李軍成， 隗紀(jì)強(qiáng)， 倪文凱， 樸成道

（延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉 133002）

0 引言

加工中心是一種加工復(fù)雜零部件的高效率自動(dòng)化機(jī)床，在高端裝備制造行業(yè)上占有重要的地位，但是，伴隨著機(jī)械設(shè)備的功能水平及自動(dòng)化程度提高。機(jī)床發(fā)生故障的可能性越來越大，可靠性問題已嚴(yán)重制約了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，國外發(fā)達(dá)國家在中高檔機(jī)床可靠性方面明顯高于國產(chǎn)機(jī)床［1-2］。本文以韓國H公司生產(chǎn)的SIRIS-850型加工中心為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了可靠性相關(guān)分析。圖1為SIRIS-850機(jī)床的外觀和結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是配有FANUC-18iMB數(shù)控系統(tǒng)，主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)12 000 r/min，刀庫系統(tǒng)自帶24把刀具。

圖1 SIRIS-850機(jī)床的外觀和結(jié)構(gòu)

1 數(shù)據(jù)的采集和處理

本文針對(duì)韓國H公司生產(chǎn)的SIRIS-850型加工中心，通過現(xiàn)場定時(shí)截尾實(shí)驗(yàn)法，按照故障計(jì)數(shù)的原則，并結(jié)合該型號(hào)加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際使用情況，由專業(yè)人員對(duì)161臺(tái)同型號(hào)加工中心進(jìn)行了故障相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。

2 加工中心的故障部位和模式分析

2.1 危害度分析

危害度分析法［3-5］綜合考慮了周圍環(huán)境、人員安全、整機(jī)的性能對(duì)整機(jī)故障的影響程度，可以更準(zhǔn)確地得到該型號(hào)加工中心的關(guān)鍵部位，為后續(xù)可靠性的相關(guān)研究提供參考依據(jù)。危害度計(jì)算公式［3-5］為

基于危害度計(jì)算公式，得到各子系統(tǒng)的危害度值，如表1所示。從表1中可知，自動(dòng)換刀系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)整機(jī)危害度影響最大，另外，主軸系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)也較大，其他的子系統(tǒng)影響相對(duì)較小。

表1 子系統(tǒng)的危害度值

2.2 子系統(tǒng)故障分析

為了進(jìn)一步摸清加工中心的薄弱環(huán)節(jié)，有必要對(duì)各子系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行分析，得到它們各自的薄弱點(diǎn)。通過以上分析可以看出，自動(dòng)換刀系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的危害性最大，為了提高可靠性改進(jìn)的工作效率，有必要首先對(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)進(jìn)行分析。由于該系統(tǒng)的主要零部件對(duì)其可靠性要求基本一致，采用危害度分析效果不明顯，所以，對(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)頻次分析法［5］。

按照傳統(tǒng)頻次分析方法，得到自動(dòng)換刀系統(tǒng)的故障頻率表，如表2所示。從表2中可得，在自動(dòng)換刀系統(tǒng)的故障模式中，發(fā)生頻率最多是運(yùn)動(dòng)部件卡死。另外，刀庫失調(diào)和機(jī)械手掉刀發(fā)生的頻率也較多。

表2 自動(dòng)換刀系統(tǒng)的故障頻率表

3 基于可靠性統(tǒng)計(jì)理論的加工中心故障數(shù)據(jù)分析

3.1 確定分布類型

在數(shù)控機(jī)床可靠性分析中，威布爾分布、正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、指數(shù)分布是常見的分布類型［6］。本文應(yīng)用Matlab 軟件，主要應(yīng)用 probplot命令［7］，得到如圖 2 所示的4種分布頻率圖。通過比較分析，威布爾分布較符合該故障數(shù)據(jù)的分布類型。

3.2 參數(shù)估計(jì)和擬合校驗(yàn)

應(yīng)用最小二乘法［7］，按照上節(jié)所確定的分布規(guī)律，得到了尺寸參數(shù)k和形狀參數(shù)n的估計(jì)值。得出k=1250.5，n=0.6285。

應(yīng)用D檢驗(yàn)法［7］，對(duì)兩個(gè)參數(shù)值進(jìn)行了校驗(yàn)。臨界值=0.061≥max|F（t）-（=0.042l，則可以判斷i該故障數(shù)據(jù)服從威布爾分布規(guī)律。

圖2 分布頻率圖

通過以上分析得出，該故障數(shù)據(jù)服從的威布爾分布函數(shù)［7-9］為

3.3 平均故障間隔時(shí)間MTTF［7-9］

平均故障間隔時(shí)間是數(shù)控機(jī)床時(shí)間質(zhì)量的體現(xiàn)，是數(shù)控機(jī)床在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，是評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床可靠性的重要指標(biāo)?；诜牡耐紶柗植家?guī)律，得出該型號(hào)加工中心MTTF=k×）=1774.6 h。應(yīng)用國內(nèi)的可靠性評(píng)判等級(jí)［10］對(duì)該型號(hào)加工中心進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以看出該型號(hào)加工中心的可靠性水平相當(dāng)高。

4 結(jié)論

基于危害度法和傳統(tǒng)頻次法分別對(duì)加工中心的故障部位和子系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行了分析，得出在加工中心中自動(dòng)換刀系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)危害度最高，運(yùn)動(dòng)部件卡死是影響自動(dòng)換刀系統(tǒng)可靠性的最主要因素；同時(shí)，對(duì)故障數(shù)據(jù)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，合理地確定了分布模型，并進(jìn)行了參數(shù)估計(jì)和檢驗(yàn)，得出其服從威布爾分布模型的規(guī)律；并通過計(jì)算得到其平均故障間隔時(shí)間為1774.6 h，由此可知，其可靠性水平相當(dāng)高。通過此次對(duì)國外高檔加工中心的可靠性分析，可為研究國產(chǎn)機(jī)床可靠性提供參考依據(jù)。

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