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數控機床及加工中心可靠性研究概況
精工機床及加工中心可靠性研究概況1.2.1國內外可靠性研究概況在第二次世界大戰(zhàn)中，德國為了確保V-II型火箭能夠在長途飛行后成功攻擊到目 標,，首先提出了可靠性的一些基本思想和概念,。同時,，美國在與日本進行太平洋戰(zhàn)爭時,， 多達兩萬架的飛機在飛行途中就因為發(fā)生故障而損失掉了,。其中50%至60%的飛機電子 設備在儲存和運輸過程中就已經失效了,。這引起了美國軍部的重視,，為了減少這類非戰(zhàn) 斗損失，美國的工程師對飛機上元器件的故障進行了深入分析,，第一次提出了產品可靠 性的定量要求,。進入上世紀六十年代，可靠性工程得到了全面的發(fā)展,，其中美國發(fā)展的較為迅速,。 這一時期是冷戰(zhàn)的關鍵時期,，因此美國的導彈等武器發(fā)展的比較迅速。而武器在使用時,， 其可靠性是一個十分重要問題,。對此美國軍方聯合其他工業(yè)、學術領域專家設立了專門 的研究小組,，稱作電子設備可靠性咨詢組，簡稱為AGREE,。該小組在1957年發(fā)表了“軍 用電子設備的可靠性”報告,，并提出了對于電子產品在設計、生產過程中制定可靠性試 驗的方法和注意事項,，被認為是電子產品可靠性理論發(fā)展的奠基之作,。上世紀七八十年代，可靠性的發(fā)展非常迅速,，各個工業(yè)發(fā)達國家開始重點發(fā)展可靠 性工程,，可靠性技術也被廣泛應用到各種制造領域。比較典型的是日本企業(yè),，他們成功 地將可靠性技術應用到民用領域,，使日本制造的產品獲得了極高的市場評價?？煽啃怨?程在很多重要領域和事件中發(fā)揮了積極的作用,。比如前蘇聯在冷戰(zhàn)期間，為了能夠確保 第一次載人航天飛船發(fā)射成功,，要求飛船的可靠度達到0.999,。我國的可靠性工程起始于上世紀50年代，但發(fā)展比較緩慢,。直到70年代,，我國開 始借鑒外國的可靠性標準，并發(fā)布了我國第一個可靠性國家標準《電子元器件失效率試 驗方法》,。之后可靠性工程在我國的軍用和民用領域都開始迅速發(fā)展,。比如1980年之 前，我國國產電視機的平均無故障時間僅僅四百多小時,，而國產計算機的平均無故障時 間甚至僅僅只達到50小時,，隨著可靠性工程的全面推廣，目前國產電視機的平均無故 障時間可以達到3萬小時以上,。目前可靠性的研宄趨勢是結合更多的先進研宄理論和成果,，并向更多的領域發(fā)展。 1.2.2國內外精工機床及加工中心發(fā)展概況加工中心實質上就是帶有自動換刀裝置的精工機床,，其發(fā)展道路與研制水平與精工 機床的發(fā)展密不可分,。上世紀50年代初,，美國帕森斯公司和髙校合作共同研制出第一臺精工機床。之后 精工機床的發(fā)展越來越迅速,，直到1959年,，美國又研制出了加工中心的雛形。無論是 精工機床還是加工中心,，其完成自動化功能的核心部件是控制計算機,，但是最初的控制 計算機價格很高，限制了其發(fā)展,。隨著科技的進步,，精工系統(tǒng)做的越來越小巧，功能越 來越完善,，以計算機作為控制單元的CNC精工系統(tǒng)開始逐漸取代專用的硬件邏輯精工 系統(tǒng)NC,。日本、德國等技術發(fā)達國家也緊跟美國的腳步,，不斷研制出高技術水平的數 控機床和加工中心,，并長期占據國際市場。目前先進的加工中心逐漸向柔性化,、高速精 密化,、綠色化、高可靠性化發(fā)展,，不斷采用新的技術,，已經成為了柔性加工生產線上最 重要的設備。在上世紀50年代末,，我國就己經開發(fā)出了精工機床,。直到1966年，我國制造出了 第一臺國產晶體管精工系統(tǒng),。4年之后,，我國也成功研制出了集成電路精工系統(tǒng)。早在 上世紀60年代初,，我國己經在精工機床的研制基礎上,，制造出了第一臺國產加工中心， 它可以自動更換十多把刀具[2],。但之后我國精工機床和加工中心技術發(fā)展得比較緩慢,， 并未形成相關的產業(yè)鏈，與國外的差距開始逐漸增大,。特別是一些關鍵零部件達不到生 產和裝配要求,，可靠性很差。直到上世紀八十年代，我國開始積極學習國外的精工機床 和加工中心的關鍵技術,，從仿制開始,，逐漸減小與國外的差距。上世紀九十年代末,，我 國開始重點發(fā)展精工機床和加工中心的產業(yè)化發(fā)展,，努力發(fā)展核心技術，爭取在國際國 內市場上占據一定位置,。這一階段是我國精工機床和加工中心發(fā)展最迅速的階段,。直到 2010年，我國己經成為了精工機床的第一制造大國[3],，國產加工中心也有了一定的市場 占有率,。但是我國的精工機床和加工中心技術與國外的差距仍然很大。我國并沒有像 FANUC和西門子這種控制系統(tǒng)做的很好的高技術公司,，造成核心技術還是要受制于人,。 因此在關鍵技術上發(fā)展出我國的明星品牌是我國目前加工中心發(fā)展的關鍵,。加工中心的 制造水平顯示了一個國家的綜合國力,，因此提高國產加工中心的質量需要我國全體制造 人員共同努力。1.2.3國內外精工機床及加工中心可靠性研究概況上世紀七十年代,，蘇聯第一次將可靠性技術應用于機床領域[4],，并取得了比較顯著 地成績。之后各個科技發(fā)達國家的學者都對生產線上的精工機床,、加工中心及其配套設 施進行了可靠性理論分析,。前蘇聯的Vasil’ev, V.S.等人提出了 一種能夠綜合考慮經濟性和可靠性的精工機床設 計方法[5]。英國的A.Z.Keller等人對35臺精工機床跟蹤3年,，并用代碼形式記錄了故障 數據,，并引用杜安可靠性增長模型來分析可靠性數據，通過處理故障時間數據,，他們發(fā) 現可以用威布爾分布來描述故障間隔時間的分布['LapiduS, A.S.等人對精工機床在運行 狀態(tài)下的可靠性評估方法做了研究,，分析了多種故障類型，并提出了精工機床的可靠性 評價指標[7],。Boguslavskii, B.L.根據生產線上的實際情況和實際采集到的數據,，專門對數 控機床的控制系統(tǒng)做了可靠性分析[8]。Starodubov, V.S.等人介紹了一種精工機床的可靠 性評估方法,，并選取某類型精工銑床作為研究對象,，根據這種精工銑床的特點做了可靠 性試驗，并利用上述的評估方法對精工銑床的可靠性進行了分析[9],。Rezvani等人利用 可靠性框圖,、故障樹、離散型Markov模型等方法定性和定量分析了柔性加工單元的故 障，總結了每個部件的故障原因,，并計算了系統(tǒng)的1^丁13?值[1()],。阿斯頓大學的Ahmed等人與精工機床生產廠家合作，找到了影響機床可靠性的關鍵部件,，并將可靠性技術應 用到了精工機床實際生產制造的過程中,，為機床企業(yè)探索了一種能夠實際應用可靠性技 術的方法[11]。Michael Vineyard等人對美國的某條柔性加工生產線設備的故障頻率分布 進行了分析,，總結了六種故障類型,，并對每種故障類型建立了故障間隔時間分布模型， 總結了每種故障類型的發(fā)生頻率和對維修時間的影響[12],。韓國的Kim等人對加工中心 的故障模式進行了分析,，并利用了軟件系統(tǒng)對故障數據進行了分類處理，對故障頻率進 行了評估[13],。我國的精工機床和加工中心的可靠性理論研究開始于上世紀八十年代,。并在“八五” 期間開始取得了巨大進步，目前國內很多學者都對精工機床和加工中心的可靠性進行了 深入的研究,。吉林大學的王桂萍首次提出了綜合考慮可靠性和綠色性的加工中心可靠性分析方 法,，并在分析中引入了故障比重比[14_15]，建立了綠色評價體系,，分析了加工中心在可靠 性增長方面的潛力[16],。張海波等人專門針對精工機床上的精工系統(tǒng)做了可靠性分析。通 過跟蹤某類型精工系統(tǒng)的故障數據,，得出精工系統(tǒng)的平均無故障時間也服從威布爾分布 [17],，并利用FMECA分析了精工系統(tǒng)的故障模式，為精工系統(tǒng)的改進提供了建議[18],。針對加工中心可靠性建模的方法,，國內的一些學者也做了創(chuàng)新性地探索。上海交通 大學的王智明等人利用AIC和BIC信息準則分析了精工機床的故障間隔時間分布模型,， 并用Rsher信息矩陣做了區(qū)間估計[19],。吉林大學的楊兆軍等人針對傳統(tǒng)加工中心建模時 與工程實際條件的差異，提出了一種能描述加工中心可靠性變化趨勢的方法,，并以此方 法分析了實際的加工中心的可靠性模型[20],。王東明等人在計算加工中心的危害度時引入了模糊數學的概念，提出了一種將危害 度定量處理的方法[21],。吉林大學的于捷等人利用FMECA分析了精工車床的故障,，計算 了各個系統(tǒng)的致命度，根據計算結果,，針對不同系統(tǒng)提出了改進措施[22],。他們也對利用 FMEA法對某國產加工中心進行了故障分析,，定義了故障模式的類型，總結了故障模式 的原因和影響,，并將總結結果反饋給企業(yè),，證明了該方法對提高加工中心可靠性水平的 可行性[23]。米金華等人利用模糊理論對精工機床的液壓系統(tǒng)進行了故障樹分析,，得出了模糊重 要度[24],。葉伯生等人開發(fā)了一套利用故障樹分析精工機床故障的系統(tǒng)，具有一定的應用 價值[25],。在對機床進行可靠性分配時,，張根保等人引入“任務”概念，建立了任務剖面層次 模型,，降低了開發(fā)新產品帶來的風險[26],。他們也采用了遺傳算法求解可靠性分配的模型，并以此方法分析了主軸拉桿[27],。北京科技大學的張宏斌等人在進行可靠性分配時引入了 模糊決策的概念,，并進行了實例分析[28]。國內學者也對加工中心可靠性試驗技術展開了研宄[29],。比如重慶大學的張根保等人 利用可靠性試驗技術激發(fā)了加工中心精工轉臺潛在的故障,，在試驗中找到了潛在因子， 為改進精工轉臺的設計和裝配提供了有效的建議,。并證明了加工中心可靠性試驗的可行 性和意義[30"31],。吉林大學的劉瀚文針對某型號加工中心的主軸制定了可靠性分析試驗方 案和試驗規(guī)范,，并對試驗數據的處理方法進行了研究[32],。總體來說我國加工中心和精工機床可靠性研究水平有了很大的提高,，但是在實際應 用時的深度和廣度還有欠缺[33],。很多企業(yè)對可靠性理論的重視程度不夠，國產機床廠對 故障數據的管理還不夠科學,，應該建立完善的數據庫,，一步步地提高國產精工機床和加 工中心的可靠性。1.3本文的研究內容本文以某重型柴油發(fā)動機缸體,、缸蓋生產線上型號為MDH80的國產加工中心作為 可靠性研宄對象,。以生產線上采集到的故障數據為基礎，利用故障模式分析,，故障樹分 析等方法找到提高加工中心可靠性水平的措施,。利用可靠性分配技術將故障數據反饋給 設計部門，幫助設計人員提髙加工中心設計水平,。第一章介紹了課題的來源及背景,，本文的研宄意義，并介紹了國內外關于精工機床 和加工中心可靠性的研究概況。第二章根據各個子系統(tǒng)不同的功能,，將加工中心分為了十個子系統(tǒng),。制定了故障數 據的采集和整理規(guī)范。并對故障數據進行了初步分析,，為之后兩章的分析工作奠定了基 礎,。第三章總結了加工中心的故障模式分類方法，分析了各種故障模式對加工中心造成 的影響,。計算了故障模式和各個子系統(tǒng)的故障危害度,。以故障模式分析為基礎，對各個 子系統(tǒng)進行了故障樹分析,，找到各個子系統(tǒng)的故障原因,。針對各個子系統(tǒng)的故障原因和 故障隱患提出了改進措施。第四章介紹了可靠性分配的作用并建立了加工中心的可靠性框圖,。分析了四種可靠 性分配因素,。最后用可靠性分配法，以本次研宄用的這批MDH80加工中心作為模板,， 將新設計的加工中心的整機可靠性指標分配給各個子系統(tǒng),。
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