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高档数控车床的可靠性设计及试验技术研究

李晓雷  
【摘要】:机床作为制造业生产的“母机”,其发展程度直接影响着国家工业的发展水平。目前在中高档数控机床方面,与国外先进机床仍存在着较大的差距。其中,最明显的差距体现在机床的可靠性上。为了支撑“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项的实施,本论文依托“千台国产数控车床可靠性提升工程”课题展开研究。高档数控车床的可靠性与设计、制造、试验和应用等息息相关,本文针对目前存在的主要技术难点,重点从设计和试验环节展开研究。论文首先针对目前数控车床缺乏可靠性设计的问题,对整机进行了可靠性设计与分析研究。采用极大似然估计法和Edgeworth级数法建立了数控车床的可靠性模型,并得出了Edgeworth级数对数控车床的故障间隔数据建模的正确性比较好的结论。考虑到数控车床的可靠性取决于各功能部件的可靠性,基于模糊-熵权法对数控车床进行了可靠性分配。这为对功能部件供应商提出可靠性要求提供了基础。对ETC系列的数控车床整机进行了失效模式和影响分析(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA)并建立了FMEA分析表,并对数控车床的潜在问题进行了改进。刀架是高档数控车床的关键性和典型性功能部件,其结构复杂、转位精度要求高,在实际应用中转位精度的可靠性对机床的影响很大。因此对动力伺服刀架的定位精度的可靠性和灵敏度进行了分析。通过分解刀架转位定位过程,将其考虑为具有两个子模块传动机构和锁紧机构的串联系统。锁紧模块部分的输入变量为传动模块的输出变量。由于整个系统的转位误差最终取决于锁紧机构的精定位过程,将刀架简化并建立三齿盘有限元模型。根据人工神经网络理论,获得刀架的转位偏差与设计变量之间的函数关系,采用可靠性摄动法计算出其精度可靠性并研究分析其精度可靠性灵敏度。为了实现对高档数控车床的可靠性评价,研究了基于大样本数据的可靠性现场试验方法。给出了现场试验方案和方法、试验数据的采集和处理、机床故障的判定及计数原则。建立了高档数控机床的可靠性评价指标。在以前常用的评价方法中,各种用于评价的指标的相对权重是模糊的,都是评价者根据自己的主观意向,参考了多种信息后对其量化。这样得到的评价结果并不能真实地反应其可靠性水平,而本文拟引入熵权法到评价体系中来反映可靠性的水平。最后对两种数控车床的故障数据进行了可靠性综合评价。最后,考虑到目前缺乏可靠性加载试验研究的现状,开发了伺服刀架和主轴的可靠性加载试验装置。伺服刀架可靠性加载试验装置采用伺服阀控制的液压油缸实现对伺服刀架的动态加载,主轴可靠性加载试验装置采用测功机实现扭矩加载、采用液压缸实现径向和轴向加载。编制了伺服刀架和主轴的可靠性试验流程。分别对3台伺服刀架和2台主轴进行了可靠性加载试验并采集了故障数据。通过对其可靠性评价指标的分析,掌握了被测伺服刀架和主轴的可靠性水平。


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