淺談數(shù)控機床的可靠性

1、目 錄摘 要1一、引言1二、數(shù)控機床的可靠性12.1 數(shù)控機床可靠性的四項指標22.2 數(shù)控機床可靠性評定時應注意的問題42.3提高數(shù)控機床可靠性的對策5三、結束語6參考文獻7致謝8淺談數(shù)控機床的可靠性摘 要：可靠性對數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控裝置非常重要，如何評估數(shù)控機床的可靠性，如何提高數(shù)控機床的可靠性對其發(fā)展具有長遠意義。關鍵詞：可靠性；數(shù)控機床一、引言可靠性是系統(tǒng)、機械設備或零部件在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時間內(nèi)保持與完成規(guī)定功能的能力。一個系統(tǒng)、一臺設備，無論其如何先進，功能如何全面，精度如何高級如果故障頻繁、可靠程度差，不能在規(guī)定的時間內(nèi)可靠地工作，那么它的使用價值就不高，經(jīng)濟效果就不佳。從設

2、計規(guī)劃、制造安裝、使用維護、更新改造到修復報廢，可靠性始終是系統(tǒng)和設備的靈魂?？煽啃允窃u定系統(tǒng)和設備好壞的主要目標之一，它體現(xiàn)了產(chǎn)品的耐用和可靠程度。數(shù)控機床是現(xiàn)代制造技術的基礎裝備，其技術水平高低是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志，而數(shù)控機床的可靠性是機床質量的關鍵。一般所說的“可靠性”指的是“可信賴的”或“可信任的”。我們說一個人是可靠的，就是說這個人是說得到做得到的人，而一個不可靠的人是一個不一定能說得到做得到的人，是否能做到要取決于這個人的意志、才能和機會。同樣，一臺儀器設備，當人們要求它工作時，它就能工作，則說它是可靠的；而當人們要求它工作時，它有時工作，有時不工作，則稱它是不可

3、靠的。對產(chǎn)品而言，可靠性越高就越好?？煽啃愿叩漠a(chǎn)品，可以長時間正常工作（這正是所有消費者需要得到的）；從專業(yè)術語上來說，就是產(chǎn)品的可靠性越高，產(chǎn)品可以無故障工作的時間就越長。二、數(shù)控機床的可靠性1、數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機床重要的組成部分，我們對其應有深入的了解。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，英文名稱為（Numerical Control System），根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統(tǒng)1。通過利用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)一臺或多臺機械設備動作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和開關量。其基本組

4、成如圖1所示：圖1 數(shù)控系統(tǒng)的基本組成2、數(shù)控機床可靠性的評定指標可靠性只是一個定性的概念，對于一臺設備的可靠性我們不能停留在“好”或“不好”或是“可靠”或“不可靠”的這樣模糊的判斷上，我們需要定量的指標，要有具體的數(shù)量。由于可靠性不能用儀表測量，所以衡量可靠性必須進行研究、試驗和分析，從而做出正確的估計和評定。對于機械設備，可靠性的特征量主要有：可靠度、失效率、故障率、平均無故障間隔時間、平均壽命、有效度等。任何一個特征量只能表示可靠性的某一個特征方面，所以對不同的設備要使用不同的特征量描述。例如，對于可維修的復雜系統(tǒng)常用可靠度、平均無故障間隔時間MTBF（Mean Time Between

5、 Failures）等指標衡量。2.1 數(shù)控機床可靠性的四項指標（1）平均無故障間隔時間平均無故障間隔時間MTBF（Mean Time Between Failures）是指對可修復產(chǎn)品，相鄰故障工作時間的平均值，是衡量可靠性的重要指標，具體數(shù)值在產(chǎn)品標準中給出。據(jù)統(tǒng)計，數(shù)控系統(tǒng)最低可接受的MTBF不應該低于3000h。統(tǒng)計資料表明，國外數(shù)控系統(tǒng)的MTBF為5000h22000h。對可靠性的評估，主要是考核無故障性參數(shù)。數(shù)控系統(tǒng)喪失規(guī)定的功能稱為故障。平均無故障工作時間能準確反映數(shù)控設備正常工作的時間。它是指一次故障發(fā)生后，到下次故障發(fā)生前無故障間隙工作時間的平均值。MTBF的觀測值可用如下公

6、式計算：式中，為在評定周期內(nèi)機床累計故障頻數(shù)；N為機床抽樣臺數(shù)；為在評定周期內(nèi)第i臺機床實際工作時間，h；為在評定周期內(nèi)第i臺機床出現(xiàn)故障的頻數(shù)。數(shù)控機床經(jīng)過早期磨損期后，消除了早期故障，進入正常工作階段，其工作基本控制在偶然失效階段，可以認為其故障間隔時間服從指數(shù)分布。數(shù)控機床故障間隔時間的區(qū)間估計一般取置信區(qū)間水平為1-=90%，即真值落在估計區(qū)間的概率為90%。其雙側置信區(qū)間按下式估計：其單側置信區(qū)間按下式估計：式中，r為發(fā)生故障的次數(shù)；T為定時截尾試驗時間，為參數(shù)為0.05，0.95，0.10的分布數(shù)。評定時根據(jù)數(shù)控機床發(fā)生故障的次數(shù)及相關發(fā)生的時間，然后按照上述公式進行計算即可。MT

7、BF越長表示可靠性越高，正確工作能力越強。（2）平均修復時間平均修復時間（Mean Time To Repair）又稱平均事后維修時間，是從發(fā)現(xiàn)故障到機床恢復規(guī)定性能所需修復時間的平均值，簡稱MTTR。它包括確認失效發(fā)生所必需的時間、維修所需要的時間、獲得配件的時間、維修團隊的響應時間、記錄所有任務的時間以及將設備重新投入使用的時間。MTTP不僅和產(chǎn)品本身設計相關，而且和使用方法、維修水平、備件策略也密切相關。MTTR的觀測值可用如下公式計算：式中，為評定周期內(nèi)的故障總次數(shù)；為在評定周期內(nèi)第i臺機床的實際修復時間。（3）固有可用度固有可用度又稱有效度(Availability)，是在規(guī)定的使用

8、條件下，機械設備及零部件保持其規(guī)定功能的概率，簡稱A。有效度是評價設備利用率的一項重要指標，也是直接制約設備生產(chǎn)能力的重要因素。有效度是時間的函數(shù)，一般提到有效度是指時間t趨于時的瞬時有效度，它是數(shù)控機床平均無故障工作時間相對于平均無故障時間與平均修復時間和的比率，即在某個觀察時間內(nèi)，產(chǎn)品可工作時間對不可工作時間與可工作時間之和的比，因此有效度的觀測值可用如下公式計算：（4） 精度保持時間精度保持時間（）是數(shù)控機床在兩班工作制和遵守使用規(guī)則的條件下，其精度保持在機床精度標準規(guī)定的范圍內(nèi)的時間。其觀測值以抽取的樣機中精度保持時間最短的一臺機床的精度保持時間為準2-4。 以上4個評定指標中，MTB

9、F側重于數(shù)控機床的無故障性，是最常用的評定指標；MTTR反映了數(shù)控機床的維修性，即進行維修的難易程度；固有可用度A綜合了反映無故障性和維修性，即有效性；精度保持時間反映了數(shù)控機床的耐久性和可靠壽命。2.2 數(shù)控機床可靠性評定時應注意的問題產(chǎn)品的可靠性不是計算出來的，而是產(chǎn)品本身固有的。即使數(shù)控機床具有龐大的零部件、元器件的故障率數(shù)據(jù)庫，可以進行可靠性評定，但也僅僅是理論計算。而可靠性評定值要通過后續(xù)零部件的制造、裝配以及外協(xié)件、外購件的可靠性保證來實現(xiàn)，大量的制造、裝配過程將會使產(chǎn)品遠遠偏離可靠性設計值，而且目前可靠性理論評定值本身還缺乏數(shù)量繁多的零部件故障率數(shù)據(jù)的支撐。再加之可靠性不能用儀表

10、測定，所以衡量可靠性必須進行研究、試驗和分析，才能做出正確的估計和評定。因此，評定可靠性時應注意以下問題：（1） 可靠性與數(shù)控機床的規(guī)定條件分不開規(guī)定條件是指設備在使用時的環(huán)境條件、使用條件、維護保養(yǎng)條件等，如載荷、速度、溫度、沖擊、振動、潤滑、濕度、連續(xù)或間斷工作等。同樣的設備在各種使用條件下，其可靠性是不同的，通常是條件越惡劣，可靠性越低。數(shù)控機床集機、電、光、液、氣、計算機自動控制等技術于一體，其規(guī)定的條件比一般設備多而復雜，要求也高，所以，在評定數(shù)控機床的可靠性時應該特別注意其規(guī)定的條件，嚴格遵守其規(guī)定的各項條件，保證其估計和評定的可靠性接近真值。（2） 可靠性與數(shù)控機床規(guī)定的時間密切

11、相關規(guī)定的時間是指設備工作的期限，用時間或相應指標表示。規(guī)定時間的長短決定著可靠性的高低，通常工作時間愈長，可靠性愈低。（3） 可靠性與數(shù)控機床規(guī)定的功能有關規(guī)定的功能是指數(shù)控機床應該具有的主要技術指標，如機械特性、運動特性、承載能力、主軸轉速、工作壽命、工作精度、經(jīng)濟指標等。在采集相關數(shù)據(jù)時，應充分考慮是否在達到其規(guī)定的功能的條件下獲得的，以保證可靠性評定的準確性。（4） 可靠性與數(shù)控機床的各組成部分有關評定可靠性時，上述4項指標是針對整個設備而言的，但數(shù)控機床各部分對機床可靠性的影響程度并不是完全等同的5-6。因此，可根據(jù)數(shù)控機床的組成將其可靠性的評定進行細分，并根據(jù)各部分的功能和作用，設

12、定相應的權重，如在進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時對數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)、機械本體、附屬裝置分別進行故障統(tǒng)計，并施以相應的權重，然后再進行統(tǒng)計計算，使其可靠性的評定更接近真值。2.3提高數(shù)控機床可靠性的對策（1）高可靠性設計數(shù)控機床主要由信息載體、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床本體四部分組成。數(shù)控機床的設計可靠性，取決于上述四個部分的設計可靠性，特別是數(shù)控系統(tǒng)的設計可靠性。（2）功能模塊化設計數(shù)控系統(tǒng)的模塊化設計。根據(jù)系統(tǒng)各部分的功能不同，將數(shù)控系統(tǒng)分成不同的模塊：CPU模塊、位置控制模塊、存儲器模塊、PLC模塊、接口模塊、電源模塊、圖形顯示模塊等。根據(jù)不同機床的數(shù)控功能要求，可選擇不同的模塊進行組合，

13、在優(yōu)化、通用化、標準化的原則下，進行功能模塊的設計和制造，能大大地提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性7-8。（3）元器件最少化設計減少元器件的數(shù)量，也就減少了故障發(fā)生的機率。設計時要盡量以軟件代替硬件來實現(xiàn)所需的功能。軟件的成本相對較低，而可靠性相對較高，在運行速度要求不是很高的時候，應充分發(fā)揮軟件的功能，以較少元器件的數(shù)目，提高系統(tǒng)可靠性。（4）縮小化設計（5）抗干擾性設計1）減少供電線路的干擾2）減少機床控制中的干擾3）采用屏蔽技術4）保證“接地”良好5）防止信號傳輸干擾（6）耐環(huán)境設計三、結束語本文闡述了數(shù)控系統(tǒng)和可靠性等相關定義，提出了數(shù)控機床可靠性的4項評定指標，即平均無故障間隔時間、平均修復時間

14、、固有可用度、精度保持時間，以及相應的計算公式；闡明了在評定數(shù)控機床可靠性過程中應該注意的若干問題和提高數(shù)控機床可靠性的一些基本措施。參 考 文 獻1 文 廣. 我國數(shù)控機床可靠性的現(xiàn)狀及對策J.機械研究與應用,2003, 16 (2): 5-6.2 張 靜, 梁建明, 朱春花. 提高數(shù)控機床可靠性措施初探J.河北建筑工程學院學報,2008, 26 (4): 80-82.3 趙建英. 數(shù)控機床可靠性的評定與提高途徑J.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2009, 19 (11): 143-145.4 朱樹紅,夏羅生.數(shù)控機床的可靠性分析J.機床電氣,2006, 4: 18-20.5 張永革, 吳新佳. 保證數(shù)控機床可靠性的措施分析J.鄭州鐵路職業(yè)技術學院學報,2008, 20 (2): 19-20.