张远望

摘 要：我国是世界上数控机床消费大国，数控机床可靠性技术的高低直接影响到整个国家制造业的发展，起到一定关键作用。然而我国现阶段机床功能的维持功能与国际水平存在一定差异，我国众多行业的数控机床用户之所以不选购国产机床的主要原因就是因为产品可靠性不能满足用户需求，这个局面严重影响到我国制造业数控机床行业的发展，因此怎样改善当前数控机床技术的可靠性成为当前学术界的一大难题。随着我国科技发展的日新月异，提高数控机床可靠性成为当前最为关注的话题，经济的飞速发展使整个市场竞争形势变得越来越严峻，在这种发展局势下，数控机床可靠性的提升必须通过现场运行验证，避免纸上谈兵。

关键词：数控机床 可靠性 技术研究

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0026-02

该文将对数控机床可靠性技术进行研究，分别从：数控机床可靠性内涵、数控机床可靠性技术存在的必要性、数控机床可靠性技术的研究、现阶段数控机床可靠性技术存在的问题、数控机床可靠性的设计准则、提高数控机床运行可靠性的具体措施、数控机床可靠性技术的展望7个部分进行阐述。

1 数控机床可靠性内涵

关于数控机床可靠性的定义，最初是由卢瑟尔提出的。所谓“可靠性”是指“产品能在规定条件及规定时间内完成的规定功能的能力。”可靠性很难用一个量来表示，因此在对可靠性进行定义时必须根据具体情况、具体场合来选择适当的指标。值得注意的是，可靠性是产品实际运行过程中所显露出的属性，且数控机床可靠性存在一定特殊性，它是集机、电、气等高新技术于一身的现代化工作母机，它对加工精度有一定要求。当前，数控机床在现场运行过程中最易发生的故障以功能性故障居多。所谓功能性故障一般指：加工中心刀库不转位、不执行程序指令、定位不准、旋转工作台不定位以及电气系统大量故障等，是当前广大机床用户亟待解决的。在机床用户看来，数控机床的可靠性涵义实际上指的就是机床在运行过程中故障频率出现次数相对较低。因此在开展数控机床可靠性工作时必须做些真实操作的实事，切实解决可靠性实际问题，让用户看到实效。高速、高精度以及高可靠性是现代数控机床发展的主要趋势，数控机床可靠性成为市场竞争的焦点，目前国内的数控机床研发方向主要朝高档次方向发展，提高数控机床可靠性成为当下最为急迫的事。

2 数控机床可靠性技术存在的必要性

2.1 数控机床可靠性技术满足市场发展需求

我国正处于工业化发展中，汽车、钢铁、机械等一批重工业为基础的行业发展势头越来越迅猛，导致对数控机床的需求也越来越大。为了满足市场发展需求，数控机床可靠性技术必须不断发展创新，使其功能日趋完善。

2.2 机床故障频率普遍偏高

由于我国数控机床现阶段的自主开发能力相对薄弱，自动化水平低，精度保持性相对较差，制约了我国数控机床的发展及销售，与国际现阶数控水平存在较大差距，对数控机床的运行故障不能及时准确的排除，此外还承受着市场巨大需求量的压力。因此为了解决这个问题就必须提高数控机床的可靠性。

2.3 数控机床可靠性技术的意义

数控机床的可靠性对用户来说十分关键，还在一定程度上影响了我国与国际水平间的较量，提高数控机床可靠性能促进数控机床市场的持续发展，对于改变我国机床工业现状有推动作用。数控机床可靠性技术的存在是必要的，它充分满足了市场发展需求，减少了数控机床运行故障的发生频率，它是实现民族装备制造业振兴的催化剂。数控机床作为复杂的机电液系统，它还没有相对成熟的可靠性理论与技术，加上我国数控机床可靠性技术研究起步较晚，涉足此行业的相关研究人员与研究机构相对较少，技术积累相对薄弱，处于发展阶段，相对德国等工业发达的国家来说还有很长一段发展距离，为了缩短与发达国家之间的差距，我们必须拿出实际行动。

3 现阶段数控机床可靠性技术存在的问题

3.1 数控机床可靠性研究者及相关机构普遍较少

由于我国在数控机床可靠性技术的研究人员与研究机构比较缺乏，加上数控机床可靠性技术研究的成本比较高，时间相对过长，其研究成果的获取相对过慢，导致我国数控机床可靠性技术体系缺乏完整性。

3.2 數控机床可靠性数据累积相对薄弱

制造业数控机床的可靠性的提高需要一定的数据作为实践基础，由于我国数控机床发展较晚，导致我国数控机床可靠性数据累积相对薄弱，从而不能为广大的数控机床用户可靠性技术的研究提供任何帮助，这也是我国数控机床可靠性技术发展相对滞后的主要原因。

3.3 数控机床的维修性及可用性得不到重视

要提高我国数控机床的可靠性技术就必须对数控机床的维修性及可用性重视起来，根据企业的需求去简化维修过程，缩短维修时间，将可靠性最大化，我国必须提高对其重视的程度，最大程度满足数控机床用户的需求，制定相关政策，奠定我国数控机床可靠性研究基础。

3.4 数控机床故障机理研究相对不足

当前我国对数控机床故障机理的研究相对不足，所谓故障机理研究主要是针对故障现象分析得出的反映故障本质的原因。但由于我国现阶段对故障机理研究相对缺乏，从而对产生故障的物力本质障碍直接的相关性以及故障问题认识不清，使改进成本不断增加，造成了经济资源浪费。

3.5 对机床整机功能部件缺乏重视

数控机床由各类功能部件及数控系统组成，其组成部件的可靠性制约着数控机床的整体可靠性，因此制造者必须对机床功能部件的质量加以重视。但由于国内机床功能部件企业技术比较薄弱，研究机构工作的重心又都放到了机床整机上，导致其功能部件得不到重视，无法提高数控机床可靠性技术发展。

3.6 数控机床电元器件质量相对较差

当前，国内机电元器件市场存在粗制滥造及恶意压价的现象，并且质量相对较差，温度特性差、电器反应不灵敏、使用寿命短等特点。如果将这些质量差的电元器件应用到数控机床，会造成严重的生产事故。

3.7 CNC安装不当

CNC是指数控系统，数控系统的正确安装对数控机床正常运行起到一定保障，如果没有按照相关要求进行安装则会造成驱动轴失控，引起机器报废，使数控机床免疫力降低，导致故障发生频率不断提高。

4 数控机床可靠性的设计准则

必须建立丰富的可靠性设计规范。

在对数控机床可靠性进行设计时，应建立起可靠性设计规范，设计规范的建立能在一定程度上对数控机床设计环节的可靠性设计以及分析工作进行约束管理，对不同的产品采取不同的可靠性设计。

4.1 建立可靠性设计评审大纲及流程

评审大纲的评审内容将会涵盖产品从概念到生产的所有开发阶段，它的重要性不言而喻，因此企业必须建立可靠性设计评审大纲及流程，并邀请一些在产品设计、制造、应力分析、安全維修等专业领域的专业研究人员参与到评审中来。

5 提高数控机床运行可靠性的具体措施

5.1 提高数控系统设计的可靠性

在设计数控系统时，应该按照不同机床功能需求来进行模块组建，可以在一定程度上提高机床使用的稳定性还能降低机床维护成本，兼顾人机对话以及机械故障自诊断，对机床起到自我保护作用。数控机床运行的速率与系统性能的好坏息息相关，因此必须提高数控系统设计的可靠性。

5.2 保证数控系统的正确操作

逻辑程序编写失误、参数配置的错误都会给数控机床埋下质量隐患，会给用户带来很多不便，对自己的信誉有一定影响。因此在对数控系统操作时必须保证一定正确性，否则会使误差累积，对机床转动链造成冲击。

5.3 采用有效隔离屏蔽技术

由于CNC系统的滤波环节降噪功能有限，因此必须配置相关隔离设备，尽量减小干扰信号。屏蔽干扰信号可以从两方面入手：一是取东西元件，将干扰源屏蔽起来，从而达到阻断静电与电磁信号传递的目的；二是利用双层金属屏蔽控制系统，以防高压线外在物质的干扰，促进数控机床可靠性大大提高。

5.4 合理布线与接地

由于数控机床地线相对比较复杂，系统中的机架箱体等结构件应予以接地。且接地电缆的横截面积不能小于10 mm2，布线必须遵循“强弱分开”原则，利用金属屏蔽线隔开输入信号线，严禁与其他设备接地。

5.5 运行可靠性控制

实验表明用户使用不当造成的故障占机床总体故障的20%左右。因此必须控制用户对机床的使用，预防用户对机床的超载使用，通过大修恢复机床精度与可靠性。

5.6 完善数控机床可靠性技术体系

要促进数控机床可靠性技术的发展必须对数控机床可靠性技术体系进行完善，以数控机床可靠性建模为基础，对数控机床的可靠性技术进行拓展，对研究成果进行严格筛选，构建故障案例库与数据库，促进我国数控机床可靠性技术的发展。

6 数控机床可靠性技术的应用研究

6.1 数控机床可靠性评定方法

数控机床可靠性的评定方法有三种，一是修正极大似然法和序贯压缩相结合的方法；二是指数寿命型串联系统法；三是基于信赖方法的数控机床可靠度的分析法。第一种的准确度比第二种更高，在数据充分的情况下，采用基于信赖方法的数控机床可靠度分析方法更为合理。

6.2 数控机床可靠性技术分析方法

加工中心是现代信息科学与传统机械技术相结合的典型产品，通过对其故障信息的科学分析，找出运行中的薄弱环节。将故障分析结果反映到各个部门，以提高产品可靠性为重要任务，将传统频次主次图分析方法与故障比重比方法相结合来解决故障问题。

6.3 重视数控机床可靠技术，更好促进机床的现代化

根据机床各部分组建的功能将经济、资源等内容进行综合考虑，来确定影响可靠性指标的因素，更好促进可靠性的提高，同时抓好改制改组工作，注重售后服务降低故障发生频率，一旦出现故障必须及时解决，重视质量与服务，积极引进国外先进技术，更好促进数控机床的现代化发展，努力掌握好数控机床可靠性技术，为机床质量提供一定保障。

6.4 数控机床可靠性信息体系及开发“可靠性数据库”和信息处理软件

开发出可靠性信息源，开发出可靠性信息存储、处理技术；数控机床可靠性数据库、可靠性评价软件、故障分析软件，为数控机床建立集成化可靠性信息体系。

6.5 建立可靠性指标（水平）评价体系

针对数控机床产品的特点，建立了数控机床可靠性指标评价体系，对平均故障间隔时间MTBF进行点估计和区间估计，并评估出平均修复时间MTTR和固有可用度Ai等具体数值，从而评价出数控机床可靠性水平。此项成果建立了完全针对数控机床行业特点的可靠性增长理论体系，开发出了实用技术以及可靠性增长的具体实施方法， 在国内外均属首创。

7 数控机床可靠性技术的展望

数控机床可靠性技术研究历经几十年，在可靠性设计、故障分析、可靠性建模、可靠性试验等方面取得了明显的进展。目前正在形成可靠性动态建模、可靠性综合设计、故障预警等数控机床可靠技术领域的研究热点。但由于从事数控机床可靠性研究的学者及相关机构普遍较少，对数控机床故障机理、数控机床维修性及可用性研究不够重视，从而导致数控机床可靠性技术一直得不到发展。随着科技的迅速发展，数控机床可靠性技术已经成为现代机床行业最关键的技术之一，我们必须从数控机床可靠性技术及行业需求角度进行技术展望。

7.1 强化全生命周期可靠性技术理念

数控机床可靠性技术的发展必须建立在可靠性建模、分析、设计等研究基础上，加强数控机床制造可靠性、早期故障排除、运输可靠性、维修性设计等可靠性技术研究，强化全生命周期可靠性技术理念，将其应用到数控机床可靠性技术的发展当中去。

7.2 构建数控机床可靠性技术体系

通过强化全生命周期可靠性技术理念，对研究成果不断进行完善，在此基础上制定数控机床可靠性技术规范，形成具有数控机床行业特色产品的可靠性技术体系。技术的研究离不开企业，在应用可靠性技术管理体系时应该保障可靠性技术研究成果在企业中的有效应用，使企业逐渐成为可靠性技术研发主体。

8 结语

可靠性有关学科发展始于20世纪50年代，并形成了相对完善的理论体系，要提高数控机床产品的可靠性，企业必须建立一定的可靠性保障能力，并且数控机床可靠性技术的发展离不开企业的支持，企业应该从战略角度出发，从零部件设计到故障数据分析方面做好调研工作，构建完善的管理体系，并给出相应改进意见，提高数控机床可靠性，促进数控机床可靠性技术的发展。在第十二个五年计划期间，我国的机械制造业逐渐朝着集成化、自动化、智能化方向发展，同时也为数控机床行业提供了良好机会。

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