牟 冰 楊慶東 李光龍

(北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100192

葉片加工中心是用于加工航空、航天、核工業(yè)等發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及其他小批量、高精度、具有復(fù)雜曲面的機(jī)床［1］。刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)縮短了加工中心的非加工時(shí)間、提高了生產(chǎn)率及工件的加工精度、節(jié)省了空間［2］。

因刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工復(fù)雜零件時(shí)，換刀頻繁且速度快、對(duì)定位精度要求高，所以其故障率較高，這就使盤(pán)式刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)成為加工中心整機(jī)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)［3］，嚴(yán)重危害到了葉片加工中心的先進(jìn)性能。因此非常有必要對(duì)其進(jìn)行故障及可靠性增長(zhǎng)的分析，提高其固有可靠性。

本文以國(guó)產(chǎn)某型葉片加工中心的刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其常見(jiàn)故障模式進(jìn)行分析，采取針對(duì)性措施實(shí)現(xiàn)其可靠性增長(zhǎng)。

1 刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的故障分析

1.1 故障統(tǒng)計(jì)

從2012年11月1日到2013年4月1日，跟蹤調(diào)查了13臺(tái)同型葉片加工中心刀庫(kù)系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)，經(jīng)整理得到有效故障28個(gè)。

1.2 故障部位分析

圖1中葉片加工中心的刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)為高可靠性的凸輪機(jī)械手自動(dòng)換刀裝置，合理的刀庫(kù)布局和緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縮短了加工中心的換刀時(shí)間，節(jié)省了空間。

2 刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)流程

可靠性增長(zhǎng)對(duì)于降低加工中心的研制費(fèi)用、加快加工中心研制周期、提高加工中心的可靠性具有重要的意義。葉片加工中心刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)是通過(guò)消除其可靠性缺陷和薄弱環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的［4］。

要充分運(yùn)用葉片加工中心刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的歷史故障數(shù)據(jù)，通過(guò)FMECA(failure mode effects and criticality analysis，故障模式影響及危害性分析)，確定刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的薄弱部位［5］，采取針對(duì)性的可靠性優(yōu)化改進(jìn)措施，來(lái)提高葉片加工中心整機(jī)的可靠性水平。葉片加工中心可靠性增長(zhǎng)的一般步驟如圖2所示。

3 刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的故障模式及危害度分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的故障數(shù)據(jù)和相關(guān)計(jì)算公式［6］，計(jì)算該葉片加工中心刀庫(kù)、機(jī)械手這兩個(gè)高頻故障部位的危害度CRi并總結(jié)其故障模式如表1所示。

危害度CRi的計(jì)算公式:

式(2)中nj為故障模式j(luò)發(fā)生的次數(shù);ni為加工中心的部位i發(fā)生故障的總次數(shù)。

式中Ni為機(jī)床部位i在本次調(diào)查統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的總次數(shù);∑t為部位i在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)的累計(jì)工作時(shí)間，因調(diào)查時(shí)間內(nèi)加工中心每天工作8 h，每月工作約20天，所以∑t=17×20×8=2 720 h;

αij表示機(jī)床部位i發(fā)生故障模式j(luò)的概率;λi表示部位i的故障率;βij表示因故障模式j(luò)造成部位i失效的概率。對(duì)βij規(guī)定:若βij=1表示該部位i一定會(huì)失效，若βij=0.5表示該部位有可能失效，若βij=0.1表示該部位失效的可能性很小，若βij=0表示該部位一定不會(huì)失效。

表1 刀庫(kù)系統(tǒng)的故障模式及危害度表

根據(jù)表1及公式(1)計(jì)算得出刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)各故障模式的危害度直方圖如圖3所示。

通過(guò)圖3可知刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)危害度最大的幾個(gè)故障模式是B01、B06、A03和A06，在后面的可靠性增長(zhǎng)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)這幾種故障模式開(kāi)展。

4 刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的故障原因分析

通過(guò)前面對(duì)刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的FMECA，得到了刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)可靠性的薄弱部位，對(duì)系統(tǒng)故障模式發(fā)生原因的分析如表2所示。

表2 刀庫(kù)系統(tǒng)故障模式及原因分析

5 刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)措施

根據(jù)刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的FMECA結(jié)果，得到了該系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，下面就以其薄弱環(huán)節(jié)為突破口，從刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的外購(gòu)件、制造、裝配和管理等方面提出全方位的可靠性增長(zhǎng)措施［9］。

5.1 針對(duì)刀庫(kù)可靠性增長(zhǎng)的措施

(1)對(duì)刀庫(kù)選刀不準(zhǔn):通過(guò)物理隔離來(lái)防止數(shù)控系統(tǒng)受到干擾;建立刀具裝配崗位責(zé)任制，防止裝刀錯(cuò)誤。

(2)對(duì)刀庫(kù)不轉(zhuǎn):要及時(shí)更換已經(jīng)損壞的傳動(dòng)部件，對(duì)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)部件定期進(jìn)行檢修，預(yù)防故障發(fā)生;嚴(yán)格控制外購(gòu)行程開(kāi)關(guān)的質(zhì)量。

(3)對(duì)刀庫(kù)定位銷損壞:要及時(shí)更換已經(jīng)磨損的定位銷;企業(yè)要選用高質(zhì)量的外購(gòu)件，并嚴(yán)格按照裝配規(guī)范進(jìn)行裝配。

(4)對(duì)刀套不能夾緊刀具:要定期檢查刀套上的刀具定位片和彈簧，予以緊固并適時(shí)更換已磨損的刀具定位塊或刀套。

(5)對(duì)刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)或異常響動(dòng):定期檢查軸承、齒輪潤(rùn)滑狀況，避免因潤(rùn)滑不良而導(dǎo)致的磨損;及時(shí)更換已磨損的齒輪和變形的拉桿。

(6)對(duì)刀庫(kù)到位不準(zhǔn):對(duì)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)部件定期檢修，消除故障隱患;及時(shí)更換損壞的位置開(kāi)關(guān);嚴(yán)格按照裝配要求和工序來(lái)安裝定位液壓缸，定期檢查防止其泄漏。

(7)對(duì)刀盤(pán)鎖不死、刀庫(kù)鎖緊裝置不穩(wěn):對(duì)傳動(dòng)部件和氣壓裝置經(jīng)常進(jìn)行檢修，及時(shí)更換已經(jīng)磨損的傳動(dòng)部件;采取崗位責(zé)任制嚴(yán)格控制傳動(dòng)部件的安裝精度和外購(gòu)件的質(zhì)量。

5.2 針對(duì)機(jī)械手可靠性增長(zhǎng)的措施

(1)對(duì)機(jī)械手持刀不穩(wěn)或掉刀:要定期檢查、緊固定位鍵，消除早期故障;及時(shí)更換磨損、斷裂的刀爪和損壞的夾持彈簧;嚴(yán)格按照裝配規(guī)范裝配緊固件確保其裝配精度。

(2)對(duì)機(jī)械手無(wú)動(dòng)作或動(dòng)作不到位:定期檢修氣缸、壓縮彈簧和銷軸等，及時(shí)更換已失效的零件。

(3)對(duì)機(jī)械手動(dòng)作不穩(wěn):定期檢修導(dǎo)向桿、復(fù)合襯套潤(rùn)滑狀況，避免因潤(rùn)滑不良而導(dǎo)致磨損;及時(shí)更換已經(jīng)磨損的導(dǎo)向桿和復(fù)合襯套。

(4)對(duì)機(jī)械手不按規(guī)定路徑換刀:加強(qiáng)對(duì)編程人員和操作人員技能和素質(zhì)培養(yǎng);通過(guò)物理隔離來(lái)防止數(shù)控系統(tǒng)受到干擾。

(5)對(duì)機(jī)械手換刀時(shí)間不穩(wěn):應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)口和氣壓大小;定期檢查保養(yǎng)液壓缸密封件，預(yù)防其故障發(fā)生。

(6)對(duì)機(jī)械手換刀時(shí)松刀或拔刀故障:及時(shí)更換已損壞的感應(yīng)開(kāi)關(guān)、電磁閥;給液壓缸換密封件或者給氣液增壓缸排氣、加油;定期檢查松卡機(jī)構(gòu)，更換已失效的拉桿或碟簧。

(7)對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)不暢:定期檢查機(jī)械手各部件潤(rùn)滑狀況，避免運(yùn)動(dòng)副及凸輪箱內(nèi)部元件因潤(rùn)滑不良而導(dǎo)致磨損;及時(shí)更換已嚴(yán)重磨損的凸輪箱;確保機(jī)械手臂、主軸、刀套位置相對(duì)固定和液壓缸的密封性。

5.3 針對(duì)可靠性管理方面的措施

制定刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)可靠性管理的規(guī)章制度;建立刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的故障報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)，對(duì)收集的故障信息及故障的糾正措施及時(shí)記錄;采用多部門(mén)協(xié)調(diào)的并行管理方式，針對(duì)每個(gè)可靠性增長(zhǎng)環(huán)節(jié)管理，協(xié)調(diào)規(guī)劃內(nèi)部分工，使刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的可靠性達(dá)到可靠性指標(biāo)要求。

5.4 刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)的日常維護(hù)

(1)在葉片加工中心剛開(kāi)機(jī)時(shí)，要先讓刀庫(kù)及機(jī)械手系統(tǒng)空運(yùn)行一段時(shí)間，經(jīng)檢查行程開(kāi)關(guān)、電磁閥、液壓系統(tǒng)的壓力、鎖緊裝置等都全部正常之后再將其投入加工。

(2)建立裝刀崗位責(zé)任制，確保刀具的裝配精度及牢固性。

(3)定期檢查刀庫(kù)的回零、主軸的回?fù)Q刀點(diǎn)是否準(zhǔn)確到位，倘若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題一定要及時(shí)進(jìn)行修正。

［1］夏仰球.盤(pán)式刀庫(kù)及機(jī)械手可靠性設(shè)計(jì)與分析［D］.南京:南京理工大學(xué)，2013.

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