吉林大學(xué)數(shù)控裝備可信性研究所 賈亞洲

提高數(shù)控機(jī)床可靠性是 “高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)中特別關(guān)注的話題，也是機(jī)床市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。開(kāi)展可靠性工作應(yīng)該重在實(shí)效，真正提高產(chǎn)品可靠性水平，即要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證，得到用戶的實(shí)際認(rèn)可，應(yīng)該避免紙上談兵。怎樣理解數(shù)控機(jī)床可靠性的內(nèi)涵？如何評(píng)估讓用戶認(rèn)可的可靠性水平？如何開(kāi)發(fā)具有實(shí)際可操作性的可靠性實(shí)用技術(shù)？這些問(wèn)題是需要我們探討和明確的。

一、數(shù)控機(jī)床可靠性的內(nèi)涵和特殊性

數(shù)控機(jī)床可靠性的內(nèi)涵要符合國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的可靠性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于可靠性的定義，最初是盧瑟爾（Robert Lusser）在1952年提出的 “產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力”。 可靠性定義的五要素中，對(duì)于數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品而言，產(chǎn)品對(duì)象就是數(shù)控機(jī)床，規(guī)定的條件就是數(shù)控機(jī)床的工作環(huán)境和工況，規(guī)定的時(shí)間就是數(shù)控機(jī)床工作壽命，規(guī)定功能就是數(shù)控機(jī)床指定的性能和功能。所謂能力就是數(shù)控機(jī)床性能和功能的維持性或使用的持續(xù)期。機(jī)床用戶對(duì)產(chǎn)品可靠性所關(guān)心的正是數(shù)控機(jī)床性能和功能的維持性或使用的持續(xù)期，也就是降低機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中故障率，減少故障的發(fā)生。

這里必須強(qiáng)調(diào)，可靠性是產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行或現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中所暴露出來(lái)的屬性，是使用時(shí)間大于零的質(zhì)量特征。沒(méi)有經(jīng)過(guò)使用的產(chǎn)品，這種質(zhì)量屬性還不能真實(shí)暴露出來(lái)。

數(shù)控機(jī)床可靠性有其特殊性，它是集機(jī)、電、液、氣、光等高新技術(shù)于一身的現(xiàn)代化工作母機(jī)，不僅要求功能可靠性，而且要求參數(shù)可靠性。數(shù)控機(jī)床的基本功能就是通過(guò)數(shù)控實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)自動(dòng)化加工，機(jī)床發(fā)生功能性故障屬于功能可靠性；工作母機(jī)還有加工精度要求，要求具有精度保持性，精度達(dá)不到要求，屬于參數(shù)可靠性。

當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中所發(fā)生的故障絕大多數(shù)是功能性故障，如加工中心刀庫(kù)不轉(zhuǎn)位、不回零、不執(zhí)行程序指令，機(jī)械手掉刀、拔不下刀、撞刀；數(shù)控車(chē)床的轉(zhuǎn)塔刀架不轉(zhuǎn)位、換刀旋轉(zhuǎn)不停、定位不準(zhǔn)；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)不定位，裝卡附件誤動(dòng)作；潤(rùn)滑系統(tǒng)不通暢，摩擦副研傷；排屑系統(tǒng)堵塞；CNC系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的大量故障；液、氣、油滲漏或堵塞等。國(guó)產(chǎn)機(jī)床的功能性故障，機(jī)床操作者最為敏感，是廣大機(jī)床用戶急盼解決的。

機(jī)床用戶心目中的可靠性涵義，就是機(jī)床使用和運(yùn)行過(guò)程中少發(fā)生故障，減少因故障而停機(jī)的時(shí)間。因此，當(dāng)前對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的開(kāi)發(fā)，要針對(duì)用戶關(guān)切的故障，特別是頻繁發(fā)生的功能性故障。機(jī)床可靠性不能偏向于學(xué)究式研究，羅列大量名詞術(shù)語(yǔ)和理論模型，把可靠性說(shuō)得玄而又玄；同時(shí)切忌 “紙上談兵”，可靠性規(guī)范辦法一大堆，紙質(zhì)文件一大摞，成果看似顯赫，然而產(chǎn)品在用戶使用過(guò)程中，故障還是頻繁發(fā)生，可靠性水平依然如故。開(kāi)展數(shù)控機(jī)床可靠性工作，要做些真實(shí)操作的實(shí)事，真實(shí)解決用戶關(guān)切的可靠性實(shí)際問(wèn)題，真正看到用戶認(rèn)可的實(shí)效。

二、評(píng)估讓用戶認(rèn)可的可靠性真實(shí)水平

數(shù)控機(jī)床是可修復(fù)的產(chǎn)品，即發(fā)生故障后，通過(guò)維修可恢復(fù)原有的工作狀態(tài)。評(píng)價(jià)可靠性方法要符合國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前評(píng)估數(shù)控機(jī)床可靠性普遍認(rèn)可的特征量是平均故障間隔時(shí)間MTBF，英文是Mean Time Between Failures，過(guò)去曾翻譯為平均無(wú)故障工作時(shí)間，它是指相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間，即平均故障間隔時(shí)間。也就是說(shuō)數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)生故障修復(fù)后，平均說(shuō)來(lái)又連續(xù)工作多長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生下一次故障。

當(dāng)然評(píng)估機(jī)床可靠性，先制定評(píng)估辦法（規(guī)范），例如選擇典型工況、典型用戶和典型樣機(jī)，有明確的故障判據(jù)和MTBF的計(jì)算方法……等。評(píng)價(jià)MTBF的方法很直觀，通常用機(jī)床累計(jì)工作時(shí)間t（小時(shí)）除以累計(jì)故障數(shù)r，可以用下面簡(jiǎn)單公式進(jìn)行計(jì)算:

很容易理解，計(jì)算結(jié)果就是數(shù)控機(jī)床相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間。這里要強(qiáng)調(diào)的是必須保證評(píng)估可靠性的原始數(shù)據(jù)本身的真實(shí)可靠。

累計(jì)工作時(shí)間t是指機(jī)床在用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的工作時(shí)間。如果預(yù)計(jì)機(jī)床的MTBF大約有600多小時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)考核采集的實(shí)際運(yùn)行的工作時(shí)間大約有1800小時(shí)就夠了，這樣可以有3個(gè)故障間隔數(shù)。那么是否需要我們現(xiàn)場(chǎng)跟蹤1800小時(shí)呢？有方便跟蹤條件當(dāng)然更好，實(shí)際上也不一定要跟蹤那么長(zhǎng)時(shí)間才能獲取到所需要的工作時(shí)間數(shù)據(jù)。例如，有些設(shè)備管理完善的機(jī)床用戶，有比較正規(guī)的設(shè)備運(yùn)行檔案，機(jī)床生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程發(fā)生的故障都有記載，并納入計(jì)算機(jī)管理。筆者曾在汽車(chē)行業(yè)、汽輪機(jī)行業(yè)的某些用戶就采集到多臺(tái)國(guó)內(nèi)外機(jī)床兩年多現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的故障記錄，每臺(tái)機(jī)床的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間都達(dá)到8000多小時(shí)，除以在此期間的累計(jì)故障數(shù)，就計(jì)算出MTBF了。另外，機(jī)床主機(jī)制造廠的售后服務(wù)記錄，特別是在保修期內(nèi)發(fā)生故障后，用戶普遍都找生產(chǎn)廠，故障記載較全，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間的記載也是真實(shí)的。當(dāng)然無(wú)論是機(jī)床用戶或是主機(jī)制造廠，這些數(shù)據(jù)通常是不公開(kāi)的，但這種數(shù)據(jù)是真實(shí)存在的。

當(dāng)然，如果用戶沒(méi)有設(shè)備運(yùn)行檔案，制造廠的售后服務(wù)記錄也不健全，可以通過(guò)較短時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤獲取評(píng)估可靠性所需的數(shù)據(jù)。MTBF本身是統(tǒng)計(jì)量，可以同時(shí)跟蹤多臺(tái)機(jī)床，例如10臺(tái)。因?yàn)槲覈?guó)一些機(jī)床主要生產(chǎn)廠，數(shù)控車(chē)床或加工中心的月產(chǎn)量，已經(jīng)達(dá)到幾十臺(tái)，甚至百余臺(tái)，選擇10臺(tái)跟蹤樣本沒(méi)有困難。如果選擇兩班生產(chǎn)的用戶，每臺(tái)月機(jī)床實(shí)際工作時(shí)間可以有400小時(shí)，10臺(tái)機(jī)床一個(gè)月就可以有4000小時(shí)。這10臺(tái)機(jī)床在這一個(gè)月的工作時(shí)間內(nèi)，如果總共發(fā)生8次故障，那么用實(shí)際工作時(shí)間除以故障數(shù)，MTBF就是500小時(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)考核跟蹤一個(gè)月，時(shí)間不算長(zhǎng)，也可評(píng)價(jià)出可靠性水平。

筆者也試圖不通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，而通過(guò)短時(shí)間的加速和加載試驗(yàn)來(lái)評(píng)估機(jī)床的可靠性。但遇到的問(wèn)題是，加速、加載試驗(yàn)大多暴露參數(shù)故障，如精度超標(biāo)等，而許多功能性故障在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)加載方法很難暴露；主要的功能性故障沒(méi)有暴露，評(píng)估的可靠性水平很難與實(shí)際水平相符。同時(shí)加速試驗(yàn)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平均故障間隔時(shí)間MTBF，必須乘以加權(quán)系數(shù)K，通過(guò)加權(quán)計(jì)算MTBF，與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的MTBF的符合性還有待研討和驗(yàn)證。

可靠性既然是產(chǎn)品使用過(guò)程中的質(zhì)量屬性，評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性，就是評(píng)價(jià)產(chǎn)品在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的質(zhì)量，考核產(chǎn)品運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生故障。根據(jù)國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的可靠性含義，現(xiàn)場(chǎng)故障信息是評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性水平的基本依據(jù)。通過(guò)采集來(lái)自機(jī)床運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的原始故障數(shù)據(jù)，才能評(píng)估出讓用戶認(rèn)可的可靠性真實(shí)水平。否則，無(wú)論你評(píng)價(jià)出可靠性水平有多高，哪怕已經(jīng)超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平，也只能是自我安慰，不能得到用戶的認(rèn)可，不能真正提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

上述表明，數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)估并不復(fù)雜，不要把機(jī)床可靠性評(píng)估變?yōu)閷W(xué)究式研究，說(shuō)得玄而又玄，高深莫測(cè)。無(wú)論是用于評(píng)估的原始數(shù)據(jù)獲取和計(jì)算MTBF的方法，機(jī)床用戶或主機(jī)生產(chǎn)廠都可以進(jìn)行。因?yàn)槟撑_(tái)機(jī)床的MTBF，是在機(jī)床用戶暴露出來(lái)的，是客觀真實(shí)存在，不是通過(guò)理論研究臆想出來(lái)的。

三、開(kāi)發(fā)可靠性實(shí)用技術(shù)——企業(yè)是提高產(chǎn)品可靠性的主體

欲真正提高數(shù)控機(jī)床的可靠性，生產(chǎn)企業(yè)是主體，主要靠企業(yè)自身建立可靠性保障體系，開(kāi)發(fā)和真正實(shí)施可靠性實(shí)用技術(shù)。當(dāng)然也需要產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，企業(yè)可以選擇高校有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的科研人員參與，但這種結(jié)合不能改變生產(chǎn)企業(yè)的主導(dǎo)地位。因?yàn)榭煽啃陨婕暗街鳈C(jī)生產(chǎn)廠的設(shè)計(jì)、制造、裝配、供應(yīng)和售后服務(wù)等廠內(nèi)各部門(mén)，還涉及到配套件、外協(xié)件等，這是一項(xiàng)與生產(chǎn)企業(yè)緊密相關(guān)的系統(tǒng)工程，它貫穿于機(jī)床開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和使用的全過(guò)程，可以用以下附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明。

數(shù)控機(jī)床可靠性保障體系圖

附圖左列方塊是機(jī)床產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和運(yùn)行使用的各階段，右列各方塊是與之配套的各階段可靠性工作內(nèi)容，現(xiàn)簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。

（1）提高產(chǎn)品可靠性無(wú)非就是減少或避免產(chǎn)品工作過(guò)程中所發(fā)生的各種故障。為了使可靠性工作見(jiàn)實(shí)效，企業(yè)首先要了解當(dāng)前產(chǎn)品在用戶運(yùn)行過(guò)程中暴露出來(lái)的主要故障，明確產(chǎn)品可靠性存在的主要問(wèn)題。為此，要轉(zhuǎn)變售后服務(wù)觀念，售后服務(wù)人員不僅為用戶排除故障，恢復(fù)機(jī)床功能，達(dá)到用戶滿意，更重要的職責(zé)還要通過(guò)售后服務(wù)過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤（或稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)），采集當(dāng)前在用戶運(yùn)行的產(chǎn)品暴露出來(lái)的故障信息，摸清病灶，以便有針對(duì)性地解決問(wèn)題。企業(yè)也可以組織有關(guān)人員，專(zhuān)門(mén)去用戶采集和積累現(xiàn)場(chǎng)故障信息，即右列最上面方塊的工作內(nèi)容。

（2）為了消除故障或者削弱導(dǎo)致故障的內(nèi)外因素的作用而減少故障的發(fā)生，必然伴隨故障分析技術(shù)。主要包括：故障部位鑒別與分析、故障模式鑒別與分析、故障原因鑒別與分析、故障影響分析、可靠性薄弱環(huán)節(jié)鑒別與分析等。通過(guò)故障分析，找出對(duì)可靠性影響較大的故障部位和故障原因；為可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)和可靠性增長(zhǎng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息。

（3）數(shù)控機(jī)床的可靠性水平從根本上說(shuō)是由設(shè)計(jì)決定的，為提高產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)水平，必須采取可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，制訂具有可操作性的可靠性設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)性文件，提高機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)人員的可靠性素質(zhì)，總結(jié)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，逐漸建立和完善可靠性綜合設(shè)計(jì)方法。

（4）國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的許多故障是由落后的工藝過(guò)程造成的，機(jī)床的可靠性與關(guān)鍵工序和裝配過(guò)程密切相關(guān)?？煽啃栽O(shè)計(jì)值，要通過(guò)制造和裝配過(guò)程予以保證和實(shí)現(xiàn)。低劣的制造和裝配工藝，可靠性設(shè)計(jì)值就成為根本不能兌現(xiàn)的空話。要在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行大量故障分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行關(guān)鍵工序和裝配過(guò)程的可靠性保證技術(shù)的研究。根據(jù)在關(guān)鍵工序和裝配過(guò)程方面的不可靠因素，研究和采取相應(yīng)的改進(jìn)與保證措施。

（5）國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的許多故障來(lái)源于關(guān)鍵配套件和外購(gòu)件，這是買(mǎi)來(lái)的隱患?？煽啃栽O(shè)計(jì)值，同樣要通過(guò)關(guān)鍵配套件和外購(gòu)件予以保證和實(shí)現(xiàn)。低劣的配套件和外購(gòu)件不能兌現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)值。企業(yè)要研究制定關(guān)鍵配套件、外購(gòu)件的可靠性保證體系,如對(duì)供方的選擇和控制，編制采購(gòu)文件和外協(xié)文件，外購(gòu)件進(jìn)貨檢驗(yàn)和試驗(yàn)，元器件的嚴(yán)格測(cè)試和篩選等。

（6）數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，早期故障多數(shù)沒(méi)有在制造廠消除，而是帶到用戶中。機(jī)床運(yùn)行初期故障頻繁，故障率很高，這是影響國(guó)產(chǎn)機(jī)床可靠性聲譽(yù)的重要因素之一。早期故障是國(guó)產(chǎn)機(jī)床的軟肋，在機(jī)床總裝完成后，要進(jìn)行早期故障試驗(yàn)，暴露或誘發(fā)早期故障，將早期故障消滅在制造廠內(nèi)。通過(guò)早期故障試驗(yàn)，排除數(shù)控機(jī)床的早期故障，會(huì)使國(guó)產(chǎn)機(jī)床的可靠性信譽(yù)立竿見(jiàn)影。

四、結(jié)束語(yǔ)

上述開(kāi)發(fā)和實(shí)施可靠性技術(shù)過(guò)程表明，可靠性工作欲見(jiàn)實(shí)效，生產(chǎn)企業(yè)是主體。因?yàn)橹圃鞆S最熟悉自己的產(chǎn)品，對(duì)故障表現(xiàn)和故障分析，企業(yè)最有發(fā)言權(quán)，至于在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝和外協(xié)件等方面采取可靠性改進(jìn)和提升的技術(shù)措施等，更必須依靠企業(yè)自身的實(shí)際行動(dòng)。國(guó)外名牌數(shù)控機(jī)床的可靠性水平有目共睹，也是靠企業(yè)自身的質(zhì)量意識(shí)和健全的可靠性保障體系實(shí)現(xiàn)的。

提高可靠性是廣大數(shù)控機(jī)床用戶的強(qiáng)烈呼聲，已成為提升國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床核心競(jìng)爭(zhēng)力的突破口。為了使國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在激烈而殘酷的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，企業(yè)決策層、管理部門(mén)和工程技術(shù)人員，必須提高可靠性意識(shí)，建立企業(yè)自身的可靠性保障體系，在機(jī)床生產(chǎn)全過(guò)程認(rèn)真實(shí)施可靠性保障措施，把領(lǐng)導(dǎo)的決心變成全員的實(shí)際行動(dòng)，這樣提升國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床核心競(jìng)爭(zhēng)力是完全可能的。