陳南，劉晨曦

(東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架可靠性研究綜述

陳南，劉晨曦

(東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189)

摘要：數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架作為數(shù)控機床關(guān)鍵的切削加載功能部件，其可靠性水平是確定數(shù)控機床可靠性的關(guān)鍵之一。闡述了當前數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的技術(shù)水平和國內(nèi)市場現(xiàn)狀。從可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、系統(tǒng)可靠性、可靠性設(shè)計、可靠性試驗、可靠性增長五個方面說明了當前數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架可靠性研究現(xiàn)狀。在肯定產(chǎn)品可靠性水平取得明顯進展的基礎(chǔ)上，分析指出現(xiàn)階段研究工作中仍然存在的主要問題，并提出可供實施的解決思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架；可靠性；研究進展

Review on Reliability Research of CNC turret

CHEN Nan, LIU Chenxi

(School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

Abstract:CNC turret is used for holding tools and directly machining workpieces. As a kind of key functional components, its reliability closely influences the reliability of CNC machine tools. A comprehensive review on the technical level and the domestic market of CNC turret is given in this paper. Also, discussions on the status of the reliability research is presented, including the failure statistics and analysis, the system reliability, the reliability design, the reliability testing and the reliability growth. Although the reliability of CNC turret products have positive progressed, the main problems in this field are still need to be specially presented. And then, the possible implementing solutions are provided.

Keywords:CNC turret, reliability research, review

0引言

機床作為整個制造行業(yè)的母機，發(fā)展水平關(guān)乎整個國民經(jīng)濟的發(fā)展，其戰(zhàn)略地位不言而喻。中國機床行業(yè)在“九五”、“十五”、“十一五”期間連續(xù)保持了高速發(fā)展，15年間，我國數(shù)控機床產(chǎn)量年均復合增長達22.10%[1]。盡管如此，當前國內(nèi)中高檔數(shù)控機床的進口率仍居高不下。這種現(xiàn)狀產(chǎn)生一方面由于國內(nèi)高端產(chǎn)品的市場空缺，另一個重要原因則是由于國內(nèi)中檔機床產(chǎn)品的可靠性水平相對同類進口產(chǎn)品有較大差距。

機床可靠性研究于20世紀70年代起源于前蘇聯(lián)，在之后的40余年中，針對機床可靠性設(shè)計、故障分析及診斷、可靠性預測及可靠性增長等方向的研究也逐漸發(fā)展健全起來。

現(xiàn)代機床制造業(yè)，遵循現(xiàn)代工業(yè)制造體系的發(fā)展趨勢，在對機床的加工性能、機床可靠性及其制造和使用成本等各方面的極致追求的驅(qū)動下，已經(jīng)實現(xiàn)了功能部件專業(yè)分工制造、機床主機廠從全球分系統(tǒng)采購功能部件再裝配集成的生產(chǎn)模式。這種模式下，作為整體機床供應商的機床主機廠實際最主要做的是，設(shè)計-采購-裝配-銷售-售后服務。部分主機廠家也制造一些機床主要結(jié)構(gòu)件，如床身、工作臺、主軸箱等，這些結(jié)構(gòu)件往往還是毛坯件外購，只作半精或精加工使結(jié)構(gòu)件達到設(shè)計精度。由于采用這樣的模式，而機床主要結(jié)構(gòu)件本身可靠性相對較高，機床各功能部件的可靠性就成為確定整體機床可靠性的關(guān)鍵因素。

國內(nèi)多年的實踐經(jīng)驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)都表明，數(shù)控機床功能部件的發(fā)展滯后，特別是子系統(tǒng)可靠性不足已成為制約國內(nèi)高水平數(shù)控機床發(fā)展的瓶頸[2]。因此，對機床的組成單元，包括數(shù)控系統(tǒng)、刀庫、 數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺、主軸、 滾珠絲杠副和滾動導軌副等的可靠性研究成為了提高整機可靠性的各個突破口。其中，針對數(shù)控系統(tǒng)、主軸、滾動功能部件的可靠性研究開始較早，也積累了較多的理論成果和實踐經(jīng)驗[3-6]。但是對于數(shù)控刀架，一段時間內(nèi)曾被定性為機床附件，其對整機可靠性的影響一度未被重視。

隨著數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架本身技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床與數(shù)控刀架的結(jié)合導致機床功能有跨越式的提高，如數(shù)控車床結(jié)合數(shù)控動力刀架就形成車銑復合加工中心，可實現(xiàn)多種復雜形狀零件切削的工序集中。如裝備帶y軸或b軸的動力刀架，就實際增加了加工中心機床切削運動的可控自由度，這些都大大提高了裝備這類刀架的數(shù)控機床的加工效率、精度及復雜曲面成型切削的能力，從而使這類機床成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)線的關(guān)鍵節(jié)點裝備。很明顯，數(shù)控刀架理應被提升到機床重要功能部件的行列[7]。從機床切削過程看，作為直接夾持刀具或是傳遞刀具切削轉(zhuǎn)動(對動力刀架)的系統(tǒng)組件，它要直接地承受動態(tài)切削載荷，其動態(tài)性能顯然是機床整體動態(tài)性能的重要部分；它的定位精度和重復定位精度，肯定直接影響加工零件的精度和一致性；而它的可靠性，當然直接影響整體機床的可靠性水平。

2011年底，中國機床工具工業(yè)協(xié)會再次提出“十二五”期間我國機床行業(yè)的3項重點任務[8]，為順應當今世界數(shù)控機床高速、高效、高精、柔性和復合加工的發(fā)展趨勢，特別指出 “加速提升中高檔數(shù)控系統(tǒng)和功能部件配套能力，是行業(yè)‘十二五’期間面臨的金牌任務”?，F(xiàn)結(jié)合國家 “高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項“SLT系列伺服轉(zhuǎn)塔/動力刀架產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與應用”等項目的研究成果，對數(shù)控刀架這一功能部件的可靠性研究現(xiàn)狀進行論述，并討論下一階段發(fā)展的新方向。

1刀架概述

1.1刀架類型及國內(nèi)市場現(xiàn)狀

根據(jù)主機配套場合的不同，通常將數(shù)控刀架在行業(yè)上的應用檔次分為低、中、高3類。低檔數(shù)控刀架一般為電動刀架，圖1(a)所示。采用力矩電機作為轉(zhuǎn)位動力源，功能較為單一，換刀速度較慢，但結(jié)構(gòu)簡單且承載能力強。多配備于經(jīng)濟型數(shù)控車床、簡易數(shù)控車床。中檔數(shù)控刀架主要包括雙選電動刀架、液壓刀架以及伺服刀架。液壓刀架是指產(chǎn)品的轉(zhuǎn)位動力源為液壓馬達或液壓缸驅(qū)動齒輪齒條，如圖1(b)所示。伺服刀架則采用伺服電機作為刀架的轉(zhuǎn)位動力源。和低檔數(shù)控刀架相比，中檔數(shù)控刀架的轉(zhuǎn)位速度和重復定位精度均大大提高，被廣泛配備于普及型數(shù)控車床或全功能數(shù)控車床。高檔數(shù)控刀架較中檔刀架而言，一方面具有更為優(yōu)良的性能水平，另一方面還大大擴展了產(chǎn)品的功能，從而進一步提高加工精度并減少非加工時間。主要包括動力刀架、帶y軸刀架、皇冠刀架、b軸刀架等等，如圖1(c)、圖1(d)所示。配備此類刀架產(chǎn)品的車銑復合加工中心能大大縮短加工件的制造工藝流程，提高生產(chǎn)效率。

圖1　典型數(shù)控刀架產(chǎn)品

目前，國內(nèi)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的主要規(guī)模企業(yè)包括：常州新墅數(shù)控設(shè)備有限公司、煙臺環(huán)球機床附件集團有限公司、常州宏達機床數(shù)控設(shè)備有限公司、沈陽機床股份有限公司數(shù)控刀架分公司。這幾家企業(yè)共同占據(jù)著國內(nèi)低檔產(chǎn)品的幾乎全部市場。由于臺灣地區(qū)的液壓刀架(主要來自六鑫股份有限公司)穩(wěn)定性、可靠性及客戶認可度相比內(nèi)地同類產(chǎn)品有一定優(yōu)勢，而價格又遠遠低于歐洲產(chǎn)品，因此占據(jù)了內(nèi)地近半的中檔產(chǎn)品市場。高檔數(shù)控刀架方面，內(nèi)地企業(yè)產(chǎn)品目前僅限于雙驅(qū)動動力刀架，主要包括煙臺環(huán)球的AK33 系列、常州新墅的 HLT125/160D-Y型，以及常州宏達的 HAK33 系列。其中，常州新墅的HLT125/160Y軸動力刀架代表了目前這一檔次國產(chǎn)數(shù)控刀架產(chǎn)品的最高性能水平。這款y軸全功能數(shù)控動力刀架在國家科技重大專項(2009ZX04011-053)的基金支持下，與東南大學的研究團隊合作研發(fā)完成，實現(xiàn)動力刀具轉(zhuǎn)速穩(wěn)定達到8000r/min，y軸行程±50mm，分度精度±4″,重復定位精度±2″；產(chǎn)品在配套車削中心上運行良好。盡管國內(nèi)自主研發(fā)的動力刀架產(chǎn)品達到了國際同類型產(chǎn)品的性能水平，但由于品種單一，功能尚不完善，且客戶認可度有待提升，因此這一檔次的市場幾乎全數(shù)由歐洲產(chǎn)品占據(jù)，主要來源于包括SAUTER(德國)、DUPLOMATIC(意大利)以及BARUFFALDI(意大利)。隨著高檔數(shù)控機床向高速、高精、高效及國產(chǎn)化方向的發(fā)展成為趨勢，內(nèi)地刀架企業(yè)必須進一步穩(wěn)定中檔產(chǎn)品的可靠性水平，同時大力研發(fā)高檔產(chǎn)品，以應對境外產(chǎn)品的市場沖擊。

1.2刀架基本性能要求

數(shù)控刀架的基本功能是裝夾刀具自動換刀，并直接參與切削加工。在整個壽命期間，均必須保持較高的剛性、分度精度和重復定位精度。作為功能部件，為了實現(xiàn)不同機床結(jié)構(gòu)下的配套互換性要求，國家質(zhì)檢總局2007年發(fā)布了兩項國家標準[9-10]，分別制定了數(shù)控臥式、立式轉(zhuǎn)塔刀架的型式、連接尺寸、基本性能要求以及性能試驗規(guī)范。標準特別對幾何精度、重復定位精度，以及一定扭矩靜態(tài)加載下的彈性變形量進行了規(guī)定；還規(guī)定了出廠前空載、偏載條件下刀架運轉(zhuǎn)性能試驗的最低轉(zhuǎn)位次數(shù)。

2數(shù)控刀架可靠性研究現(xiàn)狀

產(chǎn)品的可靠性水平依賴于面向全生命周期各個環(huán)節(jié)的可靠性技術(shù)體系，主要包括：可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、系統(tǒng)可靠性、可靠性設(shè)計、可靠性試驗、可靠性增長等[11]。

2.1可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

真實豐富的數(shù)據(jù)信息是開展可靠性研究的基礎(chǔ)，有效的分析方法是執(zhí)行可靠性決策的依據(jù)?？煽啃詳?shù)據(jù)的采集統(tǒng)計貫穿于產(chǎn)品全生命周期的各個階段，最終目標是建立起健全的可靠性數(shù)據(jù)庫?？煽啃缘亩x是，產(chǎn)品在規(guī)定時間規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力，而喪失規(guī)定功能或性能指標超過規(guī)定界限的狀態(tài)和事件則被定義為故障[12]。針對不同類型的刀架，多篇文獻對其存在的常見故障現(xiàn)象進行了歸納，并總結(jié)了相應的維修處理方法[13-15]。德國研究人員[16-17]對現(xiàn)場使用反饋的故障信息進行可靠性分析，建立了機床故障診斷與預測系統(tǒng)，用于在數(shù)控機床的設(shè)計、制造及裝配過程中建立起可靠性保障體系。意大利研究人員[18]對壽命數(shù)據(jù)進行分析，通過建立可維修部分的故障分布，給出了整個機床的可靠性及維修性(reliability & maintenance，R&M)方法。吉林大學機械工業(yè)數(shù)控裝備技術(shù)重點實驗室是國內(nèi)最早從事數(shù)控機床行業(yè)故障信息統(tǒng)計與分析的高校研究機構(gòu)。30多年來，以積累的大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了不同數(shù)據(jù)條件下的可靠性建模方法，JIA等[19]對24臺數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架為期1年的故障間隔時間進行指數(shù)分布擬合，所建立模型滿足卡方檢驗。張英芝等[20]對17臺數(shù)控刀架為期1年的隨機截尾故障數(shù)據(jù)進行分析，建立了故障間隔時間的最優(yōu)分布。張立敏等[21]結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，基于Bayes理論建立起小樣本數(shù)控刀架的威布爾分布模型，采用粒子群優(yōu)化算法得到了更為準確的參數(shù)估計值。東南大學研究團隊通過對某類118臺液壓刀架為期3年的現(xiàn)場故障維修記錄(來自于主機廠跟蹤記錄)進行統(tǒng)計，得到產(chǎn)品液壓刀架產(chǎn)品首次故障時間服從威布爾分布，基于指數(shù)分布建立的各子系統(tǒng)首次故障時間模型滿足(kolmogorov-smirnov，K-S) 檢驗；同時，提出數(shù)控刀架生產(chǎn)企業(yè)要嚴格管控外協(xié)外購件的質(zhì)量，以改善采購件故障占全部故障60%以上的現(xiàn)狀；企業(yè)還需進一步做好產(chǎn)品使用的培訓工作，以降低因用戶誤操作造成的故障幾率。

2.2系統(tǒng)可靠性

產(chǎn)品都可視為能完成預定功能的單元集合體，若干獨立單元共同支撐著系統(tǒng)，又對系統(tǒng)具有不盡相同的影響程度。系統(tǒng)可靠性研究則致力于定性定量不同單元影響的差異，討論如何分配各個單元的可靠度，使得系統(tǒng)可靠性最優(yōu)，制定合理的維修策略。故障模式、影響及危害性分析(failure mode effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA)[22]是一種歸納分析方法，面向系統(tǒng)各組成單元，分析單個故障模式對系統(tǒng)的影響。申桂香等[23]對21 臺數(shù)控車床刀架系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進行了FMECA研究，找出了該型刀架系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。張英芝等[24]提出了一種改進的FMECA 分析方法，以重要度判斷嚴酷度，采用專家模糊推理的方法綜合評估危險水平。Watson[25]于1961 年最先提出基于故障樹的分析方法(fault tree analysis，F(xiàn)TA)，通過邏輯因果關(guān)系圖分析多種故障因素的組合對整個系統(tǒng)的影響[26]。陳南等[27]根據(jù)故障模式存在的狀態(tài)個數(shù)不同，提出了一種多態(tài)故障樹的建造方法，通過多態(tài)表決門表征不同狀態(tài)事件間的邏輯關(guān)系；將該方法應用在伺服刀架可靠性分析中，能有效分析實際工況下的故障現(xiàn)象，以判別系統(tǒng)薄弱單元。為了直接定量不同單元對系統(tǒng)的影響程度，Birnbaum[28]首次提出概率重要度指標，將其定義為單元故障時系統(tǒng)發(fā)生故障的概率與組件正常時系統(tǒng)故障概率之差；之后，F(xiàn)ussell and Vesely[29]提出概率重要度指標，用以描述組件故障引起系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。于捷等[30]基于二維決策圖(binary decision diagram，BDD) 技術(shù)對數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架重要度進行分析，為系統(tǒng)設(shè)計改進提供依據(jù)。

2.3可靠性設(shè)計

可靠性設(shè)計思想起源于20世紀40年代，以應力-強度干涉模型來分析結(jié)構(gòu)安全度的研究奠定了結(jié)構(gòu)可靠性理論[31]的基礎(chǔ)。在學術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注和重視下，出現(xiàn)了各種可靠性設(shè)計的理論與方法[32-35]，主要包括：矩方法、響應面法、最大熵法、Monte Carlo模擬法、隨機有限元法等等。東北大學張義民團隊秉承“設(shè)計決定了產(chǎn)品可靠性水平”的思想[36]，提出了非線性隨機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性靈敏度計算方法[37-38]以及機械動態(tài)與漸變可靠性理論[39]。黃賢振等[40[41]。這項準則盡管仍在積累完善的過程中，但對于數(shù)控刀架這一功能部件的可靠性設(shè)計也能起到一定的指導作用。

2.4可靠性試驗

可靠性試驗是保障產(chǎn)品可靠性水平的基礎(chǔ)工作內(nèi)容，根據(jù)試驗地點不同，分為實驗室試驗和現(xiàn)場試驗。功能部件的可靠性試驗屬于前者，試驗內(nèi)容都是在實驗室臺架上進行的。機床功能部件可靠性評定標準第1部分：總則(GB/T 23568．1—2009)[42]中規(guī)定了故障可靠性試驗樣品要求、試驗內(nèi)容、故障監(jiān)測和記錄要求、可靠性評定指標等各項內(nèi)容，其中對數(shù)控刀架的可靠性試驗內(nèi)容為：按設(shè)計規(guī)定在每個工位安裝刀具和偏重承載下，每一工位都應在逐位轉(zhuǎn)換、越位轉(zhuǎn)換下進行刀架松開、轉(zhuǎn)位和鎖緊的連續(xù)運轉(zhuǎn)試驗，以次數(shù)計。標準中所提出的是對數(shù)控刀架可靠性試驗的最低要求，試驗內(nèi)容和測試項目均非常有限，不足以滿足穩(wěn)定中檔產(chǎn)品，研發(fā)高檔產(chǎn)品的目標。哈爾濱理工大學開發(fā)了數(shù)控刀架綜合檢測儀[43-44]，基于單片機系統(tǒng)實現(xiàn)刀架正、反轉(zhuǎn)實時控制，刀架到位信號的檢測，以及重復定位誤差、轉(zhuǎn)位誤差測量。大連理工大學基于LabVIEW搭建了動力刀架綜合性能測試系統(tǒng)[45-46]，能實現(xiàn)在運轉(zhuǎn)情況下，動力刀架的定位精度、振動、溫升、噪聲等多項性能指標的動態(tài)監(jiān)測。吉林大學研制了數(shù)控刀架可靠性試驗臺[47-49]，采用電液伺服加載系統(tǒng)可以實現(xiàn)多角度變換加載，并提出了可靠性試驗方案及評價指標。針對數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架直接承受切削加載這一基本工作狀態(tài)，東南大學陳南團隊認為，只有在實際加工切削過程中，才能真正反映出刀架的綜合性能及動態(tài)可靠性水平，因此有必要將實際切削納入到可靠性試驗中來。而對任何機器來說，其工作載荷強度肯定是決定它工作動態(tài)表現(xiàn)及可靠性的最關(guān)鍵因素之一。而以往分析中，對切削載荷(切削力)一般只取為較簡單的估算模型。如果能獲取實時地全歷程的切削載荷信息，并相關(guān)于刀架乃至機床的整體動力學表現(xiàn)過程，將對最終優(yōu)化改進機床的動力學和可靠性水平起到關(guān)鍵性的推動作用。為此，團隊搭建了配備有高精度六分量切削力測試系統(tǒng)的可靠性切削試驗平臺，能實時獲取刀具切削力的全部六分量動態(tài)載荷情況；并設(shè)計了結(jié)合有不同切削強度、不同切削工藝乃至不同材料的被切削工件族來形成系列典型實際切削工況。可以結(jié)合其他各種動態(tài)性能測試儀器，真正達到通過實際切削試驗來反映刀架、機床的動態(tài)性能水平及其退化機理，暴露功能部件產(chǎn)品缺陷、檢驗單元和系統(tǒng)可靠性水平的目的。

2.5可靠性增長

產(chǎn)品的可靠性增長是一個反復設(shè)計-分析-試驗-改進-再試驗的過程。在產(chǎn)品研發(fā)與使用的各個階段中，通過不斷暴露設(shè)計、制造和使用缺陷，多次改進薄弱環(huán)節(jié)，使得產(chǎn)品的可靠性及綜合性能不斷趨于完善。在整個執(zhí)行的過程中又以前面章節(jié)中介紹的可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、系統(tǒng)可靠性、可靠性設(shè)計、可靠性試驗各項技術(shù)為支撐。另一方面，可靠性增長模型的提出，為可靠性增長措施的效用預測提供了理論依據(jù)。1962年，美國工程師J. T. Duane[50]基于2種液壓裝置及3種飛機發(fā)動機的試驗數(shù)據(jù)，提出Duane模型，以描述累計失效率與累計運行時間的關(guān)系。這一模型對大量可修電子設(shè)備數(shù)據(jù)的普遍適用性引起了研究人員的廣泛重視，并隨之產(chǎn)生了多種可靠性模型[51-54]來適應不同母體的試驗數(shù)據(jù)，主要包括Gompertz模型、AMSAA模型、EDRIC模型、指數(shù)增長模型等等。裴詠紅[55]選擇AMSAA-BISE模型對受試機床在實際使用過程中的可靠性增長情況進行跟蹤和評估，預測出下一次故障發(fā)生的時間區(qū)間；并在此基礎(chǔ)上，提出了在不同壽命階段實施的可靠性增長措施。

3存在的問題及解決的思路

無論研究發(fā)生在產(chǎn)品全生命周期的哪個階段，針對的是哪項理論缺陷或技術(shù)問題，目的都只是為了提高數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架產(chǎn)品的可靠性水平。在這一明確目標下，應該清楚地認識到當前國內(nèi)數(shù)控刀架與國外優(yōu)良產(chǎn)品之間的差距，并從以下幾個方面進行重點研究。

3.1借助主機企業(yè)來積累可靠性數(shù)據(jù)

與主機廠不同，功能部件企業(yè)的客戶并不是直接用戶，因此數(shù)控刀架生產(chǎn)企業(yè)目前獲取的可靠性數(shù)據(jù)極不完整，一般只包括直接反饋到刀架企業(yè)的故障報備及維修記錄，同時對于故障時間的統(tǒng)計也不準確。另一方面，產(chǎn)品工作載荷的積累對刀架企業(yè)而言很難實現(xiàn)。因此，當前國內(nèi)數(shù)控刀架可靠性數(shù)據(jù)的嚴重不足，導致產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性分析、以及可靠性設(shè)計缺乏充分的依據(jù)。而機床企業(yè)近年來普遍建立了較為系統(tǒng)完備的故障統(tǒng)計體系[41]，載荷數(shù)據(jù)的積累機制也正在不斷完善中。因此，數(shù)控刀架企業(yè)可以依托主機廠，來完善功能部件產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)。

3.2完善可靠性試驗方法

由于針對不同類型數(shù)控刀架的故障機理研究不足，可靠性數(shù)據(jù)積累有限，因此尚不能制定合理的載荷剖面，試驗的結(jié)果不一定能真實充分地反映產(chǎn)品實際工況下的可靠性水平。目前國內(nèi)企業(yè)或研究機構(gòu)所設(shè)計的可靠性試驗主要針對刀架不能正常換刀這一故障模式，但是對于刀架參與切削加工下的剛度及精度保持性尚未提出合理的試驗方法。東南大學陳南團隊在搭建基本性能試驗臺的基礎(chǔ)上，建立起刀架可靠性優(yōu)化動態(tài)綜合性能測試分析研究平臺，如圖2所示。通過對典型試件的實際切削試驗暴露出刀架產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，研究性能退化規(guī)律。研究平臺以CKp156平床身車削中心為基體，將測試刀架安裝固定在導軌上。根據(jù)受試刀架的規(guī)格及相應承載能力，設(shè)計加工試件。試件的加工內(nèi)容包括車外圓、車端面、鏜削、車螺紋和切槽等多種工況。通過配備奇石樂六分量切削力測量系統(tǒng)、M+P動態(tài)測試儀、三向加速度傳感器，研究平臺可以實時監(jiān)測刀架實際加工時的切削力、刀盤振動。采用聲級計定時測試轉(zhuǎn)位噪聲，通過自行設(shè)計的千分表夾持裝置定時測試刀架的重復定位精度。另一方面，在定時截尾的試件加工過程中，記錄出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)，通過試驗，查找出刀架的故障原因和失效機理，修正實時動力學分析模型，使產(chǎn)品性能和可靠性綜合增長。在這一研究平臺上，通過長期對不同規(guī)格類型刀架的試驗，最終對系列刀架提出合理的任務剖面，并制定相應的試驗規(guī)范。

圖2　刀架可靠性優(yōu)化動態(tài)綜合性能測試分析研究平臺

3.3系統(tǒng)可靠性模型精細化

E. Zio[56]指出可靠性工程中的三大基本問題為：系統(tǒng)表征和建模；系統(tǒng)模型的量化；系統(tǒng)行為不確定性的表征、傳播以及定量分析。在復雜系統(tǒng)，例如多狀態(tài)系統(tǒng)中，以上問題均面臨著新的挑戰(zhàn)。數(shù)控刀架是機電液復雜系統(tǒng)，存在多種故障模式。對于刀架無法準確換刀，可以視為傳統(tǒng)兩狀態(tài)事件“非正常即失效”；但對于參與切削加工時的刀架剛度及重復定位精度變異過程僅僅用兩狀態(tài)事件來表征就過于粗糙了。劉晨曦等[57]首次定義了具有多狀態(tài)事件的動態(tài)門運算規(guī)則，在搭建的模塊化多狀態(tài)動態(tài)故障樹的基礎(chǔ)上，利用Monte Carlo仿真進行系統(tǒng)可靠性評估。另一方面，盡管數(shù)控刀架是一種典型的可修復產(chǎn)品，研究人員對其維修性和可用性，即綜合考慮可靠性和維修性的指標，還未足夠重視，目前文獻還未見針對刀架系統(tǒng)的相關(guān)研究成果。因此，需要對產(chǎn)品的可靠性動態(tài)變化過程進行精細化建模，綜合考慮時耗、費用等因素制定合理的維修策略。

3.4可靠性穩(wěn)健設(shè)計概念的引入

高剛度和高精度是數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架產(chǎn)品的核心工作要素，而產(chǎn)品的可靠性就體現(xiàn)在，全生命周期中即使存在的大量不確定性因素仍不會顯著影響產(chǎn)品的工作能力。為了達到這一目的，有必要將可靠性穩(wěn)健設(shè)計概念引入到數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的優(yōu)化設(shè)計中來。 特別針對關(guān)鍵零部件，如端齒盤、齒輪系等，需要建立更為精細的優(yōu)化模型，在采用靈敏度分析確定可靠性隨設(shè)計參數(shù)改變影響的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計變量及控制其容差，使得在可控和不可控因素下仍能保證產(chǎn)品可靠性水平，并降低生產(chǎn)成本。

4結(jié)語

數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架可靠性技術(shù)研究在數(shù)控機床行業(yè)可靠性研究的帶動下已取得了明顯進展。特別是在可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、系統(tǒng)可靠性評估和可靠性試驗方面積累了一定的經(jīng)驗，為產(chǎn)品的改進升級提供了技術(shù)支持。但是現(xiàn)階段存在的可靠性數(shù)據(jù)積累薄弱、性能退化機理不明確、可靠性試驗方法尚待規(guī)范、維修性和可用性不夠重視等諸多問題，約束了數(shù)控刀架產(chǎn)品可靠性水平的提升。從本行業(yè)迫切需求的角度考慮：1) 要充分借鑒數(shù)控機床和其他功能部件的研究成果，將共性問題的理論支撐和技術(shù)方案有效轉(zhuǎn)換到數(shù)控刀架的應用上來；2) 要加強與主機企業(yè)的合作，有效獲取產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)，盡快改變刀架可靠性數(shù)據(jù)嚴重不足的現(xiàn)狀；3) 在保證數(shù)控刀架基本功能穩(wěn)定可靠的前提下，必須深入研究產(chǎn)品的性能退化機理，以適應數(shù)控機床朝著高速、高精、高效方向發(fā)展；4) 積極將可靠性穩(wěn)健優(yōu)化引入到數(shù)控刀架的設(shè)計中來，才能真正做到滿足產(chǎn)品全生命周期的可靠性要求。

參考文獻:

[1] “十一五”到“十二五”我國數(shù)控機床發(fā)展市場需求[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2011,(03):2-3.

[2] 毛麗青,孫淼森. 我國數(shù)控機床功能部件發(fā)展初探[J]. 機械工程師,2006,(07):20-21.

[3] 張二虎. 數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長及評價方法研究[D]. 長春：吉林大學,2011.

[4] 石田俊雄,韓軍,馮虎田,等. 滾動直線導軌副可靠性增長試驗研究[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù),2015,(01):63-66，83.

[5 ]張云,陶衛(wèi)軍,馮虎田. 滾動功能部件精度保持性現(xiàn)狀及其研究思路[J]. 制造技術(shù)與機床,2014,(11):136-138.

[6] 劉瀚文. 加工中心主軸可靠性試驗研究[D]. 長春：吉林大學, 2011.

[7] 張義民,閆明. 數(shù)控刀架的典型結(jié)構(gòu)及可靠性設(shè)計[M]. 北京：科學出版社, 2014.

[8] 盛伯浩,唐華. 數(shù)控機床功能部件的特點及發(fā)展[J]. 現(xiàn)代制造,2005,(04):40-41.

[9] GB/T 20960-2007, 數(shù)控臥式轉(zhuǎn)塔刀架[S] .

[10] GB/T 20959-2007, 數(shù)控立式轉(zhuǎn)塔刀架[S].

[11] 張義民. 數(shù)控機床可靠性技術(shù)評述(上)[J]. 世界制造技術(shù)與裝備市場,2012,(05):49-57.

[12] GB/T 23568.1-2009,機床功能部件可靠性評定 第1部分：總則[S].

[13] 單淑梅,張爽,李庭有. DUPLOMATIC數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架故障分析及解決方法[J]. 制造技術(shù)與機床,2011,(08):177-179.

[14] 何憲國. AK31系列全功能數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架工作原理及故障分析[J]. 機械管理開發(fā),2012,(02):55-56.

[15] 閆恩剛. 數(shù)控車床轉(zhuǎn)塔刀架原理分析與故障診斷[J]. 機床電器,2012,(03):56-58.

[16] Fleischer J. and Schopp M.. Sustainable machine tool reliability based on condition diagnosis and prognosis[C]. 14th CIRP Conference on Life Cycle Engineering. 11-13 JUN, 2007, Tokyo, JAPAN.

[17] Lanze G., et al. Increased trustability of reliability prognoses for machine tools[C]. 18th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering. 2-4 May, 2011. Braunschweig, Germany.

[18]Mazzola M. and Merlo A.. Analysis of machine tool failures using advanced reliability models for complex repairable systems[J]．ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Proceedings, 2009, 16: 163-171.

[19] Jia Y.Z., Wang M.L., Jia Z.X.. Probability distribution of machining center failures[J]. Reliability Engineering and System Safety, 1995, 50:121-125.

[20] 張英芝,申桂香,薛玉霞,等. 隨機截尾數(shù)控車床刀架系統(tǒng)故障過程[J]. 吉林大學學報(工學版),2008,(S2):113-116.

[21] 張立敏,申桂香,張英芝,等. 小樣本數(shù)控刀架的可靠性模型[J]. 吉林大學學報(工學版),2012,(S1):96-99.

[22] Bowles, J.B. and Pelaez, C.E., Fuzzy logic prioritization of failures in a system failure mode, effects and criticality analysis. Reliability Engineering & System Safety, 1995, 50: 203-213.

[23] 申桂香，李懷洋，張英芝，等． 數(shù)控車床刀架系統(tǒng)故障分析[J]． 機床與液壓，2011，39(19) : 126-129.

[24] 張英芝，鄭珊，申桂香． 采用重要度和模糊推理的數(shù)控刀架危害性分析[J]． 吉林大學學報: 工學版，2012，42(5) : 157-162.

[25] Watson H.A.． Launch control safety study [R]． Murray Hill，USA: Bell Telephone Laboratories，1961.

[26]Rahman F.A.，Varuttamaseni A.，Kintner-Meyer M.，et al． Application of fault tree analysis for customer reliability assessment of a distribution power system [J]．Reliability Engineering and System Safety，2013，111:76-85.

[27] 劉晨曦，陳南，楊佳寧． 基于多態(tài)故障樹的伺服刀架可靠性分析[J]. 東南大學學報(自然科學版)，2014，44(3) : 538-543.

[28] Birnbaum L. W.. On the importance of different components in a multi-component system[M]. Multivariate analysis 2, New York: Academic Press; 1969.

[29] Fussell J. B.. How to calculate system reliability and safety characteristics[J]. IEEE Trans Reliab 1975;R-24(3):169-74.

[30] 于捷,石耀霖,申桂香,等. 基于二元決策圖的數(shù)控機床轉(zhuǎn)塔刀架系統(tǒng)重要度分析[J]. 制造技術(shù)與機床,2009,(03):132-136.

[31] Freuenthal A. M. The safety of structures[J]. ASCE Trans., 1947，(112):125-129.

[32] Zhao Y. G. Moment method for structuralreliability[J]. Struct. Saf., 2001, 23(6)：47-75.

[33] Rajashekhar M. R., Ellingwood B. R.. A new look at the response surface approach for reliability analysis[J]. Struct. Saf., 1993, 12(3)：205-220.

[34] Rocco C. M., Moreno J. A.. Fast Monte Carlo reliability evaluation using support vector machine[J].Reliability Engineering & System Safety, 2002, 76(3)：237-243.

[35] Haldar A, Mahadevan S. Reliability assessment using stochastic finite element analysis[M]. New York：John Wiley & Sons, Inc., 2000.

[36] 張義民. 機械可靠性設(shè)計的內(nèi)涵與遞進[J]. 機械工程學報,2010,(14):167-188.

[37] 張義民,劉巧伶,聞邦椿. 非線性隨機系統(tǒng)的獨立失效模式可靠性靈敏度[J]. 力學學報,2003,(01):117-120.

[38] Zhang Y. M., Liu Q. L., Wen B. C..Reliability sensitivity of multi-degree-of-freedom uncertain nonlinear systems with independent failure modes[J]. Journal of Mechanical Science and Technology . 2007 (6).

[39] 張義民. 機械動態(tài)與漸變可靠性理論與技術(shù)評述[J]. 機械工程學報,2013,(20):101-114.

[40] 黃賢振,吳茂昌,張義民,等. 數(shù)控刀架轉(zhuǎn)位系統(tǒng)可靠性穩(wěn)健設(shè)計方法研究[J]. 兵工學報,2013,(09):1132-1136.

[41] 楊兆軍,陳傳海,陳菲,等. 數(shù)控機床可靠性技術(shù)的研究進展[J]. 機械工程學報,2013,(20):130-139.

[42] GB/T 23568.1-2009,機床功能部件可靠性評定第1部分：總則[S].

[43] 趙殿濱,丁喜波,楊玉春,等. 數(shù)控刀架綜合檢測儀的研制[J]. 哈爾濱理工大學學報,1999,(04):51-53.

[44] 王麗杰,孫慧,丁喜波,等. 多工位數(shù)控刀架誤差測量系統(tǒng)的研究[J]. 傳感器世界,2007,(08):11-13.

[45] 盧曉紅,賈振元,呂元哲,等. 基于LabVIEW的動力刀架綜合性能測試系統(tǒng)的研發(fā)[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù),2010,(09):39-43，47.

[46] 王福吉,張博特,盧曉紅,等. 動力刀架綜合性能檢測系統(tǒng)研究[J]. 裝備制造技術(shù),2012,(10):1-3.

[47] 宗立華. 數(shù)控刀架的可靠性試驗方法研究[D]. 長春：吉林大學,2011.

[48] 樓俏. 數(shù)控車床動力轉(zhuǎn)塔刀架可靠性試驗臺的研制[D]. 長春：吉林大學,2012.

[49] 何佳龍. 數(shù)控車床動力伺服刀架可靠性系統(tǒng)研制及試驗研究[D].長春：吉林大學,2014.

[50] Duane, J. T., Learning curve approch to reliability monitoring. Ieee Transactions on Aerospace, 1964. AS 2(2): 563.

[51] Virene, E.P. Reliability growth and its upper limit[C]. Proceedings of the 1968 Annual Symposium on Reliability, 1968,(1):16-18.

[52] Crow L.H., Confidence intervals for the Crow (AMSAA) reliability growth model based on grouped data[C]. 43rd Annual Technical Meeting on Integrated Product Development. May 4-8 1997. Los Angeles, U.S.A.

[53] IEC.TC-56, Secretariat 164, Reliability Improvement and growth in equipment and component parts[S].

[54] Gross A.J. and Kamins M.. Reliability assessment in the presence of Reliability growth[J]. Symposium on Reliability, 1969:406-416.

[55] 裴詠紅. 數(shù)控機床可靠性增長實用技術(shù)[D]. 長春：吉林大學,2004.

[56] Zio, E., Reliability engineering: Old problems and new challenges[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2009,94(2): 125-141.

[57] Liu C.X., Chen N., Yang J.N.. A linear algebra approach for multi-state dynamic fault tree analysis[C]. 8th International Conference on Modelling in Industrial Maintenance and Reliability, 10 - 12 July 2014, Oxford.UK.

收稿日期：2014-04-24

中圖分類號：TG659

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)04-0001-06

作者簡介：陳南(1953-)，男，四川重慶人，教授，博士，博士研究生導師，東南大學校學術(shù)委員會委員，車輛工程學科重點學術(shù)帶頭人。主要研究方向為機械結(jié)構(gòu)和機構(gòu)動態(tài)分析及優(yōu)化、振動和噪聲被動及主動控制及智能結(jié)構(gòu)。近年來獲省、部級科技進步二等獎5項，省級科技進步三等獎1項及市級科技進步三等獎2項，另外還獲得中國機械工業(yè)科技進步獎、中國汽車工業(yè)科技進步獎等獎項。在國內(nèi)外專業(yè)雜志發(fā)表論文300余篇，其中SCI收錄論文40多篇，EI收錄論文60多篇。主編或主審國家級規(guī)劃教材3部。獲專利10余項。近年來完成或承擔國家科技重大專項3項，國家自然科學基金Ford重點基金項目及面上項目7項，國家863高技術(shù)計劃項目及江蘇省重大工業(yè)攻關(guān)，江蘇省成果轉(zhuǎn)化以及江蘇省國際合作重點項目等30余項。

基金項目：國家“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項資助項目(2012ZX04002-032，2013ZX04012-032)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(CXLX13079)