加工中心主軸系統(tǒng)的可靠性分析
2020-1-21 來源： 延邊大學(xué)工學(xué)院 作者：王德超，崔峰 樸成道
摘要: 對國外高檔加工中心進行現(xiàn)場跟蹤，采集并記錄使用過程中的故障數(shù)據(jù)。為了科學(xué)、全面的考慮加工中心發(fā)生故障的不確定性，采用模糊綜合評判法進行了分析，求得主軸系統(tǒng)的危害度。并應(yīng)用 Matlab 軟件對主軸系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進行了分析，得到故障首次間隔時間服從二參數(shù)威布爾分布，根據(jù)得到的可靠性指標(biāo)對主軸系統(tǒng)進行可靠性評價。
關(guān)鍵詞: 加工中心; 主軸系統(tǒng); 模糊綜合評判; 可靠性
0 前言
加工中心是一種自動化程度較高、加工復(fù)雜零部件的先進生產(chǎn)設(shè)備，在現(xiàn)代加工制造業(yè)中處于領(lǐng)先地位。隨著加工制造業(yè)對加工設(shè)備自動化程度要求的提高，機床發(fā)生故障的概率也隨之變動，而可靠性問題是機床發(fā)展需首要解決的問題，因此，對于提升或改善機床可靠性的研究是有必要的。
故障模式、影響及危害性分析 ( FMECA) 是傳統(tǒng)的機床故障分析法，然而根據(jù)故障模式的影響數(shù)值，描述故障模式對零部件造成的損傷概率具有片面性的現(xiàn)象。為了科學(xué)、全面的考慮加工中心發(fā)生故障的隨機性與模糊性，采用模糊綜合評判法進行了分析，并應(yīng)用 Matlab 軟件對主軸系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進行了分析，根據(jù)得到的可靠性指標(biāo)對該加工中心主軸系統(tǒng)進行了可靠性評價。以國外生產(chǎn)的 SIＲIUS-850 型加工中心為研究對象，圖 1 為 SIＲIUS-850 型加工中心的外觀，其特點是配有 FANUC-18i MB 數(shù)控系統(tǒng)，高速、超精密整體式主軸 (電機內(nèi)裝式) 結(jié)構(gòu)，主軸最高轉(zhuǎn)速可達 12 000 r/min。
圖 1 SIＲIUS-850 型加工中心外觀
1 、主軸系統(tǒng)的故障模式及危害度分析
1. 1 主軸系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)
采用現(xiàn)場定時截尾實驗法采集故障數(shù)據(jù)，記錄161 臺同型號加工中心歷時 7 年實際生產(chǎn)過程中發(fā)生的故障，剔除無效數(shù)據(jù)。并對其整理分析，制成子系統(tǒng)故障頻率排序表，如表 1 所示。由表 1 可知: 主軸系統(tǒng)故障頻率 (24. 0%) 在所有子系統(tǒng)中居于首位，其次為進給系統(tǒng) (21. 0%) 和防護系統(tǒng) (12. 6%)。
表 1 子系統(tǒng)故障頻率表
1. 2 主軸系統(tǒng)的故障分析
對記錄的故障數(shù)據(jù)整理分析，得出關(guān)于主軸系統(tǒng)的故障信息，如表 2 所示。
表 2 主軸系統(tǒng)故障模式
由表 2可知:主軸冷卻循環(huán)系統(tǒng)異常是發(fā)生最頻繁的故障模式，故障頻率占主軸系統(tǒng)故障頻率 的62. 1%，明顯高于其他幾部分。
1. 3 主軸系統(tǒng)的 FMECA
加工中心主軸系統(tǒng)的危害度分析是建立在故障模式影響分析 ( FMEA) 的基礎(chǔ)上，參照每個故障模式的類 別、嚴(yán) 重 程 度 等，全 面 的 評 價 故 障 模 式影響。子系統(tǒng) i
以故障模式 j 致使該子系統(tǒng)發(fā)生故障的危害度 CＲij，公式如下所示：
綜上所述，主軸系統(tǒng)的危害度計算如表 3 所示。采用如上計算方法，得出各子系統(tǒng)的危害度排序，如表 4 所示。
表 3 主軸系統(tǒng)的危害度
表 4子系統(tǒng)的危害度
由表 4知: 自動換刀系統(tǒng)危害度 (6. 336 4×10－3)最大，其次為進給系統(tǒng)危害度 (6. 311×10－3) 和主軸系統(tǒng)危害度 (6. 113 1×10－3)，以上 3 種子系統(tǒng)是影響該型號加工中心的關(guān)鍵部位，應(yīng)重點關(guān)注并進行必要的設(shè)計與改進。
2 、主軸系統(tǒng)的模糊綜合評判分析
2. 1 模糊綜合評判法
為了彌補常規(guī)危害度分析中的不足，運用模糊綜合評判法對其進行改進。模糊綜合評判是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中定量的方法處理定性問題，使定性評價更加合理、科。基于 FMECA 的評價特性和評價指標(biāo)特點，參照該法在其他領(lǐng)域的應(yīng)用實例［7］，將評語集定為 5 個等級，如表 5 所示。
表 5 評語集
對數(shù)控機床的模糊計算方法上，圓形隸屬函數(shù)優(yōu)于三角形、梯形隸屬函數(shù)［8］。圓形隸屬函數(shù)模型如圖2 所示。
圖 2 圓形隸屬函數(shù)模型
2. 2 β 參數(shù)模糊變換
以主軸系統(tǒng)的故障模式和故障影響為例，將 βij由以上 5 個公式進行區(qū)間變換后得到如表 6 所示變換后的參數(shù)及隸屬度值。
表 6 主軸系統(tǒng)故障影響參數(shù)的變換及隸屬度
2. 3 主軸系統(tǒng)危害度模糊綜合評判
模糊后的危害度值 Hi公式為：
表 7 子系統(tǒng)模糊后危害度
由于各子系統(tǒng)模糊后的危害度值不分布在評估指標(biāo)內(nèi)，在對不影響度排序的基礎(chǔ)上將其各子系統(tǒng)模糊后危害度值放大 104倍得出影響度值。通過 表 7 可 知，主 軸 系 統(tǒng) 模 糊 后 的 危 害 度(2. 727× 10－4) 排在第一位，評判等級為 “一般”，其故障危害處于臨界邊緣，因此主軸系統(tǒng)需要重視和改進。排在第二位的為自動換刀系統(tǒng)，模糊后危害度(2. 418×10－4) 評判等級為 “一般”，其故障危害處于臨界邊緣，同時也需要重視。
對比表 4可知，危害度排在第一位的自動換刀系統(tǒng)、第二位的進給系統(tǒng)和第三位的主軸系統(tǒng)經(jīng)過模糊綜合評判后，主軸系統(tǒng)排到了第一位，這也說明若是單純考慮故障頻率、喪失功能的條件概率和危害度，對機床的可靠性評價具有片面性，因此，基于模糊綜合評價法分析是有必要的。
3、 可靠性指標(biāo)的計算
針對采集的故障數(shù)據(jù)進一步處理，剔除無關(guān)數(shù)據(jù)，整理出關(guān)于主軸系統(tǒng)的首次故障時間數(shù)據(jù)，如表8 所示。
表 8 主軸系統(tǒng)首次故障時間
3. 1 確定分布類型
將表 8 中 的 首 次 故 障 時 間 導(dǎo) 入 Matlab 軟 件 的probplot 命令中，得到如圖 3 所示的 4 種常見分布頻率圖［10］。通過對比分析，圖 3 中 (d) 的故障點大部分落在虛線的附近。所以可認(rèn)為該型號加工中心的主軸系統(tǒng)首次故障時間分布類型接近威布爾分布。
圖 3分布頻率圖
3. 2 參數(shù)估計與檢驗
對數(shù)控機床的威布爾分布模型選取時，常采用的分布模型為二參數(shù)和三參數(shù)威布爾分布模型。雖然三參數(shù)比二參數(shù)的估計值精度高，更能準(zhǔn)確地反映機床可靠性的真實情況，但由于原始數(shù)據(jù)的梯度相差甚遠，所以選用二參數(shù)威布爾模型。應(yīng)用最小二乘法對形狀參數(shù) m 和尺寸參數(shù) n 進行參數(shù)估計，得到 n =2 837. 7，m = 0. 908 8。應(yīng)用 D 檢 驗 法對參數(shù) m、n 進行校 驗臨界值為:
3. 3 主軸系統(tǒng)的
MTTFF平均首次故障時間是呈現(xiàn)給使用企業(yè)對于機床質(zhì)量好壞的第一印象，直接影響機床在市場中的份額，同時也是數(shù)控機床時間質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)，所以對該型號加工中心主軸系統(tǒng)的平均首次故障時間進行分析是必要的環(huán)節(jié)。由于該型號的加工中心主軸系統(tǒng)服從威布爾分布規(guī)律，通過點估計法得MTTFF = nΓ( 1 + 1 / m) = 3 143. 88 h依據(jù)國內(nèi)科技重大專項和專家經(jīng)驗確定各項指標(biāo)的閾值，將可靠性評價指標(biāo)分為 5 個評判等級［11］，如表 9 所示。
該可靠性評價指標(biāo)的閾值是對整機的，但由于主軸系統(tǒng)在整個數(shù)控機床系統(tǒng)內(nèi)承擔(dān)著重要角色的地位，故可以認(rèn)為該加工中心主軸系統(tǒng)可靠性評價指標(biāo)近似于整機的可靠性評價指標(biāo)。
表 9 可靠性評價指標(biāo)的閾值
由上可知，該加工中心主軸系統(tǒng)的 MTTFF 為3 143. 88 h，指標(biāo)等級屬于 “很高 ”，已經(jīng)遠遠的超過國產(chǎn)數(shù)控機床的最高級別，則該型號加工中心主軸系統(tǒng)的可靠性水平較高。
4 、結(jié)束語
首先，通過對主軸系統(tǒng)故障的頻次分析，得出主軸系統(tǒng)的首要故障模式是主軸冷卻循環(huán)系統(tǒng)異常，達到了 0. 73 次 /10 000 h，說明了該主軸系統(tǒng)質(zhì)量較好。然后，對各子系統(tǒng)進行了危害度分析，得出主軸系統(tǒng)排在了第三位。為了充分考慮加工中心主軸系統(tǒng)發(fā)生故障的隨機性與模糊性，采用模糊綜合評判法進行了危害度分析，結(jié)果顯示主軸系統(tǒng)排到了第一位。最后，通過對主軸系統(tǒng)首次故障時間進行了參數(shù)估計與檢驗，得到主軸系統(tǒng)首次故障時間服從二參數(shù)威布爾分布模型，求得可靠性指標(biāo) MTTFF 值為 3 143. 88 h，其指標(biāo)值表明: 該加工心主軸系統(tǒng)的平均首次故障時間遠遠的超過國產(chǎn)數(shù)控機床可靠性指標(biāo)的最高值。因此，可以認(rèn)為國內(nèi)加工中心主軸系統(tǒng)的可靠性水平具有很大的提升空間，應(yīng)當(dāng)在一定的時間內(nèi)對國內(nèi)加工中心主軸系統(tǒng)的可靠性進行科學(xué)的、全面的研究。
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