基于FMECA與FTA的數控磨床數控系統可靠性分析

范晉偉，張理想，劉會普，潘日

(北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京 100124)

0 前言

數控磨床廣泛應用在航空、航天、汽車等高精密設備零件的加工，數控磨床的質量直接影響被加工工件的品質。目前，我國已經連續十一年成為世界上最大的生產制造國，同時也是世界上最大的機床制造國和消費國。但是，國內中高檔數控磨床市場占有率極低，原因是故障率高、維修時間長、可靠性低。數控系統的可靠性直接影響數控機床的可靠性水平，所以提高數控系統的可靠性對于提高數控磨床的質量至關重要。因此，為有助于我國制造業更好的發展，提高中高檔磨床在市場上的競爭力，必須提高數控磨床的可靠性。在提高數控磨床可靠性方面，國內外學者和專家進行了很多研究。KIM等用故障模式和影響性分析(Failure Model and Effects Analysis，FMEA)進行機床的可靠性研究。GONZALEZ-GONZALEZ等分析可靠性數據，并利用極大似然法對分布模型進行參數估計。YANG等根據現場數據對加工中心進行了可靠性分析。申桂香等用故障樹法對加工中心刀庫的可靠性進行了定性分析，并提出合理的改進方法。章浩然等提出一種基于模糊評判的故障模式危害度評估方法。

為改善我國中高檔數控磨床在國際市場中的占有率，促進數控磨床行業的發展，對北京第二機床廠生產的某系列數控磨床進行跟蹤，收集并記錄一系列故障數據，分析故障數據發現數控系統的故障頻率較高。因此，對數控系統進行可靠性分析以有效提高整機的可靠性。對數控系統進行FMECA(Failure Modes,Effects,and Criticality Analysis)和FTA(Fault Tree Analysis)分析，確定引起故障的原因，針對故障原因提出改善措施，從而提高數控磨床的可靠性。

1 數控系統FMECA分析

根據故障數據可知，數控系統為數控磨床的薄弱環節，對此系統進行故障模式影響及危害性分析(FMECA)，通過統計存在的故障模式和故障產生原因并計算危害度，提出針對性的改進措施。

1.1 故障模式分析

根據收集的故障數據，進行故障模式分類。數控系統的故障模式如表1所示。

表1 數控系統故障模式

由表1可知，電器元件損壞是數控系統故障的最主要模式，占比達到了19.48%，其次分別是CNC、伺服、變頻等參數不符，電子元件損壞和CNC不能輸入、顯示和保存數據，它們的故障頻率分別為11.69%、10.39%和9.09%，這些故障模式累計占比超過了50%。

1.2 故障原因分析

只有詳細地分析故障產生的原因，才能針對性地提出改進措施。本文作者根據數控磨床生產過程的宏觀步驟，將故障原因分為設計、制造、外購外協、裝配、調試、儲運、使用和老化等。統計得數控系統的故障頻數及頻率如表2所示

表2 數控系統故障統計結果

由表2可知：設計是造成數控系統故障的最主要原因，包括結構設計、零部件選型等，故障率為40.26%；其次分別是使用、外購外協和調試，占比分別為23.38%、15.58%、14.29%。這些故障占總故障的93.51%。針對不同故障采取針對性的措施，主要是優化結構設計和零部件選型，其次是改進設計時選擇更優的外購外協產品減少故障發生，對操作人員和設備管理人員進行培訓，避免因使用不當而造成的故障，對數控系統進行定期檢測，預防潛在的故障發生。

1.3 危害性分析

危害性分析是在故障模式影響分析的基礎上，對故障影響后果進行量化處理，通過故障模式頻數比、故障影響概率和基本故障概率確定故障模式的危害度。危害度的分析對于數控系統的改進具有重要意義。

假設，以故障模式發生故障導致數控系統發生故障的危害度為，可由式(1)表示：

=

(1)

式中：為故障模式頻數比，由式(2)表示；為故障影響概率，指的是數控系統以故障模式發生故障時，發生損傷的概率，取值范圍如表3所示；為數控系統的基本故障概率，文中用平均故障率代替基本故障率，由式(3)表示。

表3 故障影響概率β1取值

(2)

式中:為數控系統以第種故障模式發生的故障次數；為數控系統發生故障的總次數。

(3)

式中:∑為數控系統累計工作的時間，文中為30 960 h。

數控系統對整機的危害度如式(4)所示：

(4)

式中:為數控系統故障模式的數量。

由表4可知數控系統的危害度為0.001 889 932。

表4 數控系統危害度分析結果

2 數控系統的FTA分析

故障樹分析法(FTA)由美國貝爾電話研究所(BTL)提出，直到1974年發表了關于核反應堆安全性研究的拉斯姆報告，FTA才得到了廣泛的推廣和應用，它是一種直觀的、富于邏輯的圖形演繹方法。利用FTA能直觀地判斷造成系統故障的最直接原因，為提高數控系統可靠性提供依據。

在故障樹的可靠性分析中，將最不愿發生的故障作為故障樹的頂事件，事件符號為A；再根據采集到的數據確定各層事件，并對數控系統建立故障樹。第2、3、4層事件及符號如表5—表7所示。

表5 第2層事件及符號

表6 第3層事件及符號

表7 第4層事件及符號

圖1所示為建立的故障樹，可知最小割集為{D01}、{D02}、{D03}、{D04}、{D05}、{D06}、{D07}、{D08}、{D09}、{D10}、{D11}、{D12}、{D13}、{D14}、{D15}、{D16}、{D17}、{D18}、{D19}、{D20}、{D21}、{D22}、{D23}、{D24}、{D25}、{D26}、{D27}、{D28}、{D29}、{D30}、{D31}、{D32}，可以得出造成數控系統故障的直接原因，任意底事件的發生都會造成數控系統故障。針對故障原因提出可靠的改善措施，提高數控系統的可靠性。

圖1 數控系統故障樹

3 數控系統可靠性改善措施

根據上述分析知，造成數控系統故障的主要原因有開關損壞、電機過載、數控按鍵失靈、零部件松動、程序出錯、面板硬件故障和零部件損耗等。針對這些故障原因，提出的改善措施如下所示：

(1)定期檢查容易松動和耗損的零部件，及時更換維修，避免因此發生故障；

(2)對于外購外協的零部件，加強與企業溝通，確保零部件質量，提高數控系統的可靠性；

(3)對于數控系統而言，時常會因操作人員的失誤而造成故障，所以應加強對操作人員的培訓，確保數控系統的可靠性。

4 結語

根據現場采集的數據，本文作者分別對數控磨床的數控系統進行了故障模式及危害性分析和故障樹分析，得出了數控系統對整機的危害度為0.001 889 932，以及造成數控系統故障的直接原因；通過對數控系統的可靠性分析，提出了具體的改善措施。研究結果為數控磨床的設計和制造提供參考。