可靠性预计在数控机床设计中的应用.pdf

2 0 1 1 年 8月 第 3 9卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 1 V0 I ． 3 9 NO ．1 5 D OI 1 0． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 5 ． 0 4 2 可靠性预计在数控机床设计中的应用 于捷 ，朱志伟 ，申桂香 ，贾亚洲 ，孙立大 1 ．长春 大学机械 学院，吉林长春 1 3 0 0 2 2；2 ．杭 州 I 师范大学钱江学院，浙江杭州 3 1 0 0 1 2 ； 3 ．吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春 1 3 0 0 2 5 ；4 ．山东即墨市第二职业高级 中学，山东即墨 2 6 6 2 2 1 摘要简要介绍可靠性预计的定义。针对数控机床的特点，建立其可靠性模型并进行可靠性预计，找出设计中影响数 控机床可靠性的薄弱环节，进行相应的改进，从而提高数控机床的可靠性。 关键词数控机床；可靠性预计 中图分类号T G 6 5 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 l 2 0 1 1 1 51 4 42 Ap pl i c a t i o n o f Re l i ab i l i t y Pr e d i c t i o n i n t he De s i g n o f CNC M a c h i n e To o l s YU J i e ，Z HU Z h i we i ，S HEN Gu i x i a n g ．J I A Ya z h o u ，S U N L i d a 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g C o l l e g e o f C h a n g c h u n U n i v e r s i t y ，C h a n g c h u n J i l i n 1 3 0 0 2 2 ，C h i n a ； 2 ． Q i a n j i a n g C o l l e g e o f H a n g z h o u N o r ma l U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 2 ，C h i n a ； 3 ． Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g C o l l e g e o f J i l i n Un i v e r s i t y ，C h a n g c h u n J i l i n 1 3 0 0 2 5，C h i n a ； 4 ． J i m o V o c a t i o n a l Hi g h S c h o o l o f S h a n d o n g P r o v i n c e ，J i m o S h a n d o n g 2 6 6 2 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e d e fi n i t i o n o f r e l i a b i l i t y p r e d i c t i o n wa s i n t r o d u c e d ． I n t h e l i g h t o f t h e c h a r a c t e r s o f C NC ma c h i n e t o o l s ， i t s r e l i a b i l i t y mo d e l wa s bu i l t a nd r e l i a b i l i t y p r e d i c t i o n wa s ma de ． Th e p o o r r e l i a b i l i t y p a r t s we r e f o u nd o u t ． Re l e v a n t pr o mo t i o n wa s c a r r i e d o u t t o i n c r e a s e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e CNC ma c h i n e t o o l s ． Ke y wo r d s CN C ma c h i n e t o o l s ； Re l i ab i l i t y p r e d i c t i o n 产品的固有 可靠性来 自产 品的设计 与制造 ，所 以 可靠性设计是获得可靠产品的重要保证⋯。 可靠性 预计 是根据组成 系统的元器件 、组件 、部 件 、设备 、分 系统 的可靠性数据及可靠性模 型，进行 逐级预计 ，直到产品在规定的工作条件下达到任务书 中提出的各项 可靠性指标 而进行 的工作 。 可靠性 预计 可以预先控制产 品因硬件失效导致 的 返修率；可以预先估计产品投入使用后的系统年停机 时 间；可以发现薄弱 环节 ，提 出改进措施 ，进而提高 产 品可靠性 ；为维护费用 、备件数等的计算提供依据。 数控机床是典型的机电一体化产品，对其进行可 靠性预计 ，应从机 、电两个方面分别进行考虑 。数控 机床可靠性设计是在功能设计的基础上同时考虑可靠 性指标的设计。不仅要考虑这些指标在制造中如何达 到，而且要考虑如何保证在运输、存储以及使用期间 都能保持完成功能的概率最大，数控机床可靠性的设 计应具有全 寿命周期 的概念 。 数控机床由液压系统、主轴组件、装夹附件、主 传动系统 、转塔刀架系统、电气系统、防护装置、冷 却系统 、润滑系统 、 轴进给系统 、 轴进给系统、 排屑系统等子系统组成 ，各子系统性能优劣、可靠性 高低是评价数控机床品质 的重要 因素。通 过可靠性预 计 ，发现设计 中的薄弱环节 ，发现设计 上潜 在的可靠 性 问题 ，及时采取有效措施进行改进 ，进 而提 高数控 机床整体的可靠性。 1 数控机床可靠性模型的建立 建立可靠性模型的 目的是为了根据可靠性分析理 论定量分 配 、预计和评估该设备的可靠性 。通过对某 系列数控机床具体产 品的功能分析和子系统单元 的划 分 ，建立 了数控机床整机系统 的可靠性框图模 型 ，如 图 1所示 。 图 1 某系列数控机床的基本可靠性结构模型 2 数控机床电子可靠性预计 电子可靠性预计有以下约束条件 1 组成 电路 系统 的各元器 件 部 件 的故 障 是相互独立 的。 2 电路系统的所有元器件的可靠性特征量均 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 0 9 基金项目国家重点基础研究发展规划项目 2 0 0 8 C B 4 2 5 7 0 1 作者简介于捷 1 9 7 2 一 ，女，博士，副教授 ，研究方向为数控机床可靠性增长技术。电话0 1 3 8 4 3 1 9 2 3 7 2 ，Em a i l y u 9 9 j i e 9 9 s o h u ． c o m。通信作者朱志伟 ，电话0 1 5 9 8 8 8 3 5 9 0 1 ，Em a i l z h u z w 9 7 2 1 2 6 ． c o n。 第 1 5期 于捷 等可靠性预计在数控机床设计中的应用 1 4 5 用失效率 A表示 ，且各元器件的失效率 A 都是常数， 即假设它们的寿命服从指数分布。 3 所有的连接导线是完全可靠的。 4 印制电路板及焊接是完全可靠的 。 数控机床电子可靠性框图如图2所示。 电源保护 H 电源开关 H 主轴电动机 短路保护 H冷却泵电动机H刀架快速移动电机 控制电源变压器及保护H主轴电机控制H 刀架快速移动 冷却泵控制 H 信号灯 H 照明灯 图2 数控机床电子可靠性框图 电子可靠性预计采用元器件计数法。预计的可靠 性特征量为失效率 A 。可靠性数据一部分从 G J B ／ Z 2 9 9 B - 9 8 电子设备可靠性预计手册 中获得，另一 部分可从现场的可靠性数据中获得。元器件的工作环 境类别为 G F 1 。根据 电子可靠性框图，电路系统的 可靠性是由组成各单元的所有元器件串联而成的。对 于符合指数分布的串联系统，该系统的失效率 A 的 计算公式如下 R A s ∑N I A G 盯 o 1 设备的平均无故障工作时间的计算公式如下 M T BF 1 ／A s 式中A 为电路系统的总失效率； A 为第 i 种元器件的通用失效率 ； 1 T 为第 种元器件的质量系数； ／t 为所有元器件 的种类数 目。 统计某系列数控机床所用电子元器件的种类及数 量，将各类元器件的有关参数代入式 1 可得出数 控机床电路系统总失效率 A 的预计值为 1 6 69 ， A s Gl∑N A a 订 o l 4 8 7 ． 2 2 5 X 1 0 一 。 ／ h MT BF 1 ／ A s2 0 5 2 h 可以计算各子系统中的电子元器件的失效率，进 而发现可靠性设计的薄弱环节。 3 机械结构可靠性设计 数控机床机械部分 的可靠性定量预计具有特殊性 。 由于受载荷大小、工作方式、工作环境 、操作水平、 使用频率等方面因素的影响，造成机械故障的原 因一 般为疲劳、老化、磨损、腐蚀、蠕变等等 ，这些均为 耗损型故障 ，均为不可逆 型 ，而且 由于此类 因素所造 成的机械故障很多。数控机床的寿命周期符合 “ 浴盆” 曲线，分为 3 个阶段，但是每个阶段结束的时间以及 所占据的准确时间并不能确定无误地给出。所以要确 定具体零部件的失效率，还没有机械零部件通用失效 率数据可以参考，这样机械结构的可靠性如果按照故 障率来进行定量预计 ，实施起来就相对困难一些。对 数控机床机械可靠性的定量要求，可以通过借鉴类似 产品的数据，以及所收集的相关产品的现场使用数据 和试验数据，计算某系列数控机床的 1 2个子系统的传 动机构的平均无故障工作圈数预计值，如表 1 示。 表 1 1 2个子系统的传动机构的平均无故 障工作圈数预计值 子系统名称 平均无故障工作圈数预计值／ 次 液压系统 主传动系统 转塔刀架系统 防护装置 润滑系统 z 轴进给系统 主轴组件 装夹附件 电气 系统 冷却系统 轴进给系统 排屑系统 23 0o 0 1 5 0o O 2 6 00 o 3 5 Oo 0 3 4 O0 0 2 6 oo 0 3 3 0o 0 3 2 0o 0 1 6 0o O 3 2 O0 0 28 O0 o 3 3 Oo 0 4 数控机床可靠性预计 根据数控机床可靠性结构模型、电路系统可靠性 模型，对数控机床可靠性进行了预计，并得到了相应 的可靠性预计值。对整机的电路系统及各子系统的传 动机构的平均无故障工作圈数进行了预计。根据预计 值，可以发现其中的薄弱环节。 针对发现的薄弱环节，改进设计，用可靠性参数 值高的元器件进行替换。 在可能 的情况下 ，采用大 规模 可编程集 成 电路 ， 取代中、小规模集成电路，减少元器件的品种、规格 和数量。 尽量减少数控机床 中模块数量。 改进后 ，某 系列数 控 机 床 电路 系统 的失 效 率 为 3 6 2 ． 3 2 51 0 一 ／ h ，MT B F为 2 7 6 0 h 。 在可靠性预计过程 中，对有些电子元 器件除了关 心其电子性能的可靠性 以外 ，还要 考虑机械方面的可 靠性 问题。 电动机是数控机床中必不可少的，其可靠性通常 指的是电动机的工作寿命。制造商提供的工作寿命数 据与预计手册计算 的工作失效率数据会有一定 的差 距，在实际计算中应充分考虑其对可靠性的影响，使 得可靠性数据都是在规定的条件下取得。 参考文献 【 1 】陆延孝， 郑鹏洲． 可靠性设计与分析[ M] ． 北京 国防工 业出版社 ， 1 9 9 5 2 3 0 2 3 5 ． 【 2 】张玲． 可靠性预计在综合处理设备设计 中的应用 [ J ] ． 可靠性工程， 2 0 0 4 1 7 8 ． 【 3 】 李培基． 光机电一体化产品的可靠性预计[ J ] ． 电子产 品可靠性与环境试验， 2 0 0 5 1 5 9 6 2 ． 【 4 】 韩庆田， 刘梦军． 可靠性预计及其发展趋势[ J ] ． 电子标 准化与质量， 2 0 0 1 5 2 3 2 7 ． 【 5 】 G J B ／ Z 2 9 9 B 一 9 8 ， 电子产品可靠性预计手册[ S ] ．