浅谈数控机床的可靠性.doc

目 录
摘 要 1
一、引言 1
二、数控机床的可靠性 1
2.1 数控机床可靠性的四项指标 2
2.2 数控机床可靠性评定时应注意的问题 4
2.3提高数控机床可靠性的对策 5
三、结束语 6
参考文献 7
致谢 8

浅谈数控机床的可靠性
摘 要：可靠性对数控系统和数控装置非常重要，如何评估数控机床的可靠性，如何提高数控机床的可靠性对其发展具有长远意义。
关键词：可靠性；数控机床
一、引言
可靠性是系统、机械设备或零部件在规定的工作条件下和规定的时间内保持与完成规定功能的能力。一个系统、一台设备，无论其如何先进，功能如何全面，精度如何高级如果故障频繁、可靠程度差，不能在规定的时间内可靠地工作，那么它的使用价值就不高，经济效果就不佳。从设计规划、制造安装、使用维护、更新改造到修复报废，可靠性始终是系统和设备的灵魂。可靠性是评定系统和设备好坏的主要目标之一，它体现了产品的耐用和可靠程度。数控机床是现代制造技术的基础装备，其技术水平高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志，而数控机床的可靠性是机床质量的关键。
一般所说的“可靠性”指的是“可信赖的”或“可信任的”。我们说一个人是可靠的，就是说这个人是说得到做得到的人，而一个不可靠的人是一个不一定能说得到做得到的人，是否能做到要取决于这个人的意志、才能和机会。同样，一台仪器设备，当人们要求它工作时，它就能工作，则说它是可靠的；而当人们要求它工作时，它有时工作，有时不工作，则称它是不可靠的。
对产品而言，可靠性越高就越好。可靠性高的产品，可以长时间正常工作（这正是所有消费者需要得到的）；从专业术语上来说，就是产品的可靠性越高，产品可以无故障工作的时间就越长。
二、数控机床的可靠性
1、数控系统
数控系统作为数控机床重要的组成部分，我们对其应有深入的了解。数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（Numerical Control System），根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统[1]。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。其基本组成如图1所示：

图1 数控系统的基本组成
2、数控机床可靠性的评定指标
可靠性只是一个定性的概念，对于一台设备的可靠性我们不能停留在“好”或“不好”或是“可靠”或“不可靠”的这样模糊的判断上，我们需要定量的指标，要有具体的数量。由于可靠性不能用仪表测量，所以衡量可靠性必须进行研究、试验和分析，从而做出正确的估计和评定。
对于机械设备，可靠性的特征量主要有：可靠度、失效率、故障率、平均无故障间隔时间、平均寿命、有效度等。任何一个特征量只能表示可靠性的某一个特征方面，所以对不同的设备要使用不同的特征量描述。例如，对于可维修的复杂系统常用可靠度、平均无故障间隔时间MTBF（Mean Time Between Failures）等指标衡量。
2.1 数控机床可靠性的四项指标
（1）平均无故障间隔时间
平均无故障间隔时间MTBF（Mean Time Between Failures）是指对可修复产品，相邻故障工作时间的平均值，是衡量可靠性的重要指标，具体数值在产品标准中给出。据统计，数控系统最低可接受的MTBF不应该低于3000h。统计资料表明，国外数控系统的MTBF为5000h~22000h。对可靠性的评估，主要是考核无故障性参数。数控系统丧失规定的功能称为故障。平均无故障工作时间能准确反映数控设备正常工作的时间。它是指一次故障发生后，到下次故障发生前无故障间隙工作时间的平均值。MTBF的观测值可用如下公式计算：

式中，为在评定周期内机床累计故障频数；N为机床抽样台数；为在评定周期内第i台机床实际工作时间，h；为在评定周期内第i台机床出现故障的频数。
数控机床经过早期磨损期后，消除了早期故障，进入正常工作阶段，其工作基本控制在偶然失效阶段，可以认为其故障间隔时间服从指数分布。数控机床故障间隔时间的区间估计一般取置信区间水平为1-α=90%，即真值落在估计区间的概率为90%。
其双侧置信区间按下式估计：

其单侧置信区间按下式估计：

式中，r为发生故障的次数；T为定时截尾试验时间，为参数为0.05，0.95，0.10的分布数。
评定时根据数控机床发生故障的次数及相关发生的时间，然后按照上述公式进行计算即可。MTBF越长表示可靠性越高，正确工作能力越强。
（2）平均修复时间
平均修复时间（Mean Time To Repair）又称平均事后维修时间，是从发现故障到机床恢复规定性能所需修复时间的平均值，简称MTTR。它包括确认失效发生所必需的时间、维修所需要的时间、获得配件的时间、维修团队的响应时间、记录所有任务的时间以及将设备重新投入使用的时间。MTTP不仅和产品本身设计相关，而且和使用方法、维修水平、备件策略也密切相关。
MTTR的观测值可用如下公式计算：

式中，为评定周期内的故障总次数；为在评定周期内第i台机床的实际修复时间。
（3）固有可用度
固有可用度又称有效度(Availability)，是在规定的使用条件下，机械设备及零部件保持其规定功能的概率，简称A。有效度是评价设备利用率的一项重要指标，也是直接制约设备生产能力的重要因素。有效度是时间的函数，一般提到有效度是指时间t趋于∞时的瞬时有效度，它是数控机床平均无故障工作时间相对于平均无故障时间与平均修复时间和的比率，即在某个观察时间内，产品可工作时间对不可工作时间与可工作时间之和的比，因此有效度的观测值可用如下公式计算：

（4） 精度保持时间
精度保持时间（）是数控机床在两班工作制和遵守使用规则的条件下，其精度保持在机床精度标准规定的范围内的时间。其观测值以抽取的样机中精度保持时间最短的一台机床的精度保持时间为准[2-4]。
以上4个评定指标中，MTBF侧重于数控机床的无故障性，是最常用的评定指标；MTTR反映了数控机床的维修性，即进行维修的难易程度；固有可用度A综合了反映无故障性和维修性，即有效性；精度保持时间反映了数控机床的耐久性和可靠寿命。
2.2 数控机床可靠性评定时应注意的问题
产品的可靠性不是计算出来的，而是产品本身固有的。即使数控机床具有庞大的零部件、元器件的故障率数据库，可以进行可靠性评定，但也仅仅是理论计算。而可靠性评定值要通过后续零部件的制造、装配以及外协件、外购件的可靠性保证来实现，大量的制造、装配过程将会使产品远远偏离可靠性设计值，而且目前可靠性理论评定值本身还缺乏数量繁多的零部件故障率数据的支撑。再加之可靠性不能用仪表测定，所以衡量可靠性必须进行研究、试验和分析，才能做出正确的估计和评定。因此，评定可靠性时应注意以下问题：
（1） 可靠性与数控机床的规定条件分不开
规定条件是指设备在使用时的环境条件、使用条件、维护保养条件等，如载荷、速度、温度、冲击、振动、润滑、湿度、连续或间断工作等。同样的设备在各种使用条件下，其可靠性是不同的，通常是条件越恶劣，可靠性越低。数控机床集机、电、光、液、气、计算机自动控制等技术于一体，其规定的条件比一般设备多而复杂，要求也高，所以，在评定数控机床的可靠性时应该特别注意其规定的条件，严格遵守其规定的各项条件，保证其估计和评定的可靠性接近真值。
（2） 可靠性与数控机床规定的时间密切相关
规定的时间是指设备工作的期限，用时间或相应指标表示。规定时间的长短决定着可靠性的高低，通常工作时间愈长，可靠性愈低。
（3） 可靠性与数控机床规定的功能有关
规定的功能是指数控机床应该具有的主要技术指标，如机械特性、运动特性、承载能力、主轴转速、工作寿命、工作精度、经济指标等。在采集相关数据时，应充分考虑是否在达到其规定的功能的条件下获得的，以保证可靠性评定的准确性。
（4） 可靠性与数控机床的各组成部分有关
评定可靠性时，上述4项指标是针对整个设备而言的，但数控机床各部分对机床可靠性的影响程度并不是完全等同的[5-6]。因此，可根据数控机床的组成将其可靠性的评定进行细分，并根据各部分的功能和作用，设定相应的权重，如在进行数据统计分析时对数控机床的伺服系统、CNC系统、机械本体、附属装置分别进行故障统计，并施以相应的权重，然后再进行统计计算，使其可靠性的评定更接近真值。
2.3提高数控机床可靠性的对策
（1）高可靠性设计
数控机床主要由信息载体、数控系统、伺服系统和机床本体四部分组成。数控机床的设计可靠性，取决于上述四个部分的设计可靠性，特别是数控系统的设计可靠性。
（2）功能模块化设计
数控系统的模块化设计。根据系统各部分的功能不同，将数控系统分成不同的模块：CPU模块、位置控制模块、存储器模块、PLC模块、接口模块、电源模块、图形显示模块等。根据不同机床的数控功能要求，可选择不同的模块进行组合，在优化、通用化、标准化的原则下，进行功能模块的设计和制造，能大大地提高数控系统的可靠性[7-8]。
（3）元器件最少化设计
减少元器件的数量，也就减少了故障发生的机率。设计时要尽量以软件代替硬件来实现所需的功能。软件的成本相对较低，而可靠性相对较高，在运行速度要求不是很高的时候，应充分发挥软件的功能，以较少元器件的数目，提高系统可靠性。
（4）缩小化设计
（5）抗干扰性设计
1）减少供电线路的干扰
2）减少机床控制中的干扰
3）采用屏蔽技术
4）保证“接地”良好
5）防止信号传输干扰
（6）耐环境设计
三、结束语
本文阐述了数控系统和可靠性等相关定义，提出了数控机床可靠性的4项评定指标，即平均无故障间隔时间、平均修复时间、固有可用度、精度保持时间，以及相应的计算公式；阐明了在评定数控机床可靠性过程中应该注意的若干问题和提高数控机床可靠性的一些基本措施。

参 考 文 献
[1] 文 广. 我国数控机床可靠性的现状及对策[J].机械研究与应用,2003, 16 (2): 5-6.
[2] 张 静, 梁建明, 朱春花. 提高数控机床可靠性措施初探[J].河北建筑工程学院学报,2008, 26 (4): 80-82.
[3] 赵建英. 数控机床可靠性的评定与提高途径[J].科技情报开发与经济,2009, 19 (11): 143-145.
[4] 朱树红,夏罗生.数控机床的可靠性分析[J].机床电气,2006, 4: 18-20.
[5] 张永革, 吴新佳. 保证数控机床可靠性的措施分析[J].郑州铁路职业技术学院学报,2008, 20 (2): 19-20.
[6] 王桂萍, 贾亚洲. 数控机床可靠性分析方法[J].吉林工程技术师范学院学报,2006, 22 (3): 13-16.
[7] 李 军, 鹿文军. 进口数控机床的可靠性[J].检验检疫科学,2008,22(3): 25-27.

致 谢
感谢孙兴伟老师在这段时间的授课，也感谢她对我的论文提出的建议和意见。这段时间同学们在孙老师的带领下学到了很多关于数控机床的知识，并且相处十分愉快。更感谢老师以这种结课论文并答辩的方式来考核与锻炼我们，为以后毕业答辩奠定了基础。

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