編者按：近些年，我國(guó)機(jī)床行業(yè)發(fā)展迅速，尤其是數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量大幅增加。但是，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在國(guó)際上卻難以占據(jù)制高點(diǎn)，究其原因，可靠性是國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床飽受詬病的重要問(wèn)題。本刊特邀我國(guó)著名的從事可靠性研究的專(zhuān)家——張根保教授主筆，撰寫(xiě)“數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)”系列專(zhuān)題文章，從設(shè)計(jì)、制造、管理等各個(gè)層面由淺入深地對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)進(jìn)行剖析，對(duì)提高我國(guó)機(jī)床產(chǎn)品的可靠性具有重要的指導(dǎo)意義。

本專(zhuān)欄由《制造技術(shù)與機(jī)床》雜志獨(dú)家策劃、刊登，預(yù)計(jì)刊載周期為一年半左右，請(qǐng)有興趣的讀者多加關(guān)注。

張根保：男，1953年生，重慶大學(xué)教授，機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)博士生導(dǎo)師，重慶大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造研究所所長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事先進(jìn)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床可靠性、現(xiàn)代質(zhì)量工程、企業(yè)信息化等方面的研究。先后主持和參加了國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家高科技計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等60余項(xiàng)。先后獲省部級(jí)科技成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇。

數(shù)控機(jī)床可靠性概述

　　數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的“工作母機(jī)”，是實(shí)現(xiàn)國(guó)家工業(yè)化和現(xiàn)代化的基礎(chǔ)裝備，其性能、質(zhì)量和擁有量是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。目前，高速、高效、自動(dòng)化、高精度和高可靠性是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要趨勢(shì)。而我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床與世界先進(jìn)水平相比，產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障的頻率高、壽命周期短、性能不穩(wěn)定、可靠性差?？煽啃宰鳛楹饬繑?shù)控機(jī)床性能的重要指標(biāo)，多年來(lái)一直困擾著我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，嚴(yán)重影響了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此如何提高數(shù)控機(jī)床的可靠性已成為我國(guó)裝備制造業(yè)面臨的重大課題。作者所在的團(tuán)隊(duì)于2014年在《制造技術(shù)及機(jī)床》雜志第四期上發(fā)表了“數(shù)控機(jī)床可靠性方法論：8341工程”的文章，系統(tǒng)的介紹了制造企業(yè)可靠性工程實(shí)施的方法論，本文主要對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性相關(guān)知識(shí)進(jìn)行概述，并為8341可靠性工程在企業(yè)的實(shí)施提供基礎(chǔ)理論。

　　1?數(shù)控機(jī)床可靠性的基本概念

　　可靠性的定義最初是由Robert Lusser在1952年提出的，他認(rèn)為，產(chǎn)品的可靠性就是“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”。在我國(guó)的GB318-82標(biāo)準(zhǔn)中，也對(duì)可靠性下了類(lèi)似定義。從可靠性的定義可以看出，可靠性是質(zhì)量的一種屬性，是產(chǎn)品的一種能力，是產(chǎn)品在“三個(gè)規(guī)定”的條件下滿(mǎn)足成功使用的概率[1-2]，可靠性在很大程度上代表了產(chǎn)品的“可用性”。根據(jù)可靠性的定義，在衡量數(shù)控機(jī)床的可靠性時(shí)，“規(guī)定的條件”就是機(jī)床在設(shè)計(jì)時(shí)確定的產(chǎn)品使用環(huán)境和工作條件，一般包括加工尺寸、切削用量、切削功率、使用環(huán)境條件、加工材料等;“規(guī)定的時(shí)間”指的是設(shè)計(jì)確定的運(yùn)行壽命，也可以是機(jī)床大修前的年限，還可以是可靠性考核時(shí)確定的任何年限;“規(guī)定的功能”是指機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)確定的功能，例如加工中心可以完成鉆、銑、鏜、鉸、攻絲等功能。

　　數(shù)控機(jī)床的可靠性一般與故障相關(guān)，故障可分為功能性故障和非功能性故障。如果數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中功能性故障很少，機(jī)床處于“隨時(shí)可用”狀態(tài)，則其可靠性就高;反之，如果數(shù)控機(jī)床功能性故障頻出，經(jīng)常需要停機(jī)維修，則其可靠性就差。值得注意的是，數(shù)控機(jī)床中的一些非功能性故障并不直接影響機(jī)床的正常運(yùn)行，如漏油、異響、輕微振動(dòng)、安全門(mén)開(kāi)關(guān)費(fèi)力等，但它們的存在反映了數(shù)控機(jī)床的整體質(zhì)量水平，同時(shí)也為功能性故障的發(fā)生埋下了隱患，制造企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品和制造時(shí)必須同時(shí)關(guān)注功能性故障和非功能性故障。機(jī)床用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品可靠性最關(guān)心的問(wèn)題是降低數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中故障率，減少功能性故障的發(fā)生，使機(jī)床處于“隨時(shí)可用”的狀態(tài)。

　　2?可靠性的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

　　數(shù)控機(jī)床的可靠性是在“三個(gè)規(guī)定”同時(shí)滿(mǎn)足情況下所展現(xiàn)出的“可用性”能力。由于產(chǎn)品故障的發(fā)生是隨機(jī)的，因此可靠性是個(gè)統(tǒng)計(jì)概念，一般需要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的語(yǔ)言去描述。描述數(shù)控機(jī)床可靠性的指標(biāo)主要有以下幾種[3-4]：

　　(1)可靠度與故障概率分布函數(shù)

　　數(shù)控機(jī)床可靠性的高低通常用可靠度來(lái)表征，記為R，由于它是時(shí)間t的函數(shù)，故也記為，稱(chēng)為可靠度函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　式中，T表示機(jī)床從開(kāi)始工作到發(fā)生故障的時(shí)間，t表示某一規(guī)定的時(shí)間，為故障密度函數(shù)。通常情況下，的值越大，表明數(shù)控機(jī)床的可靠性越高，反之亦然。

　　與可靠度相對(duì)應(yīng)的是不可靠度，即故障概率分布函數(shù)，由于它也是時(shí)間t的函數(shù)，因此常用來(lái)表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　由式(1)與式(2)可知，可靠度與故障概率分布函數(shù)之間具有互補(bǔ)關(guān)系，即，如圖1所示。

　　(2)故障率

　　故障率是指工作到某時(shí)刻t尚未發(fā)生故障的機(jī)床，在該時(shí)刻t以后的下一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率，記為，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　故障率是數(shù)控機(jī)床可靠性常用的數(shù)字特征之一，它可以直觀(guān)地反映機(jī)床在每個(gè)時(shí)刻的故障情況，故障率越高，則可靠性就越低，反之亦然。數(shù)控機(jī)床可靠度、故障概率分布函數(shù)、故障密度函數(shù)以及故障率之間的關(guān)系如表1所示。

　　(3)平均故障間隔時(shí)間

　　平均故障間隔時(shí)間是指數(shù)控機(jī)床相鄰兩次故障間工作時(shí)間的平均值，用MTBF(Mean Time Between Failure)表示，它是故障間隔時(shí)間的數(shù)學(xué)期望，代表了機(jī)床的“可用性”，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：

　　式中，表示在評(píng)定周期內(nèi)機(jī)床累計(jì)故障頻數(shù)，為機(jī)床抽樣臺(tái)數(shù)，表示在評(píng)定周期內(nèi)第i臺(tái)機(jī)床的實(shí)際工作時(shí)間(h)，表示在評(píng)定周期內(nèi)第i臺(tái)機(jī)床出現(xiàn)的故障頻數(shù)。

　　(4)維修度與維修密度

　　數(shù)控機(jī)床的可用性除了與故障有關(guān)外，還與維修性有關(guān)。數(shù)控機(jī)床維修性的定義是在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，機(jī)床保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力。數(shù)控機(jī)床維修性的高低通常用維修度來(lái)表征，記為M，由于它是時(shí)間t的函數(shù)，故也記為，稱(chēng)為維修度函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，T表示機(jī)床完成維修的時(shí)間，t表示某一規(guī)定的時(shí)間，為維修密度函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)修復(fù)率

修復(fù)率是指到時(shí)刻t尚未修復(fù)的數(shù)控機(jī)床，在該時(shí)刻t以后的下一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)被修復(fù)的概率，記為，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(6)平均維修時(shí)間

平均維修時(shí)間就是數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障后用于實(shí)際維修的平均時(shí)間，用MTTR(Mean Time To Repair)表示。也許數(shù)控機(jī)床的可靠性非常高，在運(yùn)行過(guò)程中很少發(fā)生故障，但是一旦發(fā)生故障就要花很長(zhǎng)的時(shí)間、很多的人力物力財(cái)力來(lái)進(jìn)行修理，顯然這樣的數(shù)控機(jī)床利用率也不高。平均維修時(shí)間是機(jī)床維修密度函數(shù)的數(shù)學(xué)期望值，記為，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(7)可用度

數(shù)控機(jī)床的可用性表示可維修機(jī)床在某一時(shí)刻具有或維持規(guī)定功能的能力，是可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映，是用戶(hù)最關(guān)心的特性。機(jī)床可用性的高低由可用度來(lái)表征，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

可見(jiàn)越高，表示機(jī)床的有效工作程度就越高。從式(10)中可以看出，提高數(shù)控機(jī)床可用度的方法是增長(zhǎng)MTBF和縮短MTTR。

(8)精度壽命

精度壽命是指機(jī)床在規(guī)定加工條件，規(guī)定加工任務(wù)的情況下，其精度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)的時(shí)間，它是針對(duì)數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)而產(chǎn)生的一種衡量可靠性的指標(biāo)。精度壽命越長(zhǎng)，機(jī)床在沒(méi)有其他故障情況下可工作的時(shí)間也就越長(zhǎng)，其可用性也就越好。

3?數(shù)控機(jī)床可靠性的主要內(nèi)容

提高數(shù)控機(jī)床的可靠性既是重要的技術(shù)問(wèn)題，也是企業(yè)的管理問(wèn)題，因此從產(chǎn)品全壽命周期的角度來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床可靠性的主要內(nèi)容包括可靠性設(shè)計(jì)、制造可靠性、可靠性試驗(yàn)、可靠性管理以及運(yùn)行可靠性5個(gè)部分，如圖2所示。

(1)可靠性設(shè)計(jì)方面

可靠性設(shè)計(jì)是在綜合考慮產(chǎn)品的性能、可靠性、費(fèi)用和設(shè)計(jì)等因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，使產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)符合所規(guī)定的可靠性要求。產(chǎn)品可靠性首先是設(shè)計(jì)出來(lái)，其次才是制造出來(lái)的。因此，機(jī)床的設(shè)計(jì)過(guò)程在提升可靠性方面具有重大作用?？煽啃栽O(shè)計(jì)的主要內(nèi)容概括起來(lái)可以有以下幾個(gè)方面：

①建立可靠性模型，進(jìn)行可靠性指標(biāo)的預(yù)計(jì)與分配?？煽啃越Ｊ歉鶕?jù)可靠性分析的需求，針對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)建立邏輯分析模型。在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)機(jī)床的可靠性水平、找出薄弱環(huán)節(jié)，逐步合理地將可靠性指標(biāo)分配到機(jī)床的各個(gè)層面上去。在機(jī)床的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)反復(fù)多次地進(jìn)行可靠性指標(biāo)的預(yù)計(jì)和分配。隨著機(jī)床設(shè)計(jì)的不斷深入，可靠性建模和可靠性指標(biāo)的預(yù)計(jì)、分配也應(yīng)不斷地修改和完善。

②可靠性分析?？煽啃苑治霭ü收蠘?shù)分析、故障模式影響及危害性分析、應(yīng)力分析、熱分析等。通過(guò)可靠性分析發(fā)現(xiàn)和確定機(jī)床的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，從而進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)以消除相應(yīng)的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)。

③采用各種有效的可靠性設(shè)計(jì)方法，包括制訂和貫徹可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、優(yōu)化設(shè)計(jì)、靈敏度設(shè)計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)等，并把這些可靠性設(shè)計(jì)方法和機(jī)床的設(shè)計(jì)工作結(jié)合起來(lái)，減少機(jī)床故障的發(fā)生，最終實(shí)現(xiàn)可靠性的要求。

(2)制造可靠性方面

制造是可靠性的重要環(huán)節(jié)，它與設(shè)計(jì)過(guò)程共同形成產(chǎn)品的固有可靠性。制造可靠性的內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

①外購(gòu)件的質(zhì)量與可靠性控制

除了滾珠絲桿、直線(xiàn)導(dǎo)軌、軸承外，大多數(shù)機(jī)床外購(gòu)件往往屬于小批量生產(chǎn)，供應(yīng)商的質(zhì)量保證能力不強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性問(wèn)題頻出。為了提高零部件的質(zhì)量和可靠性，必須從供應(yīng)商質(zhì)量管理能力提升和產(chǎn)品質(zhì)量入廠(chǎng)把關(guān)入手，才能最終提高零部件質(zhì)量和可靠性。

②加工一致性控制

零部件的加工精度對(duì)產(chǎn)品性能穩(wěn)定性和可靠性具有很大影響，為了提高機(jī)床的性能和可靠性，必須對(duì)其零部件的加工精度進(jìn)行控制，提高零部件加工質(zhì)量的一致性。提高加工一致性的手段主要是提高過(guò)程能力指數(shù)。

③可靠性驅(qū)動(dòng)裝配

據(jù)調(diào)查，裝配環(huán)節(jié)造成的機(jī)床故障會(huì)占到總故障數(shù)的40%以上，因此，對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行可靠性控制是非常重要的，包括可靠性裝配工藝、清潔裝配和無(wú)應(yīng)力裝配。

(3)可靠性試驗(yàn)方面

試驗(yàn)是保證和提高產(chǎn)品可靠性的重要技術(shù)手段，可以說(shuō)，沒(méi)有試驗(yàn)就沒(méi)有可靠性?？煽啃栽囼?yàn)是對(duì)機(jī)床的可靠性進(jìn)行調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)的一種手段，其目的是發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)、材料、制造、裝配工藝方面的各種缺陷，為改善機(jī)床的性能，提高可靠性水平，減少維修及保障費(fèi)用提供科學(xué)依據(jù)。機(jī)床的可靠性試驗(yàn)從功能來(lái)說(shuō)包括功能部件可靠性試驗(yàn)和整機(jī)可靠性試驗(yàn);從試驗(yàn)所處的階段來(lái)說(shuō)包括研發(fā)階段的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)、產(chǎn)品驗(yàn)收試驗(yàn)和早期故障消除試驗(yàn);從試驗(yàn)場(chǎng)地看包括實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、制造現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn);從試驗(yàn)手段看包括空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、加工試驗(yàn)和加速加載試驗(yàn)。圖3、4給出作者所在團(tuán)隊(duì)進(jìn)行功能部件以及整機(jī)可靠性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的部分情況。

(4)可靠性管理方面

國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性差除了技術(shù)水平差外，很大原因在于管理技術(shù)的落后。包括人員的素質(zhì)差、工作的隨意性強(qiáng)、缺乏成熟的可靠性管理標(biāo)準(zhǔn)(包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)等)和系統(tǒng)的可靠性管理體系。因此，為了從本質(zhì)上提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性，需要在企業(yè)建立系統(tǒng)的可靠性管理體系，并持續(xù)在企業(yè)實(shí)施。作者所在的團(tuán)隊(duì)先后在寧江機(jī)床、秦川機(jī)床、浙江亞威、揚(yáng)州鍛壓等企業(yè)建立起完整的可靠性管理體系，在提升上述企業(yè)的產(chǎn)品可靠性方面發(fā)揮了較大作用?？煽啃怨芾眢w系一般包括以下內(nèi)容：可靠性組織機(jī)構(gòu)和職責(zé)、可靠性數(shù)據(jù)管理規(guī)范、可靠性評(píng)審管理、可靠性檢核表系統(tǒng)、可靠性評(píng)價(jià)管理、油品管理辦法、可靠性推進(jìn)中的激勵(lì)制度、產(chǎn)品研發(fā)階段可靠性文件及規(guī)范、加工階段可靠性控制文件及規(guī)范、裝配階段可靠性控制文件及規(guī)范、安裝調(diào)試及用戶(hù)可靠性管理規(guī)范、可靠性實(shí)驗(yàn)文件及規(guī)范、采購(gòu)可靠性控制文件及規(guī)范等。

(5)運(yùn)行可靠性方面

機(jī)床的運(yùn)行可靠性包括機(jī)床的安裝調(diào)試、維護(hù)保養(yǎng)、維修、運(yùn)行環(huán)境控制、加工條件控制等。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，機(jī)床由于運(yùn)行因素引起的故障會(huì)占到總故障數(shù)的20%左右，因此必須重視機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中的可靠性問(wèn)題。

作者所在的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了用戶(hù)開(kāi)機(jī)強(qiáng)制維護(hù)保養(yǎng)界面(圖5)，可以強(qiáng)制用戶(hù)在運(yùn)行機(jī)床前對(duì)機(jī)床進(jìn)行必要的保養(yǎng)。同時(shí)對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中的工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控(圖6)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作環(huán)境(濕度、溫度、振動(dòng)、灰塵等)、油液清潔度和極限加工條件進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行中的故障苗頭，為機(jī)床的運(yùn)行可靠性提供保障。

4 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床可靠性的發(fā)展

4.1?國(guó)外數(shù)控機(jī)床可靠性研究及應(yīng)用

國(guó)外可靠性研究雖然起步較早，但直到上世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)機(jī)床研究機(jī)構(gòu)—金屬切削機(jī)床科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究院才率先開(kāi)展了數(shù)控機(jī)床可靠性的研究工作。機(jī)床專(zhuān)家A.C.普羅尼科夫組織了一批科學(xué)技術(shù)人員，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的特性與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從工藝角度出發(fā)對(duì)機(jī)床可靠性進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的研究，建立了機(jī)床可靠性技術(shù)的一些基本理論和方法，包括機(jī)床工藝可靠性的一般模型、機(jī)床工藝可靠性的試驗(yàn)方法及工藝可靠性的控制等，并出版了論述數(shù)控機(jī)床精度與可靠性的專(zhuān)著[5]。隨后，俄羅斯的研究人員對(duì)機(jī)床的可靠性進(jìn)行了廣泛而深入的探索，在機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)、故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析等方面均取得了卓有成效的成果[6-8]。

從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，歐美、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也相繼開(kāi)展了數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的研究，其主要側(cè)重點(diǎn)是從數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)場(chǎng)可靠性信息采集入手，建立可靠性信息數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)故障分析和可靠性評(píng)價(jià)軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的故障信息進(jìn)行分析和處理，找出機(jī)床故障的分布規(guī)律和薄弱環(huán)節(jié)。英國(guó)布拉德福德大學(xué)的Keller等耗時(shí)3年跟蹤記錄了約35臺(tái)數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)，分別用對(duì)數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布，對(duì)故障間隔時(shí)間和維修時(shí)間進(jìn)行了建模分析[9]，國(guó)際上其他一些高校亦進(jìn)行了類(lèi)似的研究工作，并取得一些研究成果[10-11]。德國(guó)制定了嚴(yán)格的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，在機(jī)床產(chǎn)品制造、裝配、檢驗(yàn)的全過(guò)程都有質(zhì)量和可靠性保障體系，數(shù)控機(jī)床廠(chǎng)商也非常重視產(chǎn)品售后的故障信息反饋和可靠性分析[12]。美國(guó)的大學(xué)對(duì)可靠性、維修性分布模型著重進(jìn)行了研究，如Gupta利用時(shí)間序列分析的方法確定了數(shù)控機(jī)床的維修策略[13]，Arts等研究了多種故障模式條件下混合壽命分布參數(shù)估計(jì)的問(wèn)題[14]。日本新瀉大學(xué)的藤井義也教授等對(duì)45臺(tái)臥式加工中心和25臺(tái)立式加工中心在日本的機(jī)床用戶(hù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，他們將加工中心分為數(shù)控裝置、機(jī)床本體及附屬裝置三大類(lèi)進(jìn)行分析，結(jié)果表明當(dāng)時(shí)日本臥式加工中心的MTBF值為700小時(shí)，立式加工中心MTBF值為824小時(shí)[15-16]。從記錄結(jié)果可以看出，機(jī)床本體故障占一半，是數(shù)控機(jī)床可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。日本機(jī)床企業(yè)通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范、故障模式影響分析和可靠性檢查表、建立故障分析案例庫(kù)不斷的提高機(jī)床產(chǎn)品的可靠性。此外，其他各國(guó)一些學(xué)者對(duì)影響數(shù)控機(jī)床可靠性的因素進(jìn)行了研究分析[17-20]，Das等人則對(duì)單元數(shù)控機(jī)床中的機(jī)床可靠性和預(yù)防性維修規(guī)劃進(jìn)行了研究[21];Kim等人用FMEA對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性進(jìn)行了評(píng)估，并介紹了兩款基于WEB的分析軟件[22-24]。通過(guò)幾十年的持續(xù)努力，國(guó)外數(shù)控機(jī)床的可靠性普遍達(dá)到較高的水平，整機(jī)MTBF都在2000小時(shí)以上，部分產(chǎn)品聲稱(chēng)可以達(dá)到5000小時(shí)。在學(xué)術(shù)研究方面，國(guó)外對(duì)可靠性的研究，引領(lǐng)了數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的發(fā)展，他們對(duì)新技術(shù)、新方法、新理論的大膽探索值得國(guó)內(nèi)同行借鑒。

4.2?國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床可靠性研究及應(yīng)用

國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床可靠性的研究始于上世紀(jì)80年代末期，當(dāng)時(shí)主要進(jìn)行的工作是調(diào)查研究部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的可靠性，以便對(duì)我國(guó)數(shù)控機(jī)床的可靠性進(jìn)行摸底和初步考核。進(jìn)入上世紀(jì)90年代，數(shù)控機(jī)床可靠性的基礎(chǔ)研究工作被列入國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。在“八五”、“九五”期間，我國(guó)先后組織了吉林大學(xué)、北京機(jī)床研究所、沈陽(yáng)機(jī)床廠(chǎng)、大連機(jī)床廠(chǎng)等多家單位進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床可靠性的基礎(chǔ)研究和攻關(guān)，開(kāi)展了數(shù)控機(jī)床可靠性及數(shù)控系統(tǒng)的故障模式收集與分析、故障數(shù)據(jù)庫(kù)建立、數(shù)控車(chē)床載荷譜建立和可靠性增長(zhǎng)等基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的可靠性研究;建立了我國(guó)第一個(gè)專(zhuān)門(mén)的數(shù)控機(jī)床可靠性研究所—吉林大學(xué)裝備可信性研究所;在國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目和國(guó)家“863”項(xiàng)目中，就數(shù)控機(jī)床可靠性問(wèn)題進(jìn)行了較為全面深入的研究，并取得了階段性成果，為進(jìn)一步開(kāi)展數(shù)控機(jī)床可靠性研究奠定了基礎(chǔ)。到2000年底，參加數(shù)控機(jī)床科技攻關(guān)企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的MTBF值均大于400小時(shí)，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性已有一定程度的提高[25]。

近幾年，國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性的研究范圍越來(lái)越廣。吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)在賈亞洲教授的帶領(lǐng)下，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)的采集，對(duì)多種型號(hào)數(shù)控車(chē)床和加工中心進(jìn)行了故障分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并得出了多種數(shù)控機(jī)床故障間隔時(shí)間和維修時(shí)間的可靠性模型[26-33];蘇春等對(duì)傳統(tǒng)可靠性建模方法在描述時(shí)間與機(jī)床動(dòng)態(tài)過(guò)程方面存在的缺陷進(jìn)行了分析，并給出了動(dòng)態(tài)可靠性的定義及理論體系[34];劉學(xué)軍將數(shù)控機(jī)床可靠性研究工作與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)，開(kāi)發(fā)了可靠性智能網(wǎng)絡(luò)信息機(jī)床，并建立了可靠性異質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)共享集成模型[35];賈志成等通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)床與德國(guó)機(jī)床進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤與試驗(yàn)，通過(guò)故障模式對(duì)比分析，找到國(guó)產(chǎn)機(jī)床與德國(guó)機(jī)床故障模式的差異性[36];王濤研究了數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)的理論、方法和技術(shù)，從數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的可靠性工程角度出發(fā)，研究了在不同機(jī)床設(shè)計(jì)階段，如何提高機(jī)床設(shè)計(jì)的可靠性[37];高萍對(duì)基于可用度約束的維修費(fèi)用最小的計(jì)劃維修周期決策模型進(jìn)行了探索[38];王智明等對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性評(píng)估和預(yù)防維修策略進(jìn)行了研究[39-41];陳琦建立了基于可靠性的單個(gè)產(chǎn)品預(yù)防性維護(hù)優(yōu)化模型，綜合考慮企業(yè)的生產(chǎn)與維護(hù)兩方面的情況，減小大修維護(hù)造成的停機(jī)損失，同時(shí)考慮了不同維護(hù)活動(dòng)對(duì)機(jī)床可靠性的動(dòng)態(tài)變化影響情況[42]。

在國(guó)家《高檔數(shù)控機(jī)床及基礎(chǔ)制造裝備》科技重大專(zhuān)項(xiàng)的支持下，重慶大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)多家企業(yè)合作，對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性進(jìn)行了一系列探索。在機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)方面，提出了基于任務(wù)的數(shù)控機(jī)床可靠性分配技術(shù)，并利用GO-FLOW法完成了分配模型的實(shí)現(xiàn)[43-45];在機(jī)床可靠性試驗(yàn)方面，對(duì)加工中心功能部件雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，確定了加速因子的類(lèi)型和水平，給出了強(qiáng)化試驗(yàn)綜合應(yīng)力剖面，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了深入分析[46-47];在機(jī)床制造和裝配方面，提出了“裝配可靠性”的概念，并對(duì)裝配可靠性的理論、方法和建模進(jìn)行了一系列研究[48-53];在機(jī)床可靠性評(píng)估方面，建立了臥式加工中心的浴盆曲線(xiàn)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)模型進(jìn)行了應(yīng)用[54-57]。

另外，吉林大學(xué)在可靠性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，東北大學(xué)在可靠性設(shè)計(jì)方面，機(jī)床國(guó)檢中心在可靠性試驗(yàn)方面都開(kāi)展了大量的工作，形成各自的團(tuán)隊(duì)，取得一批研究成果。

從2009年起，《高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備》重大專(zhuān)項(xiàng)主要針對(duì)各類(lèi)大型、高精度數(shù)控機(jī)床展開(kāi)研究，其中提高數(shù)控機(jī)床的可靠性是該專(zhuān)項(xiàng)的重要任務(wù)之一，最終目標(biāo)是使國(guó)產(chǎn)高檔制造裝備的可靠性得到實(shí)質(zhì)性的提高。通過(guò)5年多時(shí)間的努力，大部分專(zhuān)項(xiàng)產(chǎn)品的可靠性水平基本達(dá)到了MTBF值900小時(shí)的目標(biāo)，在接下來(lái)的幾年里將繼續(xù)開(kāi)展可靠性共性關(guān)鍵技術(shù)的研究，使得高檔數(shù)控機(jī)床MTBF的目標(biāo)值達(dá)到2000小時(shí)，從而基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

5 目前存在的主要問(wèn)題

綜上所述，數(shù)控機(jī)床可靠性的研究，其基本理論、基本方法已日漸成熟，但是面對(duì)未來(lái)裝備制造業(yè)對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性提出的更高要求，目前仍存以下幾點(diǎn)不足：

(1)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和全體員工的可靠性意識(shí)不強(qiáng)，缺乏可靠性控制的技術(shù)手段，特別是設(shè)計(jì)分析工具、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等。另外，由于可靠性是質(zhì)量的一種屬性，但成熟的質(zhì)量管理方法在可靠性工程中的應(yīng)用還不夠。

(2)由于前期數(shù)控機(jī)床可靠性研究工作主要集中在數(shù)控機(jī)床故障率分布模型、可靠性綜合評(píng)價(jià)方法上，對(duì)于機(jī)床企業(yè)而言，這些研究成果有利于機(jī)床生產(chǎn)商了解其機(jī)床的可靠性現(xiàn)狀，但對(duì)提高機(jī)床的可靠性水平幫助不大。

(3)提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性，還需要從打造企業(yè)的可靠性增長(zhǎng)能力(包括設(shè)計(jì)預(yù)防能力、制造控制能力、試驗(yàn)改進(jìn)能力和管理保障能力)入手，增強(qiáng)企業(yè)自身的“可靠性”素質(zhì)，才能確保制造出比國(guó)外更可靠的產(chǎn)品。因此，要在國(guó)內(nèi)機(jī)床企業(yè)推行8341工程，要強(qiáng)化全生命周期可靠性的理念，打造企業(yè)的可靠性提升能力。

(4)用戶(hù)的使用對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性的影響極大，大部分用戶(hù)都不會(huì)嚴(yán)格按照使用說(shuō)明書(shū)對(duì)機(jī)床進(jìn)行使用和保養(yǎng)，造成機(jī)床的故障頻出，精度很快喪失，因此還需要對(duì)用戶(hù)的使用條件和維護(hù)保養(yǎng)進(jìn)行強(qiáng)制管理，各機(jī)床制造企業(yè)與用戶(hù)之間的溝通還需加強(qiáng)。

作者：張根保?柳?劍(重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院