| 1 前言
數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)裝備，其技術(shù)水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家的工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。數(shù)控機(jī)床的可靠性是機(jī)床質(zhì)量的關(guān)鍵。目前國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性水平與國(guó)外相比明顯偏低，嚴(yán)重影響了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的競(jìng)爭(zhēng)能力，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性已成為當(dāng)務(wù)之急。
可靠性分析是以大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，借助有計(jì)劃、有目的地收集產(chǎn)品壽命周期各階段的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，所以可靠性數(shù)據(jù)的收集和分析在可靠性工程中具有重要地位。然而這方面正是國(guó)內(nèi)可靠性研究中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。在1996年7月1日至1996年12月31日期間，我們收集了一汽集團(tuán)長(zhǎng)春齒輪廠的42臺(tái)CNC車床的可靠性數(shù)據(jù)，并初步建立了數(shù)控車床可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)。以此為例說明數(shù)控機(jī)床可靠性數(shù)據(jù)的采集方法及數(shù)據(jù)庫(kù)的建立方法。
2 可靠性試驗(yàn)方案的確定
可靠性試驗(yàn)是取得可靠性數(shù)據(jù)的主要方法之一，它是進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)和分析的基礎(chǔ)。近30年來，可靠性試驗(yàn)方法取得很大發(fā)展。可靠性試驗(yàn)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢。對(duì)于數(shù)控車床而言，主要考慮試驗(yàn)場(chǎng)所和試驗(yàn)樣本兩方面。
按試驗(yàn)場(chǎng)所，可靠性試驗(yàn)分為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)兩種。數(shù)控車床由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用條件中的不確定因素很多，故選用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法能夠采集到真實(shí)的可靠性情況。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中數(shù)據(jù)可靠性問題是一個(gè)關(guān)鍵問題。事先必須制訂完善的采集計(jì)劃，事后應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以排除不合理因素。
可靠性試驗(yàn)按樣本大小可以分成全數(shù)試驗(yàn)和抽樣試驗(yàn)兩類。對(duì)于數(shù)控車床這種批量產(chǎn)品不可能進(jìn)行全數(shù)試驗(yàn)，只能采用抽樣定時(shí)截尾的試驗(yàn)方法。為了使收集到的數(shù)據(jù)具有代表性，并且便于數(shù)據(jù)收集，在選取試驗(yàn)樣本時(shí)，應(yīng)選取盡量多的數(shù)控車床作為抽樣樣本，所選取的設(shè)備應(yīng)該比較集中。因此本文選擇了數(shù)控車床使用量大且設(shè)備比較集中的一汽集團(tuán)長(zhǎng)春齒輪廠作為試驗(yàn)基地，將其42臺(tái)CNC車床作為樣本，進(jìn)行了半年跟蹤調(diào)查。
3 可靠性數(shù)據(jù)的采集
根據(jù)《數(shù)控車床可靠性評(píng)定方法》，即標(biāo)準(zhǔn)JB/GQ1153-90數(shù)控車床的故障判據(jù)為：
1） 由于數(shù)控車床的質(zhì)量缺陷，在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)不能完成規(guī)定功能的事件便成為故障。
2） 在用戶正常使用之前的早期故障，由于是在規(guī)定的截取范圍以外，所以不計(jì)為故障。
3） 與整機(jī)功能暫時(shí)無關(guān)或影響較小的局部微小故障不計(jì)為故障。
4） 不按規(guī)定操作使用而引起的誤用故障不計(jì)為故障。
在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，必須首先明確數(shù)控車床故障模式。我們?cè)趨⒖肌稊?shù)控車床可靠性評(píng)定方法》的同時(shí)，根據(jù)數(shù)控車床的本身特點(diǎn)和使用中的實(shí)際情況，制定了數(shù)控車床故障模式表（表1）。 表1 數(shù)控車床故障模式表
| 序號(hào) | 故障模式 | 序號(hào) | 故障模式 | 序號(hào) | 故障模式 | 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23 | 運(yùn)動(dòng)部件爬行
運(yùn)動(dòng)部件抖動(dòng)
運(yùn)動(dòng)部件異響
運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)失靈
運(yùn)動(dòng)部件間隙過大
運(yùn)動(dòng)部件竄動(dòng)
運(yùn)動(dòng)部件過緊
運(yùn)動(dòng)部件卡死
運(yùn)動(dòng)部件變速失靈
運(yùn)動(dòng)部件超速
運(yùn)動(dòng)部件掉檔
振動(dòng)影響工件質(zhì)量
機(jī)電互鎖機(jī)構(gòu)失靈
鎖緊部件失靈
緊固件松動(dòng)
預(yù)緊機(jī)構(gòu)松動(dòng)
定位裝置失靈
夾緊裝置失靈
夾緊裝置提前夾緊
夾緊裝置提前松開
夾緊裝置夾不緊
夾緊裝置松不開
零、部件損壞 | 24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46 | 零、部件變形
零、部件松動(dòng)
零、部件脫落
軸承損壞
轉(zhuǎn)位無動(dòng)作
轉(zhuǎn)位不到位
轉(zhuǎn)位超程
幾何精度超標(biāo)
定位精度超標(biāo)
工作精度超標(biāo)
性能參數(shù)下降
回零不準(zhǔn)
定向不準(zhǔn)
坐標(biāo)原點(diǎn)漂移
噪聲超標(biāo)
溫升過高
氣、液控制失靈
液、氣、油滲漏
液、氣、油堵塞不暢
液、氣、油元部件損壞
密封件損壞
護(hù)板、護(hù)罩損壞
防護(hù)門開關(guān)損壞 | 47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69 | 數(shù)控系統(tǒng)不能正常工作
主機(jī)未按程序指令執(zhí)行
程序、參數(shù)記憶功能紊亂
數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤
元器件功能喪失
元器件誤動(dòng)作
元器件損壞
元器件參數(shù)漂移
電機(jī)起動(dòng)不起來
電機(jī)不能正常工作
電機(jī)過載
電機(jī)損壞
誤報(bào)警
線路、電纜接觸不良
線路、電纜斷路
線路、電纜短路
熔斷器損壞
傳感部件失靈
易損件超期損壞
轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)位不靈活
空氣開關(guān)跳
CNC參數(shù)錯(cuò)
其它 | 根據(jù)所確定的試驗(yàn)方案，按如下步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：
1） 參考《數(shù)控車床可靠性評(píng)定方法》，我們編制了《數(shù)控車床故障分析報(bào)告》（表2），分別對(duì)每臺(tái)受試車床進(jìn)行跟蹤。
《數(shù)控車床故障分析報(bào)告》填寫說明：
a. 從試驗(yàn)開始起，記錄被試車床故障，發(fā)生一次故障，填寫一份故障分析報(bào)告。
b. 按照故障發(fā)生時(shí)間順序填寫故障序號(hào)。
c. 要求填表人簽字，用戶單位加蓋公章，以保證數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。
2） 與協(xié)作廠家定好執(zhí)行計(jì)劃，由廠家派專人負(fù)責(zé)填寫故障分析報(bào)告。一旦故障發(fā)生，立即根據(jù)故障判據(jù)和故障類型填寫報(bào)告，恢復(fù)后應(yīng)繼續(xù)觀察。
3） 每隔一定時(shí)間進(jìn)行中途檢查，了解現(xiàn)場(chǎng)情況，并就具體問題進(jìn)行指導(dǎo)。
由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到的主要數(shù)據(jù)項(xiàng)如表2所示。這樣就可以根據(jù)需要建立數(shù)控車床的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，以滿足不同的數(shù)據(jù)分析要求。 表2 數(shù)控車床故障分析報(bào)告
| 車間 | - | 班組 | - | 年月日 | | 設(shè)備編號(hào) | | 設(shè)備役齡 | - | 設(shè)備型號(hào) | | | 設(shè)備名稱 | - | 故障序號(hào) | - | | 工作環(huán)境 | - | 故 障
現(xiàn) 象 | - | 故 障
原 因 | - | | 處理方法 | - | | 起始時(shí)間 | 日時(shí)分 | 共 計(jì) | 臺(tái)時(shí) | | 終止時(shí)間 | 日時(shí)分 | 工時(shí) | | 修理工 | - | 維修組長(zhǎng) | - | 設(shè)備使用人 | - | 4 數(shù)控車床可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立
可靠性分析是以大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，只有在擁有真實(shí)、可靠數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們才能進(jìn)行故障分析、可靠性設(shè)計(jì)等，才能對(duì)機(jī)床的設(shè)計(jì)、使用、維修等提出合理的改進(jìn)意見。可靠性數(shù)據(jù)的積累是一個(gè)長(zhǎng)期的、艱巨的過程。在此過程中必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織和管理，而這是手工難以完成的，必須借助于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)可以理解為在一個(gè)或多個(gè)單位中，為多個(gè)用戶服務(wù)的、在計(jì)算機(jī)上可運(yùn)行的、具有一定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集合。目前較流行的數(shù)據(jù)庫(kù)類型有三種：層次型、網(wǎng)絡(luò)型和關(guān)系型。我們使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)FOXPRO，建立了數(shù)控車床可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)。
建立數(shù)控車床可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)主要目的如下：
1） 為數(shù)控車床的可靠性指標(biāo)評(píng)估提供重要信息；
2） 為故障分析，可靠性設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；
3） 為改進(jìn)數(shù)控車床的可維修性，提高數(shù)控車床的使用有效度提供信息；
4） 建立數(shù)控車床的故障檔案，以便進(jìn)行比較和預(yù)測(cè)。
數(shù)控車床可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。 表3 數(shù)控車床可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
| 序號(hào) | 名稱 | 類型 | 寬度 | 序號(hào) | 名稱 | 類型 | 寬度 | 1
2
3
4
5
6
7
8
9 | 機(jī)床編碼
機(jī)床型號(hào)
機(jī)床名稱
使用廠家
制造廠家
故障現(xiàn)象
故障原因
處理方法
故障日期 | 字符
字符
字符
字符
字符
字符
字符
字符
日期 | 8
8
40
40
40
40
40
40
8 | 10
11
12
13
14
15
16
17
18 | 修復(fù)日期
故障時(shí)間
修復(fù)時(shí)間
維修時(shí)間
維修工時(shí)
故障模式
故障部位
累積時(shí)間
故障編碼 | 日期
數(shù)字
數(shù)字
數(shù)字
數(shù)字
字符
字符
數(shù)字
字符 | 8
8.3
8.3
8.3
8.3
40
40
10.3
8 | 為滿足數(shù)據(jù)分析的需要，它所包含的字段名稱與表2中各記錄項(xiàng)目名稱有所不同。現(xiàn)對(duì)部分字段作如下解釋。
故障日期：數(shù)控車床發(fā)生故障時(shí)的具體日期（年/月/日）；
修復(fù)日期：數(shù)控車床恢復(fù)正常工作時(shí)的具體日期（年/月/日）；
故障時(shí)間：發(fā)生故障時(shí)的具體時(shí)間（單位：h）；
修復(fù)時(shí)間：機(jī)床恢復(fù)正常工作時(shí)的具體時(shí)間（單位：h）；
維修時(shí)間：指純修理時(shí)間（單位：臺(tái)時(shí)）；
故障部位：發(fā)生故障的子系統(tǒng)及部件，以代碼表示。具體代碼見表4； 表4 子系統(tǒng)及部件代碼
| 代碼 | 名稱 | 代碼 | 名稱 | 代碼 | 名稱 | S1
X
B
F
W
T
J
S2
Y | 主傳動(dòng)系統(tǒng)
X向進(jìn)給系統(tǒng)
B軸進(jìn)給系統(tǒng)
伺服控制單元
冷卻系統(tǒng)
工作臺(tái)
卡盤及夾具
主軸組件
Y向進(jìn)給系統(tǒng) | C
D
K
CT
V
M
Z
NC
G | C軸進(jìn)給系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)
排屑系統(tǒng)
交換工作臺(tái)
電器系統(tǒng)
轉(zhuǎn)塔（刀庫(kù)）
Z向進(jìn)給系統(tǒng)
CNC系統(tǒng)
氣動(dòng)系統(tǒng) | E
Q
N
H
A
PC
L
P
R | 電源
整體防護(hù)
不明
機(jī)械手
A軸進(jìn)給系統(tǒng)
PLC系統(tǒng)
潤(rùn)滑系統(tǒng)
外接口
其它 | 維修工時(shí)：維修時(shí)所耗費(fèi)的工時(shí)（單位：工時(shí)）；
累積時(shí)間：從試驗(yàn)開始到本次故障總的工作時(shí)間（單位：h）；
故障編碼：即故障分析報(bào)告中的故障序號(hào)；
機(jī)床編碼；由8位數(shù)字組成，具體如圖所示： 按照上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部編碼方法，建立數(shù)據(jù)庫(kù)文件DATABAS.DBF。由數(shù)據(jù)庫(kù)文件DATABAS.DBF生成如下索引文件：IDXTOOL.IDX、IDXFACT.IDX、IDXUSE.IDX、IDXMODE.IDX、IDXPOS.IDX等。利用這些索引文件，我們可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，分別按照機(jī)床、制造廠、使用廠、故障模式、故障部位等字段進(jìn)行檢索或數(shù)據(jù)重組，以滿足不同目的的數(shù)據(jù)分析要求。 | 
