0 引言
盤式刀庫及機械手是車銑復(fù)合加工中心的重要換刀裝置，隨著加工中心復(fù)合功能的增多和密集型技術(shù)的引入，不可靠因素和故障隱患增多，尤其是在復(fù)雜零件的加工過程中，需要頻繁更換刀具，執(zhí)行動作多且速度快，刀庫和機械手很容易因為刀盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動和零件磨損等原因?qū)е露ㄎ徊粶蚀_，從而出現(xiàn)掉刀等故障［1］。因此非常有必要對該盤式刀庫及機械手進行可靠性增長試驗，并不斷進行故障排除和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而實現(xiàn)其平均無故障時間的顯著增長，提高可靠性水平。
可靠性增長試驗就是通過逐步改正產(chǎn)品設(shè)計和制造中的缺陷，不斷提高產(chǎn)品可靠性的工程試驗，通常安排在工程研制基本完成之后和可靠性鑒定試驗之前。可靠性試驗最常用的方法是通過試驗－ 分析－ 糾正試驗( 簡稱TAAF 試驗) 糾正故障，并達到逐步提高產(chǎn)品可靠性的目標［2］。
本文主要研究了盤式刀庫及機械手的可靠性增長試驗方法，對類似產(chǎn)品的可靠性增長有參考借鑒作用。
1 盤式刀庫及機械手
可靠性試驗系統(tǒng)構(gòu)成車銑復(fù)合加工中心用盤式刀庫及機械手( 見圖1) 的可靠性試驗系統(tǒng)分為機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)三個部分。
機械系統(tǒng)由支承結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)、定位結(jié)構(gòu)和夾緊結(jié)構(gòu)組成。支承結(jié)構(gòu)主要包括底座、主軸、支架和刀盤，完成主體部分和其它零件的承載、安裝功能。傳動結(jié)構(gòu)主要由電機、齒輪組、齒輪軸組成，齒輪和刀盤聯(lián)接在一起，齒輪傳動帶動刀盤旋轉(zhuǎn)。定位由電氣定位和機械定位共同完成，通過發(fā)訊盤和發(fā)訊開關(guān)發(fā)出信號，進行粗定位，而精定位則是由定位軸、定位套及插銷實現(xiàn)的。夾緊機構(gòu)主要是由刀爪、導(dǎo)向桿、彈簧及定位塊組成。
該盤式刀庫的控制部分采用西門子802D 數(shù)控系統(tǒng)，測試系統(tǒng)獨立于控制系統(tǒng)，利用相關(guān)的傳感器可以全面檢測盤式刀庫及機械手的換刀位置精度、振動特性、是否掉刀、氣缸壓力、刀庫的轉(zhuǎn)速扭矩，以及工況噪聲等參數(shù)。在后期可靠性試驗中，這些性能參數(shù)是反映刀庫可靠性水平的重要因素之一。
2 盤式刀庫及機械手故障模式分析
根據(jù)GJB1407《可靠性增長試驗》中的規(guī)定，可靠性增長是針對產(chǎn)品的可靠性或者針對產(chǎn)品的故障的。分析產(chǎn)品故障原因和機理，改進設(shè)計缺陷，是提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。在TAAF 試驗中誘發(fā)的關(guān)聯(lián)故障，分為A 類故障和B 類故障兩種，A 類故障是不予糾正故障，B 類故障為可糾正故障。
針對盤式刀庫的結(jié)構(gòu)特點和早期故障試驗結(jié)果，對其可靠性薄弱環(huán)節(jié)進行故障模式、影響及危害性分析，以便于后期故障的糾正和可靠性增長試驗的追蹤與控制。得到其故障模式分析如表1 所示。
3 可靠性增長試驗方法設(shè)計
3. 1 可靠性增長模型
在可修產(chǎn)品的可靠性增長試驗中，常用的是杜安( Duane) 模型和AMSAA 模型［3］。本文選取Duane模型作為車銑復(fù)合加工中心用盤式刀庫及機械手的可靠性增長模型。
Duane 模型最初是飛機發(fā)動機和液壓機械裝置等復(fù)雜可修產(chǎn)品可靠性改進過程的經(jīng)驗總結(jié)，其前提是: 產(chǎn)品在可靠性增長過程中，逐步糾正故障因而產(chǎn)品可靠性是逐步提高的，不許可有多個故障集中改進而使產(chǎn)品可靠性有突然地較大幅度提高。
Duane 模型引入累積故障率λΣ ( t) 的概念，指出產(chǎn)品在增長試驗過程中，累積故障率對于累積試驗時間，在雙邊對數(shù)坐標紙上趨近于一條直線，即: lnλΣ ( t) = lna － mlnt ( 1)式中: a 為尺度參數(shù)，a ＞ 0，表示雙邊對數(shù)紙上該直線的截距，它的工程意義是一定程度上反映了進行可靠性增長試驗初始可靠性水平的高低，a 愈小，說明初始可靠性水平高。m 為杜安增長率，0＜ m ＜ 1，表示雙邊對數(shù)紙上該直線的斜率，它的工程意義是反映了可靠性上升速度的快慢。m 愈大，可靠性增長效果愈好。
在工程應(yīng)用中，已知某一累積試驗時間tI及其對應(yīng)的產(chǎn)品累積MTBF，記為MI，則可得:
( 2) 式可用于制訂可靠性增長計劃，( 3) 式用于表示增長計劃曲線并用于跟蹤，兩者還可用于產(chǎn)品可靠性增長過程中及最終的可靠性評估。
3. 2 可靠性增長試驗計劃
可靠性增長試驗計劃的主要組成部分是計劃曲
式中共有5 個參數(shù)，MI，tI，m，T，Mobj，只有5 個參數(shù)全部滿足上述關(guān)系時，才能構(gòu)成符合增長試驗?zāi)繕说挠媱澢€［4-5］。考慮到車銑復(fù)合加工用盤式刀庫及機械手的主要工作過程為換刀和加工，工作時間較長，若選時間為單位，則試驗數(shù)據(jù)采集難度加大。因此試驗過程以換刀次數(shù)n 為計數(shù)單位，選用累積無故障換刀次數(shù)作為考核刀庫的MTBF 指標。
( 1) 增長目標的確定增長目標值應(yīng)超過規(guī)定值，設(shè)定可靠性增長標Mobj為10000 次累積無故障換刀。
( 2) 起始點的確定［6］計劃曲線的起始點含兩個參數(shù): MI，nI，蘊含著Duane 模型的參數(shù)a 和m，對增長規(guī)律和總試驗次數(shù)N 有很大影響。反推法［6］ 根據(jù)已經(jīng)確定的增長目標和特定的增長策略，反過來確定產(chǎn)品必須具有的初始可靠性MI0，再確定MI。反推公式為: MI ＞ MI0 ＞ ( 1 － m) ( 1 － dKλ) Mobj ( 7) Kλ是糾正比，取值范圍為0. 85 ～ 0. 95; d 是平均糾正有效系數(shù)，取值范圍0. 55 ～ 0. 85。具體的取值要根據(jù)故障統(tǒng)計分析的結(jié)果來確定。在試驗前，可以根據(jù)上代產(chǎn)品或同類產(chǎn)品的增長規(guī)律暫定。參照同類產(chǎn)品的實際可靠性增長規(guī)律，取Kλ = 0. 9，d = 0. 7，則可得出MI0為1850 次，選定MI = 2000 次，nI =5000 次。
( 3) Duane 增長率的確定最初Duane 模型依據(jù)的一些航空用發(fā)動機和液壓機械裝置的增長率都是0. 5，隨后經(jīng)過比較廣泛的可靠性增長試驗實踐，對于新研制的復(fù)雜設(shè)備，增長率的范圍為0. 3 ～ 0. 6。影響增長率的主要因素為: 故障糾正效果和產(chǎn)品設(shè)計成熟程度。對本刀庫取m = 0. 5。
( 4) 試驗總次數(shù)的確定根據(jù)GJB 1407《可靠性增長試驗》規(guī)定的增長試驗方案，總試驗時間為增長目標Mobj的5 ～ 25 倍。考慮到盤式刀庫機械手是高可靠性產(chǎn)品，試驗時間過長則經(jīng)費消耗越大。若取N = 5Mobj，則N = 50000。若根據(jù)( 6) 式計算，N = 31250，換刀次數(shù)明顯減少。取N = 30000，代入公式( 5) ，m ≈0. 53，超出預(yù)計增長率，可以接受。
( 5) 繪制可靠性增長試驗計劃曲線綜上，最終確定的參數(shù)為Mobj = 10000 次，MI =2000 次，nI = 5000 次，m = 0. 53，N = 30000 次。在雙邊對數(shù)坐標紙上，以換刀次數(shù)為橫坐標，累積無故障換刀次數(shù)為縱坐標，可得到車銑復(fù)合加工中心用盤式刀庫及機械手可靠性增長試驗的計劃曲線( 見圖2) 。
3. 3 可靠性增長試驗的跟蹤與控制
在進行TAAF 試驗過程中，受試產(chǎn)品發(fā)生故障時，應(yīng)根據(jù)故障的類型與性質(zhì)進行不同的處置。車銑復(fù)合加工用盤式刀庫及機械手是大型復(fù)雜的機電產(chǎn)品，故障分析與糾正困難大，所需時間長。因此對于非關(guān)聯(lián)故障和關(guān)聯(lián)故障中的A 類故障，只需對其進行修復(fù)，恢復(fù)到本次故障發(fā)生前的產(chǎn)品狀態(tài)，然后繼續(xù)試驗。對于關(guān)聯(lián)故障中的B 類故障，修復(fù)后立即恢復(fù)試驗，在試驗繼續(xù)進行的同時開展故障分析、糾正和制造新設(shè)計有關(guān)的硬件。遇到必須中斷的時候，才在受試產(chǎn)品上實施糾正措施。
可靠性增長試驗的跟蹤過程就是記錄發(fā)生關(guān)聯(lián)故障時的時間與累計故障數(shù)，擬合成跟蹤曲線，與計劃曲線做對比。當實際增長過程中所有故障點在計劃曲線上方，或者跟蹤曲線在計劃曲線上方，或者跟蹤曲線在總試驗時間前的延長線穿過計劃曲線，此時說明實際增長結(jié)果滿意，不需要控制。否則就需要改善增長策略，以提高故障糾正效果。3. 4 最終評定對于本文試驗對象，在可靠性增長試驗過程中得到的關(guān)聯(lián)故障時間序列為時間截尾數(shù)據(jù)，用Duane模型來評定，當實際增長率高于計劃增長率時，則表明產(chǎn)品可靠性已超過預(yù)期增長目標，可靠性增長試驗成功。
4 結(jié)束語
車銑復(fù)合加工中心用盤式刀庫及機械手是大型復(fù)雜的機電類產(chǎn)品，具有高可靠性單樣本的特點，其可靠性工作與電子產(chǎn)品相比相對困難。本文提出的可靠性增長試驗方法能夠適用于同類產(chǎn)品，通過逐步排除故障，糾正設(shè)計缺陷，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，輔以Duane模型等可靠性增長模型，對其進行跟蹤和控制，進而達到提高產(chǎn)品可靠性水平的目標。
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