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最新可靠性综述
可靠性综述
数控机床可靠性
摘要：
本文对国内外数控机床可靠性的现状进行了详细分析，简单叙述了一些关于数控机械的某些可靠性，讨论了数控机床可靠性的评定指标，分析了影响数控机床可靠性的因素，提出了提高数控机床可靠性的有效途径，最后做了总结与评价。
关键词：
数控机床；可靠性；评定指标；提高途径
0引言
可靠性是指系统、机械设备或零部件在规定的工作条件下和规定的时间内保持与完成规定功能的能力。
一个系统、一台设备，无论其如何先进，功能如何全面，精度如何高级，如果故障频繁、可靠程度差，不能在规定时间内可靠地工作，那么它的使用价值就不高，经济效果就不佳。
从设计规划、制造安装、使用维护、更新改造到修复报废，可靠性始终是系统和设备的灵魂。
可靠性是评定系统和设备好坏的主要指标之一，它体现了产品的耐用和可靠程度。
数控机床是现代制造技术的基础装备，其技术水平高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志，而数控机床的可靠性是机床质量的关键。
目前国产数控机床的可靠性水平与国外相比明显偏低，严重影响了国产数控机床的竞争能力，如何合理、准确地评定数控机床的可靠性，提高国产数控机床的可靠性已成为当务之急。
1数控机床可靠性发展现状
1.1国外数控机床可靠性发展现状
随着可靠性技术在电子工业、自动化工程及航天与宇航工业等领域的广泛应用，预示着现代化加工生产、现代化系统工程、现代化技术研究的每一项成果都离不开可靠性技术。
科学技术的高速发展，使可靠性变成了产品的重要技术指标之一，并贯穿于产品的整个研制过程。
航空领域是可靠性的概念最早起源地，在二战期间纳粹德国在研制V1火箭中首先应用了可靠性理论——串联系统可靠性乘积定律如图1。
2。
美国于1943年成立了“电子管研究委员会”，该委员会专门研究电子管的可靠性问题。
1949年“美国无线电工程师学会”成立了第一个可靠性专业学术组织即“可靠性技术组”。
日本于1956年从美国引进可靠性技术，将其应用到民用产业，带来了可观的经济收益。
前苏联于20世界50年代开始研究可靠性技术。
20世界60年代以后，随着宇航技术和空间科学的发展，即提高了可靠性的研究水平又扩展可靠性的研究范围。
之后可靠性的研究，已经由电子工业、航空航天、核能等尖端行业扩展到机械加工、能源动力、电机、电力系统、土木工程等一般产业部门。
可见产品的可靠性，已经成为产品质量的关键性指标。
前苏联是机床可靠性研究的倡导者。
苏联学者在当时专门研究了故障模型参数、可靠性的预测、加工工艺的可靠性等。
20世纪80年代，日本和欧美等工发达国家开始了对数控机床的可靠性研究，他们主要研究流程是：
采集数控机床现可靠性数据并建立可靠性数据库，开发研制数控机床的可靠性数据分析软件，此基础上由分析软件处理现场采集的可靠性数据，最终得出数控机床的故障分布规律和薄弱环节。
比如英国布拉德福大学的KellerA。
Z等人，对数控机床故据进行处理时引入了模糊数学理论，从而定量处理了模糊不确定性问题。
国伯明翰大学的研究人员深入到数控机床的使用者中，在现场跟踪监测的同时以查表的形式采集到35台数控机床的故障信息，最后在可靠性领域国际权威杂志公布了研究结果。
此项以现场故障数据为基础的研究，为数控机床可靠性评价提了理论依据。
德国作为世界上工业发达的国家，对数控机床产品售后的故障信反馈十分重视，他们在数控机床生产制造、整机组装、出厂验收的全过程中加入质量及可靠性监控保障系统。
日本新泻大学的教授藤井义也等人，对25台立式加工中心和45台卧式加工中心的机床用户进行了现场跟踪调查，并对加工中心类分析，在《机械技术》期刊上公布了分析调查结果。
结果表明日本立式加工中的平均无故障间隔时间为824小时，卧式加工中心的平均无故障间隔时间为700时。
从记录的结果还能够看出，这些受试机床除数控装备和外部附件在外的机床体故障占一半，是数控机床可靠性的薄弱环节。
近些年，世界各国对数控机床的可靠性研究越来越重视，在如下方面提出了许多新的方法和理论即可靠性设计与管理、可靠性评价、故障分析等，使数控机床向着更开放、更可靠、更智能、更协调的方向发展。
1.2国内数控机床可靠性发展现状
我国电子工业部门最早开始了可靠性研究。
20世纪60年代初期，进行了可靠性评估的开拓性工作，即电子产品和设备的可靠性研究。
故发展到今天电子工业可靠性技术体系已经比较完善和成熟。
相对而言，机械可靠性发展不仅起步较晚而且发展较缓慢，但这也是由机械可靠性的一些固有特点所决定的。
我国数控机床的可靠性研究始于20世纪80年代末，而20世界90年代以后，国家在重点科技攻关项目中加入了数控机床可靠性研究。
国内开展数控机床可靠性研究最早的单位是“吉林大学数控装备可信性工程研究所”，在国家“863”项目和“九五”、“十五”国家重点科技攻关项目中，不仅对数控机床的可靠性研究问题进行较为深入的考察分析，还取得了阶段性成果。
他们还根据数控机床样本采集困难数量短缺的情况，研究出了一套适合小样本数据采集的数控机床可靠性研究方法；在数控系统研究方面，针对软、硬件的故障情况提出了数控系统的可靠性增长技术；还在数控机床的可靠性研究中引入了模糊数学模型与灰色理论针对同一批数据运用可靠性模糊数学模型进行多种假设检验，并对首次故障时间模型进行研究，最终提出一种基于灰关联分析的可靠性模型选择方法[；在数控机床的可靠性研究分析中引入网络功能，在智能网络信息系统基础上建立可靠性备件数据库共享集成模型等。
这些研究充分利用了先进的理论、方法、手段和技术，推动了可靠性研究发展。
使国产数控机床的可靠性从水平有了很大的提高。
2数控机床的几个可靠性
2.1数控箱元件的可靠性
数控箱元器件的可靠性，是整个系统可靠性的基础。
没有数控箱时，厂商对元器件的处理有一个系列的过程:
过老化处理，严格测试，合理筛选。
将会是使用的良好阶段。
追逐利润是经济商必考虑的问题，将高失效率的元气装配箱交给使用户。
这样在生产时就替换了。
可灰尘和潮湿的空气还会造成印刷线路之间的绝缘电阻变小或短路。
针对数控机床的干扰问题，厂家采取的措施使得电磁场干扰和地线和交流网络的波动引起干扰。
2.2故障信息
故障信息是分析、评估和提高可靠性的关键因素。
在当前，企业中的故障信息记录一般都采用纸质记录，这并没有按照故障记录要求做，这样会造成信息的不流畅，对故障信息的共享和查询很不方便，甚至给故障信息的隐藏造成了隐患。
操作者对机床的使用不恰当引起故障有操作的失误，如编程、对刀、修改参数错误等都会引起故障。
机床的保养维护，如润滑、铁屑清理不够，防护板、防护罩不时复位等会导致故障。
2.3机床机械设计
首先，防护对于机械非常重要，数控系统一般都装在加工区的外面。
假如挡屑板有适当的加宽，中拖板上的防护板加长，这样刀架可以远离工件最大位置，X轴电机就不会裸露在外;伺服电机有两根电缆:
分别是电源供电和信息反馈，要是电缆进水，系统就会反映，说明机床出现了问题。
假如挡屑板不能够加宽，为了机床的可靠性，它需要一种程序复杂的保护罩，所以一开始就要考虑许多问题。
这与以前电机轴线与丝轴线持平行及远离丝杠相比，现在如果把丝杠、大拖板可稍加长、通过齿轮，这样更容易挡住切削液。
还可以把电机和开关安装到淋不到水的位置。
其次，机箱内的印刷电路板的布线已经很密，如果环境条件太差，油雾、粉尘严重，条件成熟时，会使得打火短路，引发故障。
在设计时注意把没用的位置堵严，保证机床的清洁。
最后，数控系统属微电子装置，抗干扰能力比较差，在设计时，应注意保护，避免干扰源进入数控系统，要把系统的地线与强电的地线隔离。
灭弧器和汇流二级管，滤波电容光隔在必要的地方是不能省略的。
否则系统经不住冲击，机床会不断出现故障。
3数控机床的可靠性评定指标
可靠性只是一个定性的概念，在研究可靠性问题时，还需要有定量的指标。
一台设备的可靠性不能停留在“好”或“不好”或“可靠”或“不可靠”这样笼统的评价上，而必须具体确定可靠性的数量。
由于可靠性不能用仪表测定，所以衡量可靠性必须进行研究、试验和分析，从而做出正确的估计和评定。
目前可靠性已从一个模糊的定性概念发展为以概率论及数理统计为基础的定量概念。
表示产品总体可靠性水平高低的各种可靠性数量指标称为可靠性特征量。
其真值是理论上的数值，实际上是未知的。
根据样本观测值，经一定的统计分析可得到特征量的真值估计值。
可靠性是每个产品都有的客观属性，是产品到了用户手中随着时间的推移，稳定保持原有功能的能力，也就是对一个产品投入生产使用后无故障工作能力的量度。
对于机械设备，可靠性的特征量主要有：
可靠度、失效率、故障率、平均无故障间隔时间、平均寿命、有效度等。
任何一个特征量只能表示可靠性的某一个特征方面，所以对不同的设备要使用不同的特征量描述。
对于可维修的复杂系统，常用可靠度、平均无故障间隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）等指标来衡量。
对于数控机床来说，如何客观、正确地评价其状态，目前尚无一致性规定，尤其对那些使用年限较长、工作性能不稳定的数控机床，只有真正了解其状态，才能为更新、改造提供决策的依据。
因此，确定评定指标尤为重要。
数控机床集机、电、光、液、气、计算机自动控制等技术于一体，同时受诸多因素（如操作水平、使用环境、保养维护等）的影响较大，在评估指标确定方面，既不完全等于纯电子产品，又有别于纯机械产品，因此科学地制定评估指标是十分重要的。
衡量可靠性指标常采用平均无故障工作时间MTBF（MeanTimebetweenFailure）、平均修复时间MTTR（MeanTimeToRepair）、平均有效度A（Availability）。
其中，平均有效度A越接近1，数控系统的使用性能越好。
4影响数控机床可靠性的因素及提高可靠性途径
为了提高数控机床的可靠性，首先在设计上应该采用大规模及超大规模集成电路、专用集成电路、混合式集成电路和表面安装（SMT）技术，并且所有元器件都要经过必要的抗老化处理和严格的筛选，在线路设计上采用各种抗干扰措施。
干扰是影响数控机床正常运行的重要因素，常见的干扰有供电线路干扰、电磁波干扰和信号传输干扰。
数控机床的抗干扰措施主要包括减少自身对外界其它设备的干扰以及电网对机床的干扰和防止信号传输被干扰等方面。
4.1影响数控机床可靠性的因素
评定数控机床可靠性时，通过对所有数据的分析统计，应总结和探求影响可靠性的因素，为数控机床可靠性的提升奠定基础。
目前，随着数控技术的日趋成熟，数控机床各主要组成部分的可靠性也越来越高，但仍存在一些不容忽视的影响因素。
（1）防尘设计。
数控装置自身的机箱虽已采取了一定的防尘措施，但数控机床使用时，其环境条件未充分考虑，致使防尘效果不佳，往往引发故障。
如在加工零件时飞出的粉尘落到机箱内的印刷电路板上，再加上油雾，使其牢牢附在上面，常常会打火短路，以致引发事故，所以在设计时要考虑对数控系统增加一定的防护。
（2）防水设计。
数控系统一般都装在加工区之外，但有的数控系统的执行件、检测件则在加工区内，如伺服电机、行程开关等。
加工中，切削液常会淋湿电动机，并渗入电动机和电缆插头中。
电缆进水后，导致反馈信号错乱，使机床出现故障；有的限位开关被淋湿后，开关失灵，所以在设计中要注意带电部件的安装位置和防护。
（3）散热通风设计。
数控机床加工工件时产生大量的切削热，数控装置安装的位置应与机床发热源保持足够的距离，通风好，有充分的散热空间，否则会加快电气元件受热老化，从而引发故障，必要时应强制排风散热，强迫制冷。
（4）抗干扰技术设计。
数控系统属于微电子装置，由于都是低电压信号，因此抗干扰能力较差。
所以在强电设计时应特别注意保护，避免干扰源进入数控系统。
如公共线的处理中，系统的地线与强电的地线要隔离，根据各种干扰，要考虑加滤波电容、光隔、灭弧器等；电线的走线要考虑电磁干扰，设计好屏蔽措施。
（5）强电逻辑设计。
强电逻辑设计，即梯形图设计，稍有疏忽，就会导致工作中一些功能紊乱，造成突发性事故发生。
如工件突然旋转、工件质量时好时坏不稳定等现象，大多是由于梯形图设计不完善造成的。
4.2提高数控机床的可靠性措施
为了提高数控机床的可靠性，首先在设计上应该采用大规模及超大规模集成电路、专用集成电路、混合式集成电路和表面安装（SMT）技术，并且所有元器件都要经过必要的抗老化处理和严格的筛选，在线路设计上采用各种抗干扰措施。
干扰是影响数控机床正常运行的重要因素，常见的干扰有供电线路干扰、电磁波干扰和信号传输干扰。
数控机床的抗干扰措施主要包括减少自身对外界其它设备的干扰以及电网对机床的干扰和防止信号传输被干扰等方面。
4.2.1减少供电线路的干扰
数控机床的安置要远离中频、高频的电气设备;要采用独立的动力线供电，避免大功率起动、停止频繁的设备和电火花设备同数控机床位于同一供电干线上。
在电网电压变化较大的地区，供电电网与数控机床之间应加自动调压器或电子稳压器，以减少电压的波动。
动力线和信号线要分离，信号线采用绞合线，以减少和防止磁场耦合和电场耦合的干扰。
如变频器中的控制电路接线要距离电源线至少100mm以上，两者绝对不能放在同一导线槽内。
另外，控制电路配线与主电路配线相交时要成直角相交，控制电路的配线应采用屏蔽双绞线。
4.2.2减少机床控制中的干扰
在数控机床伺服驱动装置电源中引入压敏电阻保护（如图1所示），在电路中加入压敏电阻（又称浪涌吸收器）可对线路中的瞬变、尖峰等噪音起一定的抑制作用。
交流接触器和交流电动机频繁起动、停止时，其电磁感应现象会在机床的电路中产生浪涌和合峰等噪音，干扰数控系统和伺服系统的正常工作。
在这些电器上加入阻容吸收回路（如图2所示），会改变对电器元件的线路阻扰，使交流接触器线圈两端和交流电动机各相的电压在起停时平稳，抑制电器产生的噪音。
直流电感元件在断电时线圈中将产生较大的感应电动势，在电感元件两端反向并联——续流二极管（如图3所示），释放线圈断电时产生的感应电动势，可减小线圈感应电动势对控制电路的干扰噪音。
4.2.3采用屏蔽技术
屏蔽技术用来抑制电磁噪音沿着空间的传播，通常用金属材料将需要防护的的电路或线路包在其中，防止电场或磁场的耦合干扰，屏蔽可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频屏蔽。
信号线采用屏蔽线（铜质网状穿在铁质蛇皮管或铁管中关键元件或组件采用金属容器屏蔽。
4.2.4 保证“接地”良好
“接地”是数控机床安装中的一项关键的抗干扰技术。
电网的许多干扰都是通过“接地”对机床起保护作用的。
数控机床的地线系统有3种:
信号地、框架地和系统地。
图4所示为数控机床的地线系统。
信号地用来提供电信号的基准电压（0V）。
框架地是以安全性及防止外来噪声和内部噪声为目的的地线系统，它是装置的面板、单元的外壳、操作板及各装置间接口的屏蔽线。
系统接地电阻应低于100欧姆，连接的电缆必须具有足够的截面积，一般应等于或大于电源电缆的截面积，以保证在发生短路等事故时，能安全的将短路电流传输到系统地线中。
为了保证电控柜的电磁一致性，电控柜应采用一体结构或焊接而成，材料选择冷轧钢板，安装板采用镀锌钢板，以提高系统的接地性能。
控制柜内各个部件按照强弱电分开安装、布线。
在各屏蔽电缆进入控制柜处屏蔽层接地。
4.2.5防止信号传输干扰
防止信号传输干扰有多种方式，如:
强弱电分开走线、选择合适的接地方式等均是常见和有效的防止信号传输被干扰的方法。
为了提高数控系统的可靠性，除了在设计上采用一定措施之外，其次还应考虑使用和维护方面因素的影响。
数控机床的使用环境要避免阳光的直接照射和其他热辐射，避免太潮湿或粉尘过多的场所，特别是要避免存在腐蚀气体的场所。
腐蚀气体最容易使电子元件受到腐蚀变质造成接触不良或元件间短路，影响机床的正常运行。
要远离振动大的设备如冲床、锻压设备等。
对于高精密的数控机床还要采取防震措施。
由于电子元件的技术性能受温度影响较大，当温度过高或过低时，会使电子元件的技术性能发生较大变化，使工作不稳定或不可靠而增加故障的发生。
将精度高、价格昂贵的数控机床置于有空调的环境中是比较理想的。
供数控机床使用的电源电压应在规定范围之内，波动不要太大（波动范围为-15%~+10%）。
数控机床应采用专线供电（从低压配电室分一路单独供数控机床使用）或增加稳压装置，减少供电质量的影响。
数控系统如果没有生产任务长时间不用时要定期通电，不宜长期封存，最好每周能通电1~2次，每次空运行1小时左右，以利用机床本身的发热量来降低机体内的湿度，使电子器件不致受潮，同时也能及时发现有无电池报警发生，以防止系统软件参数的丢失。
电池的更换应在数控系统供电状态下进行，这样不致造成存储参数丢失，一旦参数丢失，在调换新电池后，应将参数重新输入。
5结语与评价
随着高新技术的引入及相关学科的发展，数控机床的可靠性会出现新的问题，紧跟国际可靠性技术发展前沿，开发可靠性增长的新技术，提高国产数控机床和数控系统的可靠性水平，已成为行业的一致呼声。
因此，积极探寻和开发具有数控机床产品特色的可靠性评定方法和可靠性增长的新技术，已成为提升国产数控装备竞争力的一项重要工作。
我认为要保证数控机床的可靠性、增大企业效益，除了提高数控机床各部分硬件性能外，还需要维修管理人员、操作使用人员、维修技术人员拥有高度责任心、良好的职业道德和过硬的专业水平,需要三者的共同努力,缺一不可。
作为操作者或维修人员更也要提高我们的使用素质来保证数控机床的可靠性：
（一）正确的使用与操作
1.开关机顺序，对许多操作者来说，在开关机时往往不理会急停按钮，而直接通过空气开关打开和关闭机床。
这样做会对数控系统造成较大的冲击，几次、几十次可能都没有什么问题，但只要一次出现问题那代价就大了，所以一定要养成良好的职业习惯。
正确操作是关机时先拍下急停按钮，开机时最后旋开急停按钮。
2.装夹时不要用力敲打工件，更不能随意敲击机床各部件。
3.在安全位置进行换刀操作，不同数控机床在换刀时有不同的注意事项，要正确操作。
另外，对刀的目的是建立工件坐标系，要机床按我们所编制的程序在正确的位置进行加工，所以一定要仔细对刀，正确建立工件坐标系，防止撞刀。
4.新程序要认真校验后方可加工。
5.不得超负荷、超规范使用数控机床。
6.加工过程中遇到异常情况，立即急停处理。
（二）良好的保养与维护
日本设备维修协会、DaPont和田纳西州东人化学公司等企业进行的研究提出了数控机床3种主要的物理状态，可以解决80%的变化问题。
它们是:
松动、污染、润滑。
要重点针对数控机床这常见的三大故障源做好保养工作。
1。
开机前检查各操作手柄、按钮等的正确位置。
2。
检查润滑油量，确保油质。
3。
开机后检查冷却风扇、通风装置是否良好工作。
要注意定期清洁。
4。
开机后先空运转3~5min。
5。
防止异物、粉尘、烟雾进入机床。
除维修维护外不要打开电控柜门。
6。
关机后清洁机床，导轨、滑动面等要注意保养，防止磨损。
7。
定期检查松动情况。
应定期检查连线、零部件的移位等情况。
8。
数控机床不宜长期封存。
数控机床长期封存会使数控系统的电子元器件由于受潮等原因变质或损坏，所以即使无生产任务，数控机床也需定时开机，利用机床本身的散热来降低机床内的湿度，同时这样也能及时发现有无电池报警发生，以防止系统软件、参数丢失。
（二）一定的专业外语基础
一个高素质的技术人员要能对国内外多种数控机床进行操作维修。
但国外数控系统的配套说明书、资料往往使用外文资料,数控系统的报警文本显示亦以外文居多。
为了能根据说明书所提供的信息与系统的报警提示迅速确认故障原因,加快维修进程,维修技术人员应具备专业外语的阅读能力,以便分析、处理问题。
（三）勤于学习,善于学习
维修技术人员不仅要注重分析问题与积累经验,而且还应当勤于学习,善于学习,善于思考。
国内外数控系统种类繁多,而且数控系统说明书的内容通常也很多,若不勤于学习、不善于学习,就很难对各种知识融会贯通。
（四）动手实践能力强
数控系统的维修离不开实际操作,维修技术人员除了应熟练使用所必需的维修工具外,还应能熟练操作机床,并能进入一般操作者无法进入的特殊操作模式。
（五）良好的工作习惯
数控机床维修工程师要胆大心细,动手时必须有明确的目的、完整的思路,进行细致的操作。
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