數控機床可靠性設計的必然趨勢及分布情況

　　數控機床是裝備制造業實現現代化的基本裝備，是具有含量的工作母機，能否功能、和的數控機床，反映了一個   制造業水平的高低。國產數控機床與歐、美、口等發達   制造的數控機床相比，功能和精度水平逐漸接近，但在性方面尚有較大的差距，致使國內中   機床及其關鍵功能部件市場、尤其   數控機床產品市場長期大量被。性水平低已成為制約我國機床行業發展的瓶頸，因此提高國產數控機床及其關鍵功能部件的性水勢在必行。
　　進行數控機床和關鍵功能部件性設計是提高數控機床性水平的主要途徑之一，目前采用的主要是基于故障分析的性綜合設計，概率設計是機床性設計的必然趨勢，而機床載荷譜是性概率設計的客觀依據。目前各機床及功能部件制造企業的載荷信息積累嚴重不足，無法編制、合理的數控機床載荷譜。因此為使機床產品具有   的設計閩值，往往依靠經驗來選擇相應的   系數。然而，機床載荷和零件強度不是恒定值，而是隨機變量，利用   系數法設計的機床對性而言缺少客觀依據，所以設計出的機床缺乏性。上世紀90年代，吉林工業大學針對當時的數控車床產品開展了一些載荷譜技術的研究，但載荷譜編制過程并沒有考慮機床移動和切削過程中機床自身重力、摩擦力及慣性力的作用、刀具磨鈍對切削力的影響等，導致載荷譜的建立方法不完善；同時，隨著機械、控制、液壓和測量傳感技術的發展，機床與上世紀90年代產品相比結構   加簡化，功能   加完善。當今機床多采用伺服電機驅動絲杠進給，傳動鏈   短；采用交流或直流控制單元驅動主軸旋轉，摒棄了采用多級齒輪副變速的復雜結構，且實現了主軸的無級變速；同時，為了實現切削，機床剛度也有了很大的提高。機床結構的改變導致載荷的傳遞規律也發生了變化；同時近年來隨著切削工藝的改進，機床的使用工況與90年代相比也有很大不同，因此原有載荷譜已不能反映當今機床產品的實際工作情況。
　　 (1)論述了數控機床的發展、數控機床性技術、載荷譜技術的研究現狀及其研究進展。對數控機床性建模、故障分析、性設計和試驗技術進行了綜述和分析，歸納了數控機床性技術研究的狀況和主要動態，分析了現階段我國數控機床性技術研究存在的問題。通過分析和研究我國數控機床性技術的研究現狀，總結凝練了數控機床性研究的主要技術路線。論述了機械產品載荷譜技術的研究現狀和載荷譜的編制流程，指出了數控機床載荷譜編制方法的不足，為此提出了考慮機床移動過程重力、摩擦力及慣性力等載荷，切削過程重力、摩擦力等載荷和刀具磨鈍對切削力影響的載荷譜編制方法。
　　  (2)開展了數控機床現場性試驗，并收集了大量的故障信息。采取功能獨立、功能共享和行業共識的原則，劃分了數控機床子系統。基于此，利用主次分析方法對現場性試驗獲得的故障信息進行了分析，了數控機床故障的頻發部位。針對在故障危害度分析時沒有考慮故障模式頻率比、故障影響概率、故障率和難以定量表示故障影響概率的   值的權重導致分析結果與實際不符的問題，本文提出采用數據包絡分析方法為故障模式頻率比、故障影響概率、故障率的權重客觀賦予值、用三角隸屬度函數表示對故障影響概率的評判值的求取危害度的方法。利用該方法對故障模式進行了分析，了影響數控機床性的關鍵部位。   后，對關鍵子系統進行了故障機理分析：元器件、零部件和軸承損壞主要是載荷交變或沖擊作用使其產生疲勞損傷或斷裂；松動主要是載荷沖擊和振動作用使其發生聯接松動或引線松動；滲漏主要是摩擦和熱應力使密封圈產生裂紋和磨損。通過故障機理分析可知，大部分故障是由于載荷作用造成的，因此提出對機床載荷傳遞規律及載荷譜技術進行研究。
　　  (3)分析了數控車床和加工中心的組成和結構。在此基礎上，開展了機床切削載荷傳遞規律的研究。研究了數控車床在移動、車削、鉆孔過程中載荷(切削力和切削扭矩)的傳遞規律，了車床主軸軸承、絲杠、導軌的受力模型和主軸電機、絲杠電機的扭矩模型；研究了加工中心在移動、立銑削、面銑削、鉆孔過程中載荷(切削力和扭矩)的傳遞規律，了加工中心主軸軸承、絲杠、導軌的受力模型和主軸電機、絲杠電機的扭矩模型。
　　  (4)分析了數控機床切削載荷信息的獲取方法，制定了載荷信息的收集流程，基于該流程，進行了數控機床現場載荷試驗，并收集了大量的載荷信息。對機床切削力的演化規律進行了論述和分析，機床切削力除了受切削工藝參數影響外，還受刀具磨鈍因素的影響。基于此，利用正交試驗方法設計了切削力與刀具磨鈍映射關系的試驗方案。在數控車床和加工中心上搭建了切削力試驗系統，并開展了試驗研究。利用多元線性回歸方法求出了考慮刀具磨鈍影響的切削力經驗公式，建立了刀具磨損量和切削力之間的映射關系。
　　  (5)論述了機械產品載荷譜的編制方法。在此基礎上，根據數控機床的工作特點，對機床產品載荷譜的編制方法進行了研究，數控機床載荷譜編制的關鍵是切削載荷數據的獲取、載荷循環的計數以及載荷分布模型的。以機床切削長度與進給量的比值作為載荷循環次數，機床切削力(或扭矩)與機床設計的   大切削力(或扭矩)的比值為相對切削載荷，相對切削載荷對應的循環次數與總循環次數比值為相對循環次數。以數控車床為對象，對數控機床載荷譜的編制進行了案例說明。分別利用威布爾、對數正態、伽瑪和貝塔分布分別對數據進行了擬合。針對載荷數據服從多個分布的情況，提出以多種誤差信息融合為評價因素，采用數據包絡分析方法出了載荷的分布模型。