張根保 李 磊

（重慶大學機械工程學院,重慶 400044）

從數(shù)控機床的全生命周期來看，可靠性技術可以分為可靠性設計，制造過程可靠性保障和使用可靠性保障。而使用可靠性所占周期最長，用戶最為關心的即是數(shù)控機床的使用可靠性［1］，因為使用可靠性代表了機床的可用性，可用性是數(shù)控機床用戶對產(chǎn)品最直接的感受。

使用可靠性保障指的是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)保障產(chǎn)品正常運行或者完成規(guī)定功能的能力［2］。從這一定義看，規(guī)定的條件必須通過正確的使用產(chǎn)品來保障。從產(chǎn)品的全生命周期來看，設計過程決定了產(chǎn)品的理論可靠性，制造過程決定了產(chǎn)品的固有可靠性，而使用過程則決定了產(chǎn)品固有可靠性的發(fā)揮。數(shù)控機床固有可靠性能否得到充分的發(fā)揮，與其使用過程有著密切的關系。如果數(shù)控機床使用得當，其實際可靠性就會無限逼近固有可靠性；如果使用不得當，其實際可靠性就會大大低于其固有可靠性。

如圖1所示：R（t）是產(chǎn)品的固有可靠度，α定義為使用可靠性保障系數(shù)，α∈0,1，α的大小表征了使用可靠性保障的好壞，α越大表明保障得越好，反之則表明保障得越壞。圖中α1·R（t），α2·R（t），α3·R（t）這3條曲線是3種不同保障狀態(tài)下的產(chǎn)品實際可靠度。研究使用可靠性保障技術的意義在于采取適當?shù)谋Ｕ洗胧┨嵘林?，理想狀態(tài)為α=1，此時產(chǎn)品的實際可靠度等于其固有可靠度。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，機床由于運行因素引起的故障會占到總故障的20%左右［3］。雖然對設備進行維護保養(yǎng)和維修要增加企業(yè)成本，但設備尤其是數(shù)控機床這類關重設備發(fā)生故障常常會導致嚴重的后果，會給企業(yè)帶來巨大的損失［4］。因此，兩相比較之下對數(shù)控機床采用使用可靠性保障措施是必不可少的，它可以降低事故的發(fā)生頻率，降低故障造成的損失，但前提是要建立科學的、符合實際的維護保養(yǎng)、維修決策理論和用戶監(jiān)控技術。

圖1 產(chǎn)品可靠度曲線

本文從保障數(shù)控機床使用可靠性的3個關鍵技術（維護保養(yǎng)、維修決策、用戶監(jiān)控）入手，分析其對數(shù)控機床可靠性的影響機理、控制方法及三者之間的相互關系。

1 維護保養(yǎng)技術

維護保養(yǎng)是由操作者或?qū)I(yè)保養(yǎng)人員日常執(zhí)行的檢查、清洗、加油、調(diào)整等工作。廣義的維護保養(yǎng)還包括對設備運行環(huán)境的控制、設備操作條件控制等。日常的維護保養(yǎng)能夠減緩設備功能和精度衰退的速率，保證設備良好的工作性能，減少設備的故障，充分發(fā)揮設備的效率。

設備的維護保養(yǎng)是管、用、養(yǎng)、修等各項工作的基礎，是保持設備完好狀態(tài)的重要手段，是一項積極的預防性工作。設備的保養(yǎng)也是設備運行的客觀要求。設備在使用過程中，由于設備的物質(zhì)運動、化學作用以及人為因素，必然會導致技術狀況不斷變化和難以避免的不正?，F(xiàn)象，比如連接松動、缺乏潤滑導致的干摩擦、防護不佳造成的腐蝕等，這些都是設備發(fā)生故障和精度喪失的隱患，如不及時處理，會造成設備過早的損耗，導致設備發(fā)生故障。因此，設備的壽命和可靠性在很大程度上取決于維護保養(yǎng)工作。

1.1 數(shù)控機床維護保養(yǎng)的意義

數(shù)控機床的日常維護保養(yǎng)是數(shù)控機床穩(wěn)定可靠運行的基本保證。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，同樣的設備，若日常保養(yǎng)良好，那么它工作時發(fā)生故障的幾率將減少37%［5］，良好的維護保養(yǎng)可以減少設備機械零件的損耗，或者提早發(fā)現(xiàn)潛在的故障，提高它的使用壽命，保證設備正常運行；良好的維護保養(yǎng)還可以減少或降低發(fā)生意外事故的幾率，保證企業(yè)資產(chǎn)不受損失及工人的人身安全不受傷害。

1.2 維護保養(yǎng)的主要內(nèi)容和措施

數(shù)控機床的日常維護保養(yǎng)以檢查和清潔為主。例如：檢查數(shù)控機床電氣柜狀況；檢查液壓和氣動系統(tǒng)的各壓力表是否正常，是何種原因?qū)е虏徽?，壓力表自身的問題還是系統(tǒng)的問題；清洗工作臺，清除切屑：每次加工完畢后，應當即時洗清機床并加防護油，防止機床零部件生銹，還應即時清除鐵屑，防止鐵屑進入機床零部件內(nèi)部導致故障。

文獻[1]在對比傳統(tǒng)故障頻次主次圖方法的基礎上，提出了應用故障占比方法建立數(shù)控機床維修保養(yǎng)項的重要度模型。該模型不僅考慮了零部件的故障頻次的高低，還考慮了該零部件在整機中的可靠性影響程度，能客觀地反映出機床零部件維修保養(yǎng)項的重要程度，用戶便可以視現(xiàn)場情況做出判斷是否立即采取維修保養(yǎng)措施，避免由不正常停機而造成經(jīng)濟上的損失。

數(shù)控機床是集機、電、液、控于一體的復雜系統(tǒng)，它是由許多相互關聯(lián)的子系統(tǒng)組成的，而每個子系統(tǒng)又是由大量的零部件組成，這些組成單元都有具體的功能，任何關鍵零部件發(fā)生故障都會造成機床停機。因此，維護保養(yǎng)活動必須具體到機床的子系統(tǒng)。

文獻[7]提出基于故障率特性的數(shù)控機床維護保養(yǎng)策略，在選定機床關鍵子系統(tǒng)的基礎上，對關鍵子系統(tǒng)進行FMEA分析，得到各故障模式的重要度（critial analyse,CA），最后綜合考慮各零部件重要度和維修信息，制定出數(shù)控機床的維護保養(yǎng)計劃。

對于數(shù)控機床的日常維護保養(yǎng)，必須要有強力的手段進行評審和控制，從而確保機床的維護保養(yǎng)正確實施。其中，5S管理體系對機床的維護保養(yǎng)具有很重要的意義。

5S管理是目前現(xiàn)場管理中一種常用的、重要的管理方法，它包括整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)，其核心思想是針對企業(yè)中每位員工的日常行為提出要求，倡導從小事做起，力求使每位員工都養(yǎng)成事事講究的習慣，從而達到提高整體工作質(zhì)量的目的。5S管理的內(nèi)涵如表1所示。

表1 5S管理內(nèi)涵

5S管理是企業(yè)現(xiàn)場管理的基礎，其中的清掃和清潔對數(shù)控機床的維護保養(yǎng)起到至關重要的作用。

另外，檢核表是最常用、最簡單、最有效的評審控制方法，它可以體現(xiàn)精細化、系統(tǒng)化、標準化等眾多設備管理思想，對于信息化工作比較到位的公司，可以編制一套日常維護信息化管理系統(tǒng)。另外，維修保養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)也是維護保養(yǎng)的強有力手段，維修保養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是將數(shù)控機床維護項集成在維修保養(yǎng)界面上，構(gòu)建維修保養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，對維修保養(yǎng)項進行全程實時監(jiān)控，將檢測到需要維修保養(yǎng)的項顯示在維修保養(yǎng)界面上。作者所在的團隊在國內(nèi)率先開發(fā)了一套日常維護管理軟件，在機床開機時必須完成一系列日常維護管理活動的輸入，機床才能正常運行，這樣就可以對數(shù)控機床進行強制維護。下面列出部分數(shù)控機床日常維護清單，完整內(nèi)容見文獻[6]。

2 維修決策技術

機械設備和系統(tǒng)的維修方式主要有事后維修和預防性維修兩大類［7］。機械設備故障具有隨機性，事后維修由于事先缺乏周密的準備，維修時間長，往往會帶來較大的停機損失；預防維修是在機械設備零部件發(fā)生故障前進行定期檢查、維修和更換，有防患于未然的思想。下面首先簡單介紹維修發(fā)展過程和我國企業(yè)設備維修現(xiàn)狀及存在的問題，然后對兩類維修方式的特點和適用場合進行介紹。

表2 數(shù)控機床日常維護保養(yǎng)清單（部分）

2.1 維修發(fā)展過程

設備維修的發(fā)展過程大致可以分為4個階段：事后維修階段處于20世紀40年代之前；預防維修階段大約在20世紀40年代到60年代；在20世紀60年代到70年代之間，出現(xiàn)了生產(chǎn)維修，它的本質(zhì)仍是以預防性維修為主，但還需兼顧生產(chǎn)和設備設計制造，以美國為代表的西方國家大多采用此種維修制度；20世紀70年代以來，隨著工業(yè)化水平的不斷提高，企業(yè)不再只考慮設備的某些單一方面內(nèi)容，設備綜合效能的提升成為研究的熱點，有關設備綜合管理的理論應運而生，比較有影響力的是：美國的后勤學（logistics）［8］、英國的設備綜合工程學（terotechnology）［9］、日本的全員生產(chǎn)維修（total productive maintenance，TPM）和以可靠性為中心的維修（reliability centered maintenance，RCM）［10］。這些維修管理理論極大地提高了設備管理水平，為設備維修管理的廣泛運用奠定了堅實的基礎。

全員生產(chǎn)維修是日本在學習美國預防維修和英國設備綜合工程學的基礎上發(fā)展起來的設備維修管理方法，全員生產(chǎn)維修的核心思想是“全面”，全面的含義有3層，即全效益、全系統(tǒng)和全員參加。全效益的目標是追求設備生命周期費用最小，即設備的經(jīng)濟效益最高；全系統(tǒng)是對設備的全壽命周期，涵蓋設計、制造、裝配、使用維修、報廢和更新改造的全過程進行管理；全員參加是指與設備整個壽命周期相關的部門和人員都需要參加到設備管理中來。因此，全員生產(chǎn)維修的指導思想是全員參加的，以提高設備壽命周期綜合效率為目的的維修制度，它適用于企業(yè)的設備管理和使用部門，側(cè)重于企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的設備管理，是一種旨在發(fā)動企業(yè)與設備壽命周期相關的全部人員參與的先進維修管理制度。

隨著機電一體化系統(tǒng)的日益復雜，很多學者不斷完善和發(fā)展了機床維修決策技術，作者所在的可靠性研究團隊［11］將以可靠性為中心的維修決策（RCM）理論應用到數(shù)控機床維修決策中，將數(shù)控機床維修決策過程分為收集信息、確定重要功能單元、FMEA分析、維修方式?jīng)Q策、綜合形成大綱等幾個步驟，針對每個步驟中的關鍵難點問題，分別建立數(shù)學模型，為維修決策定量化研究提供工具。另外，作者所在的可靠性研究團隊［7］在研究數(shù)控機床故障機理和故障規(guī)律的基礎上，通過收集大量故障數(shù)據(jù)，建立基于實際故障率曲線的預防維修決策模型，結(jié)合故障率曲線的特性對數(shù)控機床不同使用階段采用不同的預防維修方式。把預防維修決策理論與日本的全員生產(chǎn)維修思想相結(jié)合，建立數(shù)控機床維修的精細化管理體系，探討基于故障率特性的數(shù)控機床預防維修決策理論的實際應用。對數(shù)控機床生命周期的不同階段采用不同的預防維修方式，為數(shù)控機床的維修決策管理提供了一種新思路，在維修過程中如何全面考慮維修方式和合理確定維修時間等，也提出了新的建模思路。

2.2 我國企業(yè)設備維修現(xiàn)狀及存在的問題

我國的可靠性工程起步于上世紀60年代，當進入80年代后，得到了迅速發(fā)展，特別是武器裝備、核工業(yè)領域、航空航天、電子等領域同樣得到了普及，并已取得了成效，可靠性及維修性工作成效顯著。其中，在設備維修管理上我國從20世紀50年代起就開始學習前蘇聯(lián)的計劃預修制度，并吸取美國預防維修制度的長處，初步建立起設備綜合管理的概念，注重設備全過程管理和經(jīng)濟效益；改變原來只恢復設備功能的維修理念，采用修理與改造相結(jié)合的方式，提高設備的性能；初步建立起設備預防維修制度，以設備技術狀態(tài)為基礎，與計劃修理相結(jié)合，開始應用設備狀態(tài)檢測和故障診斷的科學手段，采用比較靈活的維修方式。

盡管我國的設備維修管理工作取得了喜人的成就，但與國外先進工業(yè)企業(yè)相比仍存在很大的差距。我國的企業(yè)大多采用集中的維修體制，維修理論是基于傳統(tǒng)浴盆曲線的計劃預修制，它不注重設備的基礎保養(yǎng)工作，對維修的經(jīng)濟性、維修質(zhì)量和維修勞動生產(chǎn)率均考慮不夠。我國工業(yè)企業(yè)設備維修存在如下幾方面問題：

（1）企業(yè)缺少完整的設備維修計劃、維修資源。缺乏對設備維修系統(tǒng)的管理和研究，沒有制定科學、合理的維修計劃，沒有準備充足的維修備件，缺少企業(yè)管理層的支持和預算控制。

（2）維修不足和維修過剩現(xiàn)象非常突出。由于缺乏系統(tǒng)的維修管理理論，在制定維修計劃時主要憑經(jīng)驗，存在很大的主觀偏差；各部門之間協(xié)調(diào)配合存在沖突，經(jīng)常造成設備停機后維修不及時或維修過剩，帶來巨大的維修費用和人力損失。

（3）維修手段落后。對設備運行狀態(tài)缺乏必要的監(jiān)控和檢測手段，在設備故障發(fā)生之后基本采用手動維修，自動化程度低。維護系統(tǒng)的智能性和開放性不足，系統(tǒng)升級困難，造成極大的資源浪費。

（4）維修決策理論落后。近年來，許多國內(nèi)學者研究和拓展了維修決策理論，取得了很大的成就，但我國的企業(yè)大多仍沿用前蘇聯(lián)的計劃預修制，采用基于浴盆曲線的定期預防維修方法，這種維修體制已經(jīng)不適應現(xiàn)代數(shù)控機床技術的飛速發(fā)展。

2.3 維修方式及類型

2.3.1 維修方式

（1）事后維修

事后維修是在設備發(fā)生故障后才進行維修，使出現(xiàn)故障的設備恢復正常功能的一種維修方式，有時也稱為故障維修。由于它的維修時機無法控制，會造成無法預計的故障停機，對于關重設備會帶來巨大損失，一般不宜采用這種維修方式。但對于一些即使發(fā)生故障也不會造成重大損失的設備，如密封件一類的機械零部件和某些偶然故障，就沒有必要進行預防維修，可以在故障發(fā)生后再進行維修或更換，這避免了設備零部件不必要的拆卸、檢查和維修，反而提高了設備的有效使用度和使用經(jīng)濟性。

（2）預防維修

預防維修的思想是將產(chǎn)品的故障消除于其發(fā)生之前，在故障潛伏期或正常運行期進行預防維修，提前更換即將損壞的零部件可以預防故障發(fā)生，可以有效減少機床產(chǎn)品的故障停機時間，提高機床的使用效率，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。做好預防維修管理，減少其故障發(fā)生概率，充分發(fā)揮固有可靠性是關鍵。預防維修具體的方式有3種：定期預防維修、視情維修和監(jiān)控維修。

定期預防維修是每隔一段時間對設備進行一次計劃性的維修，在規(guī)定時間前發(fā)生的故障采用事后維修方式。定期預防維修立足于概率統(tǒng)計，根據(jù)經(jīng)驗和設備的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計來確定維修方案，維修時機掌握明確，便于維修工作的組織和計劃，可以預防那些不拆開就難以發(fā)現(xiàn)和預防的故障。但定期預防維修必須在設備零部件將要進入耗損失效期前進行維修或更換，維修故障的對象針對性較差，導致維修工作量大，會造成較大浪費。

視情維修立足于失效物理分析，通過定期或不定期檢測得到設備的狀態(tài)，以此來確定設備維修時機。視情維修也叫狀態(tài)維修，是以狀態(tài)為依據(jù)的維修，在數(shù)控機床運行時，對其重要部位進行定期或連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，判定數(shù)控機床所處的狀態(tài)，預測數(shù)控機床狀態(tài)的發(fā)展趨勢而制定預測性維修計劃。狀態(tài)維修的理論依據(jù)是：數(shù)控機床都有自己的狀態(tài)，即將出現(xiàn)問題的數(shù)控機床會出現(xiàn)一些可觀察、可感覺或可測量到的征兆，例如噪聲、振動、發(fā)熱、裂紋或耗電量的改變等，并且這些信息是與故障發(fā)生有直接關系的。因此，可以通過監(jiān)測這些信號來預測數(shù)控機床的健康狀態(tài)。國內(nèi)許多學者對數(shù)控機床的狀態(tài)維修做了大量研究：史晉芳[12]提出將人工智能技術應用于數(shù)控系統(tǒng)的策略和模型，采用專家系統(tǒng)的框架構(gòu)造出數(shù)控機床故障診斷的專家系統(tǒng)模型，提出利用知識庫中的管理子系統(tǒng)管理各子知識庫，從而提高了故障診斷效率。盧艷軍[13]分析了數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容，論述了設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術，針對數(shù)控機床的加工過程，給出了數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程和系統(tǒng)實現(xiàn)的具體結(jié)構(gòu)。吳光琳[14]等人利用神經(jīng)網(wǎng)絡建立刀具的負載模型，根據(jù)該模型和斷裂力學的相關理論，檢測刀具所受的負載是否超過應力疲勞條件下的裂紋擴展負載，并做出相應的處理，使刀具不會出現(xiàn)脆性斷裂，以保證加工的質(zhì)量和機床的安全。

監(jiān)控維修是指通過監(jiān)控系統(tǒng)對設備工作狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)控，到發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)某種故障征兆時進行維修。監(jiān)控維修是一種綜合利用設備的使用維修數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)連續(xù)在線監(jiān)控相結(jié)合的維修方式，它屬于視情維修的一種。另一方面也可以把監(jiān)控維修看成是把設備運行狀態(tài)的視情檢測提高到連續(xù)監(jiān)控階段，即監(jiān)控維修是視情維修發(fā)展的更高階段，它能使設備零部件壽命得到充分利用，并減少了工作量，缺點是監(jiān)控系統(tǒng)所需費用高、投資較大，僅適用于重要設備。數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控項如表3所示。

表3 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控項

2.3.2 維修類型

設備的維修類型根據(jù)維修的內(nèi)容、要求以及工作量大小，可分為大修、中修和小修，現(xiàn)分別對其特點和適用范圍簡要介紹。

（1）小修

小修的工作內(nèi)容主要是針對日常點檢和定期檢查中發(fā)現(xiàn)的問題，拆卸有關零部件，進行檢查、調(diào)整、修復或更換失效零件，旨在恢復設備的正常功能。對于實行定期維修的設備，小修主要是根據(jù)設備的磨損規(guī)律，更換或修復在修理間隔期內(nèi)失效或即將失效的零件，并進行調(diào)整，來保證設備的正常功能。

（2）中修

中修的工作內(nèi)容主要是修復和更換設備的重要零部件以及數(shù)量較多的其他磨損件，它的工作量比小修大。對于中修的時間周期，需要根據(jù)機床的歷史故障數(shù)據(jù)及對機床的監(jiān)測數(shù)據(jù)去制定。

（3）大修

大修是對功能和性能均已嚴重喪失的機床進行比較大規(guī)模的維修或是對比較落后的機床進行數(shù)控化改造。機床使用一定年限后（一般在8～10年），由于經(jīng)過長期運轉(zhuǎn)或負荷工作，即使對機床進行嚴格地維護保養(yǎng)，機床的某些零部件也會達到使用壽命，磨損和老化現(xiàn)象嚴重，機床整機性能下降，精度嚴重喪失，因此需要對機床進行大修，以使機床恢復正常加工的能力。

機床大修的形式從內(nèi)容上講可以是機械、電氣或液壓等方面的維修或更換；可以是數(shù)控系統(tǒng)甚至包括主軸、坐標驅(qū)動系統(tǒng)的升級換代；可以是普通機床的數(shù)控化；可以是普通繼電器邏輯的 PLC 化改造；可以是機床改變性能，倒如刨改銑，也可以是多種改造內(nèi)容的組合。從組織上講可以一家公司承包，可以幾家公司聯(lián)合承包，也可以改造者與用戶合作承包。從時間上講可以一次完成，也可以簽訂分階段執(zhí)行合同。從地點上講可以在用戶現(xiàn)場執(zhí)行，可以在改造者場地執(zhí)行，也可以在合適的第三方場地執(zhí)行。

機床大修相比于購買新的機床，有一些明顯的優(yōu)勢：交貨期短，尤其是大型機床和特殊專用機床優(yōu)勢更明顯；性能更穩(wěn)定，設計風險小，鑄件經(jīng)長期時效幾乎不會產(chǎn)生應力變形，各功能部件經(jīng)長期磨合，功能穩(wěn)定性好；更充分地表現(xiàn)用戶的意愿，從更換數(shù)控系統(tǒng)到機床部件都有較大的選擇權，而且可以直接介入改造方案甚至改造設計及調(diào)試，節(jié)省大量投資。

另外，通過對機床用戶調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某些用戶對舊機床大修或?qū)εf機床數(shù)控化改造后，機床恢復了加工精度，增加了加工效率，為企業(yè)帶來了具體的效益。

2.4 維修方式及類型的決策

設備的維修決策主要包括維修方式和維修類型的決策。維修方式?jīng)Q策是根據(jù)設備的可靠性、維修性、可監(jiān)測性和經(jīng)濟性，合理確定出設備的維修方式，而設備的維修方式有事后維修、定期維修、狀態(tài)維修、監(jiān)控維修等。維修類型決策是根據(jù)設備定期檢查或狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果確定設備的技術狀態(tài)，以設備技術狀態(tài)為基礎選擇設備的維修類型，包括大修、中修和小修，以此來科學地指導設備維修工作。

2.4.1 維修方式的決策

設備維修方式?jīng)Q策的目標是在保證生產(chǎn)的前提下，合理利用維修資源，達到壽命周期費用最小，即用最少的錢取得最好的維修效果。但如果從修理費用、停機損失、維修組織和維修效果去衡量，每種維修方式都有各自的優(yōu)缺點和適用范圍。常用的選擇標準有按故障模式特征選擇和按設備分類選擇。但不論以何種標準，維修方式選擇主要考慮的因素是設備在生產(chǎn)中的地位、設備維修性、故障特性、備件供應、設備價值和故障檢測的難易程度，企業(yè)可以根據(jù)自身的設備特點、生產(chǎn)要求、資金和資源情況擇優(yōu)選擇，在一個企業(yè)里，通常是多種維修方式并存，甚至一臺設備的不同零件也可以選擇不同的維修方式。

（1）按設備故障特征選擇維修方式

根據(jù)設備在生產(chǎn)中的地位和故障危害程度，確定是否允許事后維修，若設備故障影響小，不會危及生產(chǎn)及安全，且預防維修經(jīng)濟性差，則采用事后維修的方式，反之則采用預防維修。對于預防維修方式，當故障發(fā)生周期性較強，檢測又比較困難，則采用定期計劃預防維修方式，反之則實行狀態(tài)維修。

（2）按設備分類選擇維修方式

對設備的重要性進行分類，關鍵設備由于其運行狀態(tài)直接影響企業(yè)生產(chǎn)，因此，在技術和經(jīng)濟可行的條件下，優(yōu)先選用狀態(tài)維修方式，次之選擇定期維修方式。對于主要設備，一般采用定期維修方式。對于次要設備，由于其失效對整個生產(chǎn)過程影響較小，一般采用事后維修的方式較為經(jīng)濟合理。上述討論的是一般過程，其實設備的分類不是一成不變的，應根據(jù)企業(yè)檢測和維修能力、管理水平和生產(chǎn)情況等因素，實時調(diào)整維修方式，并盡量以狀態(tài)維修為主。

2.4.2 維修類型的決策

設備維修類型主要有大修、小修和中修，大修常用于定期的檢修或重大故障，小修常用于預防維修中日常點檢、定期檢查或修理間隔期發(fā)現(xiàn)的問題，中修工作量介于大修和小修之間，常用于局部修理和主要零部件的修理和更換。在傳統(tǒng)計劃預修制中，一般按照統(tǒng)一的修理周期及修理間隔期安排計劃修理，從而導致設備的某些部件技術狀態(tài)尚好卻安排了中修或大修，造成維修過剩；也可能在設備技術狀態(tài)劣化已難以滿足生產(chǎn)工藝要求，但未到修理期而沒有安排計劃維修，造成維修不足。

維修策略的選擇應視具體維修對象，具體分析，權衡利弊，統(tǒng)籌決策。近年來,隨著維修理論和相關技術的發(fā)展，維修的觀念正在發(fā)生深刻的變化。傳統(tǒng)的修復性維修（故障后修理）與定期的預防維修方式，正在向結(jié)合預測性維修的預先維修方式逐漸轉(zhuǎn)變?？舍槍﹃P鍵部件的現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)，結(jié)合故障預測技術，探討有效的預防維修策略并加以實施。

維修策略的選擇與維修成本有很大的關系，制定設備維修策略的基本原則是：在滿足運行可用度的前提下，使維修成本最低，以實現(xiàn)設備維修的優(yōu)化。維修費用包括預防性維修費用和事后維修費用。一般按預計的維修費用最低確定維修周期。文獻[14-16]給出了基于總費用最小的維修周期模型、以可靠性為中心的維修成本優(yōu)化模型、可用度和維修成本取得最優(yōu)的模型。

隨著機電一體化系統(tǒng)的日益復雜，很多學者不斷完善和發(fā)展了機床維修決策技術，作者所在的可靠性研究團隊［17］將以可靠性為中心的維修決策（RCM）理論應用到數(shù)控機床維修決策中，將數(shù)控機床維修決策過程分為收集信息、確定重要功能單元、FMEA分析、維修方式?jīng)Q策、綜合形成大綱等幾個步驟，針對每個步驟中的關鍵難點問題，分別建立數(shù)學模型，為維修決策定量化研究提供工具。

另外，作者所在的可靠性團隊［7］在研究數(shù)控機床故障機理和故障規(guī)律的基礎上，通過收集大量故障數(shù)據(jù)，建立基于實際故障率曲線的預防維修決策研究模型，結(jié)合故障率曲線的特性對數(shù)控機床不同使用階段采用不同的預防維修方式。把預防維修決策理論與日本的全員生產(chǎn)維修思想相結(jié)合，建立數(shù)控機床維修的精細化管理體系，探討基于故障率特性的數(shù)控機床預防維修決策理論的實際應用。對數(shù)控機床生命周期的不同階段采用不同的預防維修方式，為數(shù)控機床的維修決策管理提供了一種新思路，在維修過程中如何全面考慮維修方式和合理確定維修時間等，也提出了新的建模思路。

3 用戶監(jiān)控技術

數(shù)控機床的用戶監(jiān)控技術包括運行環(huán)境監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)控。用戶監(jiān)控技術主要體現(xiàn)在用戶監(jiān)控系統(tǒng)上，用戶監(jiān)控系統(tǒng)是綜合運用檢測、電子、計算機等各學科的復雜系統(tǒng)開發(fā)的實現(xiàn)過程。

下面對用戶監(jiān)控系統(tǒng)的原理和設計進行闡述。

3.1 用戶監(jiān)控系統(tǒng)的原理

數(shù)控機床的運行環(huán)境是指數(shù)控機床工作時的溫度、濕度、振動、噪聲、電源電壓、接地等諸多方面。運行環(huán)境對數(shù)控機床的使用可靠性很重要，安裝位置要避免太潮濕、粉塵過多或有腐蝕氣體的場所，一般要求要避免陽光的直接照射和其他熱輻射。精密數(shù)控機床要遠離振動大的設備，如沖床、鍛壓設備等。數(shù)控機床一般采用專線供電（如從低壓配電室分一路單獨供數(shù)控機床使用）或增設穩(wěn)壓裝置等，以減少供電質(zhì)量的影響。

下面以環(huán)境溫度為例分析其對數(shù)控機床使用可靠性的影響。隨著機床向高速度、高精度和柔性自動化方向的迅速發(fā)展，對機床的加工精度和可靠性提出了更高的要求，改善機床的熱態(tài)特性，已經(jīng)成為機械制造技術發(fā)展中最重要、最迫切的研究課題之一。其中，外熱源對機床的影響，即機床受到日光的照射或周圍環(huán)境溫度的影響，通常是單面的或局部的，因而在機床內(nèi)部之間出現(xiàn)溫度的差異，致使機床產(chǎn)生變形，影響機床加工精度。表4列出了環(huán)境溫度對數(shù)控機床各功能部件的影響方式。

狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)通過對數(shù)控機床加工過程中設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，包括對機械狀態(tài)量的監(jiān)測，狀態(tài)特征參數(shù)變化的辨識，機械產(chǎn)生振動和損傷時的原因分析、振源判斷、故障預防等等。其實質(zhì)是了解和掌握機床在運行過程中的狀態(tài)，優(yōu)化設備運行和加工過程，在出現(xiàn)異常時，可提供分析的數(shù)據(jù)。運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)同時啟動，并后臺運行，實時在線對數(shù)控機床的運行參數(shù)進行監(jiān)控，防止用戶對機床的超限使用，并依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所得的參數(shù)進行視情維修決策。此外，運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)還可以輔助用戶進行機床故障診斷，并指導用戶進行維修。常見的數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控項如表3所示。

表4 環(huán)境溫度對數(shù)控機床的影響

設備故障診斷是運行狀態(tài)監(jiān)控的一種，用來確定其整體或局部正?；虍惓?，及時發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預報故障發(fā)展趨勢的技術。常用的故障診斷技術包括基于故障機理的診斷方法、基于故障樹分析（FTA）診斷法、基于信號分析和處理的診斷方法、基于模式識別的診斷方法和模糊故障診斷法。

3.2 用戶監(jiān)控系統(tǒng)的設計

用戶監(jiān)控系統(tǒng)設計時以用戶監(jiān)控系統(tǒng)原理為基礎，明確各監(jiān)控指標，然后綜合運用檢測、電子、計算機等各學科的復雜系統(tǒng)開發(fā)的實現(xiàn)過程。其開發(fā)思想如圖3所示。

設計監(jiān)控系統(tǒng)分為7大功能模塊，分別為：采集模塊、運算處理模塊、中文顯示模塊、存儲模塊、報警模塊、幫助模塊和接口模塊。各模塊包括內(nèi)容如圖4所示。

作者所在的可靠性團隊設計研發(fā)出同時用于維修保養(yǎng)和狀態(tài)監(jiān)控的系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖5～7所示。

4 結(jié)語

本文介紹了維護保養(yǎng)、維修決策和用戶監(jiān)控這3種使用可靠性保障技術，合理利用這些技術可以有效提高數(shù)控機床的使用可靠性。這3種可靠性保障技術不是單一實施的，是相輔相成的。其中維護保養(yǎng)是維修決策和用戶監(jiān)控的基礎，用戶監(jiān)控為維護保養(yǎng)和維修決策提供依據(jù)。

另外，這3種使用可靠性保障技術具有通用性，不僅可以用于機床行業(yè)，還可以應用于汽車、工程機械等其他行業(yè)，具有廣泛的應用價值和工程實踐意義。

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