数控组合机床机械设计制造论文.doc

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1、数控组合机床机械设计制造论文目录第一章 绪 论11.1 课题背景11.2数控组合机床发展现状11.2.1发展现状11.2.2国内外数控组合机床可靠性研究情况21.3课题研究目的和意义31.4本课题主要研究内容51.4.1研究对象51.4.2主要研究内容5第二章 数控组合机床故障模型72.1数控组合机床故障模型结构72.1.1样本抽取72.1.2故障采集72.1.3 故障模型92.2数控组合机床依据故障模型的可靠性评价92.2.1多故障数据模型的可靠性评价102.2.2单故障数据模型和无故障数据模型的可靠性评价202.3本章小结35第三章 数控组合机床故障分析373.1 数控组合机床故障部位、模

2、式、原因分析373.1.1数控组合机床故障部位373.1.2数控组合机床整机故障分析383.1.3数控组合机床故障模式、影响及危害度分析413.2数控组合机床主轴早期可靠性控制图分析433.2.1 控制图的建立433.2.2 控制图的分析463.3本章小结50第四章 数控组合机床可靠性管理514.1数控组合机床可靠性设计管理514.1.1 数控组合机床可靠性设计准则514.1.2 数控组合机床可靠性设计检查514.1.3 数控组合机床可靠性改进设计524.2 数控组合机床早期故障试验544.2.1 数控组合机床早期故障试验规范544.2.2 数控组合机床主轴步进应力加速寿命模型584.3关键工

3、序和装配过程可靠性保障体系654.4 关键配套件、外购件的可靠性保障体系664.5 本章小结68第五章 数控组合机床可靠性模糊综合评价705.1 数控组合机床可靠性模糊评价705.1.1建立可靠性评价因素集705.1.2建立可靠性评价集715.1.3 可靠性模糊评价725.1.4 建立可靠性评价权重集735.1.5 数控组合机床可靠性综合评价数学模型745.2 数控组合机床工作节拍模糊综合评价755.3 数控组合机床主轴最高转速浮动值多级模糊综合评价775.4 本章小结88参 考 文 献90致 谢97第一章 绪 论1.1 课题背景数控组合机床是数控装备重要品种之一。近几年统计数据表明，国产数控

4、装备和数控系统国内市场占有率很低，国外品牌依旧控制着70%的市场份额，特别是外国品牌的高档数控装备依然占绝对统治地位 1 23，产生这种现象的重要原因之一是国产数控装备和数控系统的可靠性低，故障率高4。随着社会需求的不断增加，中国制造业面临着巨大的机遇和挑战，数控组合机床的需求量将不断提高，而这方面的可靠性研究在国内外尚无详细的可参考资料。因此，要想提高我国数控组合机床的竞争力，就必须提高数控组合机床的可靠性。作者在实际调研中发现，大多数控组合机床及其生产线可靠性低，平均故障间隔时间与国外同类产品相比差距较大。由此可见可靠性不但是数控组合机床发展的“瓶颈”，而且是整个数控装备行业乃至制造业发展

5、的重大共性和关键技术。其提高的途径有两条：一条是积极开展此方面的可靠性关键技术的研究工作；另一方面是加强可靠性管理技术的研究，以缩短设备可靠性提高的周期。所以如何迅速提升数控组合机床的可靠性是一个重大研究课题，而提高可靠性管理技术的研究对于单样本数控组合机床具有现实意义。1.2数控组合机床发展现状1.2.1发展现状 建国初期，在优先发展重工业方针指导下，机床制造业得到迅速发展。我国第一台组合机床和第一条自动生产线于1956年在大连机床集团公司（大连机床厂）问世。而在产品加工中，大批量生产的零件并不多，单件与小批量生产的零件约占机械加工市场总量的80%15，但是组合机床及其自动生产线却得到快速发

6、展，仅大连机床集团公司为汽车等行业生产的自动线就达360多条。通过调查发现，现在由于汽车制造水平不断提高，汽车行业不但需要大批普通数控机床、加工中心，还急需精密的专用机床，特别是精密的专用数控组合机床。而精密专用数控组合机床因需求品种多、批量一般是单件生产、技术要求高、开发难度大，因此被不少机床企业所放弃，使汽车行业叫苦不迭，例如曲轴孔、镗缸孔、加工缸体止口以及缸盖阀座导管等汽车关键部件加工使用的精密专用数控组合机床，市场严重短缺。现在机床产值数控化率和国产机床产值逐年提高4 ，各机床厂在生产数控机床的同时，投入科技力量采取攻关和技术联合等方法加大专用数控组合机床的开发力度。如大连机床集团公司

7、与美国一家组合机床厂进行技术联合，生产数控组合机床及生产线；第一汽车集团公司数控装备有限公司与韩国一家数控机床厂进行技术合作，生产数控组合自动生产线。 随着制造业市场开放性和经济全球化趋势的不断加强，数控组合机床的竞争将日趋激烈，产品的开发时间（Time）、质量（Quality）、成本（Cost）、创新能力（Creation）和服务（Service）将是决定产品竞争力的重要指标。顾客在追求高质量、高可靠性产品的同时，价格低廉和交货期短也是他们追求的目标。这就要求每个企业应通过提高自身的科技含量，采用先进的设计技术、方法和手段，加快设计速度，提高设计质量和产品的可靠性，增强竞争力。现在数控组合机

8、床及生产线各个工序的加工机床大多采用数控加工单元和数控机床，控制系统多采用计算机控制。随着控制技术、计算机技术、信息技术、数控技术和检测技术的不断发展，“精密性、高效性、柔性、可靠性、综合性、成套性”是数控组合机床必然的发展方向15。1.2.2国内外数控组合机床可靠性研究情况可靠性技术源于军工产业，工业发达国家在六、七十年代开始在民用工业中普及可靠性技术。八十年代后，可靠性技术进入了国际化发展时代。而机床可靠性技术是在70年代发源于前苏联。当时苏联机床研究的权威机构“金属切削机床科学试验研究院”的一些国际著名机床学者，转入机床可靠性的专门研究19，建立了机床可靠性技术的一些基本理论，开辟了机床

9、领域可靠性研究的途径。但是直至今天在数控组合机床可靠性研究方面很少能查到详细的研究资料。国内外在可靠性产品开发方面、统计技术应用方面、可靠性质量管理方面、产品设计质量方面、可靠性实验、可靠性增长及可靠性理论的应用等等取得了很大成绩；而在数控机床和专用数控 组合机床方面可靠性文献比较少，只是查阅到一些实验方法在某些电子专用设备的应用情况。 本文针对我国数控组合机床企业的实际情况，进行数控组合机床可靠性理论及其应用的研究，提出一套适用于数控组合机床企业的可靠性设计和故障分析理论。1.3课题研究目的和意义本论文研究是攻关课题的一部分，本课题研究的目的是提升数控组合机床的平均故障间隔时间MTBF（Me

10、an Time Between Failures），增强市场竞争力。数控组合机床是集精密机械技术、微电子技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术于一体的高科技产品，是现代制造业水平的重要标志。数控组合机床质量的好坏直接影响到代表国家装备能力和知识水平的集成化、成套装备的水平，影响相关制造业（汽车行业、内燃机工业、农机工业、工程机械、通用机械、轻工机械、发电设备、内燃机车等行业）的发展，因此，它是体现国家综合国力、制造业和工业化水平的重要标志5 6。本论文研究的数控组合机床是指专用组合计算机数控机床及其生产线，是专用机床的一种，它以标准化部件为基础，

11、配以少量的专用部件组成。一般情况下数控组合机床有多个加工工位，每个工位的加工工作由数控加工单元、数控机床或专用机床执行，完成“专职”的加工任务，在控制装置、检测装置和传输装置的共同作用下完成整个工件的加工。专用机床是一种专门适用于特定零件（汽车变速箱体、离合器壳体、发动机缸体发动机缸套、汽缸盖、主轴承盖、凸轮轮轴轴承盖等）和特定工序加工的机床，它往往是组成自动生产线的现代制造系统中不可缺少的机床品种。由于专用机床是一种“量体裁衣”的产品，它具有高效和自动化的优点，是大批量生产企业的首选装备。随着制造业水平的不断提升，微电子技术、数控技术日新月异的发展，专用机床的数控化脚步越来越快，在整个机床产

12、业中专用数控机床占有一定的比重，日本2001年专用机床产值占机床总产值的8.8%；我国台湾省6.9%；我国仅为0.67%7 8。由此可见在现代社会需求层次不断提高，产品结构不断调整中，专用机床的发展是值得制造企业注意的问题。专用数控组合机床制造与普通机床相比有两个鲜明的特征：1)是集成性高，它要解决好涉及较宽技术领域可能遇到的每一个问题，而不是单单解决一个加工工艺、机床夹具、工具（辅助工具）开发设计与选择、成品检验测量和物流输送、切屑和冷却液的防护与处理等单独问题；2)专用数控组合机床的用户往往要求交钥匙工程，需要单台生产，因此要根据用户提出的各种技术要求一次性开发，并且要保证一次性成功，它的

13、单一性强。所以组合数控机床设计、生产和制造具有以下特点：1、由于它涉及技术领域宽广复杂，并且是集中设计，一次性制造，还要保证一次成功，例如小直径孔（0.06mm）加工，达到无欠损加工和具有良好的加工面，要求低振动主轴和优良的钻头；难切削加工材料，要求高刚性结构以延长刀具的使用寿命等，所以技术难度大。2、数控组合机床根据用户订单制造，决定它不可能有试制探索的机会，要确保一次成功技术风险很大；在制造过程中由于设计失误、结构欠妥及技术方案不当等原因，造成局部或整体报废的情况屡见不鲜；在制造调试过程中出现问题需要时间解决，所以按期交货有一定风险；如果用户因交货期延误而拒绝付款时，势必造成制造企业的重大

14、损失，所以经营风险率高。3、由于是一次性制造生产，找协作厂家很困难，所以协作困难大。4、技术依赖性强。数控组合机床从设计、工艺编制、生产制造到装配调试的全过程，都需要一批有经验的技术人员、管理人员和技术工人。 5、利润空间小。由于国情或用户对数控组合机床制造业不够理解等原因，造成数控组合机床的销售价格总体偏低。6、技术成熟期长。数控组合机床的设计制造涉及专业面广，要求主管设计师具备较丰富的工艺知识，熟悉用户所需产品的制造工艺，才能设计出好的产品，保证一次成功，这需要几年的时间。7、人才交流困难。由于订单的随机性和不均衡性，引起了生产的不均衡，国内没有成熟的技术劳动力市场，技术熟练的技工难以寻求

15、，这与企业发展不协调。 8、技术引进困难。由于是单件生产，引进技术成本太高。从以上分析可以看出，数控组合机床设计和制造具有它的特殊性。由于现代制造业发展的需要，数控组合机床都具有结构模块化、加工多刀化、设计规格标准化、系列化等特点，可按加工需要组合成多种专用性机床和自动线。由于采用了数控技术和计算机技术，从而使数控组合机床从过去完全的“刚性”演变为具有一定加工“柔性”的制造装备，其加工精度、生产效率和自动化程度都很高。但一次设计，一次制造，要求一次成功，对设计和制造质量提出了更高的要求。而国产数控组合机床的可靠性水平较低，故障发生频率高（早期故障排除不够，可靠性设计理念没有贯穿设计全过程中），

16、影响了机床的市场占有率和我国集成化、成套装备制造业的发展。由于数控组合机床是一种“订制的量体裁衣”的产品，所以产品质量与功能的可靠性直接影响到顾客的满意度，关系到企业的生存和发展。在国际标准化组织（ISO）颁布的2000年版ISO 9000族质量管理体系标准中倡导“以顾客为关注焦点”的质量管理原则9，在美国以顾客满意度作为经济状况评价的重要标准10，涉及到近三分之一的企业11-14。所以产品的可靠性高，能满足顾客希望的功能要求，是高质量的重要表现。正是基于这种状况，目前在国家调整机床工业的产业结构中，我们应该注意到提高数控组合机床的质量和可靠性是十分重要的工作，所以作者深入开展的数控组合机床故

17、障模型和可靠性管理技术的研究具有现实意义。1.4本课题主要研究内容1.4.1研究对象本课题以国内某中型专用数控组合机床制造厂生产的数控组合机床作为研究对象，重点研究数控组合机床故障模型及可靠性管理的关键技术。1.4.2主要研究内容1、依据样本对多故障数据、少故障数据、单故障数据、无故障数据四种情况，建立数控组合机床故障分析模型。应用Bayes和多层Bayes方法对数控组合机床可靠性参数进行估计。采用作者首创的改进型Laplace统计量公式对其可靠性进行趋势检验。2、对某型数控组合机床进行可靠性改进设计；建立数控组合机床可靠性管理文件。提出数控组合机床主轴早期故障“循环试验法”，阐述数控组合机床

18、主轴步进应力加速寿命试验理论。3、数控组合机床有“节拍”这一技术指标，对于一条生产线，节拍的时间是固定的，每个工序完成加工任务的时间也是一定的。如果时间发生变化，说明机床出现异常，将要发生故障。而节拍的选择对数控组合机床的设计来说是至关重要的。本文采用模糊综合评判和多级模糊综合评判方法对数控组合机床工作节拍和主轴最高极限转速进行了模糊综合评价，为数控组合机床设计的参数选择提供依据。4、建立数控组合机床故障数据库，对其故障部位表、故障模式代码表、故障原因代码表、故障原因分类表等进行研究。在此基础上对某型数控组合机床进行故障模式、影响及危害度（FMECA）分析，深入了解该型数控组合机床的故障发生机

19、理，找出产品的薄弱环节，为数控组合机床可靠性改进设计提供依据。 第二章 数控组合机床故障模型要对专用数控组合机床进行可靠性分析和可靠性评价，首先我们要了解它的特点。专用数控组合机床是一种“量体裁衣”的产品，用户往往要求交钥匙工程，需要单台生产。对它进行故障采集和现场试验时机床样本只能是“1”，与其它批量生产的数控机床相比，出现了“特殊性”，即故障数据来源只能依靠一台机床。在进行定时截尾的可靠性试验过程中，故障数据可能出现如下四种情况：一种情况是多故障数据；另一种是少故障数据；再一种是单故障数据；最后一种是无故障数据。一般原则在考察时间内（为可靠性试验总时间），我们把可靠性试验时间分成组，每组时

20、间可以相等，也可以不等，我们依据这样的故障数据建立了数控组合机床故障模型，并应用多层Bayes方法对数控组合机床可靠性参数进行估计，并对其可靠性进行评价。2.1数控组合机床故障模型结构2.1.1样本抽取通用数控机床进行可靠性研究时抽样方法已经比较成熟61，一般依据样机使用单位、评定可靠性指标需要、企业年产量等方面综合考虑。而专用数控组合机床一般只有一个样本，即样本总体为1。某些数控组合机床在功能和结构上有极大相似之处，只是在个别功能要求上有差别，在可靠性考察时也可以把它作为数控组合机床抽样数。2.1.2故障采集2.1.2.1确定试验方案当设备刚刚制造出来时，理想的情况是它应该满足合同或任务书对

21、它的可靠性要求，对于复杂系统的可靠性问题实际情况是很突出的。可靠性试验就是对产品的可靠性进行调查、分析及评价的一种手段。目的是发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷；为改善产品的完好性、提高任务成功性、减少维修费用及保障费用提供信息；确定是否符合可靠性定量要求，即确定是否在规定的使用期内达到规定的可靠性指标6263。通过可靠性试验可以揭示产品的薄弱环节，发现产品研制阶段和设计阶段的问题，明确是否需要修改设计方案。并且可以对产品改进后的可靠性指标进行验证和评定，进而制定出提高其可靠性的措施和方法，采取合理的维修制度，这些措施将决定设备在今后运行中的效果和经济合理性。因此，不要认为可靠性试验只是

22、为了对产品做出拒收或接收、合格或不合格的结论判断，更重要的是通过可靠性试验发现产品的不可靠问题，采取有效措施，切实提高产品的可靠性，同时为可靠性评价提供第一手现场故障数据。可靠性试验是既浪费时间又浪费金钱的试验。对于数控组合机床而言，确定试验方案重点考虑试验场所、试验时间和试验样本等方面问题。由于数控组合机床是单件生产、价格高、结构复杂、涉及技术面宽广，在使用条件下不确定的因素很多，故采用现场试验方法能够较真实反映机床在实际运行中的可靠性情况；试验时间分为早期故障试验时间和偶然故障试验时间；可靠性试验样本抽取方法为全数抽样试验；本文采取全数定时截尾试验方法。2.1.2.2故障数据收集1、故障记

23、录本文故障数据来源于两部分，一是通过对某数控装备有限公司现场使用的和刚刚出厂的数控组合机床及自动生产线从2002年3月10日至2002年12月23日进行跟踪调查得到的。值得说明的是2002年3月到6月采集的故障由于没有明确的故障时间、维修时间，我们对这些故障只进行了FMEA分析，提出了一些改进措施；二是刚刚出厂的数控组合机床从2002年12月30日至2003年9月23日进行跟踪调查得到的，并对刚出厂的某数控组合机床进行了可靠性早期故障实验，进行了故障模式及故障原因分析，对可靠性进行了评价。主要是参考部颁标准（JB/GQ1153-90）CNC机床故障记录报告的格式对数控组合机床的实际故障进行跟踪

24、记录。2、数控组合机床故障定义及故障判据为进一步提高故障数据本身的可靠性，规范故障数据记录过程是非常必要的67。本文根据数控组合机床的特点制定了数控组合机床的故障判据标准。(1)故障定义设备在规定的条件下，在规定的时间内，出现下列情况之一称为故障：a 功能性故障，即完不成规定的功能。b 参数性故障，即一个或多个性能参数超出允许的变化范围。c “节拍”时间发生波动，出现较大异常。(2)故障分类数控组合机床故障分为关联性故障和非关联性故障。关联性故障是指产品本身质量缺陷引起的故障；非关联性故障是指非产品本身的因素引起的故障。考察数控组合机床时，仅记入关联性故障，但非关联性故障应该记录在案以便于分析

25、和判断。(3)关联性故障的判断a 修复后累计工作不足24小时,发生同一关联故障,只记入1次b 不是同一因素引起却是同时发生的关联性,应该如数记入;如果是同一因素引起的,则只计一次c 必须通过更换元器件、零部件或附属设备才能排除的故障d 有寿命要求的损耗件在其寿命期内发生的故障e 设备偶然出现失常或停止运行现象，但再次启动就能恢复正常功能，这种偶然事件如在72小时内累计达到三次应记为一次关联性故障，不足三次可以作为非关联性故障处理f 需要对印刷电路板、电缆、插接件等进行维修，以消除断路、短路和接触不良，方可以排除的故障。g 由于某一元器件、零部件故障而直接引起另一相关元器件、零部件故障而造成的故

26、障，(4)非关联故障由于运行条件已经超出规定的范围而造成的故障，即从属性故障；由于操作人员的过失而造成的故障，即误用性故障；因维修人员的过失而造成的故障，即诱发性故障。2.1.3 故障模型由于数控组合机床样本为单样本,在定时截尾的可靠性试验时故障只能来源于一台机床,其故障数据只能有四种情况,即多故障数据、少故障数据、单故障数据和无故障数据。根据数控组合机床的特点，建立数控组合机床故障模型，这样就可以对不同故障数据分别进行可靠性参数估计和可靠性评价。数控组合机床的故障模型描述如下：设 其中 是开始试验时间() 是试验总时间() 是试验时间的组数(把试验时间分为组) 对于单样本的数控组合机床，在可

27、靠性试验过程中,如果在时间内发生()个故障,故障模型为。其中“1”表示测试设备的样本数；为试验时间 ()内故障数总数。 综合以上分析，给出数控组合机床的故障模型:1在内，如果=1,即可靠性实验时间内只有一个故障发生，故障模型记为 2在内，如果=0,即可靠性试验时间内没有故障发生,故障模型记为3 假设故障的概率记为=,为时刻有个故障时的故障概率，当在内发生个故障时,故障模型记为,这里有0=0；：尺度参数，0设一元线性回归方程为： 对于两参数威布尔分布，对式(2-7)进行线性变换得： (2-8)所以采用最小二乘法可以求得和的估计值。进而求得威布尔分布的两参数,的估计值。根据最小二乘法公式，依据数控

28、组合机床故障试验数据整理表2-2中的数据得： / -0.77()-4.37=0.77=291.4表2-2 某型专用数控组合机床故障试验数据整理表序号111.452.440.0486-2.99915.998.9945-7.3118212.962.560.1181-2.07446.564.3033-5.3145315.372.730.1875-1.57207.472.4710-4.29524100.664.610.2569-1.214121.271.474-5.59905143.004.960.3264-0.928624.630.8623-4.60866160.035.080.3958-0.685

29、925.760.4697-3.47857171.185.140.4653-0.468426.450.2194-2.40888236.275.460.5347-0.262729.870.0717-1.46319349.495.860.6042-0.076134.300.00580.445410389.275.960.67360.113035.570.01280.674111418.406.040.74310.306736.440.0941.851212450.256.110.81250.515237.330.26543.147812516.956.250.88190.759239.040.576

30、44.743514689.536.540.95141.106543.721.22447.2324合计3664.8169.747-7.4807374.421.0447-16.3851对于威布尔分布的拟合效果，采用线性相关性进行检验如下: =0.95当时，认为与线性相关，说明该分布符合威布尔分布。 由可靠性信息管理系统57可知，当显著性水平=0.1时,相关系数起码值=0.4562,由于，因此认为该型专用数控组合机床故障间隔时间分布函数服从威布尔分布.威布尔分布的假设检验可以依据表2-3中的假设检验数据求得：表2-3 某专用数控组合机床假设检验数据整理表序号111.450.07939700.0714

31、0.00797212.960.0869880.07140.14290.05587315.370.0985750.14290.21430.115714100.660.3566900.21430.28570.070985143.000.4390160.28570.35710.081876160.030.467610.35710.42860.039047171.180.4857180.42860.5000.014828236.270.572980.5000.57140.001559349.490.6843580.57140.64290.0406010389.270.713450.46290.7143

32、0.0008311418.400.73320.71430.78570.0525112450.250.7529240.78570.85710.1042213516.950.78880.85710.92860.139814689.530.851460.92861.0000.14854根据公式(2-5)，依据表2-3最后一行数据得的观察值为：= =0.14854取显著性水平0.10，由经验公式得：由于因此接收原假设，即认为该机床平均故障间隔时间服从威布尔分布。2、故障间隔时间的分布模型由以上数据求得某型号数控组合机床故障间隔时间的故障概率密度函数、分布函数分别为： (2-9) (2-10),的曲线分

33、别如图2.3,图2.4所示。 图2.4概率分布函数曲线图2.3 概率密度函数曲线 2.2.1.2单样本数控组合机床故障率函数从单元件的寿命过程考虑的故障率函数为 28，但是专用数控组合机床作为复杂的机电产品是由成百上千的零部件组成，如何确定其故障率函数是可靠性研究的关键问题。对于专用数控组合机床，一般情况下我们可以认为它是由个子系统组成的复杂系统，假设子系统是串联的，则系统的可靠度函数可以表示如下： (2-11) 由上式可知，如果求得组成数控组合机床的各子系统的可靠度函数，就可以求得数控组合机床的可靠度函数。根据2.2.1.1的分析，假设各个子系统的故障分布都服从威布尔分布，则数控组合机床的可靠度函数可以表示如下： 如果各个子系统的故障分布不服从一种形式的分布，则数控组合机床的可靠度函数仍然可由公式(2-11)求得，只是这时可以分别表示为相应可靠度函数的形式。此处不再赘述。又因为，所以系统的故障率函数由下式给出： (2-12)其中 ：子系统可靠度函数;：子系统的故障率函数当可靠度函数确定情况下，我们可以求得系统的故障密度函数。其公式为： (2-13)从公式(2-12)和(2-13)，我们可以求得系统的故障率函数，表示为： (2-14)综上所述可知，计算系统的