摘要: 以故障总时间法对国外高档加工中心的故障数据进行了数据处理，并应用 Matlab 软件对故障数据进行了包括模型选择、参数估计和校验等可靠性统计分析，得到了加工中心的故障数据服从二参数威布尔分布。并基于所得到的各种可靠性指标对此加工中心进行了可靠性评价。
 
      关键词: 加工中心; 故障总时间法; 可靠性
 
      0 前言
 
      加工中心是一种加工复杂零部件的高效率自动化机床，在数控加工中具有重要的地位。但是，伴随着数控机床的发展，包括故障时间、维修时间等可靠性问题已严重制约了其发展，直接影响了数控机床的质量。在可靠性方面，国内外不同品牌的数控机床，其可靠性指标分散性很大，而且并不是国外所有的数控机床可靠性都很高。但是，同一级别的数控机床，尤其是中高档加工中心，国外的数控机床的各种可靠性指标明显高于国产数控机床。作者针对韩国 H 公司生产的型号为 SIRIS-UL 加工中心，对其进行了可靠性分析与评价。该机床为典型的立式加工中心，其配置的数控系统是 FANUC-18iMB 系统，主轴最高转速为 20 000 r /min，自带 36 把刀具的自动刀库和机械手换刀机构，如图 1 所示。
  
     
  
                             图 1 SIRIS-UL 机床的外观和结构
 
      1 、故障数据的统计分析
 
      1. 1 数据采集和处理
 
      ( 1) 以韩国 H 公司生产的型号为 SIRIS-UL 立式加工中心为研究对象，采用定时截尾试验方法，由专业人员对 37 台同型号加工中心的故障间隔时间，按照故障发生时刻顺序进行了故障信息的采集，累计共出现各类故障 195 次，有效故障数据为 177 次，如表1 所示。
 
                          表 1 数控加工中心的故障数据
  
      

        
   
      ( 2) 在定时截尾试验过程中，截尾时间占的比重很高，影响了可靠性水平的实际值。因此，采用了故障总时间法对故障数据进行了处理，如表 2 所示。
 
                                     表 2 按故障总时间法计算得到的数据
     
  
      1. 2 确定分布类型
   
      一般数控机床可靠性分布类型主要有威布尔分布、瑞利分布、正态分布、极值分布等。基于 Matlab软件中的 probplot 命令，将表 2 中的故障间隔时间分别拟合成如图 2 所示的 4 种分布频率图。通过比较分析，图 2 ( c) 的故障点大 多分布在虚线的附近，而其他三幅图中，故障点中有多个点偏离虚线很大。所以，可以认为加工中心的故障间隔时间分布类型接近于威布尔分布。
    
     
  
                                             图 2 分布频率图
   
      1. 3 参数估计与拟合校验
 
      威布尔分布中常用的两个分布模型为三参数和二参数威布尔分布模型。尽管在威布尔分布中，采用三参数要比采用二参数进行参数估计精度更高，更能体现产品可靠性的真实情况。但是由于表 1 所示的原始数据的最小值为 24 h，最大值为 6 000 h，两者相比，最小值数据可以看作接近于零，此时，采用三参数威布尔模型的效果不明显。所以，可以采用二参数威布尔模型。由于故障数据的个数大于 20，采用的经验分布函数为：

      1. 4 可靠性函数 
   
      可靠性函数是可靠性分析中的重要组成部分，为深入研究数控机床的可靠性提供了理论基础。根据第1. 3 节估计的参数值可得该加工中心的可靠性函数。威布尔分布函数:
  
     
  
      2 、可靠性评价
   
      2. 1 平均故障间隔时间 MTBF 的点估计MTBF 是当前各行业产品的重要可靠性指标。它反映了产品的时间质量，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。根据第 1. 1—第 1. 4 节的数据处理、模型选择、参数估计与校验，已确定出该故障间隔时间服从二参数威布尔分布。则通过点估 计 法，求得：

     
  
      2. 2 平均首次故障时间 MTTFF 的点估计平均首次故障时间是给消费者留下的第一印象，直接影响产品的信誉和企业的经济效益。同时，它在可靠性评价体系中占有重要的地位。
 
      ( 1) 该加工中心的首次故障间隔时间如表 3 所示。参考第 1. 2 节的内容，通过可靠性统计分析，对表 3 的故障数据进行了模型选择、参数估计与校验。最终得出首次故障时间服从二参数威布尔分布。其形状参数 m 和尺寸参数分别为 0. 767 1 和 627. 07。
 

                                         表3 加工中心的首次故障时间统计表

      2. 3 可靠性评价
 
      应用国内通用的靠性评判等级对国外加工中心进行评价。
 
      ( 1) 根据国家科技重大专项和专家经验确定各项指标的阈值，将可靠性评价指标分为 5 个等级，如表 4 所示。

                    表4 可靠性评价指标阈值
      

      ( 2) 此加工中心的 MTBF 为 8 621. 0 h，已经远远超出了国产数控机床的最高级别，MTTFF 为 733. 2h。两项指标均属于 ‘高’等级。这说明该加工中心的可靠性水平很高。
 
      3 、结束语
   
      应用故障总时间法对通过现场定时截尾试验方法采集到的加工中心的故障数据进行了预处理，从而使得到的概率模型更符合实际。在此基础上进行了参数估计和拟合校验，确认该加工中心的故障数据符合二参数威布尔分布，进而得到了可靠性分布函数，为深入分析加工中心的可靠性奠定了理论基础。用国产数控机床可靠性评判标准评价了国外高档加工中心可靠性。分析结果表明: 在国外加工中心的各项可靠性指标中，平均故障间隔时间远远超出了国产数控机床可靠性评判标准的最高级别; 平均首次故障时间也处于比较高的水平。因此，可以认为国产加工中心的可靠性水平具有很大的提升空间，需要国家投入更大的精力放在提高国产加工中心的可靠性水平上。