提高机床可靠性方法的研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 1.54MB 64 页 15积分
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摘 要
机床工具行业是国民经济的基础装备产业，是装备制造业发展的重中之重。
我国机床工具行业虽然已取得了长足的发展与进步，但是与发达国家相比，我国
数控机床早期故障率较高，精度稳定性周期短，故障间隔时间（
MTBF
）等可靠
性指标相对于国际先进水平还比较低。机床可靠性和质量的稳定性严重影响了国
产数控机床的市场竞争能力，因此机床可靠性技术的研究是提高机床制造技术水
平的关键技术之一。
本文介绍了数控机床在设计阶段、制造过程以及实验使用阶段提高机床可靠
性的各种方法，并分析了三个阶段提高机床可靠性的优缺点。本文针对数控机床
制造行业多门类、小批量、客户个性化需求的特点，提出了制订机床可靠性质量
保证规范、编写机床可靠性信息管理系统和对机床状态信号进行退化分析的方法。
机床可靠性质量保证规范是针对国内机床工具行业小批量生产现状，为提高
机床零件制造加工的质量一致性，使机床零件的加工及其装配过程中的每一道工
序都有规范可循，保证每一步加工工序和装配工序都能达到技术指数指标和精度
指标要求，以提高数控机床在制造阶段的可靠性水平。
机床可靠性信息管理系统是采用 Visual Basic6.0 和Microsoft SQL Server 2000
数据库软件作为开发工具，编写的可靠性信息管理系统，采用模块化设计，可以
实现机床故障信息管理，机床可靠性指标评价，故障信息频次分析，机床远程监
控，机床可靠性退化分析等功能。机床故障信息管理模块可以添加、查询、统计
机床的故障信息并且分析数控机床可靠性指标。可靠性指标分析拟合数控机床的
故障间隔分布散点图服从威布尔分布或者指数分布，得出机床的故障间隔时间分
布函数和概率密度函数，然后求出数控机床的可靠性指标故障间隔时间（
MTBF
）。
机床远程监控和退化分析模块可以连续采集数控机床主轴的状态信号，并根
据本文提出的一种基于排列熵指标和小波变换去噪的分析方法对机床主轴系统的
振动信号进行退化分析。得出机床可靠性的退化趋势，根据预先设定的阈值实现
预警，避免机床故障的发生，提高数控机床可靠性。
关键词：可靠性 数控机床 可靠性信息管理系统 排列熵 小波变换 威
布尔分布 退化分析
ABSTRACT
Machine tool industry is not only the foundation of our national economy but also
one of the most important elements in the general manufactory development. Although
experienced impressive improvement, our numerical control technology is still left
behind the technology in developed countries. To be specific, Chinese CNC machines
have higher failure frequency, shorter precision stability cycle and lower reliability than
the machines in developed counties. Obviously, the defection of reliability and quality
in CNC machines has damaged their international market reputation. Therefore, the
research in machine reliability technology plays a critical role in lifting our machine
tool manufacturing technology level.
This paper introduces several methods that can improve CNC machine tool
reliability in the design phase, manufacturing process and experiment using phase, and
analyzes the pros and cons of these methods. The CNC mechanical tool manufacturing
industry has its own special characters: multi categories, small batches and individual
customer requirements. Based on these characters, this paper proposes methods for
making the regulations for quality assurance in machine tool manufactory process, for
writing reliable machine tool information management system and for analyzing
degradedly the CNC machine tool state signal.
The regulations for quality assurance in machine tool manufacture are designed to
be suitable for the current domestic machine tool manufactory status—small batches
manufactory. They are proposed to improve the quality consistency of the machine parts
manufacture, to provide guidance for each step in machine tool’s manufactory and
assembling process and to ensure that every step satisfies the technical requirement
index and precision requirement index. In this way, the reliability of CNC machine tool
manufacture can be improved.
Machine tool reliability information management system, which is designed
modularly, is developed by Visual Basic 6.0 and Microsoft SQL Server 2000 database
software. The system can manage machine fault information, evaluate machine tool
reliability, examine bug frequency, realize machine tool remote control, and degradedly
analyze the reliability of machine tools. The machine tool bug management module can
add, search, and summarize bug information and calculate the CNC machine tool
reliability index. Since the scatter plot of machine tool reliability index obeys Weibull
distribution or exponential distribution, we can therefore find the MTBF, the reliability
index of CNC machine tools.
The remote control system and degraded analysis module of machine tool can
continuously collect machine tool’s working signal and conduct degraded analysis
according to wavelet analysis and permutation entropy which are mentioned in this
paper. They can analyze the degraded tendency of machine tool reliability system, give
early warning according to the preset threshold, and improve the reliability of CNC
machine tool.
Key Words: reliability, CNC machine tools, reliability information
management system, permutation entropy, wavelet
transform, Weibull distribution
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ..........................................................1
§1.1 课题的来源及意义 ............................................1
§1.2 国内外可靠性发展现状 ........................................2
§1.2.1 国外可靠性发展现状.....................................2
§1.2.2 国内可靠性发展现状.....................................3
§1.3 提高机床可靠性的方法综述 ....................................5
§1.3.1 设计阶段提高机床可靠性的方法...........................5
§1.3.2 制造阶段提高机床可靠性的方法...........................7
§1.3.3 实验使用阶段提高机床可靠性的方法.......................8
§1.4 本文的研究内容和基本结构 ...................................10
§1.4.1 本文的主要研究内容....................................10
§1.4.2 本文的基本结构........................................10
第二章 机床可靠性质量保证规范的制订 ................................12
§2.1 可靠性指标 .................................................12
§2.2 机床可靠性质量保证规范 .....................................14
§2.2.1 机床可靠性质量保证规范的内容 ..........................15
§2.2.1 机床可靠性质量保证规范的制订 ..........................15
§2.3 本章小结 ...................................................20
第三章 机床可靠性信息管理系统的理论框架 .............................21
§3.1 机床可靠性信息管理系统开发背景 .............................21
§3.2 系统分析和功能的确定 .......................................21
§3.3 系统功能框架流程图和功能模块分析 ...........................22
§3.3.1 系统功能框架流程图....................................22
§3.3.2 系统功能模块分析......................................23
§3.4 系统功能模块的关键环节 .....................................24
§3.4.1 可靠性指标的计算......................................24
§3.4.2 机床远程监控和退化分析................................27
§3.4.3 信息管理的安全措施....................................28
§3.5 本章小结 ...................................................29
第四章 基于排列熵的主轴退化分析在机床监控中的应用 ..................30
§4.1 排列熵退化分析理论 .........................................30
§4.2 数据预处理方法 .............................................31
§4.3 基于排列熵的主轴退化分析在机床监控中的应用 .................32
§4.3.1 信号采集系统硬件介绍..................................32
§4.3.2 信号采集..............................................34
§4.3.3 信号预处理............................................35
§4.3.4 信号退化分析..........................................37
§4.4 本章小结 ...................................................40
第五章 机床可靠性信息管理系统应用程序设计 ...........................41
§5.1 系统运行流程 ...............................................41
§5.1.1 界面开发工具的选择....................................41
§5.1.2 系统运行流程..........................................42
§5.2 系统运行实例 ...............................................43
§5.3 本章小结 ...................................................53
第六章 总结与展望 ...................................................54
§6.1 总结 .......................................................54
§6.2 展望 .......................................................55
参考文献 ............................................................56
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................60
致 谢 ..............................................................61
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题的来源及意义
《机床工具行业“十二五”发展规划》中指出，机床工具行业是为国民经济
各领域提供工作母机的基础装备产业，是国防军工现代化建设急需的战略性产业，
是国家综合竞争实力的重要标志。数控机床属于高端制造装备，是国家培育和发
展战略性新兴产业的重要领域。
数控机床是我国先进制造技术的基础装备，其制造水平的高低反映了一个国
家工业技术现代化的发展程度。随着数控技术在机床生产方面的广泛应用，数控
机床已经成为现代机械加工行业使用最普遍的工作母机。改革开放后，我国机床
制造业发展迅速，经过国内专家的不断努力，我国的数控机床在精度、效率和制
造工艺方面都取得了关键性的进步并不断的缩小与国际先进水平的差距。于此同
时我们还必须看到，国产数控机床的市场占有率极低，尤其是在高档数控机床几
乎完全是依靠国外进口。国产数控机床在高速、高效、高精度、高可靠性等方面
与国外一流产品相比较，还有不小的差距。我国行业大而不强，数控系统和关键
功能部件发展滞后等问题明显制约着机床行业的可持续发展。
数控机床可靠性是机床最关键的质量指标，可靠性的高低直接影响着机床的
加工精度和生产率，因而间接影响客户对机床的使用信心。“十一五”期间，我
国机床工具行业取得了很大的进步， 2009 年我国首次成为世界金属加工机床第一
生产大国，2002 年至 2009 年连续八年位居世界金属加工机床第一消费大国和第一
进口大国，中国对数控机床的需求快速增长。国外很多著名的机床制造厂家靠着
先进的技术、雄厚的资金大举进军中国市场。当前我国的数控机床发展已经进去
了相当关键的阶段，在市场竞争中国产数控机床产品和国外先进机床相比，机床
可靠性问题已经成为国产数控机床的“瓶颈”。随着市场竞争的加剧，用户对数
控机床的性能、质量、个性化需求提出了更高的要求。尽管近年来国内机床企业
开发了一批高速、精密、复合、多轴联动的数控机床，但是市场占有率依然偏低，
归其原因还是我国国产数控机床的可靠性偏低，故障率偏高。因此提高国产数控
机床的可靠性和产品质量对提高我国数控机床的综合竞争力具有十分重要的意
义。
机床可靠性是指一台机床在规定的工作条件下和规定的时间内完成规定功能
的能力，或者保持其功能的时间[1]。一台数控机床无论设计的如何先进全面的功能
和如何高的精度，如果故障频发，不能正常的工作，那么其使用价值就低，可靠
摘要：

摘要机床工具行业是国民经济的基础装备产业，是装备制造业发展的重中之重。我国机床工具行业虽然已取得了长足的发展与进步，但是与发达国家相比，我国数控机床早期故障率较高，精度稳定性周期短，故障间隔时间（MTBF）等可靠性指标相对于国际先进水平还比较低。机床可靠性和质量的稳定性严重影响了国产数控机床的市场竞争能力，因此机床可靠性技术的研究是提高机床制造技术水平的关键技术之一。本文介绍了数控机床在设计阶段、制造过程以及实验使用阶段提高机床可靠性的各种方法，并分析了三个阶段提高机床可靠性的优缺点。本文针对数控机床制造行业多门类、小批量、客户个性化需求的特点，提出了制订机床可靠性质量保证规范、编写机床可靠性...

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