汽车零部件制造数控装备可靠性评估与故障分析

方凯，罗敏，陈志楚

（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

汽车零部件制造数控装备可靠性评估与故障分析

方凯，罗敏，陈志楚

（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

通过对大量生产现场数据的统计分析，应用故障频次主次图和故障比重比主次图等方法，对当前汽车零部件制造常用的一种国产数控机加装备进行全面可靠性评估。对数控装备的故障部件进行分类，找出了故障修复和可靠性改进的主要部件。

数控机加设备；可靠性评估；故障分析

0 引言

在当前汽车制造生产装备国产化升级换代的重要关头，真实科学地对国产汽车零部件生产装备特别是技术含量高，应用面广泛的加工中心进行可靠性分析和评估，是正视国产汽车零部件生产装备和国际先进水平之间的差距，提高国产数控装备在规模化应用中各种性能指标，从而提升国产装备在汽车关键零部件生产中的占有率直至最终取代进口设备的关键。目前国内数控机床的研发，主要面向高档次，追求高速、高精密和多轴联动复合加工等。然而，随着复合功能的增多和密集型技术的引入，不可靠因素和故障隐患增多，在运转和使用过程中发生故障的几率增加，系统一旦发生故障，其先进性能和功能不能维持，降低或失去了使用价值。而且，由于高档数控装备复合功能密集，体积庞大，结构复杂，加工工况多变等，使得可靠性问题成为制约国内高档数控机床发展的主要瓶颈。

通过现场采集数控装备故障信息,采用科学的分析方法,找出数控装备运行中的各薄弱环节及其对整机的影响程度，进而确定其可靠性改进的主要方向,是一种较为实用的研究方法。现代数控装备是现代信息科学与传统机械技术相结合的典型产品，其故障模式随着新技术的不断应用也发生了很多变化，根据具体故障模式和故障部位进行故障分析,找出其薄弱环节和弱点，以便从设计、制造、使用和维护等各方面采取对策和措施，提高其可靠性。笔者针对东风汽车公司某专业厂同类型5台数控机加装备工作半年的故障数据进行分析，计算出其平均无故障工作时间，并对其进行有效的区间估计，全面分析5台设备的可靠性水平。同时，对故障模式进行具体分析，利用故障频次主次图和故障比重比主次图找出故障修复和可靠性改进的具体方法。

1 数控装备可靠性指标分析

1.1 平均无故障工作时间

平均无故障工作时间MTBF是目前业界公认的可靠性指标，其计算公式为

式中：N为在评定周期内累计故障频数；n为数控装备抽样台数；ti为在评定周期内第i台数控系统的实际工作时间，h；wi为在评定周期内第i台数控装备出现的故障频数。总计所选5台数控机加装备在2012年7～12月的故障信息，如表1所示。

表1 工作时间和故障数据表

经计算得到MTBF为62.7h。

此批国产机加数控装备的整体无故障工作时间偏低，离进口先进设备有一定差距，有待改进和提高。

1.2 MTBF的置信区间估计

MTBF的置信区间估计是根据数据求得可靠性特征量MTBF的一个置信区间,这个区间以一定的概率达到MTBF的真值。根据GB5080.4-85要求,采用定时截尾试验指标区间估计,置信水平（1-α）=95%,即α=5%,可找其2个下侧分位数和从而有区间估计表达式：

式中：w为故障发生的次数；T为定时截尾试验总时间；μ为待估计的未知参数平均无故障工作时间。可分析平均无故障工作时间的置信水平为95%时的双侧置信区间的区间估计满足：

所以当选择置信水平为95%时，该批数控装备MTBF的双侧区间估计值为（503.1，778.8）h。该批数控装备在较高置信水平时，MTBF的区间值较大，显示整体置信水平不高。

2 数控装备故障分析

数控装备故障分析是通过生产中记录的故障信息进行各种数据处理，找出导致故障的数控装备具体部件或模块，为今后及时更换或修复提供依据。

2.1 故障频次主次图分析

故障频次主次图是行业制定可靠性改进工作的重要依据。数控装备整机可靠性是由各子部件的可靠性来保证的，而各子部件出现故障的频率是不同的，故障频次主次图就是把数控装备整机分解成几个子部件，按照子部件出现故障的频率进行分析，找到故障概率高的各个部件和模块。由上述所选5台数控机加装备在2012年7～12月的故障信息，如表2所示。由此可以得到此批数控装备的故障频次主次图，如图1所示。

故障频率最高的是主轴和刀库刀架的故障，在设备运行时应该多加关注，生产中增加一定量的备件。

表2 数控装备子部件故障频次表

图1 故障频次主次图

2.2 故障比重比主次图分析

故障频次主次图只能反映故障出现的频率，不能反映故障危害性的严重程度，这可能使后期相关技术决策产生误判，而故障比重比主次图可以更科学地反映各种故障危害性的严重程度，更准确地确定故障改进的主攻方向。故障比重比定义为

表3 数控装备子部件故障比重比表

图2 故障比重比主次图

故障比重比最高的是刀库刀架和XY轴电机的故障，说明这2种故障的危害性是最严重的，其次是主轴和气动夹具。这些部件是影响该系列数控装备可靠性的主要因素。

3 结论

通过对东风汽车公司某专业厂同类型5台数控机加装备工作半年的故障数据进行分析，计算出其平均无故障工作时间和平均故障修复时间，并对这2个数据进行有效的区间估计，全面分析了5台设备的可靠性水平，显示本批数控装备的可靠性不高。对故障部位也进行深入分析，利用故障频次主次图和故障比重比主次图找出了故障修复和可靠性改进的具体方向，本批数控装备可靠性改进的主要部件是刀库刀架和XY轴电机。在今后的数控装备设计和制造中应该注重这些部件的可靠性改进。

［1］王桂萍，贾亚洲.数控机床可靠性分析方法［J］.吉林工程技术师范学院学报：自然科学版，2006，22（3）：13-16.

［2］金碧辉.系统可靠性工程［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［3］吴永平.工程机械可靠性［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］王桂萍，贾亚洲，申桂香，等.基于故障比重比的加工中心整机故障分析和可靠性改进措施 ［J］.吉林大学学报：工学版，2008，38（2）：119-122.

［5］程琴芳.机床数控系统的可靠性研究 ［J］.机械科学与技术，1996，25（1）：41-43.

［6］张海波，黄胜全，贾亚洲.数控系统可靠性增长应用技术研究［J］.机械设计与制造，2007，12：204-206.

［7］张英芝，申桂香，贾亚洲，等.数控车床故障分布规律及可靠性［J］.农业机械学报，2006，37（1）：156-159.

Reliability Evaluation and Failure Analysis of Auto Parts Manufacturing CNC Equipments

Fang Kai,Luo Min,Chen Zhichu
(School of Electrical&Information Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

The reliability of domestic common CNC machining equipments for the current auto parts manufacturing was comprehensively evaluated through statistical analysis of the mass production field data based on the method of fault frequency and fault proportion primary-and-secondary diagram. The fault parts for the equipments were classified.The main parts of improving fault repair and reliability were found out.

CNC machining equipment;reliability evaluation;failure analysis

TH17

A

1008－5483（2014）01－0051－03

2013-10-31

国家科技支撑计划项目资助（2012BAF13B00）

方凯（1981-），男，湖北武汉人，硕士，从事汽车生产自动化方面的教学与研究。

10.3969/j.issn.1008-5483.2014.01.0013