高衡

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海，201805）

發(fā)動機廠數(shù)控加工中心維修策略探討

高衡

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海，201805）

根據(jù)數(shù)控加工中心的設(shè)備特點及近年來的故障規(guī)律，分析了加工中心各部件故障頻次及維修難度，探尋了加工中心關(guān)鍵部件及瓶頸。利用設(shè)備專業(yè)點檢的機制體系，結(jié)合基于狀態(tài)的維修（CBM）方法，采用先進的狀態(tài)監(jiān)測工具，科學(xué)地編制了設(shè)備專業(yè)點檢的項目、方法及點檢周期，制定了針對加工中心的維修策略，實現(xiàn)了降低數(shù)控加工中心故障率的目標。實踐表明：設(shè)備開工率（OEE）達到近90%，有效地打破了傳統(tǒng)維護方式的瓶頸。

數(shù)控；加工中心；維修；設(shè)備專業(yè)點檢；基于狀態(tài)的維修；設(shè)備開工率

引言

目前，數(shù)控加工中心在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在汽車發(fā)動機制造領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。由于汽車發(fā)動機具有加工精度高的特點，且隨著近幾年汽車在中國市場的逐漸普及，發(fā)動機制造逐漸向高精度、高效率、高自動化、高柔性化的方向發(fā)展。目前，國內(nèi)大部分汽車發(fā)動機廠的數(shù)控加工中心主要以歐美等進口設(shè)備的采購為主。雖然國外先進設(shè)備的引進為企業(yè)帶來了活力，提高了加工的節(jié)拍和效率，但與此同時，企業(yè)在數(shù)控加工中心的管理、使用和維護等環(huán)節(jié)仍存在不少亟待解決的問題，主要表現(xiàn)在設(shè)備使用率偏低、故障率高且維修時間和材料成本偏高，從而導(dǎo)致企業(yè)的制造和運營成本較高。

1 數(shù)控加工中心故障趨勢

很多企業(yè)在對數(shù)控加工中心進行管理和維護時，仍然秉持的是“浴盆曲線”的觀點[1]。浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報廢為止的整個壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律。浴盆曲線的形狀呈兩頭高、中間低，可劃分為三個明顯階段：初期故障期、偶發(fā)故障期、磨損故障期，如圖1所示。

圖1 浴盆曲線

然而，據(jù)相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計，現(xiàn)代加工設(shè)備符合圖1所示曲線的概率并不高，以某單位的兩種品牌數(shù)控加工中心為例，故障率均呈現(xiàn)明顯波動（如圖2所示。此處故障率是指設(shè)備維修時間除以設(shè)備計劃工作時間。由于加工中心數(shù)量較多，此故障率為每月設(shè)備平均故障率）。在設(shè)備初期調(diào)試階段，故障率的確高于生命周期的平均故障率，但到了設(shè)備中期，故障率波動較為明顯。同時，兩種品牌的加工中心為了消除維修人員技能等方面的影響因素，根據(jù)兩種品牌加工中心的故障次數(shù)進行了類似統(tǒng)計（如圖3所示。由于加工中心數(shù)量較多，此故障次數(shù)為每小時設(shè)備平均故障次數(shù)）。

圖3 加工中心故障次數(shù)

由圖2和圖3可見，設(shè)備故障次數(shù)圍繞故障率呈現(xiàn)一致的波動狀態(tài)。由于加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜，牽涉到液壓、氣動、機械結(jié)構(gòu)、電控等多方面因素，所以故障特征與傳統(tǒng)設(shè)備完全不同，“浴盆曲線”原理已經(jīng)難以適用于現(xiàn)代加工設(shè)備。從上述分析大致得知兩點：一是加工中心在氣溫分別較高和較低的夏季和冬季，或者濕度較大的情況下，故障率較高；二是設(shè)備在長時間停機后開機，故障率較高，并且當設(shè)備是單班生產(chǎn)時，故障率要高于兩班和三班生產(chǎn)模式。綜上，傳統(tǒng)設(shè)備維修管理理論對于類似于數(shù)控加工中心的先進制造設(shè)備已具有明顯的局限性。如何在傳統(tǒng)維修理論的基礎(chǔ)上進行發(fā)展和創(chuàng)新，將是很多制造企業(yè)迫切需要解決的一大難題。

2 數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu)及故障特點

數(shù)控加工中心是集機、電、液壓、氣動為一體的設(shè)備，其核心就是數(shù)控技術(shù)。目前加工中心已基本使用計算機數(shù)控技術(shù)（CNC技術(shù)），一次裝夾就能夠?qū)崿F(xiàn)加工出較復(fù)雜的零件，并且在加工余量大的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度（0.001 mm）。由于數(shù)控加工中心的柔性化程度高，所以其故障也呈現(xiàn)出多元化的特點。以缸蓋一線加工中心的故障歷史數(shù)據(jù)為例，將該加工中心的部件系統(tǒng)分為以下11類[2,3]：

（1）冷卻系統(tǒng)：水泵、水管及附帶的壓力、流量、溫度信號；

（2）潤滑系統(tǒng)：集中潤滑總成，包含潤滑電機、油箱、密封、過濾器等；

（3）排屑系統(tǒng)：將機床內(nèi)的鐵屑或鋁屑排出的系統(tǒng)，包括排屑鏈、排屑電機、掛屑器、排液泵等；

（4）電器系統(tǒng)：包含接觸器、熔斷器、繼電器、按鈕、連接線纜等裝置，同時也包括邏輯可編程控制器（PLC）、輸入輸出裝置（I/O）、屏幕（OP）、操作面板（MCP）等；

（5）伺服系統(tǒng)：用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，包含伺服電機、編碼器、變頻器、中央控制單元、驅(qū)動控制模塊等；

（6）主軸系統(tǒng)：主要指電主軸及相關(guān)附件；

（7）液壓系統(tǒng)：包含動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油五大部分，主要部件為液壓泵、油缸、閥、油溫油位計等；

（8）氣動系統(tǒng)：通過以壓縮空氣為工作介質(zhì)傳遞動力或信號的方式提供動力的系統(tǒng)；

（9）刀庫系統(tǒng)：這里主要指盤式刀庫及其相關(guān)附件；

（10）進給系統(tǒng)：X、Y、Z軸進給系統(tǒng)及相關(guān)部件，包括導(dǎo)軌、滑塊、絲桿等；

（11）機械附件：包含夾具、聯(lián)動板、防護板等機械部件。

根據(jù)上述分類，對2010年～2016年的歷史故障數(shù)據(jù)進行了匯總和分析，如圖4所示。其中故障平均維修時間為故障維修總時間除以故障次數(shù)?？梢钥闯?，按照平均維修時間排序，維修時間最長的四個系統(tǒng)依次為主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、刀庫系統(tǒng)和排屑系統(tǒng)。目前，很多制造企業(yè)采用OEE（Overall Equipment Effectiveness）作為考核設(shè)備開工率的指標。OEE是一個獨立的測量工具，它用來表現(xiàn)實際生產(chǎn)能力相對于計劃產(chǎn)能的比率，其中設(shè)備故障及磨損是影響實際生產(chǎn)能力的重要因素。所以降低設(shè)備故障率和減少設(shè)備停機時間對于提升企業(yè)生產(chǎn)能力、尤其是針對平均維修時間較長的系統(tǒng)是極為重要的。

圖4 各系統(tǒng)故障平均維修時間（2010年～2016年）

圖5 設(shè)備巡檢記錄卡

3 數(shù)控加工中心維修工具及方法

目前，設(shè)備搶修（應(yīng)急維修）已遠遠不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的要求。隨著科技的進步，維修理論也經(jīng)歷了由應(yīng)急維修和定期性預(yù)防維修，到以可靠性為中心的維修（RCM）和基于狀態(tài)的維修（CBM）的轉(zhuǎn)變，維修方法及工具也逐漸豐富。以某發(fā)動機廠為例，除應(yīng)急維修外，整個維修體系包含了日常設(shè)備巡檢、設(shè)備專業(yè)點檢、月度保養(yǎng)（TPM）、年度保養(yǎng)和重大及重復(fù)性故障分析等，如圖5和圖6所示。

主軸系統(tǒng)故障、進給系統(tǒng)故障、刀庫系統(tǒng)故障及排屑系統(tǒng)故障是該數(shù)控加工中心維修時間最長的四個部件，針對這些易造成重大故障的部件（本文定義維修時間超過240 min為重大故障），制定了設(shè)備專業(yè)點檢體系，結(jié)合狀態(tài)維修理念進行設(shè)備的預(yù)防性維護。

（1）電主軸。電主軸是將變頻電機與機床主軸合二為一的主軸，屬于集成式的主軸單元，實現(xiàn)了機床的“零傳動”，具有轉(zhuǎn)速高、功率大的特點。本文例舉的缸蓋加工中心采用的是最高轉(zhuǎn)速達24 000 r/min的電主軸，實現(xiàn)了高速和精密切屑的要求。由于電主軸價值昂貴（達20余萬元），更換時間長且過程復(fù)雜，所以對電主軸進行預(yù)防性維護十分必要。

圖6 TPM計劃與實施表

電主軸的常見故障主要有軸承損傷、刀具夾爪損傷、拉刀夾緊力下降和一些電氣故障（如線圈燒壞、傳感器損壞等），針對上述故障，制定針對主軸的專業(yè)點檢項目：

① 測量主軸徑向跳動及不平衡量；

② 測量主軸放松時端面伸出量，對不符合要求的進行調(diào)整；

③ 測量主軸握刀夾緊力，對不符合要求的進行調(diào)整；

④ 檢查HSK夾頭磨損情況，對磨損夾頭進行更換；

⑤ 高壓切削液有無泄漏（管路和旋轉(zhuǎn)接頭）；

⑥ 檢查主軸夾頭與刀柄密封圈有無磨損，視情況更換。

（2）進給系統(tǒng)。本文例舉的數(shù)控機床采用直線電機、導(dǎo)軌滑塊和光柵尺作為進給系統(tǒng)的組成部分。對于上述部件構(gòu)成的進給系統(tǒng)，同樣面臨著更換時間長、更換過程復(fù)雜的情況，并且由于數(shù)控機床伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了對機械運動的實時監(jiān)控，所以當進給系統(tǒng)報警時，現(xiàn)象往往不明顯，報警內(nèi)容的指向性不是很強，需要維修人員進行一系列分析后，方能確定具體的故障原因或損壞部件，所以診斷時間也較長。

分析該數(shù)控機床進給系統(tǒng)的歷史維修數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)造成進給系統(tǒng)故障的主要原因為潤滑不足（該加工中心采用手動加注油脂的潤滑方式），所以預(yù)防性檢查和維護十分必要。以下是針對該機床進給系統(tǒng)制定的專業(yè)點檢項目：

① 檢查導(dǎo)軌滑塊潤滑情況（視情況加潤滑脂）；

② 檢查滑動阻力是否過大；

③ 檢查導(dǎo)軌滑塊刮屑器是否正常；

④ 檢查導(dǎo)軌定位面是否能塞進0.02 mm塞片；

⑤ 檢查光柵尺氣密0.4～0.7 bar，檢查氣管是否出氣；

⑥ 檢查光柵尺讀頭與尺身的間隙；

⑦ 檢查緩沖器有無損壞（視情況更換）；

⑧ 測量機床精度。

（3）刀庫系統(tǒng)。數(shù)控機床刀庫系統(tǒng)的工作原理是由伺服電機配合減速箱對盤式刀庫進行驅(qū)動，該刀庫具有響應(yīng)速度快的特點，但是頻繁的抓放刀過程也容易造成刀庫卡爪及刀盤變形。針對上述問題，需要對刀庫進行定期檢查，避免刀庫故障造成的生產(chǎn)損失。以下是針對刀庫系統(tǒng)的專業(yè)點檢項目：

① 檢查刀盤是否有晃動，減速箱工作是否正常；

② 檢查刀爪、彈簧和刀具限位機構(gòu)；

③ 檢查主軸在刀庫上的抓放刀位置是否準確。

（4）排屑系統(tǒng)。排屑系統(tǒng)是用于對加工過程中產(chǎn)生的鋁屑進行清理，避免鋁屑在機床內(nèi)部堆積；由于排屑鏈的鏈條較長，一旦發(fā)生排屑鏈堵轉(zhuǎn)或者排屑鏈斷裂，維修時間將大幅度增加。為了避免類似情況的發(fā)生，定期檢查排屑鏈的松緊及磨損情況就十分必要。

在確定對關(guān)鍵部件的檢查項目后，就要對檢查周期進行合理安排。合理的檢查周期不僅能夠?qū)崿F(xiàn)將故障消滅在萌芽狀態(tài)，以降低故障率，而且可以避免預(yù)防性維修頻次過高造成的人力及材料費用的浪費。

按照供應(yīng)商提供的資料，機床進給系統(tǒng)、刀庫及排屑系統(tǒng)的建議保養(yǎng)周期為一年一次，電主軸的保養(yǎng)項目中更換主軸密封件的要求頻次最高，為一季度一次（以上周期都是在每天8小時工作制基礎(chǔ)上制定的）。結(jié)合生產(chǎn)中實際的歷史故障頻次及數(shù)據(jù)（如表1所示），決定將檢查周期進行一定調(diào)整。

表1 2010年～2013年單臺故障次數(shù)累計

從表1可以計算出，主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、刀庫系統(tǒng)及排屑系統(tǒng)平均每年單臺故障次數(shù)分別為1.4次、1.6次、0.92次、0.97次，綜合供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，決定將以上四大系統(tǒng)的專業(yè)點檢周期設(shè)定為一季度一次、半年一次、一年一次、一年一次。通過日常巡檢、月度保養(yǎng)（TPM）、年度保養(yǎng)結(jié)合設(shè)備專業(yè)點檢的預(yù)防性保養(yǎng)體系，降低了加工中心的故障率，四大系統(tǒng)的平均每年單臺故障次數(shù)下降至0.75次、0.65次、0.47次、0.49次，提升了設(shè)備開工率。

4 基于狀態(tài)的維修（CBM）在加工中心的應(yīng)用

基于狀態(tài)的維修（CBM）是一種全新的設(shè)備維護方式，主張基于設(shè)備狀態(tài)檢測信息采取相應(yīng)維護措施。它的產(chǎn)生是基于傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，核心思想是在有證據(jù)表明故障將要發(fā)生時才對設(shè)備進行維護，目的是準確地檢測和判斷設(shè)備運行中所處狀態(tài)以及環(huán)境條件，利用這些信息對設(shè)備預(yù)期的可使用壽命進行預(yù)測，有針對性地制定設(shè)備維護計劃[4]。

目前，國內(nèi)外較為典型的狀態(tài)監(jiān)測方式主要有離線定期監(jiān)測、在線監(jiān)測離線分析的監(jiān)測、在線監(jiān)測。對于泵、壓縮機等旋轉(zhuǎn)類運動設(shè)備，主要有以下四個方面的監(jiān)測診斷工作[5]：

（1）振動監(jiān)測

振動可以敏銳地發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)或往復(fù)機械異常指標和故障，通過對振動信號的采樣和數(shù)據(jù)處理，就可以把握機器的劣化程度和異?，F(xiàn)象，使機器和零部件的壽命得以最大限度使用，并且分清故障性質(zhì)，方便地決定維修時間和范圍，延長了檢修周期，確保機器正常運行。振動診斷主要有簡易診斷和精密診斷兩種模式。作為設(shè)備診斷技術(shù)中最先進的技術(shù)，振動監(jiān)測已在生產(chǎn)現(xiàn)場廣為應(yīng)用，是目前最常用的診斷手段，主要用于對運轉(zhuǎn)設(shè)備的水平、垂直、軸向振動進行定量測量，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障。目前對取得的振動信號的分析方法有“頻譜”、“到頻譜”、“振動加速度包絡(luò)”等。振動測量是最有效判斷運轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)的方法之一。

（2）溫度監(jiān)測

在工業(yè)生產(chǎn)中，“溫度”這一參數(shù)約占測量總量的 50%左右。因此，設(shè)備或生產(chǎn)過程的溫度（或稱熱狀態(tài)）監(jiān)測是設(shè)備診斷技術(shù)的一個重要部分。利用溫度監(jiān)測，可以迅速準確找出設(shè)備的過熱故障點，提供機械設(shè)備預(yù)知維修的有關(guān)信息，并在產(chǎn)品檢驗、結(jié)構(gòu)改進、節(jié)能降耗等方面發(fā)揮顯著作用，是開展設(shè)備診斷工作的一個重點項目。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外測溫儀器大量應(yīng)用于溫度監(jiān)測診斷設(shè)備故障領(lǐng)域中。紅外測溫技術(shù)是溫度監(jiān)測工作的一個專門技術(shù)領(lǐng)域，它在生產(chǎn)實踐中不斷發(fā)展而日趨完善，逐漸滲透到工業(yè)各部門中。這種技術(shù)在許多領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)成為不可替代的工具，正在由一種現(xiàn)代化的測溫技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較為全面的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的實用方法。

（3）電流（功率）監(jiān)測

電流或功率監(jiān)測對電機起到運行監(jiān)護的作用，在生產(chǎn)中廣為運用，是保護電機的重要手段，也是對電機進行遠程控制的重要遠傳參數(shù)之一。主要儀表為電流表、功率表、電壓表等。

（4）壓力監(jiān)測

在化工生產(chǎn)中，整個系統(tǒng)的壓力是非常重要的。反應(yīng)和輸送過程中壓力的控的好壞不僅涉及經(jīng)濟性，更重要的是安全問題。它也是國家在設(shè)計規(guī)范和安全附屬設(shè)施中要求定期檢測的項目。主要儀表有現(xiàn)場儀表和遠傳儀表。

隨著數(shù)控加工中心朝著自動化和智能化的方向發(fā)展，機床自帶的在線監(jiān)測設(shè)備也越來越多，為了豐富設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的工具和方法，專業(yè)的離線狀態(tài)監(jiān)測工具正逐步在加工中心現(xiàn)場進行應(yīng)用。以本文提到的加工中心為例，測力計、振動分析儀、示波器、球桿儀、編碼器檢測儀、Profibus網(wǎng)絡(luò)診斷器及便攜式動平衡機等已經(jīng)開始投入使用，如表2所示。其中測力計和震動分析儀實物圖如圖7所示。

表2 監(jiān)測工具的使用

圖7 部分監(jiān)測工具示意圖

結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測工具，在關(guān)鍵部件的專業(yè)點檢過程中實現(xiàn)了精確化診斷和狀態(tài)趨勢預(yù)測，發(fā)現(xiàn)了很多常規(guī)手段難以察覺的故障隱患，對設(shè)備的預(yù)防性維護實現(xiàn)了助力和提升，并對備件的預(yù)防性更換周期和設(shè)備專業(yè)點檢周期進行了優(yōu)化和微調(diào)，在降低設(shè)備故障率的同時，也減少了設(shè)備維護材料使用量和人工成本，尤其是在對電主軸、導(dǎo)軌滑塊、絲桿、泵等關(guān)鍵部件的預(yù)防性維護上效果顯著。

5 結(jié)語

目前大多數(shù)企業(yè)采用機械化的定期設(shè)備保養(yǎng)的方法，相比傳統(tǒng)的以搶修為主的維修思路有了很大提升，但是仍存在“設(shè)備維護不足”和“設(shè)備維護過剩”的風(fēng)險，造成設(shè)備、產(chǎn)量損失和成本浪費。

基于狀態(tài)的維修理念正逐步發(fā)展，該方法通過狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)診斷等判斷設(shè)備的劣化程度。本文將基于狀態(tài)的維修理念與設(shè)備專業(yè)點檢機制相結(jié)合，通過狀態(tài)監(jiān)測及診斷優(yōu)化設(shè)備專業(yè)點檢項目、方法及點檢周期。在生產(chǎn)應(yīng)用中，該維修策略起到了降低設(shè)備故障率和提升設(shè)備開工率（OEE）的效果。實踐表明：設(shè)備開工率達到90%左右，驗證了該維修策略的有效性。

[1]呂文元. 先進制造設(shè)備維修理論、模型和方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008.

[2]余仲裕. 數(shù)控機床維修[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011.

[3]王鶴. 基于RCM的數(shù)控機床預(yù)防性維修策略研究[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2012.

[4]葉培釩. 不完全維修前提下基于狀態(tài)維修策略最優(yōu)化模型研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2011.

[5]李建銘. 基于設(shè)備可靠性的維修資源優(yōu)化研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2007.

Discussion on Maintenance Strategy for CNC Machining Center in Engine Plant

GAO Heng
(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai,201805, China)

According to the characteristics and the failure rules in recent years of CNC machining center, failure frequency and maintenance difficulty of different parts are analyzed to search for the key parts and the bottlenecks of CNC machining center. By employing the system of professional equipment check, combining with the method of Condition Based Maintenance (CBM), and as well using the advanced condition monitoring tools, items, methods and period of professional equipment check system are compiled scientifically, and the maintenance strategy of CNC machining center is formulated, to achieve the goal of failure rate decrease on CNC machining center. Practical operation shows that the Overall Equipment Effectiveness (OEE) reaches to nearly 90%, which effectively breaks the bottleneck of traditional maintenance methods.

CNC; Machining Center; Maintenance, Professional Equipment Check; Condition Based Maintenance (CBM); Overall Equipment Effectiveness (OEE)

TP23

A

2095-8412 (2016) 06-1082-06

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.006

高衡(1987-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，助理工程師，從事設(shè)備維修及管理工作，畢業(yè)于上海大學(xué)。

E-mail: gaoh1987@163.com