0 引言

      盤式（shì）刀庫及機械手是車銑複合加工中心的重要換刀裝置，隨（suí）著加工中心複合功能的（de）增多和密集型技術的引入，不可靠（kào）因素和故障隱患增多，尤其是在複雜零件（jiàn）的加工過程中，需要頻繁更換（huàn）刀具，執行動作多且速度快，刀庫和機械手很容易因為（wéi）刀盤（pán）旋轉產生的振動和零件磨損等原因導致定位不（bú）準確，從而出（chū）現掉刀等故障［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（shì）驗，並不斷進行故障排除和結構優化，從而實現其（qí）平均無（wú）故障時間的（de）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品設計和製造中的（de）缺（quē）陷（xiàn），不斷提高產品可靠性的（de）工程試驗，通常安（ān）排在工程研製基本完成之後和可靠性鑒定試驗之前。可靠（kào）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（gù）障，並達到逐步提高產品可靠性的目標［2］。

      本文（wén）主要研究了盤式刀庫及機械手的可靠性增長試（shì）驗方法，對類似產（chǎn）品（pǐn）的可靠（kào）性增長有參考借鑒作用。

      1 盤式刀（dāo）庫及機（jī）械手

      可靠性試驗係統構成車銑複合加工中心用盤式刀庫（kù）及機械手( 見圖1) 的可靠性試驗係統分為機（jī）械係統、控製係統、測試係統三個部分。

      機械係（xì）統（tǒng）由支承結構（gòu）、傳動結構、定位結構和夾緊（jǐn）結構組成。支承結構主要包括底座、主軸、支架和刀盤（pán），完（wán）成主體部分和其它零件的承載、安裝功能。傳動結構主要由電機（jī）、齒輪組、齒輪軸組成，齒輪和刀盤聯接在一起，齒（chǐ）輪傳動帶動（dòng）刀盤旋轉。定位由電（diàn）氣定位和機械定位共同完成，通過發訊盤和發訊開關發出（chū）信號，進行粗定位，而精定位則是由定位軸、定位套及插銷（xiāo）實（shí）現的。夾緊機構主要是（shì）由刀爪、導向杆、彈簧及定位塊組成。

      該盤（pán）式刀庫的控製部分采用西門子802D 數控係統，測試係統獨立於控製係統，利用相關的傳感器可以全麵檢測盤式刀庫及（jí）機（jī）械（xiè）手的換刀位置精度、振動特性（xìng）、是否掉刀、氣缸壓（yā）力、刀庫的轉速扭矩，以及工況噪聲等參數。在後期可靠性試驗中，這些性（xìng）能參數是反（fǎn）映刀庫可靠（kào）性水平的重要因素之一（yī）。

      2 盤式刀庫（kù）及機械手故（gù）障模式分析

      根據GJB1407《可靠（kào）性增長試驗》中的（de）規定，可靠性增長是針對產品的可（kě）靠性或者（zhě）針對產（chǎn）品的故障的（de）。分析產品故（gù）障原因和機理，改進設計缺陷（xiàn），是提高產品可靠性的關鍵。在TAAF 試驗中誘發的（de）關（guān）聯故障，分為A 類（lèi）故障和B 類故障（zhàng）兩（liǎng）種，A 類故障是不予糾（jiū）正（zhèng）故障，B 類故障（zhàng）為可糾正故障。

      針（zhēn）對盤式刀庫的結構特（tè）點（diǎn）和早期故障（zhàng）試驗結果，對其可靠性（xìng）薄弱環節進行故障模（mó）式、影響及危害性分析，以便於後期故障的糾正和可靠性增（zēng）長試驗的追蹤與控（kòng）製。得到其故障模（mó）式分析如表1 所示。

      3 可靠性增長試驗方（fāng）法設計

      3. 1 可靠性增長模型

      在可修產品的可靠性增長試驗（yàn）中，常用的是杜安( Duane) 模型和AMSAA 模型［3］。本文選取Duane模型（xíng）作為車銑複合加工中心用盤式刀庫及機械手的可靠性（xìng）增長模型。

      Duane 模型最（zuì）初是飛機發動機（jī）和液壓機械裝置等複雜可修產品可（kě）靠性（xìng）改進過程的經驗總（zǒng）結，其前提是: 產品在（zài）可（kě）靠（kào）性增長過程中，逐（zhú）步糾正故障（zhàng）因而產品可靠性是（shì）逐步提高的，不許可有多個故障集中改進而使產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（de）概念，指出產品在增長試驗過（guò）程中，累積（jī）故障率對於累積試驗（yàn）時間，在雙（shuāng）邊對數（shù）坐標紙上趨（qū）近於一條直線，即: lnλΣ ( t) = lna － mlnt ( 1)式中: a 為尺度參數，a ＞ 0，表示雙邊對數紙上該直線的截（jié）距，它的工程意義是一定程度（dù）上反（fǎn）映了進行可靠性增長試（shì）驗初始可靠性水平（píng）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（duì）數（shù）紙上該直（zhí）線的斜率，它的工程意義是（shì）反映了可靠性上升速度的快慢（màn）。m 愈大，可靠性增長效果愈好（hǎo）。

      在工程應用中，已知某一累積試（shì）驗時間tI及其對應（yīng）的產品累積MTBF，記為MI，則可得:

      ( 2) 式可用於（yú）製訂可靠性增長計劃，( 3) 式用於表示增長計劃曲線並用於跟蹤，兩者還可用於產（chǎn）品可靠性增長過程中及最終（zhōng）的可靠（kào）性評估。

      3. 2 可靠性增長試驗計劃

      可（kě）靠性增長試驗（yàn）計劃的主要組成部分（fèn）是計劃曲

      式中共有5 個參數，MI，tI，m，T，Mobj，隻有5 個參數（shù）全部滿（mǎn）足上述（shù）關（guān）係時，才能構（gòu）成符（fú）合增長（zhǎng）試驗目標的計劃曲線［4-5］。考慮到車銑複合加工用盤式刀庫（kù）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，則試驗數據采集難度加大。因此試驗過程以換刀次數n 為計數單位，選用累積無故障換（huàn）刀次數作（zuò）為考（kǎo）核刀（dāo）庫的MTBF 指標。

      ( 1) 增長目標的（de）確定增長目標值應超過規定值，設定可靠性增長標Mobj為10000 次累積無（wú）故障換刀。

      ( 2) 起始點（diǎn）的確定［6］計劃曲線的起始（shǐ）點含兩（liǎng）個參數: MI，nI，蘊含著Duane 模型的參數a 和m，對增長規律和總試驗次數N 有很大影響。反推法［6］ 根據（jù）已經確定的增長目標和特（tè）定（dìng）的增長（zhǎng）策略（luè），反過來確（què）定產品必須具有（yǒu）的初始可靠性MI0，再確定MI。反推公式（shì）為: MI ＞ MI0 ＞ ( 1 － m) ( 1 － dKλ) Mobj ( 7) Kλ是（shì）糾正比（bǐ），取值範圍為0. 85 ～ 0. 95; d 是平均糾正有效係數，取值範圍0. 55 ～ 0. 85。具（jù）體的取值要根據（jù）故障統計分析的結果來確定。在試驗（yàn）前，可以根據上代產品或同（tóng）類產品的增長規律暫定。參照同類產品的實際（jì）可靠性增長規律，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（zhǎng）率（lǜ）的確定最初Duane 模型依據的一些航（háng）空用發動機和液（yè）壓機械裝置的增（zēng）長率都是0. 5，隨後經（jīng）過比較廣（guǎng）泛的（de）可靠性增長試驗實踐，對於新研製的複雜設備，增長率的範圍為0. 3 ～ 0. 6。影響增長率的主要因素（sù）為: 故障糾正效果和產品設計成熟程度。對本刀庫取m = 0. 5。

       ( 4) 試驗總次數的確定根據（jù）GJB 1407《可（kě）靠性增長試驗》規定的增長試（shì）驗方案（àn），總（zǒng）試驗時間為增長（zhǎng）目標Mobj的5 ～ 25 倍。考慮到盤式刀庫機械手是高可靠性產品，試驗時間過長則經費消（xiāo）耗越大。若取N = 5Mobj，則N = 50000。若根據( 6) 式計算，N = 31250，換刀次數明顯減少。取N = 30000，代入公式( 5) ，m ≈0. 53，超出預（yù）計增長率，可以接受。

      ( 5) 繪製可靠性增長試驗計劃曲線綜上，最終確定的參數為Mobj = 10000 次，MI =2000 次，nI = 5000 次（cì），m = 0. 53，N = 30000 次。在雙邊對數坐標紙上，以換刀次數為橫坐標，累積無故障換刀次數為縱坐標，可得到車（chē）銑（xǐ）複（fù）合加工中心用盤式刀（dāo）庫及（jí）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（yǔ）控（kòng）製

      在（zài）進行TAAF 試驗過（guò）程中，受試產品發生故障時，應根據故障的類型與性質進行不（bú）同的處置。車銑複合加工用盤式刀庫及（jí）機械手是大型複雜的機電產品，故（gù）障分析與糾正困難大，所（suǒ）需時間（jiān）長。因此對於非關聯故障和關聯故障中的A 類故障，隻需對其進行修複，恢複到本次故（gù）障發生前的產品狀態，然後繼續試驗。對於關聯故障中的B 類故障（zhàng），修複後立即恢複試驗，在試驗（yàn）繼續進行的同時開展故障分（fèn）析（xī）、糾正和製造新設計有關的硬件。遇到必須中斷的（de）時候，才在受試產品上實施糾正措施。

      可（kě）靠性增長（zhǎng）試驗的跟蹤過程就是記錄發生關聯故障時的時間與（yǔ）累計（jì）故障數，擬合成跟蹤曲線（xiàn），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（shàng）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（zēng）長結果滿意，不（bú）需要控製（zhì）。否則就需要改善增長策略，以提高故障糾正效果。3. 4 最終評定對於本文試驗（yàn）對象，在（zài）可靠性增長試驗過（guò）程（chéng）中得到的關聯（lián）故障（zhàng）時間序列為時間截尾數據，用Duane模型來評定，當（dāng）實（shí）際增長率高於計劃增長率時，則表明產品可靠性（xìng）已超（chāo）過預期增長目（mù）標，可靠性增長試驗（yàn）成功。

      4 結束語

      車銑複（fù）合加工中心用盤（pán）式刀庫及機械手是大型複雜的機電（diàn）類產品，具（jù）有高可（kě）靠性單樣本的特點（diǎn），其可靠性工作與電子產品相比相對困（kùn）難。本文提出的可靠性增長試驗方法（fǎ）能夠適用於同類產品，通過逐步排除故障，糾正設計缺陷，優化產品結構（gòu），輔（fǔ）以Duane模型等可靠性增長模型，對其進行跟（gēn）蹤和控製，進（jìn）而達到提高產品可靠性水平的目標。