系统可靠性指标体系，为雷达装备的可靠性验证提供了依据。彭立影［11］、李根成［12］、李近卫［33］、李伟刚［34］等探究了导弹发射装置的可靠性评价体系，提出了开展发射装置可靠性指标论证的原则、步骤及方法。张锦鹏等［10］提出了船舶引航员的可靠性评价体系，从多个角度考虑了人在操作过程中的可靠性。

以上可靠性评价体系是从可靠性、维修性、安全性、可用性的某一方面来建立的，很少考虑寿命周期各阶段的可靠性工作对系统可靠性的影响。通过对数控机床可靠性的研究发现，可靠性工作贯穿于数控机床寿命周期的各个阶段且各阶段的工作重心不同。在设计阶段，可靠性工作的重心是通过对机床的可靠性分析发现并改进薄弱环节，完成数控机床的可靠性预计和分配，将可靠性定性和定量要求设计到产品中去;在制造阶段，可靠性工作的重心是关键零部件的可靠性试验及可靠性数据的收集与分析、外购件进厂的可靠性管理等;在装配调试阶段，可靠性工作的重心是数控机床整机的可靠性试验及可靠性数据的收集分析、早期故障的发现与控制等。寿命周期各阶段可靠性工作的切实开展对保障数控机床可靠性有重要作用，无论在哪个阶段忽视了数控机床可靠性工作的管理与考核，都将给数控机床的可靠性带来隐患。本文以数控机床为对象，在考虑数控机床可靠性、维修性、安全性要求的基础上，重点考虑了寿命周期各阶段的可靠性工作对数控机床可靠性的影响，针对各阶段的可靠性工作重心提出了一系列的考核指标，形成了数控机床全寿命周期的可靠性评价体系。

1.3 数控机床可靠性评价体系三维模型

数控机床的全寿命周期主要包括设计、制造、装配、使用等阶段，影响数控机床可靠性的因素随着时间点的后移而增加，因此在不同阶段所选取的可靠性评价指标应该是不同的［35］。此外，数控机床按照重量可以划分为大型数控机床、重型数控机床、超重型数控机床等，按照工艺用途和伺服方式又可以分为其他多种类型，因此，针对不同类型的数控机床，要根据机床的具体特点来选择对应的可靠性评价指标。一般来说，数控机床由机械传动系统、液压系统、电气系统、润滑系统、排屑系统等多个子系统组成，每个子系统的结构和功能不同，所选取的可靠性评价指标也是不同的。本文针对数控机床整机及关键子系统的结构特征，结合机床在工艺、精度、寿命、维修性、经济性等方面的特性和要求，按照寿命周期不同阶段可靠性工作重心不同的思想，从系统、寿命周期及评价要素这3 个维度建立了数控机床可靠性评价体系的三维模型，如图1 所示。该模型为广义模型，将该模型应用到具体的数控机床时，应根据机床的结构特征和功能要求来确定各个维度的具体内容。本文主要通过某型数控落地铣镗床可靠性评价模型的构建，来研究和应用图1 所示的数控机床可靠性评价体系的三维模型。

2 数控落地铣镗床可靠性评价体系的建立

2.1 数控落地铣镗床简介

某型数控落地铣镗床主要由主轴箱、方滑枕等9个部分组成，如图2 所示。

该机床具有镗孔、钻孔、铣削、切槽等功能，主要用来加工形状复杂、加工精度要求高、通用机床无法加工或者很难保证加工质量的工件。根据各部分功能，数控落地铣镗床可以划分为主传动系统、各向进给系统、液压系统、电气系统、润滑系统、冷却系统等若干子系统。

对于可靠性要求很高的数控落地铣镗床来说，影响其可靠性的主要因素有［5，30］:铣镗床床身和立柱的重力变形问题，电动机、电柜及静压油等热源带来的温度问题，自制关键零部件在加工和装配时的工艺问题，外购件在质量考核和缺陷剔除的规范问题以及售后维修的规范化问题。由此来看，数控落地铣镗床的技术性能指标要求为精度高、可用性好、易于维护、用户满意且有较高的动静刚度。

2.2 数控落地铣镗床可靠性评价体系的建立

2.2.1 数控落地铣镗床售后维修数据分析

数控落地铣镗床售后维修数据是确定其主要故障部位及故障模式的基本依据。将某落地铣镗床划分为11 个子系统，通过对该机床售后维修数据整理分析，其各个子系统的故障频数、故障频率及主要故障模式统计结果如表1 和表2 所示。

表1 某型数控落地铣镗床各子系统故障频率统计表

表2 某型数控落地铣镗床主要故障模式

由以上统计结果可以看出，主传动系统、各向进给系统、液压系统和电气系统为该落地铣镗床的主要故障部位;机械零部件故障、精度指标异常、液压系统故障及电气元器件故障为该机床主要的故障模式。

通过对机床故障的进一步分析可知，主传动系统及各向进给系统的精度指标异常大多是由机械零部件故障引起的，其中，机械零部件故障多表现为机械零部件的断裂、磨损、变形、松动等。机械零部件的故障与机床设计、机械零部件原材料的选择、零件的加工工艺、部件和系统的装配工艺以及实际工况下的工作应力有关，且机械零部件的故障在实际使用中具有故障检测、定位和维修难度较大、故障危害程度相对较高等特点。

液压系统的主要故障模式表现为液压元件的故障、液压油的渗漏等。电气系统的主要故障模式表现为数显、手控、电柜等器件的故障。这两部分的故障多为危害程度较低的故障，在故障检测、定位和维修方面较为容易。

因此，该数控落地铣镗床发生故障较多的子系统为机械结构及传动系统、液压系统及电气系统，其中机械结构及传动系统主要包括主传动系统及各向进给系统。

2.2.2 数控机床早期故障原因分析

早期故障频发是制约国产机床可靠性的重要问题，而早期故障的产生与机床设计、制造和装配阶段的可靠性工作中存在的缺陷有关，因此分析早期故障产生的原因可为机床设计、制造和装配阶段可靠性工作重心的确定提供依据。大量实践表明，在机床投入使用后其故障率近似服从浴盆曲线，如图3 所示。浴盆曲线大致可以分为3 个阶段:早期故障期、偶然故障期和耗损故障期。本文主要考虑的是早期故障产生的原因，其他两个阶段的故障原因不做考虑。

早期故障产生的原因可以从寿命周期各阶段来进行分析。在设计阶段，如果机床结构设计存在缺陷，机械零部件材料选择不合理，外购件选型不当，缺少可靠性建模、预计和分配等过程都会引起数控机床早期故障的产生。在加工阶段，如果机床自制零部件加工不合格，表面处理不恰当，这都会加剧数控机床的磨损;同时，数控机床中液压系统和电气系统的元器件多为外购件，外购件的质量与可靠性对机床整机的可靠性也有直接的影响。在装配阶段，装配工艺不合理、装配过程一致性差、装配环境清洁度不够等因素会导致装配后的机床存在各种缺陷，这些缺陷在机床运行早期也会凸现出来。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［5，35］。

2.2.3 数控落地铣镗床可靠性评价体系

通过以上分析可知，该落地铣镗床的关键子系统为机械结构及传动系统、液压系统、电气系统，因此在系统划分维度，除了考虑整机的可靠性要求外还重点分析了这3 个关键子系统的可靠性。通过早期故障原因分析，将早期故障定位到各个子系统及零部件并将其发生故障的原因追溯到设计、制造及装配调试阶段，进而确定了该数控落地铣镗床在以上各个阶段的工作重心。依据可靠性评价体系三维模型的建模思想，我们针对各阶段的工作重心确定了机床整机及关键子系统在各个阶段的评价指标，建立了该数控落地铣镗床的可靠性评价体系，如图4 所示。

2.2.3.1 数控落地铣镗床整机可靠性评价指标

(1)设计阶段

设计阶段的可靠度是机床的固有可靠度，从根本上决定了机床的可靠性水平［36］。在设计阶段，需要先预计机床的可靠度，从而为其他阶段的可靠性工作提供依据。

用可靠度R(t)来表征，是指机床在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率［36］。在设计阶段与机床相关的数据较少，一般根据相似比较法来预计，其计算公式为

其中，Ri(t)为机床第i 个子系统的可靠度，某型数控落地铣镗床有11 个子系统，即1≤i≤11。

(2)加工阶段

数控落地铣镗床的机械零部件多为自制零件，液压系统和电气系统的零部件多为外购件，因此考查机床厂生产线的可靠性水平以及外购件的合格率尤其重要。选用一次交验合格率和外购件进厂验收合格率［37］来分别表征机床厂生产线的可靠性水平和外购件的质量好坏。

①一次交验合格率FPY(first pass yield)

一次交验合格率代表着生产线的加工能力，一次交验合格率越高，代表着该生产线性能越可靠，其计算公式为

②外购件进厂验收合格率

外购件进厂验收合格率是指经过验收合格的外购件占所有外购件的比例，计算公式为

(3)装配阶段

如果数控落地铣镗床在装配时使用了不合格零部件，该机床发生早期故障的概率也高于其他机床［38］，因此需要考虑装配过程中使用了不合格零部件对机床可靠性带来的影响。

用受不合格零部件影响的机床可靠度RA来表征。

以p(0≤p≤1)表示机床使用不合格零部件的概率。在机床装配完成后受不合格零部件影响的机床可靠度为

其中:R0(t)表示使用合格零部件的机床可靠度;Fb(t)表示那些存在不合格零部件的机床累计故障分布函数。

(4)使用阶段

①首次故障前平均时间MTBFF

首次故障前平均时间是指机床开始服役后首次发生故障前的平均工作时间［35］，其计算公式为:

其中:N0为数控落地铣镗床样本数;ti为第i 台数控落地铣镗床首次故障前工作时间。

②可用度A

可用度是指产品在任意时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度［35］。其计算公式为

其中:n 为数控落地铣镗床总台数;Ti为第i 台数控落地铣镗床在考核期内的累计工作时间，h;τi为第i 台数控落地铣镗床在考核期内的累计维修时间，h。

2.2.3.2 机械结构及传动系统可靠性评价指标

(1)设计阶段

机械结构及传动系统中，主传动系统与滑枕的主要故障为机械零部件的性能退化引起的精度降低，例如主传动系统中齿轮磨损、胶合、点蚀带来的齿轮传动的平稳性降低，滑枕轨道磨损导致定位精度的降低等。因此，在设计阶段考察机械零部件的性能退化程度是十分必要的。用性能可靠度RD来衡量。

设零部件某一性能参数为x(t)，性能可靠度RD是指产品在规定的条件下，规定的时间内性能参数x(t)保持在规定范围［XL，XU］内的概率，用公式可以表示为［39］

性能可靠度是用来表征机械零部件在规定条件和规定时间内性能退化程度的特征量，在设计阶段，可以利用相似比较法来预计零部件的性能可靠度。

(2)加工阶段

在机械零部件加工过程中，由于加工工艺等过程的影响，会引起机床的实际性能指标相对于设计目标值的波动，这种波动可以用质量损失函数来表示。我们选用加工质量可靠度RL(y)来描述某机械零部件在加工完成后其质量损失函数值在允许范围内的概率，其计算公式为［37］

其中:L(y)为质量损失函数，L(y)=K(y-m)2，K=代表加工出来的产品性能相对于设计目标值的偏离量;y 为加工后的性能指标;m 为设计目标值;Δ 为允许的偏离量;A0为偏离量大于容差时造成的损失;θ 为质量损失的允许值［37］。

(3)使用阶段

机械结构及传动系统的运动精度可作为一种性能指标，当其不能满足要求时，系统则处于失效状态［39］。本文选用运动精度可靠度Racc来表征机械结构及传动系统的运动可靠性。

运动精度可靠度是指在规定的条件下和规定的时间内，传动系统的输出运动误差保持在规定范围内的概率。设机床运动部件到达空间某一点的误差为ΔX且误差的允许范围为[δ'，δ″]，则机构的运动精度可靠度为［39］

2.2.3.3 液压系统可靠性评价指标

液压系统的元器件多为外购件，液压系统的可靠度可以在设计阶段用相似比较法预计得到。液压系统可靠性的影响因素多样，系统故障的机理复杂，并且系统故障的检测难度较大，因此考虑用故障探测度来表征液压系统故障的难易程度［24-25］。针对液压系统，主要考虑以下两个指标:

(1)设计阶段

用液压系统可靠度RHyd来表征。液压系统可靠度是指液压系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。液压系统的可靠度可以在设计阶段根据相似比较法来预计。

(2)使用阶段

用故障探测度来表征。故障探测度指的是系统发生故障时被探测出来的难易程度。故障探测度主要根据专家的工程经验，采用打分的方式来评定，其打分依据如表3 所示。

表3 故障探测度等级

2.2.3.4 电气系统可靠性评价指标

电气系统的元器件多为外购件，电气系统的主要故障模式表现为数显、手控、电柜等器件的故障，考核电气系统关键元器件的可靠性十分重要。针对电气系统，主要考虑以下两个指标:

(1)设计阶段:用关键元器件失效率λ(t)来表征。电气系统关键零部件故障率λ(t)是指工作到某一时刻尚未发生失效的元件在该时刻后单位时间内发生失效的概率，其计算公式为［36］

其中:r(t)为t 时刻后dt 时间内失效的产品数，Ns(t)为t 时刻尚未失效的产品数。

(2)使用阶段

用元器件平均更换时间MTTCE来表征。在使用过程中，电气系统的主要失效模式为电子元器件的烧毁、短路、断路、无响应等，考核电子元器件平均更换时间是十分重要的，其计算公式为［36］

其中:n 为测试时间内某一元器件的更换次数，ti为每次更换元器件前元器件的工作时间。

3 应用与推广

上述可靠性评价体系的研究思路可以推广应用到其他系统中。首先，分析系统的结构特点和功能特性，分析整个系统、子系统和关键零部件的性能要求。其次，收集该系统或者相似系统的售后维修数据，确定该系统的主要故障部位及主要故障模式，进而可以确定该系统故障频率较高的关键子系统。然后，分析故障的原因，将故障原因关联到系统寿命周期各阶段的可靠性工作中。最后，根据可靠性评价体系的三维模型，针对系统、子系统和关键零部件选取寿命周期内各阶段的可靠性评价指标，实现对系统的可靠性综合评价指标体系的构建。

4 结语

本文通过对数控机床可靠性评价体系存在的问题进行分析，提出了构建数控机床可靠性评价体系的基本方法。该方法从系统、寿命周期和评价要素这3 个维度建立了构建数控机床可靠性评价体系的广义模型，该模型一方面有助于人们理解数控机床在不同寿命周期内可靠性的演变过程，另一方面有助于人们了解寿命周期各阶段影响机床可靠性的不同要素。该模型被应用到某型数控落地铣镗床的可靠性评价体系构建中，该应用不仅可以为数控机床减少早期故障、增强精度稳定性提供保证，也可以为数控机床开展设计改进、质量提升和可靠性增长提供依据［6］。数控机床可靠性评价体系的研究思路可以推广应用到其他系统，在实际工作中可以根据实际情况对可靠性评价指标加以调整，使评价体系更加适合工程应用。

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