高档加工中心的可靠性分析

李军成， 隗纪强， 倪文凯， 朴成道

（延边大学 工学院，吉林 延吉 133002）

0 引言

加工中心是一种加工复杂零部件的高效率自动化机床，在高端装备制造行业上占有重要的地位，但是，伴随着机械设备的功能水平及自动化程度提高。机床发生故障的可能性越来越大，可靠性问题已严重制约了数控机床的发展，国外发达国家在中高档机床可靠性方面明显高于国产机床［1-2］。本文以韩国H公司生产的SIRIS-850型加工中心为研究对象，对其进行了可靠性相关分析。图1为SIRIS-850机床的外观和结构，其特点是配有FANUC-18iMB数控系统，主轴转速最高可达12 000 r/min，刀库系统自带24把刀具。

图1 SIRIS-850机床的外观和结构

1 数据的采集和处理

本文针对韩国H公司生产的SIRIS-850型加工中心，通过现场定时截尾实验法，按照故障计数的原则，并结合该型号加工中心的结构特点和实际使用情况，由专业人员对161台同型号加工中心进行了故障相关数据的采集。

2 加工中心的故障部位和模式分析

2.1 危害度分析

危害度分析法［3-5］综合考虑了周围环境、人员安全、整机的性能对整机故障的影响程度，可以更准确地得到该型号加工中心的关键部位，为后续可靠性的相关研究提供参考依据。危害度计算公式［3-5］为

基于危害度计算公式，得到各子系统的危害度值，如表1所示。从表1中可知，自动换刀系统和进给系统对整机危害度影响最大，另外，主轴系统和电气系统也较大，其他的子系统影响相对较小。

表1 子系统的危害度值

2.2 子系统故障分析

为了进一步摸清加工中心的薄弱环节，有必要对各子系统的故障模式进行分析，得到它们各自的薄弱点。通过以上分析可以看出，自动换刀系统对整机的危害性最大，为了提高可靠性改进的工作效率，有必要首先对自动换刀系统进行分析。由于该系统的主要零部件对其可靠性要求基本一致，采用危害度分析效果不明显，所以，对自动换刀系统采用了传统频次分析法［5］。

按照传统频次分析方法，得到自动换刀系统的故障频率表，如表2所示。从表2中可得，在自动换刀系统的故障模式中，发生频率最多是运动部件卡死。另外，刀库失调和机械手掉刀发生的频率也较多。

表2 自动换刀系统的故障频率表

3 基于可靠性统计理论的加工中心故障数据分析

3.1 确定分布类型

在数控机床可靠性分析中，威布尔分布、正态分布、对数正态分布、指数分布是常见的分布类型［6］。本文应用Matlab 软件，主要应用 probplot命令［7］，得到如图 2 所示的4种分布频率图。通过比较分析，威布尔分布较符合该故障数据的分布类型。

3.2 参数估计和拟合校验

应用最小二乘法［7］，按照上节所确定的分布规律，得到了尺寸参数k和形状参数n的估计值。得出k=1250.5，n=0.6285。

应用D检验法［7］，对两个参数值进行了校验。临界值=0.061≥max|F（t）-（=0.042l，则可以判断i该故障数据服从威布尔分布规律。

图2 分布频率图

通过以上分析得出，该故障数据服从的威布尔分布函数［7-9］为

3.3 平均故障间隔时间MTTF［7-9］

平均故障间隔时间是数控机床时间质量的体现，是数控机床在规定时间内保持功能的衡量标准，是评价数控机床可靠性的重要指标。基于服从的威布尔分布规律，得出该型号加工中心MTTF=k×）=1774.6 h。应用国内的可靠性评判等级［10］对该型号加工中心进行评价，可以看出该型号加工中心的可靠性水平相当高。

4 结论

基于危害度法和传统频次法分别对加工中心的故障部位和子系统的故障模式进行了分析，得出在加工中心中自动换刀系统和进给系统危害度最高，运动部件卡死是影响自动换刀系统可靠性的最主要因素；同时，对故障数据的分布规律进行了研究，合理地确定了分布模型，并进行了参数估计和检验，得出其服从威布尔分布模型的规律；并通过计算得到其平均故障间隔时间为1774.6 h，由此可知，其可靠性水平相当高。通过此次对国外高档加工中心的可靠性分析，可为研究国产机床可靠性提供参考依据。

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