陳南，劉晨曦

(東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架可靠性研究綜述

陳南，劉晨曦

(東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

摘要：數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架作為數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵的切削加載功能部件，其可靠性水平是確定數(shù)控機(jī)床可靠性的關(guān)鍵之一。闡述了當(dāng)前數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的技術(shù)水平和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)狀。從可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、系統(tǒng)可靠性、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)、可靠性增長(zhǎng)五個(gè)方面說(shuō)明了當(dāng)前數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架可靠性研究現(xiàn)狀。在肯定產(chǎn)品可靠性水平取得明顯進(jìn)展的基礎(chǔ)上，分析指出現(xiàn)階段研究工作中仍然存在的主要問(wèn)題，并提出可供實(shí)施的解決思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架；可靠性；研究進(jìn)展

Review on Reliability Research of CNC turret

CHEN Nan, LIU Chenxi

(School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

Abstract:CNC turret is used for holding tools and directly machining workpieces. As a kind of key functional components, its reliability closely influences the reliability of CNC machine tools. A comprehensive review on the technical level and the domestic market of CNC turret is given in this paper. Also, discussions on the status of the reliability research is presented, including the failure statistics and analysis, the system reliability, the reliability design, the reliability testing and the reliability growth. Although the reliability of CNC turret products have positive progressed, the main problems in this field are still need to be specially presented. And then, the possible implementing solutions are provided.

Keywords:CNC turret, reliability research, review

0引言

機(jī)床作為整個(gè)制造行業(yè)的母機(jī)，發(fā)展水平關(guān)乎整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其戰(zhàn)略地位不言而喻。中國(guó)機(jī)床行業(yè)在“九五”、“十五”、“十一五”期間連續(xù)保持了高速發(fā)展，15年間，我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量年均復(fù)合增長(zhǎng)達(dá)22.10%[1]。盡管如此，當(dāng)前國(guó)內(nèi)中高檔數(shù)控機(jī)床的進(jìn)口率仍居高不下。這種現(xiàn)狀產(chǎn)生一方面由于國(guó)內(nèi)高端產(chǎn)品的市場(chǎng)空缺，另一個(gè)重要原因則是由于國(guó)內(nèi)中檔機(jī)床產(chǎn)品的可靠性水平相對(duì)同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品有較大差距。

機(jī)床可靠性研究于20世紀(jì)70年代起源于前蘇聯(lián)，在之后的40余年中，針對(duì)機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)、故障分析及診斷、可靠性預(yù)測(cè)及可靠性增長(zhǎng)等方向的研究也逐漸發(fā)展健全起來(lái)。

現(xiàn)代機(jī)床制造業(yè)，遵循現(xiàn)代工業(yè)制造體系的發(fā)展趨勢(shì)，在對(duì)機(jī)床的加工性能、機(jī)床可靠性及其制造和使用成本等各方面的極致追求的驅(qū)動(dòng)下，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了功能部件專(zhuān)業(yè)分工制造、機(jī)床主機(jī)廠(chǎng)從全球分系統(tǒng)采購(gòu)功能部件再裝配集成的生產(chǎn)模式。這種模式下，作為整體機(jī)床供應(yīng)商的機(jī)床主機(jī)廠(chǎng)實(shí)際最主要做的是，設(shè)計(jì)-采購(gòu)-裝配-銷(xiāo)售-售后服務(wù)。部分主機(jī)廠(chǎng)家也制造一些機(jī)床主要結(jié)構(gòu)件，如床身、工作臺(tái)、主軸箱等，這些結(jié)構(gòu)件往往還是毛坯件外購(gòu)，只作半精或精加工使結(jié)構(gòu)件達(dá)到設(shè)計(jì)精度。由于采用這樣的模式，而機(jī)床主要結(jié)構(gòu)件本身可靠性相對(duì)較高，機(jī)床各功能部件的可靠性就成為確定整體機(jī)床可靠性的關(guān)鍵因素。

國(guó)內(nèi)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都表明，數(shù)控機(jī)床功能部件的發(fā)展滯后，特別是子系統(tǒng)可靠性不足已成為制約國(guó)內(nèi)高水平數(shù)控機(jī)床發(fā)展的瓶頸[2]。因此，對(duì)機(jī)床的組成單元，包括數(shù)控系統(tǒng)、刀庫(kù)、 數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺(tái)、主軸、 滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副等的可靠性研究成為了提高整機(jī)可靠性的各個(gè)突破口。其中，針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)、主軸、滾動(dòng)功能部件的可靠性研究開(kāi)始較早，也積累了較多的理論成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3-6]。但是對(duì)于數(shù)控刀架，一段時(shí)間內(nèi)曾被定性為機(jī)床附件，其對(duì)整機(jī)可靠性的影響一度未被重視。

隨著數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架本身技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床與數(shù)控刀架的結(jié)合導(dǎo)致機(jī)床功能有跨越式的提高，如數(shù)控車(chē)床結(jié)合數(shù)控動(dòng)力刀架就形成車(chē)銑復(fù)合加工中心，可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜形狀零件切削的工序集中。如裝備帶y軸或b軸的動(dòng)力刀架，就實(shí)際增加了加工中心機(jī)床切削運(yùn)動(dòng)的可控自由度，這些都大大提高了裝備這類(lèi)刀架的數(shù)控機(jī)床的加工效率、精度及復(fù)雜曲面成型切削的能力，從而使這類(lèi)機(jī)床成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)線(xiàn)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)裝備。很明顯，數(shù)控刀架理應(yīng)被提升到機(jī)床重要功能部件的行列[7]。從機(jī)床切削過(guò)程看，作為直接夾持刀具或是傳遞刀具切削轉(zhuǎn)動(dòng)(對(duì)動(dòng)力刀架)的系統(tǒng)組件，它要直接地承受動(dòng)態(tài)切削載荷，其動(dòng)態(tài)性能顯然是機(jī)床整體動(dòng)態(tài)性能的重要部分；它的定位精度和重復(fù)定位精度，肯定直接影響加工零件的精度和一致性；而它的可靠性，當(dāng)然直接影響整體機(jī)床的可靠性水平。

2011年底，中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)再次提出“十二五”期間我國(guó)機(jī)床行業(yè)的3項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)[8]，為順應(yīng)當(dāng)今世界數(shù)控機(jī)床高速、高效、高精、柔性和復(fù)合加工的發(fā)展趨勢(shì)，特別指出 “加速提升中高檔數(shù)控系統(tǒng)和功能部件配套能力，是行業(yè)‘十二五’期間面臨的金牌任務(wù)”?，F(xiàn)結(jié)合國(guó)家 “高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專(zhuān)項(xiàng)“SLT系列伺服轉(zhuǎn)塔/動(dòng)力刀架產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”等項(xiàng)目的研究成果，對(duì)數(shù)控刀架這一功能部件的可靠性研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述，并討論下一階段發(fā)展的新方向。

1刀架概述

1.1刀架類(lèi)型及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)狀

根據(jù)主機(jī)配套場(chǎng)合的不同，通常將數(shù)控刀架在行業(yè)上的應(yīng)用檔次分為低、中、高3類(lèi)。低檔數(shù)控刀架一般為電動(dòng)刀架，圖1(a)所示。采用力矩電機(jī)作為轉(zhuǎn)位動(dòng)力源，功能較為單一，換刀速度較慢，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且承載能力強(qiáng)。多配備于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床、簡(jiǎn)易數(shù)控車(chē)床。中檔數(shù)控刀架主要包括雙選電動(dòng)刀架、液壓刀架以及伺服刀架。液壓刀架是指產(chǎn)品的轉(zhuǎn)位動(dòng)力源為液壓馬達(dá)或液壓缸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條，如圖1(b)所示。伺服刀架則采用伺服電機(jī)作為刀架的轉(zhuǎn)位動(dòng)力源。和低檔數(shù)控刀架相比，中檔數(shù)控刀架的轉(zhuǎn)位速度和重復(fù)定位精度均大大提高，被廣泛配備于普及型數(shù)控車(chē)床或全功能數(shù)控車(chē)床。高檔數(shù)控刀架較中檔刀架而言，一方面具有更為優(yōu)良的性能水平，另一方面還大大擴(kuò)展了產(chǎn)品的功能，從而進(jìn)一步提高加工精度并減少非加工時(shí)間。主要包括動(dòng)力刀架、帶y軸刀架、皇冠刀架、b軸刀架等等，如圖1(c)、圖1(d)所示。配備此類(lèi)刀架產(chǎn)品的車(chē)銑復(fù)合加工中心能大大縮短加工件的制造工藝流程，提高生產(chǎn)效率。

圖1　典型數(shù)控刀架產(chǎn)品

目前，國(guó)內(nèi)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的主要規(guī)模企業(yè)包括：常州新墅數(shù)控設(shè)備有限公司、煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床附件集團(tuán)有限公司、常州宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司、沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司數(shù)控刀架分公司。這幾家企業(yè)共同占據(jù)著國(guó)內(nèi)低檔產(chǎn)品的幾乎全部市場(chǎng)。由于臺(tái)灣地區(qū)的液壓刀架(主要來(lái)自六鑫股份有限公司)穩(wěn)定性、可靠性及客戶(hù)認(rèn)可度相比內(nèi)地同類(lèi)產(chǎn)品有一定優(yōu)勢(shì)，而價(jià)格又遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐洲產(chǎn)品，因此占據(jù)了內(nèi)地近半的中檔產(chǎn)品市場(chǎng)。高檔數(shù)控刀架方面，內(nèi)地企業(yè)產(chǎn)品目前僅限于雙驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀架，主要包括煙臺(tái)環(huán)球的AK33 系列、常州新墅的 HLT125/160D-Y型，以及常州宏達(dá)的 HAK33 系列。其中，常州新墅的HLT125/160Y軸動(dòng)力刀架代表了目前這一檔次國(guó)產(chǎn)數(shù)控刀架產(chǎn)品的最高性能水平。這款y軸全功能數(shù)控動(dòng)力刀架在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2009ZX04011-053)的基金支持下，與東南大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)完成，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力刀具轉(zhuǎn)速穩(wěn)定達(dá)到8000r/min，y軸行程±50mm，分度精度±4″,重復(fù)定位精度±2″；產(chǎn)品在配套車(chē)削中心上運(yùn)行良好。盡管?chē)?guó)內(nèi)自主研發(fā)的動(dòng)力刀架產(chǎn)品達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)型產(chǎn)品的性能水平，但由于品種單一，功能尚不完善，且客戶(hù)認(rèn)可度有待提升，因此這一檔次的市場(chǎng)幾乎全數(shù)由歐洲產(chǎn)品占據(jù)，主要來(lái)源于包括SAUTER(德國(guó))、DUPLOMATIC(意大利)以及BARUFFALDI(意大利)。隨著高檔數(shù)控機(jī)床向高速、高精、高效及國(guó)產(chǎn)化方向的發(fā)展成為趨勢(shì)，內(nèi)地刀架企業(yè)必須進(jìn)一步穩(wěn)定中檔產(chǎn)品的可靠性水平，同時(shí)大力研發(fā)高檔產(chǎn)品，以應(yīng)對(duì)境外產(chǎn)品的市場(chǎng)沖擊。

1.2刀架基本性能要求

數(shù)控刀架的基本功能是裝夾刀具自動(dòng)換刀，并直接參與切削加工。在整個(gè)壽命期間，均必須保持較高的剛性、分度精度和重復(fù)定位精度。作為功能部件，為了實(shí)現(xiàn)不同機(jī)床結(jié)構(gòu)下的配套互換性要求，國(guó)家質(zhì)檢總局2007年發(fā)布了兩項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，分別制定了數(shù)控臥式、立式轉(zhuǎn)塔刀架的型式、連接尺寸、基本性能要求以及性能試驗(yàn)規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)特別對(duì)幾何精度、重復(fù)定位精度，以及一定扭矩靜態(tài)加載下的彈性變形量進(jìn)行了規(guī)定；還規(guī)定了出廠(chǎng)前空載、偏載條件下刀架運(yùn)轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)的最低轉(zhuǎn)位次數(shù)。

2數(shù)控刀架可靠性研究現(xiàn)狀

產(chǎn)品的可靠性水平依賴(lài)于面向全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性技術(shù)體系，主要包括：可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、系統(tǒng)可靠性、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)、可靠性增長(zhǎng)等[11]。

2.1可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

真實(shí)豐富的數(shù)據(jù)信息是開(kāi)展可靠性研究的基礎(chǔ)，有效的分析方法是執(zhí)行可靠性決策的依據(jù)?？煽啃詳?shù)據(jù)的采集統(tǒng)計(jì)貫穿于產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段，最終目標(biāo)是建立起健全的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)?？煽啃缘亩x是，產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力，而喪失規(guī)定功能或性能指標(biāo)超過(guò)規(guī)定界限的狀態(tài)和事件則被定義為故障[12]。針對(duì)不同類(lèi)型的刀架，多篇文獻(xiàn)對(duì)其存在的常見(jiàn)故障現(xiàn)象進(jìn)行了歸納，并總結(jié)了相應(yīng)的維修處理方法[13-15]。德國(guó)研究人員[16-17]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用反饋的故障信息進(jìn)行可靠性分析，建立了機(jī)床故障診斷與預(yù)測(cè)系統(tǒng)，用于在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造及裝配過(guò)程中建立起可靠性保障體系。意大利研究人員[18]對(duì)壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)建立可維修部分的故障分布，給出了整個(gè)機(jī)床的可靠性及維修性(reliability & maintenance，R&M)方法。吉林大學(xué)機(jī)械工業(yè)數(shù)控裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)最早從事數(shù)控機(jī)床行業(yè)故障信息統(tǒng)計(jì)與分析的高校研究機(jī)構(gòu)。30多年來(lái)，以積累的大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了不同數(shù)據(jù)條件下的可靠性建模方法，JIA等[19]對(duì)24臺(tái)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架為期1年的故障間隔時(shí)間進(jìn)行指數(shù)分布擬合，所建立模型滿(mǎn)足卡方檢驗(yàn)。張英芝等[20]對(duì)17臺(tái)數(shù)控刀架為期1年的隨機(jī)截尾故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了故障間隔時(shí)間的最優(yōu)分布。張立敏等[21]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于Bayes理論建立起小樣本數(shù)控刀架的威布爾分布模型，采用粒子群優(yōu)化算法得到了更為準(zhǔn)確的參數(shù)估計(jì)值。東南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)某類(lèi)118臺(tái)液壓刀架為期3年的現(xiàn)場(chǎng)故障維修記錄(來(lái)自于主機(jī)廠(chǎng)跟蹤記錄)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到產(chǎn)品液壓刀架產(chǎn)品首次故障時(shí)間服從威布爾分布，基于指數(shù)分布建立的各子系統(tǒng)首次故障時(shí)間模型滿(mǎn)足(kolmogorov-smirnov，K-S) 檢驗(yàn)；同時(shí)，提出數(shù)控刀架生產(chǎn)企業(yè)要嚴(yán)格管控外協(xié)外購(gòu)件的質(zhì)量，以改善采購(gòu)件故障占全部故障60%以上的現(xiàn)狀；企業(yè)還需進(jìn)一步做好產(chǎn)品使用的培訓(xùn)工作，以降低因用戶(hù)誤操作造成的故障幾率。

2.2系統(tǒng)可靠性

產(chǎn)品都可視為能完成預(yù)定功能的單元集合體，若干獨(dú)立單元共同支撐著系統(tǒng)，又對(duì)系統(tǒng)具有不盡相同的影響程度。系統(tǒng)可靠性研究則致力于定性定量不同單元影響的差異，討論如何分配各個(gè)單元的可靠度，使得系統(tǒng)可靠性最優(yōu)，制定合理的維修策略。故障模式、影響及危害性分析(failure mode effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA)[22]是一種歸納分析方法，面向系統(tǒng)各組成單元，分析單個(gè)故障模式對(duì)系統(tǒng)的影響。申桂香等[23]對(duì)21 臺(tái)數(shù)控車(chē)床刀架系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了FMECA研究，找出了該型刀架系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。張英芝等[24]提出了一種改進(jìn)的FMECA 分析方法，以重要度判斷嚴(yán)酷度，采用專(zhuān)家模糊推理的方法綜合評(píng)估危險(xiǎn)水平。Watson[25]于1961 年最先提出基于故障樹(shù)的分析方法(fault tree analysis，F(xiàn)TA)，通過(guò)邏輯因果關(guān)系圖分析多種故障因素的組合對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響[26]。陳南等[27]根據(jù)故障模式存在的狀態(tài)個(gè)數(shù)不同，提出了一種多態(tài)故障樹(shù)的建造方法，通過(guò)多態(tài)表決門(mén)表征不同狀態(tài)事件間的邏輯關(guān)系；將該方法應(yīng)用在伺服刀架可靠性分析中，能有效分析實(shí)際工況下的故障現(xiàn)象，以判別系統(tǒng)薄弱單元。為了直接定量不同單元對(duì)系統(tǒng)的影響程度，Birnbaum[28]首次提出概率重要度指標(biāo)，將其定義為單元故障時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障的概率與組件正常時(shí)系統(tǒng)故障概率之差；之后，F(xiàn)ussell and Vesely[29]提出概率重要度指標(biāo)，用以描述組件故障引起系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。于捷等[30]基于二維決策圖(binary decision diagram，BDD) 技術(shù)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架重要度進(jìn)行分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。

2.3可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)思想起源于20世紀(jì)40年代，以應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型來(lái)分析結(jié)構(gòu)安全度的研究奠定了結(jié)構(gòu)可靠性理論[31]的基礎(chǔ)。在學(xué)術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注和重視下，出現(xiàn)了各種可靠性設(shè)計(jì)的理論與方法[32-35]，主要包括：矩方法、響應(yīng)面法、最大熵法、Monte Carlo模擬法、隨機(jī)有限元法等等。東北大學(xué)張義民團(tuán)隊(duì)秉承“設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品可靠性水平”的思想[36]，提出了非線(xiàn)性隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性靈敏度計(jì)算方法[37-38]以及機(jī)械動(dòng)態(tài)與漸變可靠性理論[39]。黃賢振等[40[41]。這項(xiàng)準(zhǔn)則盡管仍在積累完善的過(guò)程中，但對(duì)于數(shù)控刀架這一功能部件的可靠性設(shè)計(jì)也能起到一定的指導(dǎo)作用。

2.4可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)是保障產(chǎn)品可靠性水平的基礎(chǔ)工作內(nèi)容，根據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)不同，分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。功能部件的可靠性試驗(yàn)屬于前者，試驗(yàn)內(nèi)容都是在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上進(jìn)行的。機(jī)床功能部件可靠性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)第1部分：總則(GB/T 23568．1—2009)[42]中規(guī)定了故障可靠性試驗(yàn)樣品要求、試驗(yàn)內(nèi)容、故障監(jiān)測(cè)和記錄要求、可靠性評(píng)定指標(biāo)等各項(xiàng)內(nèi)容，其中對(duì)數(shù)控刀架的可靠性試驗(yàn)內(nèi)容為：按設(shè)計(jì)規(guī)定在每個(gè)工位安裝刀具和偏重承載下，每一工位都應(yīng)在逐位轉(zhuǎn)換、越位轉(zhuǎn)換下進(jìn)行刀架松開(kāi)、轉(zhuǎn)位和鎖緊的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，以次數(shù)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)中所提出的是對(duì)數(shù)控刀架可靠性試驗(yàn)的最低要求，試驗(yàn)內(nèi)容和測(cè)試項(xiàng)目均非常有限，不足以滿(mǎn)足穩(wěn)定中檔產(chǎn)品，研發(fā)高檔產(chǎn)品的目標(biāo)。哈爾濱理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了數(shù)控刀架綜合檢測(cè)儀[43-44]，基于單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)刀架正、反轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)控制，刀架到位信號(hào)的檢測(cè)，以及重復(fù)定位誤差、轉(zhuǎn)位誤差測(cè)量。大連理工大學(xué)基于LabVIEW搭建了動(dòng)力刀架綜合性能測(cè)試系統(tǒng)[45-46]，能實(shí)現(xiàn)在運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，動(dòng)力刀架的定位精度、振動(dòng)、溫升、噪聲等多項(xiàng)性能指標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。吉林大學(xué)研制了數(shù)控刀架可靠性試驗(yàn)臺(tái)[47-49]，采用電液伺服加載系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多角度變換加載，并提出了可靠性試驗(yàn)方案及評(píng)價(jià)指標(biāo)。針對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架直接承受切削加載這一基本工作狀態(tài)，東南大學(xué)陳南團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，只有在實(shí)際加工切削過(guò)程中，才能真正反映出刀架的綜合性能及動(dòng)態(tài)可靠性水平，因此有必要將實(shí)際切削納入到可靠性試驗(yàn)中來(lái)。而對(duì)任何機(jī)器來(lái)說(shuō)，其工作載荷強(qiáng)度肯定是決定它工作動(dòng)態(tài)表現(xiàn)及可靠性的最關(guān)鍵因素之一。而以往分析中，對(duì)切削載荷(切削力)一般只取為較簡(jiǎn)單的估算模型。如果能獲取實(shí)時(shí)地全歷程的切削載荷信息，并相關(guān)于刀架乃至機(jī)床的整體動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)過(guò)程，將對(duì)最終優(yōu)化改進(jìn)機(jī)床的動(dòng)力學(xué)和可靠性水平起到關(guān)鍵性的推動(dòng)作用。為此，團(tuán)隊(duì)搭建了配備有高精度六分量切削力測(cè)試系統(tǒng)的可靠性切削試驗(yàn)平臺(tái)，能實(shí)時(shí)獲取刀具切削力的全部六分量動(dòng)態(tài)載荷情況；并設(shè)計(jì)了結(jié)合有不同切削強(qiáng)度、不同切削工藝乃至不同材料的被切削工件族來(lái)形成系列典型實(shí)際切削工況?？梢越Y(jié)合其他各種動(dòng)態(tài)性能測(cè)試儀器，真正達(dá)到通過(guò)實(shí)際切削試驗(yàn)來(lái)反映刀架、機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能水平及其退化機(jī)理，暴露功能部件產(chǎn)品缺陷、檢驗(yàn)單元和系統(tǒng)可靠性水平的目的。

2.5可靠性增長(zhǎng)

產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)是一個(gè)反復(fù)設(shè)計(jì)-分析-試驗(yàn)-改進(jìn)-再試驗(yàn)的過(guò)程。在產(chǎn)品研發(fā)與使用的各個(gè)階段中，通過(guò)不斷暴露設(shè)計(jì)、制造和使用缺陷，多次改進(jìn)薄弱環(huán)節(jié)，使得產(chǎn)品的可靠性及綜合性能不斷趨于完善。在整個(gè)執(zhí)行的過(guò)程中又以前面章節(jié)中介紹的可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、系統(tǒng)可靠性、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)各項(xiàng)技術(shù)為支撐。另一方面，可靠性增長(zhǎng)模型的提出，為可靠性增長(zhǎng)措施的效用預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)。1962年，美國(guó)工程師J. T. Duane[50]基于2種液壓裝置及3種飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出Duane模型，以描述累計(jì)失效率與累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系。這一模型對(duì)大量可修電子設(shè)備數(shù)據(jù)的普遍適用性引起了研究人員的廣泛重視，并隨之產(chǎn)生了多種可靠性模型[51-54]來(lái)適應(yīng)不同母體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要包括Gompertz模型、AMSAA模型、EDRIC模型、指數(shù)增長(zhǎng)模型等等。裴詠紅[55]選擇AMSAA-BISE模型對(duì)受試機(jī)床在實(shí)際使用過(guò)程中的可靠性增長(zhǎng)情況進(jìn)行跟蹤和評(píng)估，預(yù)測(cè)出下一次故障發(fā)生的時(shí)間區(qū)間；并在此基礎(chǔ)上，提出了在不同壽命階段實(shí)施的可靠性增長(zhǎng)措施。

3存在的問(wèn)題及解決的思路

無(wú)論研究發(fā)生在產(chǎn)品全生命周期的哪個(gè)階段，針對(duì)的是哪項(xiàng)理論缺陷或技術(shù)問(wèn)題，目的都只是為了提高數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架產(chǎn)品的可靠性水平。在這一明確目標(biāo)下，應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到當(dāng)前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架與國(guó)外優(yōu)良產(chǎn)品之間的差距，并從以下幾個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。

3.1借助主機(jī)企業(yè)來(lái)積累可靠性數(shù)據(jù)

與主機(jī)廠(chǎng)不同，功能部件企業(yè)的客戶(hù)并不是直接用戶(hù)，因此數(shù)控刀架生產(chǎn)企業(yè)目前獲取的可靠性數(shù)據(jù)極不完整，一般只包括直接反饋到刀架企業(yè)的故障報(bào)備及維修記錄，同時(shí)對(duì)于故障時(shí)間的統(tǒng)計(jì)也不準(zhǔn)確。另一方面，產(chǎn)品工作載荷的積累對(duì)刀架企業(yè)而言很難實(shí)現(xiàn)。因此，當(dāng)前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架可靠性數(shù)據(jù)的嚴(yán)重不足，導(dǎo)致產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性分析、以及可靠性設(shè)計(jì)缺乏充分的依據(jù)。而機(jī)床企業(yè)近年來(lái)普遍建立了較為系統(tǒng)完備的故障統(tǒng)計(jì)體系[41]，載荷數(shù)據(jù)的積累機(jī)制也正在不斷完善中。因此，數(shù)控刀架企業(yè)可以依托主機(jī)廠(chǎng)，來(lái)完善功能部件產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)。

3.2完善可靠性試驗(yàn)方法

由于針對(duì)不同類(lèi)型數(shù)控刀架的故障機(jī)理研究不足，可靠性數(shù)據(jù)積累有限，因此尚不能制定合理的載荷剖面，試驗(yàn)的結(jié)果不一定能真實(shí)充分地反映產(chǎn)品實(shí)際工況下的可靠性水平。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)所設(shè)計(jì)的可靠性試驗(yàn)主要針對(duì)刀架不能正常換刀這一故障模式，但是對(duì)于刀架參與切削加工下的剛度及精度保持性尚未提出合理的試驗(yàn)方法。東南大學(xué)陳南團(tuán)隊(duì)在搭建基本性能試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，建立起刀架可靠性?xún)?yōu)化動(dòng)態(tài)綜合性能測(cè)試分析研究平臺(tái)，如圖2所示。通過(guò)對(duì)典型試件的實(shí)際切削試驗(yàn)暴露出刀架產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，研究性能退化規(guī)律。研究平臺(tái)以CKp156平床身車(chē)削中心為基體，將測(cè)試刀架安裝固定在導(dǎo)軌上。根據(jù)受試刀架的規(guī)格及相應(yīng)承載能力，設(shè)計(jì)加工試件。試件的加工內(nèi)容包括車(chē)外圓、車(chē)端面、鏜削、車(chē)螺紋和切槽等多種工況。通過(guò)配備奇石樂(lè)六分量切削力測(cè)量系統(tǒng)、M+P動(dòng)態(tài)測(cè)試儀、三向加速度傳感器，研究平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀架實(shí)際加工時(shí)的切削力、刀盤(pán)振動(dòng)。采用聲級(jí)計(jì)定時(shí)測(cè)試轉(zhuǎn)位噪聲，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的千分表夾持裝置定時(shí)測(cè)試刀架的重復(fù)定位精度。另一方面，在定時(shí)截尾的試件加工過(guò)程中，記錄出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)，通過(guò)試驗(yàn)，查找出刀架的故障原因和失效機(jī)理，修正實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)分析模型，使產(chǎn)品性能和可靠性綜合增長(zhǎng)。在這一研究平臺(tái)上，通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)不同規(guī)格類(lèi)型刀架的試驗(yàn)，最終對(duì)系列刀架提出合理的任務(wù)剖面，并制定相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范。

圖2　刀架可靠性?xún)?yōu)化動(dòng)態(tài)綜合性能測(cè)試分析研究平臺(tái)

3.3系統(tǒng)可靠性模型精細(xì)化

E. Zio[56]指出可靠性工程中的三大基本問(wèn)題為：系統(tǒng)表征和建模；系統(tǒng)模型的量化；系統(tǒng)行為不確定性的表征、傳播以及定量分析。在復(fù)雜系統(tǒng)，例如多狀態(tài)系統(tǒng)中，以上問(wèn)題均面臨著新的挑戰(zhàn)。數(shù)控刀架是機(jī)電液復(fù)雜系統(tǒng)，存在多種故障模式。對(duì)于刀架無(wú)法準(zhǔn)確換刀，可以視為傳統(tǒng)兩狀態(tài)事件“非正常即失效”；但對(duì)于參與切削加工時(shí)的刀架剛度及重復(fù)定位精度變異過(guò)程僅僅用兩狀態(tài)事件來(lái)表征就過(guò)于粗糙了。劉晨曦等[57]首次定義了具有多狀態(tài)事件的動(dòng)態(tài)門(mén)運(yùn)算規(guī)則，在搭建的模塊化多狀態(tài)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)的基礎(chǔ)上，利用Monte Carlo仿真進(jìn)行系統(tǒng)可靠性評(píng)估。另一方面，盡管數(shù)控刀架是一種典型的可修復(fù)產(chǎn)品，研究人員對(duì)其維修性和可用性，即綜合考慮可靠性和維修性的指標(biāo)，還未足夠重視，目前文獻(xiàn)還未見(jiàn)針對(duì)刀架系統(tǒng)的相關(guān)研究成果。因此，需要對(duì)產(chǎn)品的可靠性動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化建模，綜合考慮時(shí)耗、費(fèi)用等因素制定合理的維修策略。

3.4可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)概念的引入

高剛度和高精度是數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架產(chǎn)品的核心工作要素，而產(chǎn)品的可靠性就體現(xiàn)在，全生命周期中即使存在的大量不確定性因素仍不會(huì)顯著影響產(chǎn)品的工作能力。為了達(dá)到這一目的，有必要將可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)概念引入到數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的優(yōu)化設(shè)計(jì)中來(lái)。 特別針對(duì)關(guān)鍵零部件，如端齒盤(pán)、齒輪系等，需要建立更為精細(xì)的優(yōu)化模型，在采用靈敏度分析確定可靠性隨設(shè)計(jì)參數(shù)改變影響的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)變量及控制其容差，使得在可控和不可控因素下仍能保證產(chǎn)品可靠性水平，并降低生產(chǎn)成本。

4結(jié)語(yǔ)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架可靠性技術(shù)研究在數(shù)控機(jī)床行業(yè)可靠性研究的帶動(dòng)下已取得了明顯進(jìn)展。特別是在可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、系統(tǒng)可靠性評(píng)估和可靠性試驗(yàn)方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為產(chǎn)品的改進(jìn)升級(jí)提供了技術(shù)支持。但是現(xiàn)階段存在的可靠性數(shù)據(jù)積累薄弱、性能退化機(jī)理不明確、可靠性試驗(yàn)方法尚待規(guī)范、維修性和可用性不夠重視等諸多問(wèn)題，約束了數(shù)控刀架產(chǎn)品可靠性水平的提升。從本行業(yè)迫切需求的角度考慮：1) 要充分借鑒數(shù)控機(jī)床和其他功能部件的研究成果，將共性問(wèn)題的理論支撐和技術(shù)方案有效轉(zhuǎn)換到數(shù)控刀架的應(yīng)用上來(lái)；2) 要加強(qiáng)與主機(jī)企業(yè)的合作，有效獲取產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)，盡快改變刀架可靠性數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀；3) 在保證數(shù)控刀架基本功能穩(wěn)定可靠的前提下，必須深入研究產(chǎn)品的性能退化機(jī)理，以適應(yīng)數(shù)控機(jī)床朝著高速、高精、高效方向發(fā)展；4) 積極將可靠性穩(wěn)健優(yōu)化引入到數(shù)控刀架的設(shè)計(jì)中來(lái)，才能真正做到滿(mǎn)足產(chǎn)品全生命周期的可靠性要求。

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收稿日期：2014-04-24

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0001-06

作者簡(jiǎn)介：陳南(1953-)，男，四川重慶人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，東南大學(xué)校學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，車(chē)輛工程學(xué)科重點(diǎn)學(xué)術(shù)帶頭人。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析及優(yōu)化、振動(dòng)和噪聲被動(dòng)及主動(dòng)控制及智能結(jié)構(gòu)。近年來(lái)獲省、部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，省級(jí)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)及市級(jí)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，另外還獲得中國(guó)機(jī)械工業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)汽車(chē)工業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外專(zhuān)業(yè)雜志發(fā)表論文300余篇，其中SCI收錄論文40多篇，EI收錄論文60多篇。主編或主審國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材3部。獲專(zhuān)利10余項(xiàng)。近年來(lái)完成或承擔(dān)國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)3項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金Ford重點(diǎn)基金項(xiàng)目及面上項(xiàng)目7項(xiàng)，國(guó)家863高技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目及江蘇省重大工業(yè)攻關(guān)，江蘇省成果轉(zhuǎn)化以及江蘇省國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目等30余項(xiàng)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012ZX04002-032，2013ZX04012-032)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CXLX13079)