面向数控机床的可靠性设计与分析技术
本文对数控机床可靠性设计与分析技术进行了总体介绍，明确了目前数控机床可靠性设计与分析技术的工作重点，同时对在数控机床产品研发设计环节中使用的可靠性设计技术、分析技术进行了说明，还对可靠性设计准则的制定与实施进行了阐述。最后以立式加工中心为例简单介绍了FMECA的分析实例。
一、引言
数控机床是现代制造系统的基本装备，是科技含量很高的工作母机。数控机床作为一种结构复杂的先进加工设备，在现代机械加工中处于比较重要的地位，为机床用户带来了巨大的效益。目前国内研发的数控机床在精度、速度、多轴联动和复合加工等先进功能方面取得了比较明显的进步，但功能和性能指标的维持能力与国外高档产品还存在较大差距，数控机床可靠性问题已经成为各方关注的焦点。
2009年和2010年，工信部共发布了13个机床可靠性技术研究类重大专项课题。“可靠性设计与性能试验技术”排在机床共性技术的首位，是共性技术中发布课题数量最多的，目的之一是充分发挥各单位的可靠性研究特长，形成完善的机床可靠性技术体系。最后将各单位的研究特长进行整合，并将可靠性技术成果在数控机床上进行应用，对数控机床可靠性水平的提高起到积极的技术支持作用。
数控机床是一个复杂的机电液复合系统，不同于一般的电子产品和机械产品那样具备相对完整的可靠性理论体系，同时不像军工装备那样可以不计成本地进行可靠性技术体系的建设与实施，也不具备汽车及消费电子产品的批量大、工艺成熟及基础数据积累丰富的优势。针对数控机床进行可靠性技术研究应该在借鉴其他领域可靠性技术研究的经验及成果上，紧密结合数控机床自身特点制定并实施正确的技术路线，才能形成有工程价值的数控机床可靠性技术。
结合多年来可靠性工作的经验，笔者认为数控机床的可靠性首先是设计出来的，没有设计环节的确立、生产环节的保证和使用环节的保持就无从谈起，因此想要提高数控机床产品可靠性必须要从设计和分析环节入手，将数控机床可靠性技术贯彻到产品的设计、分析和评审环节，才可以从根本上提高产品的可靠性水平。笔者认为目前针对数控机床可靠性研究的现状，在可靠性设计与分析环节应该分别进行如图1和图2中所示的各项工作项目。
二、数控机床可靠性分析技术
1.故障信息收集及分析
针对已有数控机床故障信息的分析不仅可以了解产品的可靠性薄弱环节，更重要的是可以为改进并提高产品可靠性提供依据。由于可靠性数据的收集、获取及分析是可靠性工作的基础，因此应该高度重视可信数据的获取及分析。
为了数控机床可靠性技术研究的需要，可以规划将收集的可靠性数据类型分类为故障数据、维修数据和载荷数据三类，数据来源为用户处及厂内可靠性试验、厂内装配车间出厂试验以及加工车间实际使用过程中暴露出的相关问题，采取“一外三内”的可靠性数据来源途径。由于可靠性关键可靠性度量指标MTBF需要精确的时间统计，因此一定要对数控机床的实际工作时间进行尽可能精确的统计。
可以利用Excel、Mintab和Foxtable等软件实现对机床可靠性数据的存储以及进行基本的数据统计，得出不同类别数控机床故障高发系统等信息，并将不同类型、规格数控机床数据进行了分类保存。也可以通过购置Relex等专业可靠性分析软件进行数据统计，可将收集的可靠性数据汇总存储专业数据库软件中，通过Relex软件方便地对数据进行管理和调用，并实现专业的数据统计分析，将大幅提高机床可靠性数据统计的专业性以及工作效率。
2.可靠性匹配分析
通过对某数控机床产品故障信息进行分析，电气系统、液压系统、排屑系统为故障高发系统，故障数累计占到总故障的76%，经过对故障原因的溯源，除装配调整环节占29.5%之外，其余70.5%以上是外购件问题。因此要结合产品使用特点、工况谱、零件谱和载荷谱等信息，综合分析外购件、功能部件与整机的匹配性，合理选择外购件来保障整机的可靠性。
3.故障模式、影响及危害性分析（FMECA）
FMECA应该作为数控机床可靠性设计过程的主体工作贯穿可靠性设计过程的始终，FEMCA分析的原则应该遵循“谁设计、谁分析”、“边设计、边分析、边改进”，在实施过程中应该由负责设计的工程师直接、主动地联系有关部门的代表，FMECA应该成为促进相关部门充分交换意见的催化剂，在每一个分析小组还要配备一名可靠性专业技术人员作为技术支持。
针对不同数控机床产品要建立相应的故障模式表单，故障模式一般的获取方式有：①以相似产品在过去使用中的故障模式为基础，通过使用环境的异同判定故障模式，该方法适用于产品改型等情况；②对新产品应该从功能、结构出发并结合相似产品故障模式，分析判定其故障模式；③对于外购件可以向供货商索取其产品的故障模式。
在分析故障原因时从两方面入手：①导致故障的各环节缺陷等直接原因；②由外部因素引起故障的间接原因。同时为了便于提高设计人员FMECA分析效率，可靠性技术部门可以建立“FMECA字典”，即固化不同产品的故障部位、故障模式、故障原因，形成查找模板并定期更新，产品设计人员可以进行“菜单式”的选择，规范了流程、提高了效率。
在实际的FEMCA分析中还可以结合危害性矩阵、RPN分析等方法充实完善FMECA过程。
4.故障树分析（FTA）
故障树分析是一种图形演绎法，主要目的是针对重点故障进行因果逻辑分析，找出其发生的所有可能原因和原因组合，便于故障的归零处理。在故障树分析的过程中要多部门共同参与，并明确建树的边界条件。
三、数控机床可靠性设计技术
1.可靠性建模
数控机床的可靠性模型是对系统及其组成单元之间的可靠性/故障逻辑关系的描述。可靠性模型一般包括两类：一是可靠性框图，二是其相应的数学模型。针对数控机床的可靠性框图属于串联模型，因此可靠性建模的重点是梳理及明确产品定义，并结合故障信息建立整机及各子系统的可靠度、故障率数学模型，得出可靠性特征量，为后期的可靠性预计、分配奠定基础。
2.可靠性分配
可靠性分配是将产品可靠性的定量要求合理分配到子系统、组件、零件等单元上的分解过程，在具体操作过程中首先要形成分配的方法和流程，以及各功能部件的具体MTBF指标，使各单元的可靠性定量要求得到明确。对数控机床进行可靠性分配主要的目的有：明确各子系统、部件的可靠性定量要求，为外购件及外协件的可靠性指标提供初步依据；发现设计中的薄弱环节；对不同的设计方案进行比较等。
结合数控机床的实际特点，批量小的新产品由于缺少可靠性数据可以采用评分分配法，针对改型产品应该采取比例组合法进行可靠性分配。
3.可靠性预计
可靠性预计是为了评估数控机床在给定工作条件下的可靠性而进行的工作，通过组成数控机床的各子系统的可靠性来推算整机的可靠性，主要目的有：对整机可靠性指标进行预计；明确设计中的薄弱环节，以便加以改进；为后期可靠性试验等提供数据。可靠性预计采用的方法为评分预计法。
四、数控机床可靠性设计准则
1.建立丰富的可靠性设计规范
应通过长期的工作及研究建立可靠性设计规范，设计规范将针对数控机床在设计环节进行的可靠性设计、分析工作进行需求与约束，明确不同产品采取的可靠性设计、分析手段及实施方法，验证条件等信息。
2.建立可靠性设计评审大纲及流程
建立的评审大纲将评审内容涵盖产品从概念到生产的所有开发阶段，还可延伸到产品的使用阶段。在可靠性设计评审过程中要邀请在产品设计、可靠性、制造、材料、应力分析、人为因素、安全和维修等各专业领域具有丰富经验的专家参与评审。
五、数控机床可靠性分析技术应用实例
本文受篇幅所限无法对数控机床设计与分析技术进行详细介绍，因此以“量大面广”的立式加工中心为例，对如何利用软件平台对立式加工中心进行FMECA分析过程进行简单介绍。该软件平台为沈阳机床集团与东北大学在国家科技重大专项“五轴联动加工中心可靠性设计与性能试验技术”
执行过程中联合研发，依据所述，分析过程分为故障数据的调研和收集、故障数据库的建立、主要故障模式与薄弱环节的确定三个主要环节，下面将举例说明VMC650加工中心主要故障模式与薄弱环节的确定与分析。
1.VMC650加工中心的FMEA分析VMC650加工中心的子系统，包括工作台、换刀系统、辅助系统、主轴箱部位、机械传动系统、床身尾座系统、电气控制系统、液压系统、装夹系统及CNC控制系统，由于加工中心部件层次结构已经基本确定，各子系统的分析步骤是相同的。下面仅以VMC650加工中心换刀系统为例，说明应用所开发软件平台实施FMEA分析的具体步骤。
用户登陆软件平台后，通过单击顶部的tab控件菜单，选择FMEA故障记录管理，进入FMEA分析。单击左侧的VMC650加工中心表示其整体构造层次关系的树状结构进行查询。分析换刀系统，即单击换刀系统，数据显示区显示VMC650加工中心换刀系统的故障，如图3所示。如果想对单个记录进行显示，单击右侧的修改选中记录项，可以具体查看换刀系统某个FMEA具体描述，如图4所示。
同时，用户也可以对其中的故障项目进行更新操作。为了结果更直观，在图3所示的操作界面上，单击右侧的按钮第五项，输出为Excel功能，进行输出，如图5所示，输出结果如图6所示。
该软件平台还可以进行“CA”分析，本文就不进行赘述了。
2.VMC650加工中心FMECA结果分析及薄弱环节的确定
经过在加工中心软件平台下进行的FMECA分析，在导出的FMECA故障Excel表中，通过Excel饼状图或柱形图的输出，可以更直观地把握产品VMC650加工中心不同子系统的运行情况和危害度状况等。
（1）产品危害度分析。
对现有VMC650加工中心不同子系统的分析结果表明，子系统危害度大小排序依次为电气控制子系统、机械传动子系统、刀架子系统、液压控制子系统、床身尾座子系统、装夹子系统、润滑子系统、测量子系统及CNC控制子系统。其余系统的产品危害度较小。各个子系统的危害度情况如图7所示。
（2）典型子系统故障模式概率（频率比）分析。
选择典型的刀库系统进行子系统故障模式概率（频率比）分析，如图8所示。值得注意的是刀库系统中，不能换刀故障模式频发。
3.分析结论
由前述的分析结果，可以得到以下结论，如图9所示。
（1）产品危害度的分析结果显示了不同子系统的危害程度，分析表明电气控制子系统的产品危害度最大，VMC650加工中心电气控制子系统对整个加工中心的运行、可靠性的保证起着至关重要的作用。建议对电气系统零部件采购、研发需要加强控制管理。
（2）对各个子系统故障模式频率比的研究揭示了子系统中哪些故障频出。例如，在刀库子系统中70%的故障是刀库不能换刀，排除工人的操作不当，这种现象非常不正常，已经严重影响了加工中心的日常运行。
（3）VMC650加工中心FMECA分析结果可以为机床的日常维护、产品改进设计提供宝贵的依据。对于频出的故障，企业用户有必要提高其安全等级，即提高检修频次，以保证系统的正常运行。最终，在产品升级过程中，对因结构设计缺陷引起故障频发的部分，需要进行结构、工艺上的改进和完善。
六、结语
由于数控机床可靠性是可靠性技术理论和数控机床两大领域相互结合碰撞而产生的边缘学科，存在着理论、流程相对不完善的现状，同时提升数控机床的可靠性又是行业、企业刻不容缓的迫切需求。由于数控机床可靠性研究存在着全生命周期、多部门专业协同的最大特点，因此应充分调动各部门人员的积极性责任感，利用技术、管理双重保障切实落实可靠性工作，才能显著提高数控机床的可靠性水平。