加工中心刀库系统可靠性强化试验方法

丛 明 韩玉婷 刘 冬

大连理工大学，大连，210200



加工中心刀库系统可靠性强化试验方法

丛 明 韩玉婷 刘 冬

大连理工大学，大连，210200

对某型号加工中心的刀库及机械手的早期故障进行分析后，假设了其主要的故障原因。为了加速试验过程并进一步验证假设的故障原因，设计了刀库系统的可靠性强化试验方案。首先选取了3个加速因子并确定了加速因子的大小，然后确定出试验的综合应力剖面，对刀库的3个位置的性能情况进行了监控。最后对试验发生的6次故障进行了分析，验证了假设的故障原因并提出对应的改进措施。

刀库及机械手；可靠性强化试验；试验剖面；加速因子

0 引言

高可靠性、长寿命已经成为现在加工中心发展的趋势，所以需要大量试验时间的传统可靠性评价试验和故障筛选试验已经不能满足加工中心可靠性试验的需求。可靠性强化试验(reliability enhancement testing，RET)可以施加比正常使用时大得多的应力，能迅速暴露产品的潜在缺陷。在工程研制阶段进行强化试验，可提高产品的可靠性[1]。刀库及机械手是加工中心的重要功能部件之一，因其受到的冲击力较大，且换刀动作频繁，所以会经常发生故障[2]。

目前，对刀库及机械手进行的可靠性试验大都是故障筛选试验和可靠性评价试验。文献[3-6]对加工中心刀库及机械手的可靠性试验台的搭制、故障筛选试验及可靠性评价试验进行了研究，得出了刀库及机械手的主要故障模式。但可靠性评价和故障筛选试验所需的试验时间比较长，通常都需要6个月以上的试验时间。为了缩短传统刀库可靠性试验的试验时间，加速可靠性试验的过程，本文对刀库及机械手进行了可靠性强化试验。

目前，对刀库及机械手的可靠性强化试验的研究还比较少，文献[7-8]在可靠性强化试验中找出了影响失效的最敏感因子。张根保等[9]将可靠性强化试验理论应用到数控转台上并制订了试验剖面，为可靠性强化试验在加工中心上的应用提供借鉴。

本文对刀库及机械手的可靠性强化试验方法进行了深入研究，以期加速机床功能部件暴露故障的过程，发现设计缺陷，提高其可靠性并减少故障。

1 故障模式的失效分析和加速因子的选择

1.1 故障模式失效分析

试验选取的刀库及机械手是国产某系列加工中心的直线型链式刀库，其三维结构如图1所示。伺服电机1通过链轮4带动刀库刀具旋转实现选刀动作；倒刀气缸2带动刀套6实现刀具从刀库到换刀位置的移动；两爪回转机械手7通过复合分度凸轮8和锥齿轮5传动实现机械手的换刀动作；步进电机9通过链条3和齿轮的传动实现防护门的迅速开关。

1.伺服电机 2.倒刀气缸 3.链条 4.链轮 5.锥齿轮

为了方便，下面将刀库及机械手统称为刀库系统。首先对刀库系统的9次早期故障进行统计分析，将所有故障分类成4种模式，统计得出每种故障模式的频数。从表1可以看出，刀库掉刀、刀检失调和刀检误报警的频数比较高，如果能减少这三类故障模式发生的概率就可以从根本上提高刀库系统的可靠性。

表1 刀库系统的早期故障模式分析表

根据上述故障模式的分析结果，对故障模式的故障原因做出以下假设：

(1)刀库掉刀的主要原因是刀库换刀位置设置不合理。设置的换刀位置和实际的换刀位置有偏差，导致换刀时刀库掉刀；换刀点参数对这把刀是适合的，对下一把刀也许就不适合。所以需要进行多次换刀，提高换刀的频率，并多次修改换刀位置参数，直到找到对所有刀具都适合的换刀位置。对每一把刀反复多次进行换刀试验可以更精确地确定换刀位置，减少掉刀故障的发生。

(2)刀检失调和刀检误报警发生的主要原因是刀检值设置不合理。刀检的主要作用是检查刀具是否有刀尖断刀现象，其工作原理是：如果刀具的刀尖在传感器的检测范围内，传感器就会获得一个信号，说明刀具没有断刀；如果没有收到信号就说明这把刀具的刀尖断刀。一台加工中心至少安装有十几把各种不同型号的刀具，各种刀具的长短也不同，而刀检传感器并不会在使用不同种刀具的时候作位置上的调整。因此刀检传感器的值设置不合理就会使传感器有时无法检测到刀尖，比如某把刀具的的刀尖没断，但此时传感器没有检测到刀尖的信号，发出刀具断刀报警，产生了刀检误报警故障。刀库发出错误的报警信号，会导致检测系统的程序失调，不能进行正常的刀尖检测。

1.2 加速因子的选择

根据上面假设的故障原因，选择并确定可靠性强化试验的加速因子。根据机械部件在生命周期内的应力和寿命之间的关系方程，选取可靠性强化试验的加速因子：

SmN=c

式中，m、c为材料常数；N为应力幅值为S时的破坏循环次数[10]。

根据强化原理，为了减小循环次数N，需要增大应力S，所以本试验选取一个或多个加速因子来增大环境应力、减小循环次数。根据1.1节假设的故障原因，选择并确如下定加速因子：

(1)换刀频率。换刀频率是最重要的加速因子，增大刀库的换刀频率可以加速试验中掉刀故障以及刀检故障的发生过程，而且对不同的刀具进行换刀试验可以提高试验的可信性。

(2)刀库载重量。加大刀库的载重量并超出正常加工时的载重量，可以激发出刀库旋转时发生的故障；加大载重量的同时增加换刀刀具的种类，可以加速刀检故障的发生。

(3)刀库转速。提高刀库的转速可以使刀库旋转时发生的故障更快地激发出来，也可以加速故障的发生。

2 失效准则和性能监控

试验过程中，为判断刀库系统是否已经进入失效状态，需要对刀库系统的一些性能参数进行监测，并制定相应的失效准则来判定系统是否失效。具体监测项目如下：

(1)振动。在刀库和换刀位置安装三向加速度传感器和单向加速度传感器，实现对刀库和换刀点振动的实时监测，及时发现振动幅值过大的情况。

(2)压力。在刀库推刀气缸上安装压力传感器，实时监控气缸的压力变化，便于及时发现压力的异常变化。

(3)电流。对控制刀库和机械手运转的步进电机和伺服电机的电流进行实时监控，及时发现电机烧毁故障(加工中心常见的故障)，并找出导致电路短路的具体位置。

对刀库监测出的以上物理参数，制定其失效的判定准则，如表2所示，所监控的参数值若超出了工作范围则判定为刀库系统失效。

表2 监测性能失效准则表

3 刀库系统可靠性强化试验方案

3.1 加速因子水平的设计

可靠性强化试验的加速因子施加的原则是，加速因子的大小要超过设计上下限，而不超过工作上下限[10]，这样才可以既加速可靠性试验，又不破坏刀库系统。本次试验的刀库系统为MDH80配套的OEM刀库系统，产品的工作极限：刀库的转速为100 m/min，换刀频率为每分钟6次。因此为试验设计的加速因子的水平如下：

(1)刀库转速。本着加速因子的大小不超过刀库转速的工作极限的原则，本次试验设计刀库转速为60 m/min。

(2)换刀频率。换刀频率的设计极限为每分钟1.6次，本次试验的换刀频率为每分钟3次，稍稍高于刀库的设计极限。

(3)刀库载刀量。一般加工时刀库的载刀量是4～7把刀，本次试验时刀库装满刀具，共40把模拟刀具，每把刀的质量为25 kg，总质量为1000 kg。

3.2 强化试验综合应力剖面

刀库系统进行换刀动作的具体过程如图2所示，依据刀库系统的换刀过程得出刀库系统可靠性强化试验的综合应力剖面，如图3所示。在可靠性强化试验中，刀库和机械手在图3所示的综合应力水平下按照图3的过程循环动作。

图2 刀库系统换刀顺序动作图

图3 可靠性强化试验综合应力剖面图

4 试验结果分析

按照上面设置的应力剖面参数，总共对5个刀库系统功能部件进行了可靠性强化试验。试验开始后的第 154 h、165 h、352 h、396 h、484 h、495 h出现了故障，试验现场的故障信息采集结果如表3所示。

表3 故障信息采集表

对刀库系统进行可靠性强化试验后，对出现的故障现象进行分析，发现刀库系统的主要故障为：刀具检测故障和换刀机械手故障。对表3所示的故障原因进行总结，得出刀库系统故障的主要原因：①刀检值设置不合理，只有在大量的试验之后才可以确定合适的刀检值，而使用可靠性强化试验后可以缩短试验时间，快速发现合适的刀检值；②刀检装置的可靠性不高，导致刀检故障的频繁发生；③换刀故障的主要原因是换刀位置参数设置不合理，从而导致机械手没有抓稳刀具，但合理的换刀位置参数也需要大量的试验才能确定。

5 结论

(1)该可靠性强化试验达到了试验预期，选取的加速因子的工作极限很好地激发了刀库系统的故障，加速了故障暴露的过程，验证了试验前的故障模式及危害度分析的故障原因假设。

(2)成功地将可靠性强化试验理论应用到加工中心的刀库系统，填补了加工中心的可靠性强化试验的空缺，并为其他功能子系统的可靠性强化试验方法提供借鉴。

[1] 晨循，陶俊勇，张春华．可靠性强化试验与加速寿命试验综述[J]. 国防科技大学学报，2002，24(4)：29-32． Chen Xun，Tao Junyong，Zhang Chunhua. Reliability Enhancement Testing and Accelerated Life Testing: An Introductory Review[J]. Journal of National University of Defense Technology，2002，24(4)：29-32．

[2] 郝思文．MDH80加工中心可靠性分析[D]．大连：大连理工大学，2014．

[3] 范秀君，许静林，张根保，等．数控机床早期故障消除技术[J]．中国机械工程，2013，24(16)：2241-2247． Fan Xiujun，Xu Jinglin，Zhang Genbao，et al．Technology of Eliminating Early Failures for NC Machine Tools[J]. China Mechanical Engineering，2013，24(16)：2241-2247．

[4] 焦大蒙．加工中心链式刀库及机械手可靠性试验方法研究[D]．长春：吉林大学，2014．

[5] 涂林．卧式加工中心可靠性试验技术研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[6] 石靖楠．链式刀库可靠性试验与状态监测系统研制[D].长春：吉林大学，2015.

[7] Fan Zhifeng，Qi Xinglin，Liu Jiakai，et al．Comprehension and Implementation of Reliability Enhancement Testing for Ammunition [C]//International Conference of Information Science & Management Engineering. Chengdu，2010：347-350．

[8] Yang Yanfeng，Zheng Jian， Di Changchun，et al. Simulation and Research of Reliability Enhancement Testing about the Pulley Mechanism[C]//International Conference on Mechanic Automation and Co-ntrol Engineering. Inner Mongolia，2011，664-667．

[9] 张根保，许智，何文辉，等．加工中心数控转台可靠性强化实验方法研究[J]. 中国机械工程，2011，22(8)：948-951． Zhang Genbao，Xu Zhi，He Wenhui，et al. Research on Reliability Enhancement Testing Method of NC Rotary Table[J]. China Mechanical Engineering，2011，22(8)：948-951．

[10] 陈循，张春华．加速试验技术的研究、应用与发展[J]．机械工程学报，2009，45(8)：130-136． Chen Xun，Zhang Chunhua．Reserch， Application and Development of Accelerated Testing[J]. Journal of Mechanical Engineering，2009，45(8)：130-136．

(编辑 张 洋)

RET of Machining Center Tool Magazine System

Cong Ming Han Yuting Liu Dong

Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning，210200

The main failure causes were assumed after the early failures about tool magazine and manipulator of a type of machining center were analyzed. In order to accelerate the testing processes and further to validate the hypothesis, the test scheme of RET was designed. Firstly, three acceleration factors were choosen and their values were also determined, then the comprehensive stress profile of RET was determined, and the performances of three positions of the tool magazine were monitored. Finally, 6 failures of the test were analyzed, and the hypothesis of the failure causes were verified. And the improvement measures were put forward.

tool magazine and manipulator; reliability enhancement testing(RET); testing profile; accelerated factor

2015-12-31

国家科技重大专项(2011ZX04015-021)

TH311

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.21.003

丛 明，男，1963年生。大连理工大学机械工程学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为机器人技术、可靠性技术、优化设计。发表论文200余篇。韩玉婷，女，1990年生。大连理工大学机械工程学院硕士研究生。刘 冬，男，1985年生。大连理工大学机械工程学院博士后研究人员。