“数控机床可靠性技术”专题（十二）使用可靠性保障技术

2015-04-24 07:26张根保

制造技术与机床 2015年6期

张根保李磊

（重庆大学机械工程学院,重庆 400044）

从数控机床的全生命周期来看，可靠性技术可以分为可靠性设计，制造过程可靠性保障和使用可靠性保障。而使用可靠性所占周期最长，用户最为关心的即是数控机床的使用可靠性［1］，因为使用可靠性代表了机床的可用性，可用性是数控机床用户对产品最直接的感受。

使用可靠性保障指的是产品在规定的条件下和规定的时间内保障产品正常运行或者完成规定功能的能力［2］。从这一定义看，规定的条件必须通过正确的使用产品来保障。从产品的全生命周期来看，设计过程决定了产品的理论可靠性，制造过程决定了产品的固有可靠性，而使用过程则决定了产品固有可靠性的发挥。数控机床固有可靠性能否得到充分的发挥，与其使用过程有着密切的关系。如果数控机床使用得当，其实际可靠性就会无限逼近固有可靠性；如果使用不得当，其实际可靠性就会大大低于其固有可靠性。

如图1所示：R（t）是产品的固有可靠度，α定义为使用可靠性保障系数，α∈0,1，α的大小表征了使用可靠性保障的好坏，α越大表明保障得越好，反之则表明保障得越坏。图中α1·R（t），α2·R（t），α3·R（t）这3条曲线是3种不同保障状态下的产品实际可靠度。研究使用可靠性保障技术的意义在于采取适当的保障措施提升α值，理想状态为α=1，此时产品的实际可靠度等于其固有可靠度。

统计数据表明，机床由于运行因素引起的故障会占到总故障的20%左右［3］。虽然对设备进行维护保养和维修要增加企业成本，但设备尤其是数控机床这类关重设备发生故障常常会导致严重的后果，会给企业带来巨大的损失［4］。因此，两相比较之下对数控机床采用使用可靠性保障措施是必不可少的，它可以降低事故的发生频率，降低故障造成的损失，但前提是要建立科学的、符合实际的维护保养、维修决策理论和用户监控技术。

图1 产品可靠度曲线

本文从保障数控机床使用可靠性的3个关键技术（维护保养、维修决策、用户监控）入手，分析其对数控机床可靠性的影响机理、控制方法及三者之间的相互关系。

1 维护保养技术

维护保养是由操作者或专业保养人员日常执行的检查、清洗、加油、调整等工作。广义的维护保养还包括对设备运行环境的控制、设备操作条件控制等。日常的维护保养能够减缓设备功能和精度衰退的速率，保证设备良好的工作性能，减少设备的故障，充分发挥设备的效率。

设备的维护保养是管、用、养、修等各项工作的基础，是保持设备完好状态的重要手段，是一项积极的预防性工作。设备的保养也是设备运行的客观要求。设备在使用过程中，由于设备的物质运动、化学作用以及人为因素，必然会导致技术状况不断变化和难以避免的不正常现象，比如连接松动、缺乏润滑导致的干摩擦、防护不佳造成的腐蚀等，这些都是设备发生故障和精度丧失的隐患，如不及时处理，会造成设备过早的损耗，导致设备发生故障。因此，设备的寿命和可靠性在很大程度上取决于维护保养工作。

1.1 数控机床维护保养的意义

数控机床的日常维护保养是数控机床稳定可靠运行的基本保证。调查数据显示，同样的设备，若日常保养良好，那么它工作时发生故障的几率将减少37%［5］，良好的维护保养可以减少设备机械零件的损耗，或者提早发现潜在的故障，提高它的使用寿命，保证设备正常运行；良好的维护保养还可以减少或降低发生意外事故的几率，保证企业资产不受损失及工人的人身安全不受伤害。

1.2 维护保养的主要内容和措施

数控机床的日常维护保养以检查和清洁为主。例如：检查数控机床电气柜状况；检查液压和气动系统的各压力表是否正常，是何种原因导致不正常，压力表自身的问题还是系统的问题；清洗工作台，清除切屑：每次加工完毕后，应当即时洗清机床并加防护油，防止机床零部件生锈，还应即时清除铁屑，防止铁屑进入机床零部件内部导致故障。

文献[1]在对比传统故障频次主次图方法的基础上，提出了应用故障占比方法建立数控机床维修保养项的重要度模型。该模型不仅考虑了零部件的故障频次的高低，还考虑了该零部件在整机中的可靠性影响程度，能客观地反映出机床零部件维修保养项的重要程度，用户便可以视现场情况做出判断是否立即采取维修保养措施，避免由不正常停机而造成经济上的损失。

数控机床是集机、电、液、控于一体的复杂系统，它是由许多相互关联的子系统组成的，而每个子系统又是由大量的零部件组成，这些组成单元都有具体的功能，任何关键零部件发生故障都会造成机床停机。因此，维护保养活动必须具体到机床的子系统。

文献[7]提出基于故障率特性的数控机床维护保养策略，在选定机床关键子系统的基础上，对关键子系统进行FMEA分析，得到各故障模式的重要度（critial analyse,CA），最后综合考虑各零部件重要度和维修信息，制定出数控机床的维护保养计划。

对于数控机床的日常维护保养，必须要有强力的手段进行评审和控制，从而确保机床的维护保养正确实施。其中，5S管理体系对机床的维护保养具有很重要的意义。

5S管理是目前现场管理中一种常用的、重要的管理方法，它包括整理、整顿、清扫、清洁、素养，其核心思想是针对企业中每位员工的日常行为提出要求，倡导从小事做起，力求使每位员工都养成事事讲究的习惯，从而达到提高整体工作质量的目的。5S管理的内涵如表1所示。

表1 5S管理内涵

5S管理是企业现场管理的基础，其中的清扫和清洁对数控机床的维护保养起到至关重要的作用。

另外，检核表是最常用、最简单、最有效的评审控制方法，它可以体现精细化、系统化、标准化等众多设备管理思想，对于信息化工作比较到位的公司，可以编制一套日常维护信息化管理系统。另外，维修保养监控系统也是维护保养的强有力手段，维修保养监控系统是将数控机床维护项集成在维修保养界面上，构建维修保养监控系统，对维修保养项进行全程实时监控，将检测到需要维修保养的项显示在维修保养界面上。作者所在的团队在国内率先开发了一套日常维护管理软件，在机床开机时必须完成一系列日常维护管理活动的输入，机床才能正常运行，这样就可以对数控机床进行强制维护。下面列出部分数控机床日常维护清单，完整内容见文献[6]。

2 维修决策技术

机械设备和系统的维修方式主要有事后维修和预防性维修两大类［7］。机械设备故障具有随机性，事后维修由于事先缺乏周密的准备，维修时间长，往往会带来较大的停机损失；预防维修是在机械设备零部件发生故障前进行定期检查、维修和更换，有防患于未然的思想。下面首先简单介绍维修发展过程和我国企业设备维修现状及存在的问题，然后对两类维修方式的特点和适用场合进行介绍。

表2 数控机床日常维护保养清单（部分）

2.1 维修发展过程

设备维修的发展过程大致可以分为4个阶段：事后维修阶段处于20世纪40年代之前；预防维修阶段大约在20世纪40年代到60年代；在20世纪60年代到70年代之间，出现了生产维修，它的本质仍是以预防性维修为主，但还需兼顾生产和设备设计制造，以美国为代表的西方国家大多采用此种维修制度；20世纪70年代以来，随着工业化水平的不断提高，企业不再只考虑设备的某些单一方面内容，设备综合效能的提升成为研究的热点，有关设备综合管理的理论应运而生，比较有影响力的是：美国的后勤学（logistics）［8］、英国的设备综合工程学（terotechnology）［9］、日本的全员生产维修（total productive maintenance，TPM）和以可靠性为中心的维修（reliability centered maintenance，RCM）［10］。这些维修管理理论极大地提高了设备管理水平，为设备维修管理的广泛运用奠定了坚实的基础。

全员生产维修是日本在学习美国预防维修和英国设备综合工程学的基础上发展起来的设备维修管理方法，全员生产维修的核心思想是“全面”，全面的含义有3层，即全效益、全系统和全员参加。全效益的目标是追求设备生命周期费用最小，即设备的经济效益最高；全系统是对设备的全寿命周期，涵盖设计、制造、装配、使用维修、报废和更新改造的全过程进行管理；全员参加是指与设备整个寿命周期相关的部门和人员都需要参加到设备管理中来。因此，全员生产维修的指导思想是全员参加的，以提高设备寿命周期综合效率为目的的维修制度，它适用于企业的设备管理和使用部门，侧重于企业生产现场的设备管理，是一种旨在发动企业与设备寿命周期相关的全部人员参与的先进维修管理制度。

随着机电一体化系统的日益复杂，很多学者不断完善和发展了机床维修决策技术，作者所在的可靠性研究团队［11］将以可靠性为中心的维修决策（RCM）理论应用到数控机床维修决策中，将数控机床维修决策过程分为收集信息、确定重要功能单元、FMEA分析、维修方式决策、综合形成大纲等几个步骤，针对每个步骤中的关键难点问题，分别建立数学模型，为维修决策定量化研究提供工具。另外，作者所在的可靠性研究团队［7］在研究数控机床故障机理和故障规律的基础上，通过收集大量故障数据，建立基于实际故障率曲线的预防维修决策模型，结合故障率曲线的特性对数控机床不同使用阶段采用不同的预防维修方式。把预防维修决策理论与日本的全员生产维修思想相结合，建立数控机床维修的精细化管理体系，探讨基于故障率特性的数控机床预防维修决策理论的实际应用。对数控机床生命周期的不同阶段采用不同的预防维修方式，为数控机床的维修决策管理提供了一种新思路，在维修过程中如何全面考虑维修方式和合理确定维修时间等，也提出了新的建模思路。

2.2 我国企业设备维修现状及存在的问题

我国的可靠性工程起步于上世纪60年代，当进入80年代后，得到了迅速发展，特别是武器装备、核工业领域、航空航天、电子等领域同样得到了普及，并已取得了成效，可靠性及维修性工作成效显著。其中，在设备维修管理上我国从20世纪50年代起就开始学习前苏联的计划预修制度，并吸取美国预防维修制度的长处，初步建立起设备综合管理的概念，注重设备全过程管理和经济效益；改变原来只恢复设备功能的维修理念，采用修理与改造相结合的方式，提高设备的性能；初步建立起设备预防维修制度，以设备技术状态为基础，与计划修理相结合，开始应用设备状态检测和故障诊断的科学手段，采用比较灵活的维修方式。

尽管我国的设备维修管理工作取得了喜人的成就，但与国外先进工业企业相比仍存在很大的差距。我国的企业大多采用集中的维修体制，维修理论是基于传统浴盆曲线的计划预修制，它不注重设备的基础保养工作，对维修的经济性、维修质量和维修劳动生产率均考虑不够。我国工业企业设备维修存在如下几方面问题：

（1）企业缺少完整的设备维修计划、维修资源。缺乏对设备维修系统的管理和研究，没有制定科学、合理的维修计划，没有准备充足的维修备件，缺少企业管理层的支持和预算控制。

（2）维修不足和维修过剩现象非常突出。由于缺乏系统的维修管理理论，在制定维修计划时主要凭经验，存在很大的主观偏差；各部门之间协调配合存在冲突，经常造成设备停机后维修不及时或维修过剩，带来巨大的维修费用和人力损失。

（3）维修手段落后。对设备运行状态缺乏必要的监控和检测手段，在设备故障发生之后基本采用手动维修，自动化程度低。维护系统的智能性和开放性不足，系统升级困难，造成极大的资源浪费。

（4）维修决策理论落后。近年来，许多国内学者研究和拓展了维修决策理论，取得了很大的成就，但我国的企业大多仍沿用前苏联的计划预修制，采用基于浴盆曲线的定期预防维修方法，这种维修体制已经不适应现代数控机床技术的飞速发展。

2.3 维修方式及类型

2.3.1 维修方式

（1）事后维修

事后维修是在设备发生故障后才进行维修，使出现故障的设备恢复正常功能的一种维修方式，有时也称为故障维修。由于它的维修时机无法控制，会造成无法预计的故障停机，对于关重设备会带来巨大损失，一般不宜采用这种维修方式。但对于一些即使发生故障也不会造成重大损失的设备，如密封件一类的机械零部件和某些偶然故障，就没有必要进行预防维修，可以在故障发生后再进行维修或更换，这避免了设备零部件不必要的拆卸、检查和维修，反而提高了设备的有效使用度和使用经济性。

（2）预防维修

预防维修的思想是将产品的故障消除于其发生之前，在故障潜伏期或正常运行期进行预防维修，提前更换即将损坏的零部件可以预防故障发生，可以有效减少机床产品的故障停机时间，提高机床的使用效率，为企业带来良好的经济效益。做好预防维修管理，减少其故障发生概率，充分发挥固有可靠性是关键。预防维修具体的方式有3种：定期预防维修、视情维修和监控维修。

定期预防维修是每隔一段时间对设备进行一次计划性的维修，在规定时间前发生的故障采用事后维修方式。定期预防维修立足于概率统计，根据经验和设备的故障数据统计来确定维修方案，维修时机掌握明确，便于维修工作的组织和计划，可以预防那些不拆开就难以发现和预防的故障。但定期预防维修必须在设备零部件将要进入耗损失效期前进行维修或更换，维修故障的对象针对性较差，导致维修工作量大，会造成较大浪费。

视情维修立足于失效物理分析，通过定期或不定期检测得到设备的状态，以此来确定设备维修时机。视情维修也叫状态维修，是以状态为依据的维修，在数控机床运行时，对其重要部位进行定期或连续的状态监测和故障诊断，判定数控机床所处的状态，预测数控机床状态的发展趋势而制定预测性维修计划。状态维修的理论依据是：数控机床都有自己的状态，即将出现问题的数控机床会出现一些可观察、可感觉或可测量到的征兆，例如噪声、振动、发热、裂纹或耗电量的改变等，并且这些信息是与故障发生有直接关系的。因此，可以通过监测这些信号来预测数控机床的健康状态。国内许多学者对数控机床的状态维修做了大量研究：史晋芳[12]提出将人工智能技术应用于数控系统的策略和模型，采用专家系统的框架构造出数控机床故障诊断的专家系统模型，提出利用知识库中的管理子系统管理各子知识库，从而提高了故障诊断效率。卢艳军[13]分析了数控机床状态监测的主要内容，论述了设备状态监测系统的基本组成和状态监测系统实现的关键技术，针对数控机床的加工过程，给出了数控机床状态监测系统的工作流程和系统实现的具体结构。吴光琳[14]等人利用神经网络建立刀具的负载模型，根据该模型和断裂力学的相关理论，检测刀具所受的负载是否超过应力疲劳条件下的裂纹扩展负载，并做出相应的处理，使刀具不会出现脆性断裂，以保证加工的质量和机床的安全。

监控维修是指通过监控系统对设备工作状态进行连续监控，到发现设备出现某种故障征兆时进行维修。监控维修是一种综合利用设备的使用维修数据和运行状态连续在线监控相结合的维修方式，它属于视情维修的一种。另一方面也可以把监控维修看成是把设备运行状态的视情检测提高到连续监控阶段，即监控维修是视情维修发展的更高阶段，它能使设备零部件寿命得到充分利用，并减少了工作量，缺点是监控系统所需费用高、投资较大，仅适用于重要设备。数控机床状态监控项如表3所示。

表3 数控机床状态监控项

2.3.2 维修类型

设备的维修类型根据维修的内容、要求以及工作量大小，可分为大修、中修和小修，现分别对其特点和适用范围简要介绍。

（1）小修

小修的工作内容主要是针对日常点检和定期检查中发现的问题，拆卸有关零部件，进行检查、调整、修复或更换失效零件，旨在恢复设备的正常功能。对于实行定期维修的设备，小修主要是根据设备的磨损规律，更换或修复在修理间隔期内失效或即将失效的零件，并进行调整，来保证设备的正常功能。

（2）中修

中修的工作内容主要是修复和更换设备的重要零部件以及数量较多的其他磨损件，它的工作量比小修大。对于中修的时间周期，需要根据机床的历史故障数据及对机床的监测数据去制定。

（3）大修

大修是对功能和性能均已严重丧失的机床进行比较大规模的维修或是对比较落后的机床进行数控化改造。机床使用一定年限后（一般在8～10年），由于经过长期运转或负荷工作，即使对机床进行严格地维护保养，机床的某些零部件也会达到使用寿命，磨损和老化现象严重，机床整机性能下降，精度严重丧失，因此需要对机床进行大修，以使机床恢复正常加工的能力。

机床大修的形式从内容上讲可以是机械、电气或液压等方面的维修或更换；可以是数控系统甚至包括主轴、坐标驱动系统的升级换代；可以是普通机床的数控化；可以是普通继电器逻辑的 PLC 化改造；可以是机床改变性能，倒如刨改铣，也可以是多种改造内容的组合。从组织上讲可以一家公司承包，可以几家公司联合承包，也可以改造者与用户合作承包。从时间上讲可以一次完成，也可以签订分阶段执行合同。从地点上讲可以在用户现场执行，可以在改造者场地执行，也可以在合适的第三方场地执行。

机床大修相比于购买新的机床，有一些明显的优势：交货期短，尤其是大型机床和特殊专用机床优势更明显；性能更稳定，设计风险小，铸件经长期时效几乎不会产生应力变形，各功能部件经长期磨合，功能稳定性好；更充分地表现用户的意愿，从更换数控系统到机床部件都有较大的选择权，而且可以直接介入改造方案甚至改造设计及调试，节省大量投资。

另外，通过对机床用户调研发现，某些用户对旧机床大修或对旧机床数控化改造后，机床恢复了加工精度，增加了加工效率，为企业带来了具体的效益。

2.4 维修方式及类型的决策

设备的维修决策主要包括维修方式和维修类型的决策。维修方式决策是根据设备的可靠性、维修性、可监测性和经济性，合理确定出设备的维修方式，而设备的维修方式有事后维修、定期维修、状态维修、监控维修等。维修类型决策是根据设备定期检查或状态监测结果确定设备的技术状态，以设备技术状态为基础选择设备的维修类型，包括大修、中修和小修，以此来科学地指导设备维修工作。

2.4.1 维修方式的决策

设备维修方式决策的目标是在保证生产的前提下，合理利用维修资源，达到寿命周期费用最小，即用最少的钱取得最好的维修效果。但如果从修理费用、停机损失、维修组织和维修效果去衡量，每种维修方式都有各自的优缺点和适用范围。常用的选择标准有按故障模式特征选择和按设备分类选择。但不论以何种标准，维修方式选择主要考虑的因素是设备在生产中的地位、设备维修性、故障特性、备件供应、设备价值和故障检测的难易程度，企业可以根据自身的设备特点、生产要求、资金和资源情况择优选择，在一个企业里，通常是多种维修方式并存，甚至一台设备的不同零件也可以选择不同的维修方式。

（1）按设备故障特征选择维修方式

根据设备在生产中的地位和故障危害程度，确定是否允许事后维修，若设备故障影响小，不会危及生产及安全，且预防维修经济性差，则采用事后维修的方式，反之则采用预防维修。对于预防维修方式，当故障发生周期性较强，检测又比较困难，则采用定期计划预防维修方式，反之则实行状态维修。

（2）按设备分类选择维修方式

对设备的重要性进行分类，关键设备由于其运行状态直接影响企业生产，因此，在技术和经济可行的条件下，优先选用状态维修方式，次之选择定期维修方式。对于主要设备，一般采用定期维修方式。对于次要设备，由于其失效对整个生产过程影响较小，一般采用事后维修的方式较为经济合理。上述讨论的是一般过程，其实设备的分类不是一成不变的，应根据企业检测和维修能力、管理水平和生产情况等因素，实时调整维修方式，并尽量以状态维修为主。

2.4.2 维修类型的决策

设备维修类型主要有大修、小修和中修，大修常用于定期的检修或重大故障，小修常用于预防维修中日常点检、定期检查或修理间隔期发现的问题，中修工作量介于大修和小修之间，常用于局部修理和主要零部件的修理和更换。在传统计划预修制中，一般按照统一的修理周期及修理间隔期安排计划修理，从而导致设备的某些部件技术状态尚好却安排了中修或大修，造成维修过剩；也可能在设备技术状态劣化已难以满足生产工艺要求，但未到修理期而没有安排计划维修，造成维修不足。

维修策略的选择应视具体维修对象，具体分析，权衡利弊，统筹决策。近年来,随着维修理论和相关技术的发展，维修的观念正在发生深刻的变化。传统的修复性维修（故障后修理）与定期的预防维修方式，正在向结合预测性维修的预先维修方式逐渐转变。可针对关键部件的现场故障数据，结合故障预测技术，探讨有效的预防维修策略并加以实施。

维修策略的选择与维修成本有很大的关系，制定设备维修策略的基本原则是：在满足运行可用度的前提下，使维修成本最低，以实现设备维修的优化。维修费用包括预防性维修费用和事后维修费用。一般按预计的维修费用最低确定维修周期。文献[14-16]给出了基于总费用最小的维修周期模型、以可靠性为中心的维修成本优化模型、可用度和维修成本取得最优的模型。

随着机电一体化系统的日益复杂，很多学者不断完善和发展了机床维修决策技术，作者所在的可靠性研究团队［17］将以可靠性为中心的维修决策（RCM）理论应用到数控机床维修决策中，将数控机床维修决策过程分为收集信息、确定重要功能单元、FMEA分析、维修方式决策、综合形成大纲等几个步骤，针对每个步骤中的关键难点问题，分别建立数学模型，为维修决策定量化研究提供工具。

另外，作者所在的可靠性团队［7］在研究数控机床故障机理和故障规律的基础上，通过收集大量故障数据，建立基于实际故障率曲线的预防维修决策研究模型，结合故障率曲线的特性对数控机床不同使用阶段采用不同的预防维修方式。把预防维修决策理论与日本的全员生产维修思想相结合，建立数控机床维修的精细化管理体系，探讨基于故障率特性的数控机床预防维修决策理论的实际应用。对数控机床生命周期的不同阶段采用不同的预防维修方式，为数控机床的维修决策管理提供了一种新思路，在维修过程中如何全面考虑维修方式和合理确定维修时间等，也提出了新的建模思路。

3 用户监控技术

数控机床的用户监控技术包括运行环境监控和状态监控。用户监控技术主要体现在用户监控系统上，用户监控系统是综合运用检测、电子、计算机等各学科的复杂系统开发的实现过程。

下面对用户监控系统的原理和设计进行阐述。

3.1 用户监控系统的原理

数控机床的运行环境是指数控机床工作时的温度、湿度、振动、噪声、电源电压、接地等诸多方面。运行环境对数控机床的使用可靠性很重要，安装位置要避免太潮湿、粉尘过多或有腐蚀气体的场所，一般要求要避免阳光的直接照射和其他热辐射。精密数控机床要远离振动大的设备，如冲床、锻压设备等。数控机床一般采用专线供电（如从低压配电室分一路单独供数控机床使用）或增设稳压装置等，以减少供电质量的影响。

下面以环境温度为例分析其对数控机床使用可靠性的影响。随着机床向高速度、高精度和柔性自动化方向的迅速发展，对机床的加工精度和可靠性提出了更高的要求，改善机床的热态特性，已经成为机械制造技术发展中最重要、最迫切的研究课题之一。其中，外热源对机床的影响，即机床受到日光的照射或周围环境温度的影响，通常是单面的或局部的，因而在机床内部之间出现温度的差异，致使机床产生变形，影响机床加工精度。表4列出了环境温度对数控机床各功能部件的影响方式。

状态监控系统通过对数控机床加工过程中设备运行状态的实时监测，包括对机械状态量的监测，状态特征参数变化的辨识，机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防等等。其实质是了解和掌握机床在运行过程中的状态，优化设备运行和加工过程，在出现异常时，可提供分析的数据。运行状态监控系统与数控系统同时启动，并后台运行，实时在线对数控机床的运行参数进行监控，防止用户对机床的超限使用，并依据监控系统所得的参数进行视情维修决策。此外，运行状态监控系统还可以辅助用户进行机床故障诊断，并指导用户进行维修。常见的数控机床状态监控项如表3所示。