数控机床可靠性技术：早期故障消除技术

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　故障是产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态。而故障模式是故障的表现形式，如短路、开路、断裂、过度耗损、轴的断裂等。一般在研究产品的故障时往往是从产品的故障现象(即故障模式)入手，进而通过现象找出故障原因。大量的实践表明，产品的故障可分为早期故障、偶然故障和损耗故障三类。对典型加工中心故障数据的统计分析，结果表明早期故障占产品寿命周期的一半以上。说明早期故障对数控机床的可靠性有着重大影响。早期故障解决不好，会造成国产数控机床的可靠性不足，从而影响用户对国产机床信心，所以消除早期故障势在必行。
　　2、早期故障的概念
　　在可靠性研究中，可以用故障率浴盆曲线(如图1)来表示机床的故障率和时间之间的关系。利用浴盆曲线，可以较直观地分辨出产品在寿命周期中各个阶段出现故障的概率的大小。

　　按照浴盆曲线的形状特征，可以将其分为三段：在最左边的部分(0至t1)被称为早期故障期，这段时期故障率随着时间的增加迅速递减，机床运行越来越稳定。这段时间内的故障主要是由于前期的工作没有做到足够详细，例如产品设计失误、零部件质量控制不严、装配工艺缺陷、没有足够的“磨合”等造成的;曲线中间部分(t1至t2)被称为偶然故障期，这段时期产品的故障率近似保持不变，这段时间的故障多是由于误用、滥用、不恰当的维护保养、使用环境变化等偶然因素造成的;曲线的最右段(t2以后)为耗损故障期，这段时期故障率随着时间的增加迅速递增，主要原因与这个时期产品的大多数零部件已经达到设计的使用寿命，而且与零部件的腐蚀、老化、磨损和疲劳等有着密切的关系。
　　将早期故障定义为发生在产品早期故障期内，主要由设计、制造等过程的缺陷造成并且具有共性的故障。早期故障呈现出一些鲜明的特点：早期故障频率高，所占比重大，故障间隔时间短，故障影响程度大，故障模式和故障原因比较集中。
　　早期故障的这些特点大大增加了主机厂的售后成本，影响用户的生产效率，而且由于数控机床在早期故障期的性能是否稳定，是用户从感性认识上判断产品质量好坏的关键，早期故障频繁无疑会在无形中损害产品市场形象。另一方面，由于早期故障又具有故障模式和故障原因比较集中的特点，易于从设计、制造等过程中对故障进行控制和改善。因此，尽可能在机床出厂前对早期故障进行消除是提升数控机床可靠性的重要途径。
　　3、早期故障消除体系
　　早期故障消除技术按实施阶段可划分为故障信息收集、故障信息分析、可靠性试验、故障消除4个阶段。早期故障消除技术体系框架如图2所示, 其中实线代表早期故障消除技术实施流程, 虚线代表信息传递关系。

　　(1)故障信息采集
　　实施早期故障消除技术的首要任务是全面采集机床功能特性状态信息，例如机床故障信息、机床运行状态信息、使用工况等。故障数据的收集应该具有周密的计划。第一步，要进行需求分析，明确数据收集的内容及目的;第二步，确定数据收集点，如厂内试验数据就选实验室、产品生产检测点等作为数据收集点;第三步，制定故障数据的收集表格如表1所示，根据需求制定所需内容的统一、规范化表格，便于计算机处理，也便于在企业内部各部门之间流通;第四步，要采用有效的数据收集方法，在建立了完善的数据收集系统之后，数据可以依其传送的途径，按正常流通渠道进行，当数据收集系统运行不完善时，可以派专人下到现场，按预先制定好的计划进行。
　　(2)故障分析
　　收集产品的故障数据最终是要根据所提供的故障信息对产品进行改进，因此，分析故障数据得到引发故障的原因，为改进提供依据。
　　故障分析阶段应涵盖四部分内容：产品功能结构分析、结构应力均衡分析、故障树分析(fault tree analysis,FTA)、故障模式影响及危害度分析(failure modes and effects analysis,FMECA)等。
　　分析产品故障原因和产生机理首先要进行产品功能级运动分析。将产品按照“谱系-功能-运动-动作”的顺序进行分解，利用可靠性建模方法建立产品整机加工功能与动作实现的逻辑关系，从而实现从产品结构到功能运动的映射。FTA以故障事件作为顶事件，按照“从上到下”的原则进行原因分析，最终建立故障与设计、制造和使用过程中的缺陷的对应关系，从物理失效的角度研究故障的失效机理，从而有针对性地提出改进措施。FMECA的核心是对故障影响作出判断并确定严酷度级别，分析潜在故障发生的物理参数类型并确定其检测方法和判断标准，以此作为可靠性试验和仿真中的应力参数类型和水平的参考。
　　(3)可靠性试验
　　可靠性试验阶段包括可靠性试验方案设计、试验建模与仿真、试验监控及数据采集和试验结果分析与评价四部分内容。
　　可靠性试验就是与可靠性有关的试验，简单地说就是激发潜在故障的试验。产品从开发到使用的各个阶段，都会成为试验的对象。通过故障数据的采集和故障分析的工作，可以充分了解产品的结构、功能、技术要求等基本信息，还得到了产品所有可能的潜在故障，并且得到了所有潜在故障对整个产品的危害度排序，因此可以根据对整个产品影响程度的不同，确定可靠性试验的实施顺序。
　　通过可靠性试验，可以激发出早期故障。获得故障数据后，需要对早期故障进行定性分析，找出早期故障的原因;www.vtoall.com对故障数据进行定量分析，确定故障模型，进而可以对故障的发生进行预测，进而采取相应的措施进行消除。
　　(4)故障消除
　　故障消除应遵循PDCA循环的原理。试验结果分析完成后，确定故障产生的具体原因和产生机理，在设计(结构设计、材料选择、外购件选型)、制造(加工工艺、装配工艺、工作环境)、使用维护(使用工况、操作技能、维护保养)等各方面在合适的时间点采取相应措施对故障的原因进行隔离，通过将故障原因反馈到设计和制造过程中消除早期故障，进而可以达到避免被迫停机造成重大损失、提高运行效率、缩减维修成本、提高产品固有可靠性的目的。故障消除之后要及时归纳整理故障产生部位、产生的根本原因、故障机理、详细的解决措施以及达到的效果等，对以后的加工中心产品的设计、加工、装配及试验等环节进行指导。