数控机床可靠性研究进展及趋势毕业论文.doc

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1、大连理工大学网络教育学院毕业论文（设计）模板 题 目： 数控机床可靠性研究进展及趋势 II数控机床可靠性研究进展及趋势内容摘要随着社会的发展，中国制造已经走向世界。数控机床作为制造业的主要母机，其重要性不言而喻。我国的数控机床技术因为起步较晚，其可靠性与世界平均水平还有一定的差距。数控机床技术已经严重制约了我国制造业的发展，研究数控机床可靠性具有重要的现实意义。本文主要介绍数控机床可靠性研究进展及趋势。首先介绍了数控机床的可靠性建模技术；探讨了数控机床故障分析；说明了数控机床可靠性试验；并进一步介绍了可靠性增长技术；最后对数控机床可靠性技术研究中存在的问题进行了探讨。本文即肯定了数控机床可靠性

2、技术已经取得的进展，也着重指出其中存在的问题，希望对以后的数控机床可靠性研究有一定的指导意义。关键词：数控机床；机床可靠性；可靠性试验；故障分析目 录内容摘要I前 言11 数控机床可靠性的技术进展22 数控机床可靠性建模43 数控机床故障分析73.1 数控机床的 FMECA73.2 数控机床的 FTA84 数控机床可靠性试验104.1 可靠性试验的前期准备104.2可靠性试验内容104.3数控机床的故障分类、判别及计数准则114.4故障数据的记录与整理124.5可靠性考核指标及其评价方法研究125 可靠性增长技术145.1 基于故障分析的可靠性增长技术及其具体应用方法研究145.2设计、制造、

3、装配、外协、调试等阶段的具体增长可靠性的方法155.2.1 可靠性设计改进措施155.2.2 制造阶段的可靠性保证措施185.2.3 使用过程中的可靠性保证措施196 机床可靠性技术研究存在的问题226.1数控机床可靠性数据积累薄弱226.2 数控机床故障机理研究不足226.3 重机床整机、轻功能部件22参考文献24前 言在装备制造业中必不可少的是数控机床，它是制造业的工作母机，数控机床的可靠性、水平的高低直接关系到我国制造业的发展，影响到中国制造业的国际竞争力。从2002年到2012年，我国始终位于世界机床消费和进口第一大国1。经过多年的发展，我国数控机床不论在精度，还是在速度、复合加工等取

4、得了长足的进步，各方面功能都有所进展。但是不得不承认，数控机床的可靠性与国际水平还有一定的差距。我国数控机床可靠性偏低，导致数控机床在中高档机床市场占有较低份额。国内数控机床要取得长足的发展，就必须解决该项技术瓶颈，而这需要行业和学术界的共同努力。随着我国现代化进程的加快，工业体系的快速发展，很多国际大牌陆陆续续来到中国，制造业的竞争将会愈演愈烈，提升我国数控机床可靠性势在必行。数控机床如果不可靠会给企业带来大量损失，包括厂家的售后服务以、停工损失、各种维修费用等。增强我国数控机床可靠性，可以提高国产数控机床的竞争力，一方面扩大内需，另一方面增加出口。从经济效益和提升我国工业实力上看，此项研究

5、效果显著。数控机床是一种典型的机电液一体化产品。由于其复杂的机械结构，数控机床可靠性技术理论尚未发展和完善。本文概述了数控机床可靠性技术的研究进展和发展趋势，详细介绍了数控机床可靠性建模技术、故障分析技术、可靠性设计和测试技术的研究进展，以及数控机床关键功能部件的可靠性和台架试验的设备状况。11 数控机床可靠性的技术进展20 世纪 70 年代中期，随着数控机床在工业发达国家的普及和先进功能的不断增加，机床的故障问题开始引起行业的关注。现代数控机床是将机械技术、计算机技术、自动化控制技术相结合为一体的典型机电一体化机械制造装备。它具有加工精度高、加工质量稳定、自动化程度高、柔性好以及可加工复杂曲

6、面类机械零件等优点。随着数控机床在机械制造业中的广泛应用与发展，一方面数控机床大幅度降低了操作者的劳动强度，提高了生产效率，另一方面数控机床的结构也日趋复杂化，功能日趋强大。如今，数控机床技术是体现某一国家和地区综合制造业发展水平的重要标志。数控机床也具有一般机械产品的性能、质量和可靠性要求。产品的可靠性属性是指产品在一定时间和条件下完成其特定功能的能力2。它是衡量产品质量、运行故障率、加工质量稳定性、使用寿命、维护成本等的重要参数。甚至影响制造企业的生产能力和市场竞争力。现在，数控机床的可靠性指标主要包括两个指标：平均无故障时间和平均故障修复时间。平均无故障时间是指数控机床两次连续故障之间的

7、平均时间。数值越高，数控机床的可靠性越高。平均故障修复时间是指修复数控机床故障所需的时间。数值越小，数控机床的可靠性越高。早在20世纪70年代，前苏联的一些研究者就应用现代数学、物理和工程理论研究数控机床的可靠性，分析数控机床的失效模式，建立初步的数控机床可靠性模型和基础研究理论。自20世纪80年代以来，欧美、日本等工业发达国家相继开始了数控机床可靠性的研究工作。英国研究人员提出了数控机床故障时间服从威布尔分布的理论3。日本研究人员通过研究数控机床的大量现场加工数据指出，数控机床的主体是数控机床可靠性中最薄弱的环节，其故障率可达一半。我国的数控机床技术一开始发展的并不顺利，走过一些弯路。从19

8、89年开始，中国对数控机床的可靠性进行了初步评估，此后，我国制定了数控机床可靠性考核办法(试用稿)以及一系列数控机床可靠性标准，对数控机床可靠性的研究取得了一定的成果。直到1999年，我国数控机床技术才逐渐发展，进入产业恢复期。现在我国机床工业属于技术的成熟期，完成了机床的大规模的使用和制造。数控机床技术的模块化和专业化是现阶段的主要标志。目前，中国已成为数控机床生产大国，年产数控机床12万多台。然而，我国数控机床在性能、加工精度和可靠性方面与世界先进水平仍有很大差距，高端数控机床市场份额较低。32 数控机床可靠性建模 可靠性建模是进行数控机床可靠性评估与分析和可靠性设计的前提。数控机床可靠性

9、建模是指根据数控机床的可靠性分析要求，逐步简化数控机床系统的结构并将其分解为子系统，建立相应的数控机床逻辑分析模型，从而对整个数控机床系统的可靠性进行定量分配、预测和评估的过程4。这是分析数控机床维修性和保障性的前提。目前，数控机床的可靠性模型有三种：串联型、并联型和并联型。图2-1是某卧式加工中心整机可靠性模型框图，它是一个典型的串联可靠性模型，根据卧式加工中心整机的机械结构，其可靠性也相应地分为：B轴、刀库系统、电气系统、液压系统、气动系统、排屑系统、润滑系统、冷却系统、托盘交换系统、主轴箱、传动装置和防护装置等12个单元模块。可靠性框图是可靠性模型分析的常用方法。它由块、逻辑关系、连接、

10、节点等组成，代表产品或功能的，必要时可以标记节点。它只反映各种组件之间的串并联关系，与组件的顺序无关。系统的可靠性模型是指根据一定的规则，通过将产品或系统分成几个功能或结构单元，分别分析这些功能或结构单元的可能故障，然后根据单元之间的逻辑关系建立的系统的故障和传输模型。根据该系统的可靠性模型，可以容易地预测或判断产品的可靠性，从而指导产品各功能或结构单元的可靠性分布。可靠性模型可分为两部分：可靠性结构模型和可靠性数学模型。同时，可靠性结构模型和可靠性数学模型一一对应。可靠性分为基本可靠性和任务可靠性，相应的可靠性模型也分为基本可靠性模型和任务可靠性模型。基本可靠性是指产品在特定条件下和特定时间

11、内无故障工作的能力。基本可靠性模型真实地显示了维护系统及其组件正常运行所需的人工和材料成本，并反映了系统及其组件所需的维护和保证要求。同时，它也是一个完整的系列模型。任务可靠性反映了系统执行特定功能的成功率，即系统完成特定任务或功能的能力。一般来说，组成系统的冗余单元越多，任务可靠性指数相应越高。基本可靠性和任务可靠性之间的相关性和差异如下：1、 基本可靠性和任务可靠性都指系统无故障工作的能力。不同的是，基本可靠性和无故障工作的持续时间是在产品的使用寿命周期内定义的，而任务可靠性和无故障工作的持续时间是在完成指定任务或功能的时间范围内定义的。2、 任务可靠性强调系统执行任务的成功率。它会引起对

12、影响任务完成的故障的注意，而不影响任务顺利完成的故障通常会被忽略。基本可靠性反映的故障涉及整个系统的整个使用寿命周期，即所有故障都应得到充分考虑。3、 基本可靠性与系统的维护和保障成本密切相关，任务可靠性直接影响系统执行任务的效率。所以，设计人员在设计系统的可靠性时，应及时按照规定建立相应的基本可靠性模型和任务可靠性模型，以便权衡各种设计方案的优缺点，充分计算设计方案所需的人力、物力、任务和费用等因素，从中选择最合理的设计方案。可靠性模型应在新产品目测法方案的论证阶段建立，可靠性模型应随着设计工作的逐步细化和修改而不断修正和改进。建立可靠性模型的基本过程包括以下步骤：定义产品、绘制可靠性框图、

13、建立可靠性数学模型等。1、定义产品也就是说，首先定义设计产品和每个单元的组成、功能、接口和故障标准。在静态分组产品各层功能的前提下，根据产品和各组件单元的功能、相互关系和数据流绘制功能框图或功能流程图。功能流程图是动态的，通常用于描述产品每个组件单元的功能之间的时序关系。2、绘制可靠性框图可靠性框图以图表的形式逻辑地描述了产品的正常运行。可靠性框图应描述产品每次完成任务时所有单元功能组之间的相互关系。要绘制可靠性框图，必须完全理解产品的任务定义和寿命曲线。在最终的可靠性框图中，通常一个模块只对应一个功能单元，每个功能单元模块应清楚地标记并并联、串联、并排或其组合连接。3、建立可靠性数学模型可靠

14、性数学模型利用数学函数关系表达产品可靠性框图中各功能单元的可靠性以及各功能单元的可靠性与系统可靠性之间的关系5。典型的可靠性模型通常包括备用可靠性模型和非备用可靠性模型。储备可靠性模型分为工作储备可靠性模型和非工作储备可靠性模型。根据可靠性模型的结构特点，可靠性模型又分为并联模型、串联模型、混联模型、旁联模型、桥联模型和表决模型等。1)串联模型假设一个产品由单元1、单元2，.只有当所有n个单元都正常工作时，产品才能正常工作；只要任何一个单元出现故障，就会导致整个产品的故障，这就是所谓的系列模型。2)并联模型假设一个产品由N个单元组成。只要一个单元正常工作，产品就能正常工作。只有当所有的N个单元

15、都失效时，产品才会失效，这被称为并行模型。3)串并混联模型对于一个复杂的系统，它通常由串联和并联相结合的单元组成，这被称为串并联模型。利用串并联原理，串并联模型中的串并联部分可以简化为等效单元，最终得到与原串并联模型等效的串或并联模型。建立可靠性模型的要点1)在初步设计阶段，应开始建立可靠性模型。可靠性模型的建立是预测和分配产品可靠性以及制定可靠性改进措施优先顺序的基础。随着设计工作的进一步细化和修改，可靠性框图应不断改进和及时修改，以使可靠性框图适应设计工作。2)基本可靠性模型的建立应包括产品的所有组成单元。对于在多个工作环境中工作的每个单位，应选择可靠性最低的数据进行分析。3)对于不同的功

16、能或任务，应建立独立的任务可靠性模型，每个任务可靠性模型应包括执行任务的所有功能单元。4)当采用冗余模型的成本或停机维护成本超过机组可靠性的预算成本时，应选择冗余模型。5)对于仅并联两个单元的可靠性模型，更容易在提高系统可靠性方面取得显著效果。随着冗余模型数量的增加，提高可靠性的速度将会减慢，成本将会大大增加。因此，设计者在决定采用并行模型还是冗余模型时应该仔细考虑。6)在较低的产品级别采用冗余模型有利于提高产品的整体可靠性，但在工程实践中，冗余模型的一般级别是组件级别或设备级别。 7)在决定是否采用并行可靠性模型之前，必须仔细而全面地考虑，因为并行可靠性模型一方面有利于提高产品的任务可靠性，

17、另一方面会降低产品的基本可靠性，增加产品的体积、复杂性、重量、成本和设计时间。63 数控机床故障分析 故障分析是实施数控机床可靠性增长的必要措施。国内外主要采用故障模式影响及其危害性分析(Failure mode，effects and criticality analysis，FMECA)和故障树分析(Fault tree analysis，FTA)等两种方法。3.1 数控机床的 FMECAFMECA 的主要目的是辨认产品的各种故障模式和评价其对产品可靠性的影响，为消除或减少故障的发生提供依据。在进行 FMECA 时，如不进行危害性分析则为故障模式及影响分析(Failure mode and

18、 effects analysis，FMEA)6。20世纪60年代，FMEA首次被用于航空工业。1986年，英国学者麦高德瑞克等人分析了同一型号的同一批数控机床的故障模式。他们对专家和操作人员进行了问卷调查。调查结果表明，数控机床经常出现故障的主要原因是设计人员没有完全了解数控机床的实际操作。戴毅等人用传统的FMEA方法对立式加工中心的失效模式和失效位置进行了统计和分析。结果表明，在所有故障模式下，零部件故障率为百分之42.31，蒸汽和油泄漏故障率为26.92，轴和刀库故障率为38.46，滑动系统故障率为24.36，进给系统故障率为16.67。在FMEA分析过程中，由于专家对各种失效模式的主观

19、评价和评分，不可避免地会产生主观误差。一些学者对专家的评分信息进行了统计，并对其进行了模糊隶属函数拟合。FMECA是对FMEA的进一步补充。国内学者于捷等人在与FMEA首先分析了一批数控车床的故障模式后，对该批数控车床进行了危险性分析，即实施了故障模式识别。最后，于捷等人认为，数控系统和刀架是这批数控车床的薄弱环节，对系统的可靠性影响最大。因此，应立即更换数控系统，以改进刀架的设计。对数控车床的现场可靠性试验故障数据的统计分析，故障模式概率比根据机床的主要故障模式，从数控车床的故障数据信息统计计算出子系统各故障模式与总故障模式的频率比。例如，如果F1是主传动系统的主要故障模式之一，则存在F1故

20、障模式的频率比为： （1.1）式中F1故障模式的数量；主传动系统的数量;故障模式所在子系统的故障率和各子系统的故障率是指在被分析各子系统在任务阶段内的故障率，通过故障总时间法的数据预处理，计算分析各子系统的故障率，如主传动系统的为 （1.2）式中表示所有数控车床在测试阶段的故障总时间。一般认为，系统或系统的一部分不能完成预定功能的时间或状态称为故障，故障的表现形式称为故障模式，如开路、短路、断裂、过度磨损等。在研究数控机床故障时，通常从数控机床的故障模式入手，通过分析数控机床的故障模式，找出故障原因因此，应用FMECA分析、故障树分析、事件树分析等故障分析方法的前提是找出系统的鼓掌方式。在分析

21、数控机床的故障模式时，由于故障模式本身与数控机床的指定功能和条件之间的密切关系，有必要首先明确判断在指定条件下失去指定功能的数控机床的识别标准，即数控机床异常状态的标准。在分析故障模式时，应区分两种不同性质的故障，功能故障和潜在故障。功能故障(Function failure)是指数控机床或其部件的一部分突然完全失去指定功能，无法完成预定功能的事件或状态。潜在故障是指数控机床或其部件的一部分可能无法完成预期功能的事件或状态。潜在故障是一种可以用肉眼或仪器检测到的状态，表示某一功能故障即将发生的状态。然而，有些故障可以直接表示为功能故障，而无需经过潜在故障阶段。数控机床通常有许多不同的功能，因此

22、有许多故障模式。因此，在分析数控机床的故障模式时，应采用FMECA分析方法，找出数控机床各项功能的所有可能的故障模式。3.2 数控机床的 FTA FTA 是采用特殊的倒立树状逻辑因果关系图对产品的故障原因进行分析的方法。通过 FTA，可以知道可能导致系统发生故障(故障树的顶事件)的基本原因(故障树的底事件)7。故障树分析法应用于数控机床时，由于故障树结构复杂，计算难度大，难以在数控机床中推广。为此，国内学者陈传海等人提出使用二元决策图技术来提高计算效率，并分别建立了整机故障树和数控机床液压系统故障树。通过计算，解决了数控机床的结构重要性和概率重要性，从而找到了数控机床可靠性的薄弱环节。苏州大学

23、的陈张荣等人应用故障树分析法对数控机床进行故障诊断。他们预先将故障树模型存储在计算机中。当机床出现故障时，计算机根据故障信息搜索可能导致故障的最小切削集。如果符合规则，将输出诊断结果。如果没有匹配的规则，在手动干预下添加新规则以补充规则集。94 数控机床可靠性试验 数控机床的可靠性试验主要分为整机的机床用户现场可靠性试验和功能部件的实验室台架可靠性试验。4.1 可靠性试验的前期准备1、进行可靠性试验人员的基本要求操作人员应熟悉数控机床的操作技能，熟悉编程工作，了解数控系统的基本工作原理和结构组成8。还应全面阅读数控机床的操作说明和维护说明，全面掌握测试数控机床的规格、性能、结构布置、电缆连接、

24、电气原理和可编程逻辑控制器梯形图程序。熟练使用多通道示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、万用表、振动台等仪器和工具； 具备故障诊断和排除能力，详细记录故障诊断和排除过程，及时分析故障原因，总结并归档故障排除方法；掌握计算机技术、计算机技术、模拟和数字电路基础、自动控制和电机驱动、检测技术和加工技术的基础知识，并具有一定的外语水平；2、故障排除方法要求 进行可靠性测试的操作员应准备常用的附件、备件、常用的维护工具、仪器、仪表、接线、微型计算机等。提前掌握微电子元器件的采购渠道。准备说明书、手册、数据、电路原理图、故障诊断报告和其他与数控机床相关的数据；3、故障排除前的准备 在接到用户的直接要求后，操

25、作人员应及时与用户联系并进行有效沟通，以便尽快掌握数控机床的现场和故障信息，如数控机床的进给和主轴驱动模式、报警指示或故障现象、用户现场是否有备件等。4、现场排除故障与维修操作人员应及时诊断数控机床的故障，并特别注意检测数控系统零件，找出故障位置的准确位置。4.2可靠性试验内容可靠性加速试验(带工具载荷运行试验)是测试数控机床能否承受设计和计算的载荷及其在载荷条件下连续工作的可靠性。目前，加工中心的可靠性试验一般主要由现场统计试验代替。只有在技术成熟且批量大的情况下，才能通过现场试验评估已开发和成型产品的可靠性。相反，新开发的产品数量少，不能作为可靠性试验的准确依据。本发明数据采集时间长，反馈

26、速度慢，不适合产品可靠性水平快速提高的场合。因此，在产品研发的初始阶段，利用小样本进行可靠性验证可以有效地评估和提高产品可靠性。然而，数控机床可靠性试验中的敏感应力一般是加工过程中的工作应力，这与传统的电子产品有本质的不同。目前还没有成熟的国家军事标准和行业标准来实施测试供参考。因此，有必要研究适合不同机械系统和产品的测试技术。在设计加工中心的可靠性试验之前，必须对加工中心的故障进行清晰的分析，明确加工中心的基本故障原因，可靠性试验中要有针对性的注意，必要时要进行专项试验，以提高试验效率。一般来说，加工中心的故障部位主要集中在数控系统、主轴系统和换刀装置(包括刀库和机械手)，几乎占了加工中心的

27、所有故障70%。4.3数控机床的故障分类、判别及计数准则数控机床丧失全部或部分原有的功能的现象称为故障，在详细了解和掌握数控机床的结构和工作原理的基础上，对数控机床运行过程中进行的故障现象进行检测和分析，以便查明产生故障的原因和部位的过程称为故障诊断。对数控机床进行故障诊断是确定数控机床维修对策的前提条件。数控机床产生的故障很多，其类型也各不相同。1、根据故障产生的原因故障分为相关故障和非相关故障。相关故障是由数控机床设计、结构或性能中的一些固有和随机缺陷引起的。然而，非关联故障通常指与数控机床本身的结构和制造无关的故障。2、根据故障发生的状态故障分为突发性故障和渐进性故障。突发性故障是指数控

28、机床产生的无任何征兆的故障，而渐进性故障是指数控机床产生的故障，在数控机床运行之前也有征兆，并在运行过程中逐渐变得严重。3、根据故障发生的性质故障分为三种类型：硬件故障、软件故障和干扰故障。硬件故障(Hardware faults)一般是指数控机床中所有机械结构或电气部件，如机床机体、电子部件、润滑系统、限位机构、换刀机构等因硬件损坏而引起的故障。软件故障是指数控机床编程错误、操作错误和参数设置不正确引起的故障。干涉故障是指由于数控机床系统电路设计、工件加工工艺、电源和地线配置不当、工作环境恶劣等原因而影响数控机床正常运行的故障。4、根据故障的严重度故障可分为安全故障和危险故障。安全故障通常是

29、由于数控机床安全保护系统的误操作而导致数控机床无法正常启动的故障。危险故障是指破坏机床安全保护系统功能，造成重大人员伤亡和设备经济损失，造成重大危害的故障。4.4故障数据的记录与整理试验中出现的每一个故障，首先必须按关联故障和非关联故障的准则进行分析。若是关联故障，则每一个故障都要计数；若是非关联故障，则不应计数。试验时应认真填写刀库及自动换刀装置可靠性试验的运行记录表、故障记录表，并找相关负责人签字，确保数据的准确性。表4-1 数控机床可靠性试验数据表加工中心信息编号型号名称生产厂家故障时间开始时间终止时间故障部位故障类别故障现象故障原因故障元器件故障处理维修时间开始时间结束时间人员记录操作

30、人员记录人员维修人员数控机床可靠性试验数据记录的内容主要包括故障部位、故障现象、故障时间、环境条件以及故障原因等。数控机床可靠性试验数据表如表4-1所示。4.5可靠性考核指标及其评价方法研究可靠性评估是基于产品的测试信息和可靠性结构模型，利用概率统计方法给出产品的可靠性特征值。可靠性评估可以在产品开发的任何阶段进行，但是当产品最终确定时，必须通过可靠性评估来评估产品达到的可靠性水平。因此，它是可靠性工作中不可缺少的一个环节。1、平均无故障间隔时间平均故障间隔时间MTBF指数是指从一次故障到下一次故障前数控机床无故障工作时间的平均值。其具体值可通过相关数控机床标准查询，反映数控机床的正常工作时间

31、。一般来说，3000小时以上的平均无故障时间是可以接受的范围。统计表明，工业发达国家先进数控系统的平均故障时间一般为5000小时至22000小时，使用数控机床时，早期故障通过早期磨损消除，也就是说，进入正常工作阶段，其工作基本上控制在意外故障阶段，此时数控机床的故障间隔时间近似服从指数分布，数控机床故障间隔时间的间隔估计一般取置信区间水平为1- = 90%，真实值落入估计区间的概率如下90%。2、平均修复时间平均维修时间简称为MTTR，也称为平均事后维修时间，即从发现故障到机床恢复指定性能所需的平均维修时间。它包括确认故障发生所需的时间、维修所需的时间、备件采购所需的时间、维修团队的响应时间、

32、记录所有任务的时间以及设备重新投入使用的时间。数控机床用户采用的设计、使用方法、维护水平和备件策略直接影响数控机床的平均维修时间。3、固有可用度固有可用性，也称为有效性，通常用于评估数控机床的利用率。指数控机床及其部件在规定的使用条件下保持规定功能的概率，通常用A表示；有效性指标直接影响数控机床的生产能力。有效性是时间的函数。一般来说，有效性是指当时间T趋于时的瞬时有效性，它是数控机床的平均无故障工作时间与平均无故障时间和平均维修时间之和的比值，即产品工作时间与非工作时间和某一观察时间内工作时间之和的比值。4、精度保持时间精度保持时间是指在数控机床两班制工作并遵守使用规则的情况下，数控机床的实

33、际精度保持在数控机床标准规定的精度范围内的时间。观察值应基于提取原型中精度保持时间最短的机床的精度保持时间。MTBF是衡量上述4种数控机床可靠性最常用的指标，重点是数控机床的无故障性。MTTR强调数控机床的可维护性。这反映了数控机床维护的困难。固有可用性整合了非故障性和可维护性的反映，即有效性。精度保持时间反映了数控机床的耐用性和可靠寿命。135 可靠性增长技术5.1 基于故障分析的可靠性增长技术及其具体应用方法研究故障分析的最终目的是找出研究对象的可靠性薄弱部位和关键故障模式，有针对性的对薄弱部位和关键故障模式提出增长措施，最大程度地促进研究对象的可靠性增长。数控机床的可靠性是由于结构设计不

34、合理以及管理维护不及时等多种因素共同影响的结果，要使数控机床具有高可靠性，则要找到缺陷环节和薄弱环节，采取有效措施不断地改进其中的不足，这一系列流程被称为可靠性增长。可靠性评估是利用产品生命周期测试或运行产生的故障数据，在给定置信度条件下，分析和确认数控机床零件或整机固有可靠性(如MTBF值)的过程。数控机床通常是多品种、小批量的定制产品。同时，由于数控机床的寿命周期普遍较长，很难收集到大量可比的故障数据。数控机床的可靠性评估只能通过在实验室、制造过程和操作现场收集的小样本数据进行。如何从小样本数据中提取大量对数控机床可靠性评估有用的信息仍然是非常困难的。为了提高数控机床可靠性的效率成本比，首

35、先要预测数控机床的可靠性，找出可靠性值最低的数控机床。然后，运用FMECA等可靠性分析技术，分析了数控机床可能出现的所有故障模式，找出了数控机床可靠性的薄弱环节，并制定了相应的纠正措施。最后，通过使用可靠性增长技术来改变数控机床的设计和制造过程，以提高数控机床的可靠性水平。最后，通过测试方法验证了纠正措施的有效性。可靠性增长技术是获得数控机床实用可靠性信息的技术手段，主要包括：故障树分析、热分析、功能性能测试、可靠性开发测试、可靠性增长测试、机器测试、可靠性评估测试、可靠性验收测试等项目。FMECA分析方法的主要目的是确定数控机床所有可能的失效模式，然后分析这些失效模式对数控机床性能的影响，从

36、而找出数控机床在设计阶段的薄弱环节，为以后的可靠性增长工作指明方向9。目前，用于FMECA分析的主要标准文件包括：GJB1391故障模式、影响及危害性分析程序和故障模式、影响及致命度分析程序等。可靠性开发试验是指在数控机床开发过程中，为消除数控机床设计和技术中的缺陷或薄弱环节而进行的相关试验。可靠性开发试验的目的是找出数控机床可能出现的故障。因此，测试环境条件可以不受任何限制。测试过程可以分为三个环节：测试、分析和改进。同时，测试评估结果的真实性可以暂时忽略。可靠性开发测试中应遵循的相关标准文件包括：D工程研制、鉴定和产品可靠性试验标准和可靠性研制试验标准等。目前，为了实现可靠性增长，国内外广

37、泛采用可靠性增长测试方法。指在模拟数控机床实际使用环境的条件下，为消除数控机床设计和加工中的缺陷或薄弱环节，提高数控机床固有可靠性而进行的试验。由于可靠性增长试验是在模拟数控机床实际使用环境的条件下进行的，试验评估结果更加真实，试验中暴露的故障的可靠性也更高。可靠性增长试验依据的主要标准文件有：工程研制、鉴定和产品可靠性试验，可靠性增长试验，GJB1407可靠性增长试验等。在可靠性增长工作中，还需要通过环境试验、环境应力试验等试验方法获得数控机床的实际故障信息，并将故障信息纳入故障报告、分析和纠正措施系统，为提高数控机床的可靠性提供设计依据。环境试验的目的是研究数控机床是否能适应极端恶劣的环境

38、条件。环境应力筛选的目的是找出数控机床制造过程中引入的一些工艺缺陷或薄弱环节。环境试验依据的标准有：环境试验方法和工程导则、GJB150设备环境试验方法等。环境应力筛选试验依据的标准有：电子设备环境应力筛选方法等。故障报告、分析和纠正措施系统在故障审查组织的监督下完成从故障发现到确定纠正措施的过程，直到产品设计得到改进。它有广泛的信息源，并不局限于特定的实验。故障报告、分析和纠正措施系统依据的标准是：失效报告、分析和纠正措施系统和GJB841故障报告、分析和纠正措施系统。5.2设计、制造、装配、外协、调试等阶段的具体增长可靠性的方法数控机床的可靠性增长必须贯穿数控机床的设计、制造、装配、外包、

39、调试和使用的整个生命周期。因此，有必要从整体上考虑经济条件的各个方面，合理分配有限的资源，采用各种可靠性增长技术，加强可靠性增长的管理。例如，在良好的经济条件下，可以进行多次可靠性开发测试，或者可以集中进行长期可靠性增长测试。如果经济条件不允许，可靠性发展试验可以与其他试验或工作结合进行，使用所有可用的手段获得故障信息，并且可靠性增长工作可以在不损失时间的情况下进行。 虽然可靠性增长技术的目的和重点不同，但有些用于验证设计是否匹配，有些用于识别对环境的适应性，有些专门用于暴露故障。尽管起点不同，但它们都是实现可靠性增长的非常好的信息来源。当这些信息用于设计变更时，系统的可靠性水平得到提高。5.

40、2.1 可靠性设计改进措施数控机床及其功能部件的可靠性水平是由设计决定的。开展可靠性设计是提高可靠性的根本途径。数控机床的固有可靠性由设计决定，通过制造来实现。具体原则如下：1、利用外部设计经验提高数控机床的可靠性 在设计数控机床时，应根据使用中的现有数控机床的类似结构和功能的使用信息、可靠性经验数据和各种文献资料中记录的信息获取故障信息，作为数控机床可靠性设计的参考。2、简化系统结构，减少数控机床零件数量。由于数控机床由许多零件组成，任何零件的任何故障都会导致数控机床发生故障、停机和维护。数控机床的整体可靠性是由这些基本零件的可靠性串联而成的。因此，提高数控机床整体无故障工作的持续时间和概率

41、，简化系统结构，减少数控机床的零件数量，有利于简化数控机床的设计、制造、装配和维护。提高数控机床可靠性的最有效和最直接的方法是降低部件之间的冲突、干扰和参数不匹配的可能性。例如，用封装的集成电路代替分立的电子元件，用内置电机直接驱动机床主轴，消除传动带或齿轮等传动链，不仅可以减少传动误差，提高加工精度，还有助于提高数控机床的可靠性。3、寻找薄弱环节，提高零部件的可靠性。数控机床中的每个部件都是构成数控机床结构和功能的基本单元，因此数控机床的整体可靠性由可靠性最低的部件决定。因此，优化结构设计、为零件选择合适的材料、改进零件的制造工艺、加强零件的质量检验和测试、通过时效和加速应力筛选消除具有潜在

42、质量危害的零件、加强采购零件的质量控制以及选择信誉和质量合格的供应商等措施是提高零件弱可靠性的经济有效的方法。4、 采用可靠性分析方法实现数控机床的可靠性增长。对新开发的数控机床进行分析、研究和评估，以获取所有可能的数控机床可靠性相关信息，从而改进可靠性设计，并在此基础上实现数控机床的可靠性增长。虽然分析本身不能提高数控机床的可靠性，但只有采取纠正措施防止在使用中反复出现故障，可靠性才能提高。工作包括可行性研究、权衡分析、可靠性预测、故障树分析、热分析、潜在路径分析和设计评审。可靠性分析方法有助于减少或避免一些昂贵耗时的测试方法，降低经济成本。采用可靠性分析方法时应注意的是，必须充分、深刻地理

43、解新开发的数控机床的结构和功能，必须具备可用的分析设计技术，或者必须具备根据新产品开发需求开发的专用分析工具，必须建立完善的数据库，以完成各种分析结果信息的输入。目前，可靠性预测在国内数控机床企业中得到广泛应用。然而，从几种数控机床的可靠性预测来看，只有25%可靠性水平低于预测值40%，发达国家在发展阶段达到了预测值80%90%。这表明我国数控机床的可靠性远远低于世界水平。相关人员应采用有效的可靠性增长技术，不断推动我国数控机床可靠性水平的逐步提高。5、重视应用可靠性设计方法数控机床的设计往往决定着数控机床的性能、可靠性和寿命周期成本。在数控机床的研发阶段，设计人员应全面了解数控机床的工作环境

44、、使用要求和特点，确定合理的可靠性，不断发现数控机床的薄弱环节，并采取有效措施改进和优化薄弱环节。可靠性预测与分配、故障模式影响与危害分析、故障树分析和零件可靠性设计都是常用的可靠性设计方法。6、进行必要的可靠性试验，实现数控机床可靠性增长可靠性测试是实现可靠性增长不可或缺的方法。在数控机床的设计阶段，有许多类型的测试可以使用，范围很广。主要有：原理样机试验、可靠性开发试验、可靠性增长试验、性能试验、环境试验、环境应力筛选、试验机试验和评价试验等。测试方法应根据每个单元的自身条件选择。可靠性测试对象可以是整个数控机床，它也可以是数控机床内部的零部件。测试环境可以是室内环境、室外环境、高低温、高

45、湿度、加速度、振动、冲击等环境条件。本发明获得的故障信息真实性高，但目前通过测试实现数控机床可靠性增长的成本仍然相对较高，而通过测试实现可靠性增长的成本相对较低，对于数控机床中可靠性低、零部件故障容易分析的产品效益高。虽然通过测试实现可靠性增长的成本很高，但实现可靠性增长的最有效途径是合理安排各种测试。7、加强可靠性管理工作，实现可靠性增长用于可靠性增长的管理技术包括FRACAS系统、可靠性增长管理和质量控制等。5.2.2 制造阶段的可靠性保证措施生产过程中的制造工艺及质量控制是影响系统可靠性的重要因素。通过消除制造过程中引入的系统性缺陷，便可实现可靠性增长。数控机床制造阶段的可靠性主要通过关

46、键工序零件特性一致性控制技术和装配过程可靠性控制技术保证的。可靠性增长可以通过消除制造过程中引入的系统缺陷或某些设计缺陷来实现。因此，通过质量控制技术和生产过程的重新设计，是实现可靠性增长的重要途径。可靠性增长的结果有利于数控机床可靠性验收测试的顺利通过，提高用户对产品的验收概率。在数控机床制造过程中，通过质量控制技术实现可靠性增长的关键是建立质量控制点，严格保证关键工序、关键装配工序、关键外购件和配套件的可靠性，并建立质量控制点，应遵循以下步骤：1、质量控制点的策划在工艺方案设计阶段，产品主管技术人员应对产品关键部件和关键项目的质量提出明确要求，并根据这些要求决定是否设立质量控制点。质量控制点的建立应遵循一定的原则。2、建立质量控制点在设计过程计划时，过程人员必须根据过程计划的要求在过程计划中标出过程质量控制点，提出建立质量控制点的计划，然后过程人员和相关部门根据计划编制相应的质量控制点操作说明。批准的质量控制点文件发布后，技术开发部和车间技术组应建立质量控制点文件，包括所有质量控制点的操作说明文件和质量控制点清单，以加强质量控制点的管理。例如，在数控机床的制造过程中，大量的电子元件需要通过焊接工艺焊接到印刷电路板上。焊接过程是过程中的一个重要环节，其失效概率也很高。虽然