数控机床刀塔结构及其可靠性探讨
2022-3-22 来源： 通用技术集团大连机床有限责任公司 作者：李金凤；唐倩；孙造；王盟
摘要：数控机床是衡量一个国家工业制造水平的重要标志，其中刀塔等部件功能的可靠性对数控机床的质量与效果会产生直接的影响，从实际发展情况来看，为提高我国数控机床刀塔可靠性，从而满足高档机床的加工需求，因此对数控机床刀塔结构和可靠性进行了研究。通过分析刀塔结构，得到具体阐述，建立模型来分析刀塔存在的故障，通过分析故障发生的几率，对其特征进行衡量、计算，利用故障模式、影响因素、危害因素等进行分析，确定产生故障的原因，提出解决方式。
关键词：数控技术；机床结构；刀塔；故障与可靠性；对策
1、研究背景
刀塔结构缺乏可靠性的现状导致实际工作效率低下，无法满足实际加工需求，尤其是无法满足工业发展的需求。文章主要研究某公司生产的液压刀塔，通过分析结构以及故障发生几率，得到机床稳定性结构，分析刀塔系统将系统划分为多个子系统组成可靠性特征量来进行研究，通过仿真得到刀塔的故障数据，从而计算刀塔的可靠性、影响、危害性分析。在这些分析的基础上，借助 FMECA 方式定位刀塔发生故障位置、范围、故障影响，对其研究找出可能解决故障的方式，针对故障提出高效改进措施，为相关行业的发展提供借鉴。如图 1。
图 1 某数控机床
2、刀塔结构
液压刀塔组件并不复杂，由刀塔结构本体、传动系统、定位系统、液压、电器、冷却等多个系统组合形成，在内部，使用平行凸轮提供驱动力，该部件具有分割角度准确与换刀速度快的特征，刀盘旋转是通过油压马达来驱动，具有扭力大、且平稳的特征；刀盘加紧、松开等动作都可以精准完成，油压马达能够提供通畅的油压动力源。刀塔可以左右安装以及就近选刀的功能。油压马达能够实现分度动力源，初分位置通过信号盘与接近开关信号来确定，通过连接器确保刀盘运行精度，连接器的分开与锁紧则由液压控制活塞动作来实现。刀塔的主体结构就是本次研究的本体，由支撑、油封两个系统构成，在支撑结构由常规的底座和轴承等构成，为整个系统提供支撑与保护的作用，支撑部件可以为主轴和凸轮轴部件的安装与固定，支撑部件的运行。油封部分则由油缸盖、活塞、O 型密封环等构成。刀塔的备件为浸油式润滑，浸油式润滑可以降低刀塔内部部分部件运行导致的损耗，比如凸轮与齿轮部件，在实际运行过程中还可以间距降温和降噪，保证轴承的润滑。油压马达可以实现刀塔传动系统，经过凸轮传动、滚轮和齿轮传动，经过主轴的运转带动运行。凸轮传动结构是凸轮、轴承等构成，齿轮由齿轮本身和滚轮轴等构成。滚轮在整个部件当中处于中间位置，在具体运行的过程中要求滚轮和凸轮配合、与分度盘齿轮精准啮合才可以实现精准运行，这样就可以实现不同传动的分度、保证精准。
刀塔液压系统有松开、锁紧、转位的功能。松开锁有油路板、阀门、电磁阀等部件组成，通过二位四通油压电磁阀实现对液压系统的控制，刀盘整体的锁紧速度则通过单项节流阀来控制。在常态下，系统处于锁紧状态，换刀的时候抬起转位；转位系统由油路板、阀门和马达等组成。一旦刀盘确认锁紧之后控制松开电磁阀，刀盘回归中位，而双向油压马达停止转动。如图 2。
图 2 伺服刀塔
定位系统由连接器，其余由主轴、刀盘、垫圈等构建来组成，连接器等设备运行过程中可以保证道具运行到精准位置，因此在其中增加了传感器，用来控制刀盘的松开、锁紧、转动的启停环节。整个部件的冷却系统设置了导流设备构成，冷却液通过刀塔侧边的管接头流入内部系统，经导流座、导杆等进入刀盘，刀盘运行力下将冷却液外推启动运转。
3、 数控机床刀塔结构及其可靠性探讨
3.1 可靠性分析
分析可靠性的依据是在历史故障维修数据基础上的研究工作。在实际的研究当中可以与专门的数控企业合作，获取设备运行过程中出现故障次数、维修慈湖、本次设计采集 26 台刀塔的故障维修数据，总结得到一百零八条故障信息，分析设备运行在最短时间内出现故障的时间为8.13h，设备最长运行时间为 1689.45h。
从实际研究来看，机电液产品的寿命分布形式有：正态、对整正态、指数分布、威布尔分布。将得到的故障数据划分成小组，运用计算和拟合其经验分布函数进行计算，得到密度关系，计算结果表示刀塔无故障时间的概率在密度曲线上表示为单调下降的趋势，可以排除在计算过程中呈现出正态分布、对整正态分布的特征，可以知道刀塔无故障时间以威布尔部分布展示最为科学合理，这种方式也是形状分布参数取 1 的特征，在后续将该分布无故障时间再次拟合计算，分析可靠性分析，通过双参数威布尔累计
在上述句式当中，如果 α＞0，证明与工作负载相关，β＞0，证明呈现正相关，考虑 t≥0。在确定刀塔无故障时间分布之后，需要通过类似的估计法、回归法分析其中的待定参数，估计参数范围。威布尔分布累积分布函数不包含积分计算，计算的时候将其转化为最小二乘法进行估算，乘以参数 α、β，将采集的故障信息按照要求变化，之后使用SPSS 软件估计参数，得到参数为：
得到上述结果之后通过拟合结果进行线性检验，估计分布函数参数，得到设备的可靠性、故障几率、无故障时间等，将这些估计作为主要依据带入到公式当中，其计算结
在实际计算当中，刀塔可靠度与时间变化有关系，设备运行时间长，刀塔可靠性下降；在计算过程中无故障时间用 MTBF 来表示，用 MTBF 来衡量刀塔可靠性质量，MTBF 是刀塔相邻两次故障的平均工作时间，因此计算MTBF 可以得到刀塔无故障工作时间的数学期望值。在该计算当中，还有伽马函数值。得到计算公式之后，计算得到MTBF=554.12h，由于得到的故障参数值带入其中，得到MTBF 的最终数值为 533.69h，误差为 4%，这证明了刀塔故障分布模型、参数估计之间的正确性与合理性。刀塔在数控机床的运行质量也得到了国家的重视，早在十一五期间，我国就规定数控机床的平均寿命为 900h，在上述计算当中，可以知道该刀塔的寿命还无法达到国家规定的要求。在这种形式下，可以根据故障发生概率找到刀塔系统存在的薄弱环节，根据薄弱环节来改造，保证数控机床的实际使用价值。
3.2 FMCA 分析
Failure Mode，Effects and Criticality Analysis 就是分析刀塔系统存在的可靠性能分析，该分析是以实际故障几率为基础，分析故障影响因素与危害因素，得到可靠性分析技术。Failure Mode，Effects and Criticality Analysis 可以分为两个部分，故障模式的影响分析、危害性分析两个部分。
将其再次进行划分，则可以划分为故障部位、故障模式、故障原因、故障责任等，还可以划分到责任与影响、归属不同类别。通过分析各个组成部分的不同故障模式与影响因素，就可以找到刀塔系统运行过程中的薄弱环节，确保系统运行的关键，保证系统运行的可靠性。
刀塔在实际运行的过程中需要电器系统作为动力，这也是比较关键的系统。因此通过 Failure Mode，Effects andCriticality Analysis 进行再次分析，得出结论如表 1。
表1 由电器系统故障导致的故障与主要故障
上述结论可以知道电器系统是影响刀塔、影响数控机床运行的主要因素，而观察上述数据，其中元器件的损坏是刀塔结果出现故障最多的环节，也是限制系统运行可靠性的重要因素，确定主要限制因素是元器件损坏、调整不当所导致。究其本质，电器系统的故障的责任主要是由于外购外协、装配、用户等原因所导致[4]。
通过分析刀塔运行过程中可能存在的故障危害性，结合计算得到的故障发生频率，综合故障的危害程度来找到刀塔结构出现问题的薄弱环节，比如针对元器件损坏的常见现象，应该针对元器件的性能、生产等进行积极的改进。
通过 CA 结果分析，证明影响刀塔运行的因素有：电器系统与定位系统，其中传动、冷却、液压、本体系统这几类系统的危害逐次减小，因此电器系统是刀塔最薄弱的环节，在实际发展的过程中应该对这个方面进行重点改进。
4、结束语
综上，从我国实际国情出发，可以认识到我国在工业制造方面还存在很多问题需要解决。本文通过研究数控机床刀塔的性能，根据计算结论找到刀塔运行中的薄弱环节，且提出改进措施。
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