国产数控机床可靠性技术综述

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1、_1I羁l【=JReviewonReliabilityTechnologyofHome-MadeNCMachineTool重庆大学机械工程学院先进制造技术研究所张根保清华大学机械工程学院机械系王立平张根保重庆大学教授．机械制造专业博士生导师。重庆大学机械设计制造研究所所长。长期从事先进制造技术、计算机集成制造系统．数控机床可靠性、现代质量工程．企业信息化等方面的研究。先后主持和参加了国家科技重大专项．国家高科技计划项目、国家自然科学基金重点项目等60余项。先后获省部级科技成果一等奖1项、二等奖2项。数控

2、机床可靠性相关概念根据国家标准GB一6583的定义，可靠性是指产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定任务的能+国家自然科学基金资助项目(50835008、5I175527)，国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(2012ZX04011—031)资助。26航空制造技术·2013年第5期本文对数控机床的可靠性技术进行全面论述，包括可靠性设计技术、制造可靠性技术、可靠性试验技术、可靠性评估技术、早期故障消除技术、运行可靠性技术、可靠性管理技术等，最后提出国产数控机床可靠性提升策略。力。数控机床产

3、品的工作条件一般包括加工尺寸、切削用量、切削功率、使用环境条件、加工材料等设计规定的条件；规定的时间可以是设计确定的运行寿命，也可以是机床大修前的年限，还可以是考核时确定的任何年限；规定的任务是指机床设计时确定的功能，例如加工中心可以完成钻、铣、镗、铰、攻丝等功能。数控机床的可靠性一般是以故障来表征的，可靠性高就意味着产品在使用过程中所发生的各种故障少。数控机床属于可修复产品，一般采用平均故障间隔时间(MeanTimeBetweenFailure：MTBF)来衡量其可靠性。MTBF是个统计学概念，一般可

4、用式(1)计算。，三∑tiMTBF=古>l‘=}，(1)”o百∑rff=l其中，Ⅳn为在评定周期内机床累计故障频数；n为机床抽样台数；t，为在评定周期内第i台机床的实际工作时间(h)；r，为在评定周期内第f台机床出现的故障频数。经过近20年攻关，国产数控机床的可靠性得到较大的提高，从早期的100多小时提高到“十五”期末的500多小时。通过《高档数控机床与基础制造装备》国家科技重大专项的实施，使得专项产品的可靠性普遍达到900h以上，在“十二五”期间的目标是整机达到2000h，基本达到国际先进水平，但距5

5、000h的国际领先水平仍然存在一定的差距。数控机床在其寿命周期内的故障发生概率是不同的，可用图1的故障率曲线(俗称浴盆曲线)来表示。本文对数控机床的可靠性技术进行全面论述，包括可靠性设计技术、制造可靠性技术、可靠性试验技术、可靠性评估技术、早期故障消除⋯mj图1数控机床的故障率曲线技术、运行可靠性技术、可靠性管理技术等，最后提出国产数控机床可靠性提升策略。数控机床可靠性设计技术产品可靠性首先是设计出来，其次才是制造出来的。因此，机床的设计过程在提升可靠性方面具有重大作用。1可靠性建模可靠性建模是根据可靠

6、性分析的需求，针对产品结构建立的逻辑分析模型(又称为可靠性框图)。可靠性模型一般有串联模型、并联模型和混联模型3种类型。如：某精密卧式加工中心由B轴、刀库系统、主轴箱、托盘交换系统、传动装置、电气系统、辅助系统(防护装置、液压系统、冷却系统、排屑系统、润滑系统、气动系统和电气系统)等12单元模块组成，其可靠性模型如图2所示，这是个典型的加工中心可靠性串联模型。张根保[1-31等利用GO法建立了加工中心的整机及各功能部件的任务可靠性模型，这种模型具有建模简单，分析方便等特点。图3是用GO法建立的加工中心B

7、轴传动元任务的GO图模型。2可靠性分析(1)应力分析。机床的零部件在运行过程中承受的载荷分为两类：工作载荷和非正常载荷。工作载荷是完成设备功能所必需的；非正常载荷则是由于设计不当和在制造过程造成的，例如加工残余应力、热应力、受力不均衡、刚度不够等，非正常载荷会使零部件的变形加大，造成不正常的磨损和损坏。应力分析的目的就是通过结构设计使得非正常载荷减少到最小。张耀满刚等利用热和结构耦合技术仿真计算了主轴箱在热和结构耦合作用下的温度场及热变形，建立了某数控车床主轴箱有限元分析模型，分析确定了主轴部件和主轴箱

8、的热变形趋势，为主轴箱的优化设计和热误差补偿奠定了基础。仇健【51等通过主轴恒转速和变转速热误差试验分析主轴箱温度场分布及其对主轴热误差的影响趋势，建立龙门机床误差元素模型，分析影响机床各坐标轴加工精度的主轴热误差分量，并提出结构优化、热平衡、误差补偿建模等3种减少热误差的措施。王维等[6-s]提出一种数控机床的几何和热误差综合建模方法，在不同的机床温度状态和工况下进行动态实时补偿，大幅提高了机床的精度。并在针对速高精度数控车床主轴的热应力