韋 杰，劉顯玉，王文韜，王鳳晨，王 泠

(1.遼寧科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，遼寧本溪 117004;2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024)

0 引言

可靠性評(píng)價(jià)是數(shù)控機(jī)床可靠性研究中重要內(nèi)容，對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)的目的是掌握其可靠性狀況，提出可靠性設(shè)計(jì)工作的目標(biāo)和任務(wù)，為下一步可靠性研究工作指明方向。國(guó)外對(duì)于數(shù)控機(jī)床及其關(guān)鍵功能部件的可靠性評(píng)價(jià)鮮有報(bào)道。我國(guó)的數(shù)控機(jī)床整機(jī)可靠性研究是從上世紀(jì)80年代末開始的。其中上海交通大學(xué)的肖俊等人［1］對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性分析(FMECA和FTA)、失效時(shí)間分布模型、可靠性模糊分配以及可靠性預(yù)計(jì)等技術(shù)進(jìn)行了專門的研究。華中科技大學(xué)的數(shù)控機(jī)床可靠性研究人員和山東大學(xué)的張強(qiáng)等人［2］對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性以及和可靠性評(píng)估技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究。吉林大學(xué)數(shù)控裝備可信性工程研究所的賈亞洲教授和他的可靠性研究團(tuán)隊(duì)［3-4］在國(guó)內(nèi)是最早開展數(shù)控機(jī)床可靠性研究的，主要研究了數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)、可靠性評(píng)價(jià)與可靠性增長(zhǎng)等實(shí)用技術(shù)及其應(yīng)用。吉林大學(xué)的宗立華［5］對(duì)數(shù)控刀架進(jìn)行了可靠性研究，首次提出用轉(zhuǎn)位次數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)數(shù)控刀架的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，該指標(biāo)對(duì)刀庫(kù)類產(chǎn)品的可靠性評(píng)價(jià)研究有一定的指導(dǎo)意義。大連理工大學(xué)盧曉紅等［6-7］研究了數(shù)控機(jī)床功能部件故障模式、影響及危害度分析方法，提出了可靠性評(píng)價(jià)方法。

對(duì)于數(shù)控機(jī)床及其功能部件類產(chǎn)品的可靠性評(píng)價(jià)問題，目前已形成了傳統(tǒng)的四項(xiàng)與時(shí)間相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：平均故障間隔時(shí)間 MTBF(Mean Time Between Failures)、平均修復(fù)時(shí)間MTTR(Mean Time To Restoration)、平均首次故障時(shí)間MTTFF(Mean Time To First Failure)以及固有可用度Ai。

盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置是加工中心的重要組成部分，同時(shí)含有電器、機(jī)械、液壓方面的元件。換刀時(shí)機(jī)械手和刀庫(kù)執(zhí)行的動(dòng)作多、速度快、對(duì)定位準(zhǔn)確性要求高。其儲(chǔ)備能力、換刀性能及可靠性是影響主機(jī)性能水平的重要標(biāo)志，但其可靠性一直沒有合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)。刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置換刀的頻率嚴(yán)重影響其可靠性壽命，同樣的產(chǎn)品，加工過程中換刀頻繁和很少換刀其壽命差異巨大。單純使用平均故障間隔時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failures)作為其可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)法表征刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置產(chǎn)品的性能。鑒于此，采用平均故障換刀次數(shù)以及平均維修時(shí)間指標(biāo)對(duì)大型盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置可靠性加速試驗(yàn)及故障信息統(tǒng)計(jì)

盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置系統(tǒng)包括刀庫(kù)、刀庫(kù)分度裝置、氣動(dòng)裝置、機(jī)械手、機(jī)械手傳動(dòng)裝置、電氣裝置、定位夾緊裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、信息裝置、潤(rùn)滑裝置等組成。本文研究對(duì)象—某型圓盤刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置如圖1所示，具體技術(shù)參數(shù)見表1。其原理是分度馬達(dá)帶動(dòng)圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)(分度凸輪+刀盤+單桿軸承)實(shí)現(xiàn)選刀，汽缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具從水平倒向垂直，換刀馬達(dá)帶動(dòng)復(fù)合凸輪(弧面凸輪+端面凸輪)實(shí)現(xiàn)刀具的交換與插拔，從而達(dá)到換刀目的。

圖1 試驗(yàn)用盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置

表1 試驗(yàn)用盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

所用故障數(shù)據(jù)來(lái)源于3臺(tái)圓盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置可靠性加速試驗(yàn)，參見表2.每臺(tái)圓盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的試驗(yàn)時(shí)間為30天，每天運(yùn)轉(zhuǎn)9小時(shí)，刀盤上24把刀，完成一個(gè)換刀過程平均時(shí)間是6s，每天每臺(tái)盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置換刀5400次，即每分鐘換刀10次。根據(jù)刀庫(kù)的故障種類劃分原則，并且綜合考慮故障的判斷原則和故障的計(jì)數(shù)原則，共統(tǒng)計(jì)獲得11個(gè)故障數(shù)據(jù)。

表2 盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)表

2 平均故障間隔換刀次數(shù)

采用平均故障間隔換刀次數(shù)(以下簡(jiǎn)稱MTCNBF，Mean Tool Change Numbers Between Failures)作為刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)。MTCNBF是指相鄰兩次故障之間的平均換刀次數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：n—樣品數(shù);

Sj—評(píng)定周期內(nèi)第j臺(tái)樣品的累計(jì)換刀次數(shù);

rj—評(píng)定周期內(nèi)第j臺(tái)樣品的累計(jì)故障數(shù);

k—修正系數(shù)，取值參見文獻(xiàn)［6］。

通過對(duì)表2中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，可以得出每臺(tái)盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的累計(jì)換刀次數(shù)：

1號(hào)刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置的累計(jì)換刀次數(shù)：

S1=30×5400－(155+20+30)×10=159950

2號(hào)刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置的累計(jì)換刀次數(shù)：

S2=30×5400－(70+28+20+15)×10=160670

3號(hào)刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置的累計(jì)換刀次數(shù)：

S3=30×5400－(170+15+17+155)×10=158430

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)顯示，有3臺(tái)圓盤式刀庫(kù)，共有11個(gè)故障，樣品數(shù)n=3;修正系數(shù)k=1.0;S1=159950;S2=160670;S3=158430代入到式(1)中得：

可知，該盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的平均故障間隔換刀次數(shù)為43550次。

3 平均修復(fù)時(shí)間MTTR

傳統(tǒng)MTTR(Mean Time To Restoration)，即平均修復(fù)時(shí)間，是指從故障開始到維修結(jié)束之間的平均間隔時(shí)間。計(jì)算公式為：

式中：N0—在評(píng)定周期內(nèi)系統(tǒng)的累計(jì)故障頻數(shù);

n—系統(tǒng)抽樣臺(tái)數(shù);

Ti—在評(píng)定周期內(nèi)第i臺(tái)系統(tǒng)修復(fù)性維修所需的時(shí)間(h);

ri—在評(píng)定周期內(nèi)第i臺(tái)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障頻數(shù)。

依據(jù)表2可以計(jì)算得到每臺(tái)盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的累計(jì)修復(fù)時(shí)間：T1=3.4(h);T2=2.2(h);T3=9.3(h)有3臺(tái)盤式刀庫(kù);共有11個(gè)故障數(shù)據(jù);代入到式(2)中，得到MTTR=1.35(h)

可知，該型鏈?zhǔn)降稁?kù)及自動(dòng)換刀裝置的平均修復(fù)時(shí)間大約為1.35小時(shí)。

4 故障分析及改進(jìn)措施

由上述故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表可知，圓盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀系統(tǒng)的主要故障形式是：機(jī)械手掉刀、刀庫(kù)定位和鎖緊裝置不穩(wěn)、電機(jī)損壞，還有極少數(shù)的故障是由于油路不暢引起的。故障次數(shù)最多的是機(jī)械手故障，占故障總數(shù)的1/2。造成這種故障的具體形式和故障原因分以下幾種情況：刀庫(kù)轉(zhuǎn)不到位，主要由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)故障、傳動(dòng)誤差引起;刀庫(kù)到位不準(zhǔn)，由于機(jī)械傳動(dòng)部件的磨損、檢查機(jī)構(gòu)故障和安裝有誤引起;機(jī)械手在刀庫(kù)上卡死，由于機(jī)械手刀架滑鍵加工偏差引起磨損;刀具夾不緊引起掉刀，原因是卡緊螺母松動(dòng)，機(jī)械手鎖緊不起作用;刀具換刀時(shí)掉刀，是因?yàn)閾Q刀時(shí)主軸箱沒有回到換刀點(diǎn)或換刀點(diǎn)漂移機(jī)械手抓刀時(shí)沒有到位就開始拔刀;機(jī)械手運(yùn)行不暢，是因?yàn)橛挟愇锒氯鸬墓收?。而刀?kù)定位和鎖緊裝置不穩(wěn)是由于機(jī)械傳動(dòng)部件出現(xiàn)故障或換刀時(shí)由于換刀氣壓不足，導(dǎo)致?lián)Q刀過程卡住。電機(jī)停轉(zhuǎn)報(bào)警是因?yàn)榈稁?kù)位置不正導(dǎo)致的電機(jī)負(fù)載過大燒壞電機(jī)引起。

5 結(jié)論

針對(duì)圓盤刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的特點(diǎn)，采用平均故障間隔換刀次數(shù)和平均修復(fù)時(shí)間對(duì)其可靠性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。所研究的盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的平均故障間隔換刀次數(shù)為43550次;平均修復(fù)時(shí)間約為1.35小時(shí)。以盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置產(chǎn)品實(shí)際使用為例，正常工作時(shí)假設(shè)平均每年換刀次數(shù)為1萬(wàn)次左右，如果是跟蹤用戶使用過程中的故障信息進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，需要5臺(tái)刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置連續(xù)工作近一年的時(shí)間才能得到平均故障間隔換刀次數(shù)，而通過可靠性試驗(yàn)，加速暴露了大型盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，試驗(yàn)僅用一個(gè)月就可對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，可靠性加速試驗(yàn)可為產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)設(shè)計(jì)提供及時(shí)的參考。此外，本文還對(duì)盤式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的故障部位、故障模式和故障原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

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［6］Xiaohong Lu，Wenyi Wu，Pengzhuo Han，Jie Wei.Reliability Evaluation of Chain-type Tool Magazine and Automatic Tool Changer.2012 The 3rd International Conference on Frontiers of Manufacturing and Design Science.ICFMD 2012.Applied Mechanics and Materials.Applied Mechanics and Materials Vols.271－272(2013)：461－465.

［7］Xiaohong Lu，Pengzhuo Han，Wenyi Wu，Jie Wei.Reliability evaluation of circular tool magazine and automatic tool changer.Manufacturing 2012/Advanced Materials Research.Advanced Materials Research Vol.630(2013)：245－248.