叢 明 韓玉婷 劉 冬

大連理工大學(xué)，大連，210200

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加工中心刀庫系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法

叢 明 韓玉婷 劉 冬

大連理工大學(xué)，大連，210200

對某型號(hào)加工中心的刀庫及機(jī)械手的早期故障進(jìn)行分析后，假設(shè)了其主要的故障原因。為了加速試驗(yàn)過程并進(jìn)一步驗(yàn)證假設(shè)的故障原因，設(shè)計(jì)了刀庫系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案。首先選取了3個(gè)加速因子并確定了加速因子的大小，然后確定出試驗(yàn)的綜合應(yīng)力剖面，對刀庫的3個(gè)位置的性能情況進(jìn)行了監(jiān)控。最后對試驗(yàn)發(fā)生的6次故障進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了假設(shè)的故障原因并提出對應(yīng)的改進(jìn)措施。

刀庫及機(jī)械手；可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)；試驗(yàn)剖面；加速因子

0 引言

高可靠性、長壽命已經(jīng)成為現(xiàn)在加工中心發(fā)展的趨勢，所以需要大量試驗(yàn)時(shí)間的傳統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)和故障篩選試驗(yàn)已經(jīng)不能滿足加工中心可靠性試驗(yàn)的需求。可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)(reliability enhancement testing，RET)可以施加比正常使用時(shí)大得多的應(yīng)力，能迅速暴露產(chǎn)品的潛在缺陷。在工程研制階段進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，可提高產(chǎn)品的可靠性[1]。刀庫及機(jī)械手是加工中心的重要功能部件之一，因其受到的沖擊力較大，且換刀動(dòng)作頻繁，所以會(huì)經(jīng)常發(fā)生故障[2]。

目前，對刀庫及機(jī)械手進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)大都是故障篩選試驗(yàn)和可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)。文獻(xiàn)[3-6]對加工中心刀庫及機(jī)械手的可靠性試驗(yàn)臺(tái)的搭制、故障篩選試驗(yàn)及可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)進(jìn)行了研究，得出了刀庫及機(jī)械手的主要故障模式。但可靠性評(píng)價(jià)和故障篩選試驗(yàn)所需的試驗(yàn)時(shí)間比較長，通常都需要6個(gè)月以上的試驗(yàn)時(shí)間。為了縮短傳統(tǒng)刀庫可靠性試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間，加速可靠性試驗(yàn)的過程，本文對刀庫及機(jī)械手進(jìn)行了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。

目前，對刀庫及機(jī)械手的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的研究還比較少，文獻(xiàn)[7-8]在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中找出了影響失效的最敏感因子。張根保等[9]將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論應(yīng)用到數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上并制訂了試驗(yàn)剖面，為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在加工中心上的應(yīng)用提供借鑒。

本文對刀庫及機(jī)械手的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法進(jìn)行了深入研究，以期加速機(jī)床功能部件暴露故障的過程，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，提高其可靠性并減少故障。

1 故障模式的失效分析和加速因子的選擇

1.1 故障模式失效分析

試驗(yàn)選取的刀庫及機(jī)械手是國產(chǎn)某系列加工中心的直線型鏈?zhǔn)降稁欤淙S結(jié)構(gòu)如圖1所示。伺服電機(jī)1通過鏈輪4帶動(dòng)刀庫刀具旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)選刀動(dòng)作；倒刀氣缸2帶動(dòng)刀套6實(shí)現(xiàn)刀具從刀庫到換刀位置的移動(dòng)；兩爪回轉(zhuǎn)機(jī)械手7通過復(fù)合分度凸輪8和錐齒輪5傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的換刀動(dòng)作；步進(jìn)電機(jī)9通過鏈條3和齒輪的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)防護(hù)門的迅速開關(guān)。

1.伺服電機(jī) 2.倒刀氣缸 3.鏈條 4.鏈輪 5.錐齒輪

為了方便，下面將刀庫及機(jī)械手統(tǒng)稱為刀庫系統(tǒng)。首先對刀庫系統(tǒng)的9次早期故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將所有故障分類成4種模式，統(tǒng)計(jì)得出每種故障模式的頻數(shù)。從表1可以看出，刀庫掉刀、刀檢失調(diào)和刀檢誤報(bào)警的頻數(shù)比較高，如果能減少這三類故障模式發(fā)生的概率就可以從根本上提高刀庫系統(tǒng)的可靠性。

表1 刀庫系統(tǒng)的早期故障模式分析表

根據(jù)上述故障模式的分析結(jié)果，對故障模式的故障原因做出以下假設(shè)：

(1)刀庫掉刀的主要原因是刀庫換刀位置設(shè)置不合理。設(shè)置的換刀位置和實(shí)際的換刀位置有偏差，導(dǎo)致?lián)Q刀時(shí)刀庫掉刀；換刀點(diǎn)參數(shù)對這把刀是適合的，對下一把刀也許就不適合。所以需要進(jìn)行多次換刀，提高換刀的頻率，并多次修改換刀位置參數(shù)，直到找到對所有刀具都適合的換刀位置。對每一把刀反復(fù)多次進(jìn)行換刀試驗(yàn)可以更精確地確定換刀位置，減少掉刀故障的發(fā)生。

(2)刀檢失調(diào)和刀檢誤報(bào)警發(fā)生的主要原因是刀檢值設(shè)置不合理。刀檢的主要作用是檢查刀具是否有刀尖斷刀現(xiàn)象，其工作原理是：如果刀具的刀尖在傳感器的檢測范圍內(nèi)，傳感器就會(huì)獲得一個(gè)信號(hào)，說明刀具沒有斷刀；如果沒有收到信號(hào)就說明這把刀具的刀尖斷刀。一臺(tái)加工中心至少安裝有十幾把各種不同型號(hào)的刀具，各種刀具的長短也不同，而刀檢傳感器并不會(huì)在使用不同種刀具的時(shí)候作位置上的調(diào)整。因此刀檢傳感器的值設(shè)置不合理就會(huì)使傳感器有時(shí)無法檢測到刀尖，比如某把刀具的的刀尖沒斷，但此時(shí)傳感器沒有檢測到刀尖的信號(hào)，發(fā)出刀具斷刀報(bào)警，產(chǎn)生了刀檢誤報(bào)警故障。刀庫發(fā)出錯(cuò)誤的報(bào)警信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致檢測系統(tǒng)的程序失調(diào)，不能進(jìn)行正常的刀尖檢測。

1.2 加速因子的選擇

根據(jù)上面假設(shè)的故障原因，選擇并確定可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的加速因子。根據(jù)機(jī)械部件在生命周期內(nèi)的應(yīng)力和壽命之間的關(guān)系方程，選取可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的加速因子：

SmN=c

式中，m、c為材料常數(shù)；N為應(yīng)力幅值為S時(shí)的破壞循環(huán)次數(shù)[10]。

根據(jù)強(qiáng)化原理，為了減小循環(huán)次數(shù)N，需要增大應(yīng)力S，所以本試驗(yàn)選取一個(gè)或多個(gè)加速因子來增大環(huán)境應(yīng)力、減小循環(huán)次數(shù)。根據(jù)1.1節(jié)假設(shè)的故障原因，選擇并確如下定加速因子：

(1)換刀頻率。換刀頻率是最重要的加速因子，增大刀庫的換刀頻率可以加速試驗(yàn)中掉刀故障以及刀檢故障的發(fā)生過程，而且對不同的刀具進(jìn)行換刀試驗(yàn)可以提高試驗(yàn)的可信性。

(2)刀庫載重量。加大刀庫的載重量并超出正常加工時(shí)的載重量，可以激發(fā)出刀庫旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生的故障；加大載重量的同時(shí)增加換刀刀具的種類，可以加速刀檢故障的發(fā)生。

(3)刀庫轉(zhuǎn)速。提高刀庫的轉(zhuǎn)速可以使刀庫旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生的故障更快地激發(fā)出來，也可以加速故障的發(fā)生。

2 失效準(zhǔn)則和性能監(jiān)控

試驗(yàn)過程中，為判斷刀庫系統(tǒng)是否已經(jīng)進(jìn)入失效狀態(tài)，需要對刀庫系統(tǒng)的一些性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并制定相應(yīng)的失效準(zhǔn)則來判定系統(tǒng)是否失效。具體監(jiān)測項(xiàng)目如下：

(1)振動(dòng)。在刀庫和換刀位置安裝三向加速度傳感器和單向加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)對刀庫和換刀點(diǎn)振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)幅值過大的情況。

(2)壓力。在刀庫推刀氣缸上安裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控氣缸的壓力變化，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力的異常變化。

(3)電流。對控制刀庫和機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)燒毀故障(加工中心常見的故障)，并找出導(dǎo)致電路短路的具體位置。

對刀庫監(jiān)測出的以上物理參數(shù)，制定其失效的判定準(zhǔn)則，如表2所示，所監(jiān)控的參數(shù)值若超出了工作范圍則判定為刀庫系統(tǒng)失效。

表2 監(jiān)測性能失效準(zhǔn)則表

3 刀庫系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案

3.1 加速因子水平的設(shè)計(jì)

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的加速因子施加的原則是，加速因子的大小要超過設(shè)計(jì)上下限，而不超過工作上下限[10]，這樣才可以既加速可靠性試驗(yàn)，又不破壞刀庫系統(tǒng)。本次試驗(yàn)的刀庫系統(tǒng)為MDH80配套的OEM刀庫系統(tǒng)，產(chǎn)品的工作極限：刀庫的轉(zhuǎn)速為100 m/min，換刀頻率為每分鐘6次。因此為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的加速因子的水平如下：

(1)刀庫轉(zhuǎn)速。本著加速因子的大小不超過刀庫轉(zhuǎn)速的工作極限的原則，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)刀庫轉(zhuǎn)速為60 m/min。

(2)換刀頻率。換刀頻率的設(shè)計(jì)極限為每分鐘1.6次，本次試驗(yàn)的換刀頻率為每分鐘3次，稍稍高于刀庫的設(shè)計(jì)極限。

(3)刀庫載刀量。一般加工時(shí)刀庫的載刀量是4～7把刀，本次試驗(yàn)時(shí)刀庫裝滿刀具，共40把模擬刀具，每把刀的質(zhì)量為25 kg，總質(zhì)量為1000 kg。

3.2 強(qiáng)化試驗(yàn)綜合應(yīng)力剖面

刀庫系統(tǒng)進(jìn)行換刀動(dòng)作的具體過程如圖2所示，依據(jù)刀庫系統(tǒng)的換刀過程得出刀庫系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的綜合應(yīng)力剖面，如圖3所示。在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中，刀庫和機(jī)械手在圖3所示的綜合應(yīng)力水平下按照圖3的過程循環(huán)動(dòng)作。

圖2 刀庫系統(tǒng)換刀順序動(dòng)作圖

圖3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)綜合應(yīng)力剖面圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上面設(shè)置的應(yīng)力剖面參數(shù)，總共對5個(gè)刀庫系統(tǒng)功能部件進(jìn)行了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后的第 154 h、165 h、352 h、396 h、484 h、495 h出現(xiàn)了故障，試驗(yàn)現(xiàn)場的故障信息采集結(jié)果如表3所示。

表3 故障信息采集表

對刀庫系統(tǒng)進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)后，對出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)刀庫系統(tǒng)的主要故障為：刀具檢測故障和換刀機(jī)械手故障。對表3所示的故障原因進(jìn)行總結(jié)，得出刀庫系統(tǒng)故障的主要原因：①刀檢值設(shè)置不合理，只有在大量的試驗(yàn)之后才可以確定合適的刀檢值，而使用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)后可以縮短試驗(yàn)時(shí)間，快速發(fā)現(xiàn)合適的刀檢值；②刀檢裝置的可靠性不高，導(dǎo)致刀檢故障的頻繁發(fā)生；③換刀故障的主要原因是換刀位置參數(shù)設(shè)置不合理，從而導(dǎo)致機(jī)械手沒有抓穩(wěn)刀具，但合理的換刀位置參數(shù)也需要大量的試驗(yàn)才能確定。

5 結(jié)論

(1)該可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期，選取的加速因子的工作極限很好地激發(fā)了刀庫系統(tǒng)的故障，加速了故障暴露的過程，驗(yàn)證了試驗(yàn)前的故障模式及危害度分析的故障原因假設(shè)。

(2)成功地將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論應(yīng)用到加工中心的刀庫系統(tǒng)，填補(bǔ)了加工中心的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的空缺，并為其他功能子系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法提供借鑒。

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(編輯 張 洋)

RET of Machining Center Tool Magazine System

Cong Ming Han Yuting Liu Dong

Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning，210200

The main failure causes were assumed after the early failures about tool magazine and manipulator of a type of machining center were analyzed. In order to accelerate the testing processes and further to validate the hypothesis, the test scheme of RET was designed. Firstly, three acceleration factors were choosen and their values were also determined, then the comprehensive stress profile of RET was determined, and the performances of three positions of the tool magazine were monitored. Finally, 6 failures of the test were analyzed, and the hypothesis of the failure causes were verified. And the improvement measures were put forward.

tool magazine and manipulator; reliability enhancement testing(RET); testing profile; accelerated factor

2015-12-31

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX04015-021)

TH311

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.21.003

叢 明，男，1963年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)、可靠性技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)。發(fā)表論文200余篇。韓玉婷，女，1990年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。劉 冬，男，1985年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士后研究人員。