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      0 引言

      盤式刀庫及機(jī)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(jī)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?zhǔn)確，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(jī)械手進(jìn)行可靠性增長試驗，并不斷進(jìn)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(dá)到逐步提高產(chǎn)品可靠性的目標(biāo)［2］。

      本文主要研究了盤式刀庫及機(jī)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(jī)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(jī)械手( 見圖1) 的可靠性試驗系統(tǒng)分為機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)三個部分。

      機(jī)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(jī)、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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)理，改進(jìn)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(jìn)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(jī)械手的可靠性增長模型。

      Duane 模型最初是飛機(jī)發(fā)動機(jī)和液壓機(jī)械裝置等復(fù)雜可修產(chǎn)品可靠性改進(jìn)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(jìn)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(biāo)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(jìn)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?biāo)的計劃曲線［4-5］。考慮到車銑復(fù)合加工用盤式刀庫及機(jī)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(biāo)。

      ( 1) 增長目標(biāo)的確定增長目標(biāo)值應(yīng)超過規(guī)定值，設(shè)定可靠性增長標(biāo)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(biāo)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(jī)和液壓機(jī)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(biāo)Mobj的5 ～ 25 倍。考慮到盤式刀庫機(jī)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(biāo)紙上，以換刀次數(shù)為橫坐標(biāo)，累積無故障換刀次數(shù)為縱坐標(biāo)，可得到車銑復(fù)合加工中心用盤式刀庫及機(jī)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(jìn)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(jìn)行不同的處置。車銑復(fù)合加工用盤式刀庫及機(jī)械手是大型復(fù)雜的機(jī)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(biāo)，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(jī)械手是大型復(fù)雜的機(jī)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(jìn)行跟蹤和控制，進(jìn)而達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性水平的目標(biāo)。