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數(shù)控機(jī)床

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數(shù)控機(jī)床刀塔結(jié)構(gòu)及其可靠性探討
2022-3-22  來源： 通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司  作者：李金鳳；唐倩；孫造；王盟

     摘要：數(shù)控機(jī)床是衡量一個國家工業(yè)制造水平的重要標(biāo)志，其中刀塔等部件功能的可靠性對數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量與效果會產(chǎn)生直接的影響，從實(shí)際發(fā)展情況來看，為提高我國數(shù)控機(jī)床刀塔可靠性，從而滿足高檔機(jī)床的加工需求，因此對數(shù)控機(jī)床刀塔結(jié)構(gòu)和可靠性進(jìn)行了研究。通過分析刀塔結(jié)構(gòu)，得到具體闡述，建立模型來分析刀塔存在的故障，通過分析故障發(fā)生的幾率，對其特征進(jìn)行衡量、計(jì)算，利用故障模式、影響因素、危害因素等進(jìn)行分析，確定產(chǎn)生故障的原因，提出解決方式。
  
     關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)；機(jī)床結(jié)構(gòu)；刀塔；故障與可靠性；對策
  
     1、研究背景
    
     刀塔結(jié)構(gòu)缺乏可靠性的現(xiàn)狀導(dǎo)致實(shí)際工作效率低下，無法滿足實(shí)際加工需求，尤其是無法滿足工業(yè)發(fā)展的需求。文章主要研究某公司生產(chǎn)的液壓刀塔，通過分析結(jié)構(gòu)以及故障發(fā)生幾率，得到機(jī)床穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，分析刀塔系統(tǒng)將系統(tǒng)劃分為多個子系統(tǒng)組成可靠性特征量來進(jìn)行研究，通過仿真得到刀塔的故障數(shù)據(jù)，從而計(jì)算刀塔的可靠性、影響、危害性分析。在這些分析的基礎(chǔ)上，借助 FMECA 方式定位刀塔發(fā)生故障位置、范圍、故障影響，對其研究找出可能解決故障的方式，針對故障提出高效改進(jìn)措施，為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供借鑒。如圖 1。

 
   
圖 1 某數(shù)控機(jī)床
  
     2、刀塔結(jié)構(gòu)
  
     液壓刀塔組件并不復(fù)雜，由刀塔結(jié)構(gòu)本體、傳動系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、液壓、電器、冷卻等多個系統(tǒng)組合形成，在內(nèi)部，使用平行凸輪提供驅(qū)動力，該部件具有分割角度準(zhǔn)確與換刀速度快的特征，刀盤旋轉(zhuǎn)是通過油壓馬達(dá)來驅(qū)動，具有扭力大、且平穩(wěn)的特征；刀盤加緊、松開等動作都可以精準(zhǔn)完成，油壓馬達(dá)能夠提供通暢的油壓動力源。刀塔可以左右安裝以及就近選刀的功能。油壓馬達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)分度動力源，初分位置通過信號盤與接近開關(guān)信號來確定，通過連接器確保刀盤運(yùn)行精度，連接器的分開與鎖緊則由液壓控制活塞動作來實(shí)現(xiàn)。刀塔的主體結(jié)構(gòu)就是本次研究的本體，由支撐、油封兩個系統(tǒng)構(gòu)成，在支撐結(jié)構(gòu)由常規(guī)的底座和軸承等構(gòu)成，為整個系統(tǒng)提供支撐與保護(hù)的作用，支撐部件可以為主軸和凸輪軸部件的安裝與固定，支撐部件的運(yùn)行。油封部分則由油缸蓋、活塞、O 型密封環(huán)等構(gòu)成。刀塔的備件為浸油式潤滑，浸油式潤滑可以降低刀塔內(nèi)部部分部件運(yùn)行導(dǎo)致的損耗，比如凸輪與齒輪部件，在實(shí)際運(yùn)行過程中還可以間距降溫和降噪，保證軸承的潤滑。油壓馬達(dá)可以實(shí)現(xiàn)刀塔傳動系統(tǒng)，經(jīng)過凸輪傳動、滾輪和齒輪傳動，經(jīng)過主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動運(yùn)行。凸輪傳動結(jié)構(gòu)是凸輪、軸承等構(gòu)成，齒輪由齒輪本身和滾輪軸等構(gòu)成。滾輪在整個部件當(dāng)中處于中間位置，在具體運(yùn)行的過程中要求滾輪和凸輪配合、與分度盤齒輪精準(zhǔn)嚙合才可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)行，這樣就可以實(shí)現(xiàn)不同傳動的分度、保證精準(zhǔn)。
  
     刀塔液壓系統(tǒng)有松開、鎖緊、轉(zhuǎn)位的功能。松開鎖有油路板、閥門、電磁閥等部件組成，通過二位四通油壓電磁閥實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制，刀盤整體的鎖緊速度則通過單項(xiàng)節(jié)流閥來控制。在常態(tài)下，系統(tǒng)處于鎖緊狀態(tài)，換刀的時候抬起轉(zhuǎn)位；轉(zhuǎn)位系統(tǒng)由油路板、閥門和馬達(dá)等組成。一旦刀盤確認(rèn)鎖緊之后控制松開電磁閥，刀盤回歸中位，而雙向油壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動。如圖 2。
 
 
  
圖 2 伺服刀塔

     定位系統(tǒng)由連接器，其余由主軸、刀盤、墊圈等構(gòu)建來組成，連接器等設(shè)備運(yùn)行過程中可以保證道具運(yùn)行到精準(zhǔn)位置，因此在其中增加了傳感器，用來控制刀盤的松開、鎖緊、轉(zhuǎn)動的啟停環(huán)節(jié)。整個部件的冷卻系統(tǒng)設(shè)置了導(dǎo)流設(shè)備構(gòu)成，冷卻液通過刀塔側(cè)邊的管接頭流入內(nèi)部系統(tǒng)，經(jīng)導(dǎo)流座、導(dǎo)桿等進(jìn)入刀盤，刀盤運(yùn)行力下將冷卻液外推啟動運(yùn)轉(zhuǎn)。
  
     3、 數(shù)控機(jī)床刀塔結(jié)構(gòu)及其可靠性探討
  
     3.1 可靠性分析
  
     分析可靠性的依據(jù)是在歷史故障維修數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的研究工作。在實(shí)際的研究當(dāng)中可以與專門的數(shù)控企業(yè)合作，獲取設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障次數(shù)、維修慈湖、本次設(shè)計(jì)采集 26 臺刀塔的故障維修數(shù)據(jù)，總結(jié)得到一百零八條故障信息，分析設(shè)備運(yùn)行在最短時間內(nèi)出現(xiàn)故障的時間為8.13h，設(shè)備最長運(yùn)行時間為 1689.45h。
  
     從實(shí)際研究來看，機(jī)電液產(chǎn)品的壽命分布形式有：正態(tài)、對整正態(tài)、指數(shù)分布、威布爾分布。將得到的故障數(shù)據(jù)劃分成小組，運(yùn)用計(jì)算和擬合其經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到密度關(guān)系，計(jì)算結(jié)果表示刀塔無故障時間的概率在密度曲線上表示為單調(diào)下降的趨勢，可以排除在計(jì)算過程中呈現(xiàn)出正態(tài)分布、對整正態(tài)分布的特征，可以知道刀塔無故障時間以威布爾部分布展示最為科學(xué)合理，這種方式也是形狀分布參數(shù)取 1 的特征，在后續(xù)將該分布無故障時間再次擬合計(jì)算，分析可靠性分析，通過雙參數(shù)威布爾累計(jì)

     
 
     在上述句式當(dāng)中，如果 α＞0，證明與工作負(fù)載相關(guān)，β＞0，證明呈現(xiàn)正相關(guān)，考慮 t≥0。在確定刀塔無故障時間分布之后，需要通過類似的估計(jì)法、回歸法分析其中的待定參數(shù)，估計(jì)參數(shù)范圍。威布爾分布累積分布函數(shù)不包含積分計(jì)算，計(jì)算的時候?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為最小二乘法進(jìn)行估算，乘以參數(shù) α、β，將采集的故障信息按照要求變化，之后使用SPSS 軟件估計(jì)參數(shù)，得到參數(shù)為：
  
  
     得到上述結(jié)果之后通過擬合結(jié)果進(jìn)行線性檢驗(yàn)，估計(jì)分布函數(shù)參數(shù)，得到設(shè)備的可靠性、故障幾率、無故障時間等，將這些估計(jì)作為主要依據(jù)帶入到公式當(dāng)中，其計(jì)算結(jié)
  

     在實(shí)際計(jì)算當(dāng)中，刀塔可靠度與時間變化有關(guān)系，設(shè)備運(yùn)行時間長，刀塔可靠性下降；在計(jì)算過程中無故障時間用 MTBF 來表示，用 MTBF 來衡量刀塔可靠性質(zhì)量，MTBF 是刀塔相鄰兩次故障的平均工作時間，因此計(jì)算MTBF 可以得到刀塔無故障工作時間的數(shù)學(xué)期望值。在該計(jì)算當(dāng)中，還有伽馬函數(shù)值。得到計(jì)算公式之后，計(jì)算得到MTBF=554.12h，由于得到的故障參數(shù)值帶入其中，得到MTBF 的最終數(shù)值為 533.69h，誤差為 4%，這證明了刀塔故障分布模型、參數(shù)估計(jì)之間的正確性與合理性。刀塔在數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行質(zhì)量也得到了國家的重視，早在十一五期間，我國就規(guī)定數(shù)控機(jī)床的平均壽命為 900h，在上述計(jì)算當(dāng)中，可以知道該刀塔的壽命還無法達(dá)到國家規(guī)定的要求。在這種形式下，可以根據(jù)故障發(fā)生概率找到刀塔系統(tǒng)存在的薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)薄弱環(huán)節(jié)來改造，保證數(shù)控機(jī)床的實(shí)際使用價(jià)值。
  
     3.2 FMCA 分析
  
     Failure Mode，Effects and Criticality Analysis 就是分析刀塔系統(tǒng)存在的可靠性能分析，該分析是以實(shí)際故障幾率為基礎(chǔ)，分析故障影響因素與危害因素，得到可靠性分析技術(shù)。Failure Mode，Effects and Criticality Analysis 可以分為兩個部分，故障模式的影響分析、危害性分析兩個部分。
  
     將其再次進(jìn)行劃分，則可以劃分為故障部位、故障模式、故障原因、故障責(zé)任等，還可以劃分到責(zé)任與影響、歸屬不同類別。通過分析各個組成部分的不同故障模式與影響因素，就可以找到刀塔系統(tǒng)運(yùn)行過程中的薄弱環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
  
     刀塔在實(shí)際運(yùn)行的過程中需要電器系統(tǒng)作為動力，這也是比較關(guān)鍵的系統(tǒng)。因此通過 Failure Mode，Effects andCriticality Analysis 進(jìn)行再次分析，得出結(jié)論如表 1。

 表1 由電器系統(tǒng)故障導(dǎo)致的故障與主要故障
 
 
  
     上述結(jié)論可以知道電器系統(tǒng)是影響刀塔、影響數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的主要因素，而觀察上述數(shù)據(jù)，其中元器件的損壞是刀塔結(jié)果出現(xiàn)故障最多的環(huán)節(jié)，也是限制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要因素，確定主要限制因素是元器件損壞、調(diào)整不當(dāng)所導(dǎo)致。究其本質(zhì)，電器系統(tǒng)的故障的責(zé)任主要是由于外購?fù)鈪f(xié)、裝配、用戶等原因所導(dǎo)致[4]。
  
     通過分析刀塔運(yùn)行過程中可能存在的故障危害性，結(jié)合計(jì)算得到的故障發(fā)生頻率，綜合故障的危害程度來找到刀塔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題的薄弱環(huán)節(jié)，比如針對元器件損壞的常見現(xiàn)象，應(yīng)該針對元器件的性能、生產(chǎn)等進(jìn)行積極的改進(jìn)。
   
     通過 CA 結(jié)果分析，證明影響刀塔運(yùn)行的因素有：電器系統(tǒng)與定位系統(tǒng)，其中傳動、冷卻、液壓、本體系統(tǒng)這幾類系統(tǒng)的危害逐次減小，因此電器系統(tǒng)是刀塔最薄弱的環(huán)節(jié)，在實(shí)際發(fā)展的過程中應(yīng)該對這個方面進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)。
  
     4、結(jié)束語
  
     綜上，從我國實(shí)際國情出發(fā)，可以認(rèn)識到我國在工業(yè)制造方面還存在很多問題需要解決。本文通過研究數(shù)控機(jī)床刀塔的性能，根據(jù)計(jì)算結(jié)論找到刀塔運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，且提出改進(jìn)措施。













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