國內外五軸加工機床可靠性研究現(xiàn)狀分析

■重慶大學機械工程學院 （400030） 張根保 王 揚

國內外五軸加工機床可靠性研究現(xiàn)狀分析

■重慶大學機械工程學院 （400030） 張根保 王 揚

摘要：介紹了國內外五軸加工機床的可靠性研究現(xiàn)狀，深入剖析了國內五軸機床在可靠性方面存在的問題。同時介紹了“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項對于五軸加工機床可靠性開展的研究工作及取得的成果，詳述了可靠性研究的關鍵內容，研究了五軸加工機床可靠性研究的發(fā)展趨勢，并提出相關建議與展望。

1. 可靠性的基本概念

隨著技術進步和社會對高檔數(shù)控機床要求的不斷提高，數(shù)控機床正在向高速度、高效率、高精度、智能化、復合化和高可靠性的方向發(fā)展。但我國數(shù)控機床產品卻存在著精度低、可靠性差、穩(wěn)定性差及精度保持性差等諸多問題，這些短板嚴重影響了用戶對選用國產機床的信心，制約了機床行業(yè)的發(fā)展，也對以機床作為工作母機的裝備制造業(yè)（包括汽車、航空航天及國防裝備等）水平的提升產生很大的影響。

五軸加工機床是指在一臺機床上至少有5個坐標軸（3個直線坐標軸X、Y、Z和2個旋轉坐標軸B、C）。五軸機床可以在數(shù)控系統(tǒng)控制下同時協(xié)調運動進行加工。五軸加工機床作為高檔數(shù)控機床的代表產品，是集機、電、液、控、計算機和信息技術于一體的復雜系統(tǒng)，對于高可靠性的需求尤為突出。國家標準GB 3187—1982《可靠性基本名詞術語及定義》中可靠性的定義為：產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的能力。與各類可修產品一樣，五軸加工機床常用的可靠性評價指標包括平均無故障工作時間（MTBF）、平均維修時間（MTTR）以及可用度（A）等。

（1）平均無故障工作時間MTBF（Mean Time Between Failure）。作為衡量一個產品最直接的可靠性指標，它定量地反映了產品在規(guī)定時間內保持規(guī)定功能的能力。對于數(shù)控機床這類可修產品，MTBF是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，其觀測值計算公式為

式中，N0是評定周期內產品累計故障頻數(shù)；ti是評定周期內產品的故障間隔時間（h）；T是產品總的工作時間（h）。

當產品壽命t的失效概率密度函數(shù)為f（t）時，則它的數(shù)學期望，即平均故障間隔時間為

（2）平均修復時間MTTR（Mean Time To Repair），是指排除故障所需實際時間的平均值，即故障產品修復所需的平均時間，其點估計為

式中，j為維修次數(shù)；tj為第j個維修時間（h）；l為維修總次數(shù)。

當產品修復時間t的概率密度函數(shù)為m（t）時，則MTTR的點估計為

（3）可用性AI是可靠性和維修性的綜合表征，是廣義可靠性指標，也是機床用戶最關心的指標?？捎眯允侵府a品在任意時刻需要和開始執(zhí)行任務時，處于可工作或可使用的程度。可用性的概率度量為可用度，機床產品的固有可用度AI可以表達為

上述指標能夠對五軸加工機床的可靠性水平作出比較客觀準確的評價，國內外各項可靠性標準也基本上都是根據(jù)這些指標制定的，從而使五軸加工機床功能

和性能得到控制與保障。

2. 國外五軸機床的可靠性研究現(xiàn)狀

國外對五軸數(shù)控機床可靠性的研究起步較早，自20世紀70年代起，以故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析為基礎的機床可靠性研究工作就已經(jīng)在西方發(fā)達國家和前蘇聯(lián)廣泛開展。主要研究方法是，通過對機床故障進行采集、累積、建模和分析，得出故障模式以及發(fā)生的原因，作為改進設計與加工裝配工藝的依據(jù)，并最終消除故障。最初，前蘇聯(lián)的A.C.普羅尼科夫針對機床的故障模型參數(shù)、可靠性預測及工藝可靠性等基礎性內容進行了比較深入的研究。隨后，Yash P.Gupta和Toni M.Somers 通過可靠性評估發(fā)現(xiàn)了機床的薄弱環(huán)節(jié)并進行改進，提出數(shù)控機床故障的傳遞函數(shù)理論，推動了機床維修性研究的發(fā)展，使得這一時期（20世紀80年代）國外的可靠性水平得到很大提升，MTBF平均提升到700～900h，這一數(shù)據(jù)甚至高于當前我國數(shù)控機床可靠性的平均水平。

后期，國外對五軸機床的可靠性研究更加偏向于精度保持性和可用性的研究。L. Andolfatto、J.R.R.Mayer等針對五軸數(shù)控機床工作時各軸線轉換的加工誤差進行分析，提出了一種基于自適應蒙特卡洛法的誤差不確定性預測方法。該方法能在熱擾動環(huán)境下對工具鏈傳動誤差進行有效預測，從而提高五軸加工機床的精度保持性。S.Lavernhe等通過對五軸伺服驅動高速切削加工中心進行幾何與動態(tài)誤差源評價，得到了在高速、高負載工況下五軸機床在工具中點的體積誤差負載。Robert J. Cripps等提出了一種檢測五軸機床可用性的方法，該方法利用雙球桿（DBB）來測試五軸機床中與位置無關的旋轉精度，根據(jù)測試結果得到五軸機床的可用性。

上述研究成果代表了當前國外五軸加工機床可靠性研究的主要方向，即在高平均無故障工作時間的基礎上，結合對工況、載荷等誤差源的分析，盡可能地提高五軸加工機床的精度保持性和可用性，從而最大化地發(fā)揮五軸加工機床高速高效的特性，產生更大的經(jīng)濟價值。經(jīng)過長期對可靠性、精度保持性和可用性進行深入系統(tǒng)的理論和應用研究，國外數(shù)控機床的可靠性已經(jīng)得到質的提升。目前，國外數(shù)控機床的整機可靠性水平MTBF普遍都在2 000h以上，有些產品甚至聲稱其可靠性水平MTBF可達到驚人的5 000h。

3. 國內五軸機床的可靠性研究現(xiàn)狀

我國對五軸機床的研究大幅落后于西方發(fā)達國家，對五軸機床可靠性的研究也不例外，其研究水平遠落后于西方發(fā)達國家。我國機床行業(yè)從1989年起才開始對數(shù)控機床的可靠性進行考核?！熬盼濉逼陂g，國家對10家骨干機床制造企業(yè)的典型產品考核結果為MTBF大約為400h，遠遠落后于國外先進水平，使得高檔數(shù)控機床的國內市場為國外產品所壟斷。在嚴峻的形勢下，政府于2009年啟動實施了“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項（簡稱04專項），目的是盡快提升國產數(shù)控機床的整體水平，機床的可靠性研究及應用被列為必須突破的關鍵共性技術。根據(jù)規(guī)劃，04專項在可靠性方面的實施目標為：到“十一五”末，數(shù)控機床的可靠性MTBF達到900h；到“十二五”末，數(shù)控機床的可靠性MTBF達到1 500h；到“十三五”末（2020年），數(shù)控機床的可靠性MTBF達到2 000h。

為了實現(xiàn)這一目標，04專項先后支持了20余項可靠性共性技術的研究課題，包括《高性能加工中心可靠性倍增技術研究》、《五軸聯(lián)動加工中心可靠性試驗與評估方法研究》、《高溫合金航發(fā)葉片五軸聯(lián)動加工中心研制與應用》及《五軸數(shù)控機床多誤差實時動態(tài)綜合補償技術》等。通過這些課題的研究和成果應用，使專項產品高端國產數(shù)控機床的可靠性普遍達到了900h，部分產品的可靠性水平已經(jīng)達到1 500h，極大地提升了我國以五軸加工機床為代表的高端數(shù)控機床的產品水平和國際競爭能力，促進了企業(yè)的發(fā)展，產生了巨大的社會效益、經(jīng)濟效益與政治軍事效益。

在機床可靠性研究方面，最早系統(tǒng)開展可靠性研究的單位是吉林大學和國家機床質量監(jiān)督檢驗中心，這兩家單位的研究工作為國產數(shù)控機床可靠性技術的研究和應用打下堅實的基礎。后來，重慶大學、東北大學、西安交通大學、華中數(shù)控、北京航空

航天大學及南京理工大學等單位也在機床可靠性研究和推廣應用方面開展了大量的工作，取得明顯的效果，有力地支持了國產數(shù)控機床可靠性水平的提升。

在專項課題《高性能加工中心可靠性倍增技術研究》中，重慶大學與寧江機床廠密切合作，結合企業(yè)的實際情況，對該廠加工中心產品的可靠性增長技術進行了系統(tǒng)研究。通過可靠性倍增技術的實施，寧江機床THM6380臥式加工中心MTBF的平均值從315h提高到1 075.6h，達到項目預期MTBF達到900h的目標。項目的實施包括基于任務的加工中心可靠性模型和設計流程的建立，并采用GO法對精密臥式加工中心各部分進行了可靠性建模。張根保等以裝配過程中的各道工步為研究對象，通過分析各道工步之間的關系，建立了產品裝配過程可靠性分析的一般框架圖，提出可靠性驅動的裝配工藝設計的概念，并采用廣義隨機Petri網(wǎng)對該技術進行了建模，采用同構的Markov鏈對裝配可靠性模型進行定量分析。同時，張根保教授領導的項目組根據(jù)企業(yè)的管理模式制定了可靠性評審管理辦法和流程，建立了加工中心全壽命周期的檢核表體系，形成了加工中心的可靠性管理體系。提出了早期故障快速消除技術，初步建立了早期故障消除技術的框架，在此基礎上提出了67條加工中心早期故障消除技術的建議。通過對加工中心可靠性監(jiān)控參數(shù)的分析，構建了加工中心可靠性監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了加工中心使用過程的自動監(jiān)控和強制維護保養(yǎng)。

在專項《五軸聯(lián)動加工中心可靠性試驗與評估方法研究》中，國防科技大學以五軸聯(lián)動加工中心為分析對象，圍繞機床主機MTBF達到900h的項目總體目標，開展可靠性性能試驗與評估技術研究，獲得了小子樣條件下的五軸聯(lián)動加工中心可靠性試驗與評價方法。于乃輝對小子樣、高可靠性條件下的Weibull分布Bayes評估問題進行了研究，利用6種成熟產品故障信息，采用基于Kullback信息的先驗分布融合方法，提出運用歷史信息的可信度來確定權重因子，得到融合先驗分布。項目組結合某型加工中心可靠性試驗數(shù)據(jù)及融合先驗分布對其MTBF指標進行 Bayes 后驗推斷，得到較為準確的評估結果。張志雄研究了一種小樣本條件下加工中心可靠性試驗方法，該方法以整體式葉輪加工過程為試驗周期，以狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)為監(jiān)測手段，快速暴露加工中心故障，并在可靠性評估過程中通過引入專家知識、同類產品失效模式、產品研制階段故障特點等先驗信息，降低對可靠性試驗數(shù)據(jù)的要求，從而以較少的樣本量，快速地判定加工中心薄弱環(huán)節(jié)，提出改進的設計措施，以適應加工中心技術發(fā)展和可靠性提升的需要。

在其他研究工作中，李翠玲等通過齊次坐標變換，推導出2R3T型五軸機床的運動學方程，開展了機床運動精度的可靠性分析，對于提高機床使用壽命和加工精度具有一定意義。吉林大學的王漢偉以意大利藍苞蒂五軸聯(lián)動加工中心為研究對象，針對加工中心在企業(yè)中現(xiàn)場使用的數(shù)據(jù)，開展了可靠性評估與可靠性綜合評價方法的研究。上海交通大學的張宏韜對雙轉臺五軸數(shù)控機床誤差的動態(tài)實時補償進行深入研究，提高了該類型五軸機床的加工精度。東北大學的粟時平等基于多體系統(tǒng)運動學理論的基本原理，結合RRTTT型五軸立式數(shù)控機床，闡述了多體系統(tǒng)的拓撲結構和低序體陣列，提出了特征矩陣的基本概念和構建方法，分析了多體系統(tǒng)有誤差運動的基本規(guī)律，研究了根據(jù)特征矩陣得到綜合空間誤差的算法。

綜上，在04專項的支持下，國產機床的可靠性研究工作已經(jīng)初步形成了完整的體系，建立了可靠性實施規(guī)范，開發(fā)了成套應用技術，研究成果已經(jīng)直接應用在多家企業(yè)中，并取得較好的效果。通過近幾年的研究和實施，在吸取國外可靠性研究工作成功經(jīng)驗的基礎上，國內數(shù)控機床可靠性研究工作已經(jīng)進入到了加速追趕國際先進水平的階段，但要徹底改變國產機床早期故障多、整體可靠性水平不高的局面，還要開拓創(chuàng)新，不斷研究和開發(fā)新技術、新方法和新工藝，在可靠性設計理論與制造工藝方面趕超國外水平，實現(xiàn)國產機床可靠性水平的跨越式提升。

4. 五軸機床可靠性研究的主要內容

在五軸機床的可靠性提升過程中，針對整機可靠性以及功能部件的可靠性有多項關鍵技術需要實現(xiàn)突破，主要內容包含：早期故障消除技術、可靠性評估技術、可靠性試驗技術、可靠性數(shù)

據(jù)分析與管理技術及精度保持性技術。

（1）早期故障消除技術。當前，我國五軸加工機床的可靠性水平整體偏低，因此，減少機床全生命周期的故障數(shù)量依然是可靠性工作的重點。在機床發(fā)生的所有故障中，以早期故障占的比例最大，幾乎占到所有故障數(shù)量的50%以上。早期故障是發(fā)生在產品使用的早期階段發(fā)生的故障，主要是由于設計、制造等過程的缺陷造成并且具有共性的故障，其故障間隔時間短，故障影響程度大，故障模式和故障原因比較集中。

解決機床早期故障消除問題，是從根本上提升機床可靠性水平的關鍵。范秀君從故障率浴盆曲線建模分析入手，量化確定了機床的早期故障區(qū)，深入分析了早期故障產生的原因，結合可靠性試驗技術，闡述了早期故障的消除技術機理，在此基礎上建立了早期故障消除的技術體系。潘殿生提出建立基于生命周期的數(shù)控轉塔沖床壽命分布模型，揭示包含早期故障期和偶然故障期的故障機理和規(guī)律。通過機床早期故障的激發(fā)、分析、改進與消除，機床產品的故障能夠在出廠前得到預防與解決，從而大大提高了其使用可靠性。

（2）可靠性評估與試驗技術。對五軸機床的可靠性進行定量評估是可靠性工作的重要內容，正確地認識產品的可靠性水平，了解五軸加工機床產品可靠性方面的薄弱環(huán)節(jié)，需要可靠性評估與試驗技術的支撐。傳統(tǒng)的可靠性評估技術主要是基于現(xiàn)場數(shù)理統(tǒng)計方法將使用過程中的故障與維修記錄進行分析，獲取所需的可靠性數(shù)據(jù)，并在此數(shù)據(jù)基礎上進行可靠性研究。這種方式采樣周期長、信息反饋慢、試驗成本高，與當前技術更新快、市場交貨周期短的形勢不相適應。

針對此種情況，基于小子樣分析的可靠性評估方法以及試驗技術成為當前五軸加工機床可靠性研究的熱點。于乃輝研究了五軸聯(lián)動加工中心的可靠性試驗方法，并采用 Bayes 方法對其可靠性進行評估，在較短的時間內，以較小的試驗樣本量，得出最精確的可靠性評估結果。該方法以整體式葉輪加工過程為試驗周期，以狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)為監(jiān)測手段，快速暴露加工中心故障，并在可靠性評估過程中通過引入專家知識、同類產品失效模式及產品研制階段故障特點等先驗信息，降低對可靠性試驗數(shù)據(jù)的要求，從而以較少的樣本量，快速地判定加工中心薄弱環(huán)節(jié)，提出改進設計措施，以適應加工中心技術發(fā)展和可靠性研究的需要。

劉杰提出了基于冪律過程的多臺數(shù)控機床最小維修的可靠性評估方法，建立了基于冪律過程的故障數(shù)據(jù)函數(shù)式，為解決冪律過程多臺機床的同質性問題，提出CBT（Common Beta Test）與CLT（Common Lambda Test）的分步檢驗方法進行驗證，用極大似然估計法和Fisher信息矩陣法給出了模型參數(shù)的點估計與區(qū)間估計方法，并給出了機床可靠性指標的點估計和基于Delta法的區(qū)間估計。針對小子樣條件下最小維修的可靠性評估問題，提出了基于Gibbs抽樣的冪律過程Bayes估計方法，采用Gelman-Rubin方法對Gibbs抽樣收斂性進行判斷，并計算了抽樣過程的Monte Carlo-Error。通過對參數(shù)估計值的標準方差和區(qū)間長度的比較，說明Bayes方法優(yōu)于MLE方法。

（3）可靠性數(shù)據(jù)分析與管理技術。可靠性數(shù)據(jù)的積累是我國五軸機床可靠性研究與國外研究的主要差距所在。國外大量的故障數(shù)據(jù)積累為其研究提供了極大的方便，得出的結論更加符合工程的實際應用，而這一過程在國內很難依靠人力物力在短期內進行彌補，因此，通過建立可靠性數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)機床故障數(shù)據(jù)的積累、統(tǒng)計與管理是當前企業(yè)開展可靠性工作的重點。

劉學軍針對數(shù)控機床可靠性智能網(wǎng)絡系統(tǒng)研究中系統(tǒng)更新和維護困難的現(xiàn)狀，引入了系統(tǒng)模型化工具Petri net，在分析智能網(wǎng)絡系統(tǒng)本身、可靠性數(shù)據(jù)庫和操作者三者之間的并行、離散行為的基礎上，建立了系統(tǒng)控制模型,并實現(xiàn)了程序代碼的自動生成。同時，結合XML實現(xiàn)了可靠性異質數(shù)據(jù)庫之間的共享集成，試驗平臺上進行的模擬試驗驗證了該方法的可行性。羅巍開發(fā)了數(shù)控機床可靠性評估與故障分析系統(tǒng)，該軟件運用Access數(shù)據(jù)庫技術，以Visual Basic 6.0為開發(fā)平臺，利用ActiveX自動化技術實現(xiàn)了VB對Matlab的調用。

（4）精度保持性分析技術。與其他數(shù)控機床相比，五軸加工機床對于精度壽命的要求非常高，眾多專家學者也對此進行了深入的研究。張亞對基于誤差

敏感方向的五軸機床旋轉軸運動誤差加工測試及辨識方法進行了研究，針對現(xiàn)有的五軸機床旋轉軸運動誤差辨識技術中存在的計算復雜、操作耗時、成本較高及通用性不強等問題，結合機床用戶和制造廠家的實際需求，提出一種插補運動檢測和工作精度檢測相結合的研究方法，根據(jù)插補運動的數(shù)學模型設計切削實驗，進而從試件的加工誤差中快速地辨識出旋轉軸的運動誤差源。賈丹丹利用Monte carlo抽樣法與Matlab軟件相結合，計算出了型號為VMC650的五軸加工中心的運動精度壽命，并將計算結果與仿真結果作進行了比較，驗證了仿真分析和試驗結果的一致性。

5. 存在的問題及建議

綜上所述，我國針對五軸機床可靠性的研究工作發(fā)展至今，已經(jīng)形成了卓有成效的研究模式，并且正在企業(yè)中發(fā)揮著積極作用。然而，相對于國外先進水平，我們也要清醒地認識到，我們的研究和應用仍然存在以下不足：

（1）可靠性數(shù)據(jù)積累不夠?？煽啃灾饕遣捎脭?shù)理統(tǒng)計方法開展工作，為了得到可信的結果，往往需要大量的故障數(shù)據(jù)。國外可靠性工作之所以能夠卓有成效，關鍵在于企業(yè)長期以來的故障數(shù)據(jù)收集與積累，指引研究工作向著更合理的方向發(fā)展。而我國企業(yè)長期以來不關注可靠性數(shù)據(jù)的收集和積累，也缺乏相應的方法，使得故障數(shù)據(jù)的積累比較零散，缺乏系統(tǒng)性、準確性、全面性和有效性，對系統(tǒng)的開展可靠性工作無法提供數(shù)據(jù)支持。為此，企業(yè)需要樹立積累可靠性數(shù)據(jù)的意識，建立相應的數(shù)據(jù)收集和管理制度，大力推廣可靠性數(shù)據(jù)庫。通過長期的數(shù)據(jù)積累，依靠對大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，有助于發(fā)現(xiàn)產品可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，大量的數(shù)據(jù)也有助于制定可靠性提升措施。

（2）很少開展早期故障消除工作。消除早期故障是快速、有效提升五軸機床可靠性的捷徑，能夠大幅提升產品的可靠性指標。然而，由于缺乏早期故障消除方法和理論的指導，大多數(shù)企業(yè)都沒有建立早期故障消除體系，使得機床制造企業(yè)本應把許多可以在出廠前消除的早期故障帶給了用戶，嚴重影響了用戶對國產機床的信任。因此，機床制造企業(yè)應該樹立“把早期故障消滅在制造企業(yè)”的意識，采取有效措施使到達用戶的產品直接進入到偶然故障期。

（3）缺乏可靠性設計意識和手段。傳統(tǒng)上，機床設計人員主要關心的是產品出廠時性能與精度，對于產品運行過程中的可靠性關注嚴重不夠。設計理念的陳舊一方面是主觀上對可靠性的重視不夠，沒有意識到“可靠性首先是設計出來的”這一理念的真諦；另一方面是受制于可靠性設計手段的缺失，例如不知道采用何種方法開展可靠性設計，也沒有分析軟件的支持。因此，為了提升產品的可靠性設計水平，必須使設計人員高度重視可靠性，意識到設計是提高可靠性的源頭。另外，企業(yè)還應該為設計人員配置開展可靠性設計必須的資源，例如教會設計人員常用的可靠性設計方法（故障樹分析FTA、故障模式及影響分析FMEA等），配置設計分析軟件，搭建試驗平臺等。

（4）對制造過程控制不夠。產品設計階段主要確定產品的理論可靠性，但這個理論可靠性能否實現(xiàn)，是靠制造過程來保障的。同樣的設計、同樣的工藝，卻做不出同樣可靠的產品，這說明國產機床的主要問題還是在制造保障階段。產品的粗放加工和裝配是影響產品可靠性的主要環(huán)節(jié)，特別是零部件的加工一致性差和裝配過程的可靠性差，造成國產機床的可靠性差。為了解決這一問題，必須高度重視制造過程的保障能力，對人機料法環(huán)測因素進行嚴格控制，提高精細化制造水平，只有制造能力得到提高，才能得到高固有可靠性的產品。

（5）缺乏可靠性試驗手段?？煽啃栽囼炇前l(fā)現(xiàn)故障、積累故障數(shù)據(jù)、提高設計制造水平、評價和提高產品可靠性的必要手段，但我國企業(yè)長期不重視可靠性試驗技術的研究和開發(fā)，缺乏試驗裝置，不知道做什么試驗，不知道如何做試驗，產品的可靠性差是必然的結果。為此，企業(yè)需要意識到可靠性試驗對提高產品可靠性的重要作用，研究試驗方法、建立試驗體系、研發(fā)試驗平臺、明確試驗規(guī)范并建立分析手段，把試驗工作做到家，才能真正提高產品可靠性。

參考文獻：

[1] 李良巧. 可靠性工程師手冊[M].北京：中國人民大學出版社，2012.

收稿日期：（20150706）