0 引言

      盤式刀庫及機械手是車銑複合（hé）加工中心（xīn）的重要換刀裝（zhuāng）置，隨著加工中心複合功（gōng）能（néng）的增多和密集型技術的引入，不可靠因素和故障隱患增多，尤（yóu）其是在複雜零件的（de）加工過程中，需要頻繁更換刀具，執行動作多且（qiě）速度快，刀庫和機械手很容易因為刀盤旋轉產生的振動和零件磨損等原因（yīn）導致定位不準確，從而（ér）出現掉刀等（děng）故障［1］。因此非常有必要對該盤式刀庫及（jí）機械手進行可靠性增長試驗，並不（bú）斷進行故障排除和（hé）結構優化，從而實現其（qí）平均（jun1）無故障時間的顯著增長，提高（gāo）可靠性水平。

      可（kě）靠性增長試驗就是通過逐步改正產（chǎn）品（pǐn）設計和製（zhì）造中（zhōng）的缺陷，不斷提高產品可靠性的工程試驗，通常安排在工（gōng）程研製基本完成之後和可靠（kào）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（zhèng）試驗( 簡（jiǎn）稱TAAF 試驗) 糾正故障（zhàng），並達到逐步提高產品可靠性的目標［2］。

      本文主要研究（jiū）了盤式刀庫（kù）及機械手的可靠性（xìng）增長試驗方法，對類似產品的可靠性增長有參考借鑒作用。

      1 盤式刀（dāo）庫及機械手

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

      機械係統（tǒng）由支承結構、傳動結構、定位結構和夾緊結構組成。支（zhī）承結構主要包括底座（zuò）、主軸、支架和刀盤，完成主體部分和其它零件的承載、安裝（zhuāng）功能。傳動結（jié）構主要由電機、齒（chǐ）輪組、齒輪軸組成，齒（chǐ）輪和刀盤聯接在一起，齒輪（lún）傳（chuán）動帶動刀盤旋轉。定位由電氣定位和機械定位共同完成（chéng），通過發訊盤（pán）和發（fā）訊開關發出信號，進行粗定（dìng）位，而精定位則是由（yóu）定位軸、定位套及插銷實現的。夾緊機（jī）構主要是由刀爪、導向杆、彈簧及定（dìng）位（wèi）塊組成。

      該盤式刀庫的控製部分（fèn）采用西門子802D 數控係（xì）統，測試係統獨立於控製係統（tǒng），利用相關的傳感器可以全麵檢測盤式刀庫及機械手的換刀位置精度、振動（dòng）特性、是否掉（diào）刀、氣缸壓力、刀庫（kù）的轉速扭矩，以及工況噪聲等（děng）參數。在（zài）後期可靠性試驗中，這些性能參（cān）數是反映刀庫可靠性（xìng）水（shuǐ）平的重要因素之一。

      2 盤式刀庫及機械（xiè）手故障模（mó）式分析

      根據GJB1407《可靠性增長試驗》中的規定，可靠性（xìng）增長是針（zhēn）對產品的可靠（kào）性或者針對產品的故障的。分析產品故障原因和機理，改（gǎi）進設計缺陷（xiàn），是提高產品可靠性的關鍵（jiàn）。在TAAF 試（shì）驗中誘發的關聯故障（zhàng），分為A 類故障和B 類故（gù）障兩種，A 類故（gù）障是（shì）不予糾（jiū）正（zhèng）故（gù）障（zhàng），B 類（lèi）故障為可糾正故障。

      針（zhēn）對盤式刀庫的結構特（tè）點和早期故障試驗結果，對其可靠性薄弱環節進行（háng）故障模式、影響及危（wēi）害性分（fèn）析，以便於後期故障的糾正和可靠性（xìng）增長試驗的追蹤與控製。得到其故障模式（shì）分（fèn）析如（rú）表1 所示。

      3 可靠性增長試驗（yàn）方（fāng）法設計

      3. 1 可靠性增長模型

      在可修產品的可靠（kào）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模型作為車銑複合加工中心用盤式刀庫及機械手的可靠性增（zēng）長模型。

      Duane 模（mó）型（xíng）最初是飛機發（fā）動機和液壓機械裝置（zhì）等複雜可修產品可靠性（xìng）改進過程的經驗總（zǒng）結，其前提是: 產品在可靠性增長過程中，逐步糾正故障因而產品（pǐn）可靠性是（shì）逐步提高（gāo）的，不許可有多個（gè）故障集中改進而使產品可靠性有突然地較大幅（fú）度提高。

      Duane 模型引入累積故障率（lǜ）λΣ ( t) 的概念，指出產品在增長試驗過程中，累積故（gù）障率對於累積試驗時間，在雙（shuāng）邊對數坐標紙上趨近於一條直線，即: lnλΣ ( t) = lna － mlnt ( 1)式（shì）中: a 為尺度參數，a ＞ 0，表示（shì）雙邊對數紙上該直線的截距（jù），它的工程意義是（shì）一定程度上反映了進行可靠性增長試驗初始（shǐ）可靠（kào）性水平（píng）的高低，a 愈小，說明初始可靠性水平高。m 為杜安（ān）增長率，0＜ m ＜ 1，表示雙邊對數紙上該直線的斜率，它的工程（chéng）意義是反映了可靠性上升速度的快（kuài）慢。m 愈大，可靠性增長效果愈好。

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

      ( 2) 式可用於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，兩者還可用於產品可靠性增長過程中及最終的可靠（kào）性評估。

      3. 2 可靠（kào）性增長（zhǎng）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，MI，tI，m，T，Mobj，隻有5 個參數全部滿足上述（shù）關係時，才能構成符合增長試驗目標的計劃曲線［4-5］。考慮到車銑複合加工用（yòng）盤式刀（dāo）庫及（jí）機械（xiè）手的主要工作過程為換刀（dāo）和加工，工（gōng）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（cì）數n 為計數單位，選用累積無故障（zhàng）換刀（dāo）次數作為考核刀庫的MTBF 指標。

      ( 1) 增長目標的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: MI，nI，蘊（yùn）含（hán）著Duane 模型的參數（shù）a 和m，對增（zēng）長規律和總試（shì）驗次數N 有很大影響。反推法［6］ 根據已經確定的增長目標和特定的增長策（cè）略（luè），反過（guò）來確定產品必須具有的初始可靠性（xìng）MI0，再確（què）定MI。反（fǎn）推公式為: MI ＞ MI0 ＞ ( 1 － m) ( 1 － dKλ) Mobj ( 7) Kλ是糾正比，取值範圍為0. 85 ～ 0. 95; d 是平均糾正（zhèng）有（yǒu）效係數，取值範圍0. 55 ～ 0. 85。具體的取值（zhí）要根據（jù）故障統計分析的結果來確定。在試驗前（qián），可以根據上代產品或同類產品的增長規律暫定。參照（zhào）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 增長率的確定最初Duane 模（mó）型依據的一些航空用發動機和液（yè）壓機械裝置的增長率都是0. 5，隨後經過比（bǐ）較廣泛的可靠性增長試驗實踐，對於新研製的（de）複雜（zá）設備，增長率（lǜ）的範圍為0. 3 ～ 0. 6。影（yǐng）響增長率的（de）主（zhǔ）要因素為: 故障糾正（zhèng）效（xiào）果（guǒ）和產品設計成熟程度。對本刀庫取m = 0. 5。

       ( 4) 試驗（yàn）總次數的確定根據GJB 1407《可靠性增長試驗》規定的增長（zhǎng）試（shì）驗方（fāng）案，總試驗時間為（wéi）增長（zhǎng）目標（biāo）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（fèi）消耗越大。若取N = 5Mobj，則N = 50000。若（ruò）根據( 6) 式計算，N = 31250，換刀（dāo）次數明顯減少。取N = 30000，代入公式( 5) ，m ≈0. 53，超出預計增長率，可以接受。

      ( 5) 繪製可靠性增長試驗計劃曲線綜（zōng）上，最終確定的參數（shù）為Mobj = 10000 次，MI =2000 次（cì），nI = 5000 次，m = 0. 53，N = 30000 次。在雙邊對數坐標紙上（shàng），以換刀次數為（wéi）橫坐標，累積無故障換刀次數為縱坐標，可得到車銑複合加工中心用盤（pán）式刀庫及（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控製（zhì）

      在進行TAAF 試驗過程中，受試產品發生故障時，應根據故障的類型與（yǔ）性質（zhì）進（jìn）行不（bú）同的處置。車銑複合加工（gōng）用盤式刀庫及機械手是大型複雜（zá）的機電產品，故障分析與糾正困難大，所需（xū）時（shí）間長。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（běn）次故障發生前的產品狀態，然後（hòu）繼（jì）續試驗。對於關聯故障（zhàng）中的B 類故障，修複後立即恢複試驗，在試驗繼（jì）續（xù）進行（háng）的同時開展故障分析、糾（jiū）正和製造新設計有關的硬件。遇到必須中斷的時（shí）候，才在受試產品上實施糾正（zhèng）措施（shī）。

      可（kě）靠性增長試驗的跟蹤過程就是（shì）記錄發生關聯故障時的時間（jiān）與累計故障數，擬（nǐ）合成跟蹤曲線，與計劃曲（qǔ）線做對比。當實際增長過程中所（suǒ）有故障點在（zài）計劃曲線上方，或者跟蹤曲線在計劃曲（qǔ）線上方，或者跟蹤曲（qǔ）線在總試驗時間前（qián）的延長線穿過計劃曲線，此時說明實際增長結果滿意，不需要控（kòng）製。否則就需要改善增（zēng）長策略，以提高故障糾正效果。3. 4 最（zuì）終評定對於本（běn）文試驗（yàn）對象，在可靠性增長試驗過程中得到的關聯故（gù）障時間序列為時間截尾數據，用（yòng）Duane模型來（lái）評定，當實際增長率高於計劃增長率時，則表明產品可靠性已超過預期增長目標，可靠性增（zēng）長（zhǎng）試驗成功。

      4 結束語

      車銑（xǐ）複合加工中心（xīn）用盤式刀庫及機械手是大（dà）型複雜的機（jī）電類產品，具有高可靠性單樣本的特點，其可靠性工作與電子產品相比相對困難。本文提出的可靠（kào）性增長試驗方法能夠適用於同類產品，通過逐步排除（chú）故（gù）障，糾正設計缺陷，優化產（chǎn）品結構，輔（fǔ）以Duane模型等可靠性增長模型，對其進行跟蹤和控製，進而達到提高產品可靠性水平的目標。