數控機床刀塔結構及其可靠性探討
2022-3-22 來源： 通用技術集團大連機床有限責任公司 作者：李金鳳；唐倩；孫造；王盟
摘要：數控機床是衡量一個國家工業制造水平的重要標志，其中刀塔等部件功能的可靠性對數控機床的質量與效果會產生直接的影響，從實際發展情況來看，為提高我國數控機床刀塔可靠性，從而滿足高檔機床的加工需求，因此對數控機床刀塔結構和可靠性進行了研究。通過分析刀塔結構，得到具體闡述，建立模型來分析刀塔存在的故障，通過分析故障發生的幾率，對其特征進行衡量、計算，利用故障模式、影響因素、危害因素等進行分析，確定產生故障的原因，提出解決方式。
關鍵詞：數控技術；機床結構；刀塔；故障與可靠性；對策
1、研究背景
刀塔結構缺乏可靠性的現狀導致實際工作效率低下，無法滿足實際加工需求，尤其是無法滿足工業發展的需求。文章主要研究某公司生產的液壓刀塔，通過分析結構以及故障發生幾率，得到機床穩定性結構，分析刀塔系統將系統劃分為多個子系統組成可靠性特征量來進行研究，通過仿真得到刀塔的故障數據，從而計算刀塔的可靠性、影響、危害性分析。在這些分析的基礎上，借助 FMECA 方式定位刀塔發生故障位置、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措施，為相關行業的發展提供借鑒。如圖 1。
圖 1 某數控機床
2、刀塔結構
液壓刀塔組件并不復雜，由刀塔結構本體、傳動系統、定位系統、液壓、電器、冷卻等多個系統組合形成，在內部，使用平行凸輪提供驅動力，該部件具有分割角度準確與換刀速度快的特征，刀盤旋轉是通過油壓馬達來驅動，具有扭力大、且平穩的特征；刀盤加緊、松開等動作都可以精準完成，油壓馬達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。油壓馬達能夠實現分度動力源，初分位置通過信號盤與接近開關信號來確定，通過連接器確保刀盤運行精度，連接器的分開與鎖緊則由液壓控制活塞動作來實現。刀塔的主體結構就是本次研究的本體，由支撐、油封兩個系統構成，在支撐結構由常規的底座和軸承等構成，為整個系統提供支撐與保護的作用，支撐部件可以為主軸和凸輪軸部件的安裝與固定，支撐部件的運行。油封部分則由油缸蓋、活塞、O 型密封環等構成。刀塔的備件為浸油式潤滑，浸油式潤滑可以降低刀塔內部部分部件運行導致的損耗，比如凸輪與齒輪部件，在實際運行過程中還可以間距降溫和降噪，保證軸承的潤滑。油壓馬達可以實現刀塔傳動系統，經過凸輪傳動、滾輪和齒輪傳動，經過主軸的運轉帶動運行。凸輪傳動結構是凸輪、軸承等構成，齒輪由齒輪本身和滾輪軸等構成。滾輪在整個部件當中處于中間位置，在具體運行的過程中要求滾輪和凸輪配合、與分度盤齒輪精準嚙合才可以實現精準運行，這樣就可以實現不同傳動的分度、保證精準。
刀塔液壓系統有松開、鎖緊、轉位的功能。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現對液壓系統的控制，刀盤整體的鎖緊速度則通過單項節流閥來控制。在常態下，系統處于鎖緊狀態，換刀的時候抬起轉位；轉位系統由油路板、閥門和馬達等組成。一旦刀盤確認鎖緊之后控制松開電磁閥，刀盤回歸中位，而雙向油壓馬達停止轉動。如圖 2。
圖 2 伺服刀塔
定位系統由連接器，其余由主軸、刀盤、墊圈等構建來組成，連接器等設備運行過程中可以保證道具運行到精準位置，因此在其中增加了傳感器，用來控制刀盤的松開、鎖緊、轉動的啟停環節。整個部件的冷卻系統設置了導流設備構成，冷卻液通過刀塔側邊的管接頭流入內部系統，經導流座、導桿等進入刀盤，刀盤運行力下將冷卻液外推啟動運轉。
3、 數控機床刀塔結構及其可靠性探討
3.1 可靠性分析
分析可靠性的依據是在歷史故障維修數據基礎上的研究工作。在實際的研究當中可以與專門的數控企業合作，獲取設備運行過程中出現故障次數、維修慈湖、本次設計采集 26 臺刀塔的故障維修數據，總結得到一百零八條故障信息，分析設備運行在最短時間內出現故障的時間為8.13h，設備最長運行時間為 1689.45h。
從實際研究來看，機電液產品的壽命分布形式有：正態、對整正態、指數分布、威布爾分布。將得到的故障數據劃分成小組，運用計算和擬合其經驗分布函數進行計算，得到密度關系，計算結果表示刀塔無故障時間的概率在密度曲線上表示為單調下降的趨勢，可以排除在計算過程中呈現出正態分布、對整正態分布的特征，可以知道刀塔無故障時間以威布爾部分布展示最為科學合理，這種方式也是形狀分布參數取 1 的特征，在后續將該分布無故障時間再次擬合計算，分析可靠性分析，通過雙參數威布爾累計
在上述句式當中，如果 α＞0，證明與工作負載相關，β＞0，證明呈現正相關，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法、回歸法分析其中的待定參數，估計參數范圍。威布爾分布累積分布函數不包含積分計算，計算的時候將其轉化為最小二乘法進行估算，乘以參數 α、β，將采集的故障信息按照要求變化，之后使用SPSS 軟件估計參數，得到參數為：
得到上述結果之后通過擬合結果進行線性檢驗，估計分布函數參數，得到設備的可靠性、故障幾率、無故障時間等，將這些估計作為主要依據帶入到公式當中，其計算結
在實際計算當中，刀塔可靠度與時間變化有關系，設備運行時間長，刀塔可靠性下降；在計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量，MTBF 是刀塔相鄰兩次故障的平均工作時間，因此計算MTBF 可以得到刀塔無故障工作時間的數學期望值。在該計算當中，還有伽馬函數值。得到計算公式之后，計算得到MTBF=554.12h，由于得到的故障參數值帶入其中，得到MTBF 的最終數值為 533.69h，誤差為 4%，這證明了刀塔故障分布模型、參數估計之間的正確性與合理性。刀塔在數控機床的運行質量也得到了國家的重視，早在十一五期間，我國就規定數控機床的平均壽命為 900h，在上述計算當中，可以知道該刀塔的壽命還無法達到國家規定的要求。在這種形式下，可以根據故障發生概率找到刀塔系統存在的薄弱環節，根據薄弱環節來改造，保證數控機床的實際使用價值。
3.2 FMCA 分析
Failure Mode，Effects and Criticality Analysis 就是分析刀塔系統存在的可靠性能分析，該分析是以實際故障幾率為基礎，分析故障影響因素與危害因素，得到可靠性分析技術。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。
將其再次進行劃分，則可以劃分為故障部位、故障模式、故障原因、故障責任等，還可以劃分到責任與影響、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運行過程中的薄弱環節，確保系統運行的關鍵，保證系統運行的可靠性。
刀塔在實際運行的過程中需要電器系統作為動力，這也是比較關鍵的系統。因此通過 Failure Mode，Effects andCriticality Analysis 進行再次分析，得出結論如表 1。
表1 由電器系統故障導致的故障與主要故障
上述結論可以知道電器系統是影響刀塔、影響數控機床運行的主要因素，而觀察上述數據，其中元器件的損壞是刀塔結果出現故障最多的環節，也是限制系統運行可靠性的重要因素，確定主要限制因素是元器件損壞、調整不當所導致。究其本質，電器系統的故障的責任主要是由于外購外協、裝配、用戶等原因所導致[4]。
通過分析刀塔運行過程中可能存在的故障危害性，結合計算得到的故障發生頻率，綜合故障的危害程度來找到刀塔結構出現問題的薄弱環節，比如針對元器件損壞的常見現象，應該針對元器件的性能、生產等進行積極的改進。
通過 CA 結果分析，證明影響刀塔運行的因素有：電器系統與定位系統，其中傳動、冷卻、液壓、本體系統這幾類系統的危害逐次減小，因此電器系統是刀塔最薄弱的環節，在實際發展的過程中應該對這個方面進行重點改進。
4、結束語
綜上，從我國實際國情出發，可以認識到我國在工業制造方面還存在很多問題需要解決。本文通過研究數控機床刀塔的性能，根據計算結論找到刀塔運行中的薄弱環節，且提出改進措施。
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