第31卷第11期           吉林化工学院学报             Vol.31No.il

2014 年 11 月               JOURNAL OF JIUN INSTTruTE OF CHEMlCAL TECHNOLOGY                  Nov. 2014

文章编号:1007-2853(2014)11-0046-03

CNC车床加工表面粗糙度故障树分析方法研究

张学文

(北华大学机械工程学院,吉林吉林132021)

摘要：对CNC车床加工表面粗糙度故障原因进行分析,建立了由10种故障现象及33个故障底事件组 成的故障树.运用布尔函数求出故障树的最小径集或最小割集,找到了影响CNC车床加工表面粗糙度 的故障发生规律及相互之间关系.该分析为机床的预防维修和故障控制提供了一种简便、直观的方法, 为进一步进行其系统可靠性定量分析提供了数学模型,对解决类似数控车床加工质量问题及可靠性设 计具有重要意义•

关 键 词：CNC车床;最小割集;最小径集;故障树;可靠性

中图分类号：TG 580.6       文献标志码:A

CNC车床已广泛应用于我国各行各业,部分 役龄较长的机床已进入维修高峰期,对其故障原 因进行统计分析具有相当大的实用价值,可为预 知维修提供基础资料和数据,为故障的诊断和预 防提供简便、快捷的方法与手段,对设备的科学管 理和降低维修费用,提高设备的可靠性和维修具 有极大的实际意义

本研究是在众多的CNC车床中选择具有代 表性和适用广泛的CAK6150D型车床为研究对 象的.由于采用了数控技术,CNC车床的加工中 尺寸精度已基本得到保证,而表面粗糙度问题上 升为主要矛盾.分析过程中主要从影响表面粗糙 度方面的故障原因入手,釆用故障树分析方法 (FrA)建立该机床的故樟树,然后用最小割集的 方法研究故障的发生规律和模式,用求最小径集 的方法研究预防、控制故障的各种途径和 方案S •

1 CNC车床典型故障建模

现代故障诊断技术的方法主要有故障树分析 (FTA)、故障致命度分析(FMECA)及模糊诊断 等.故障树分析方法是一种科学性强、分析深入、 易于应用的重要诊断方法.它是一种以树状结构 的逻辑图为依据,表示系统故障的基本原因及影 响途径的分析方法•

经过分析,将影响CAK6150D型CNC车床加 工表面粗糙度的典型故障分为10种故障现象及 33个故障底事件,见表1.依据它们之间的逻辑关 系建立故障树,如图1所示•

表1故障底事件一览表

收稿日期:2014-09-18

作者简介:张学文(1959-),男，吉林省吉林市人,北华大学副教授,博士 ,主要从事计算机辅助设计等方面的研究.

图1影响表面粗糙度方面的故障树

2 CNe车床典型故障模式分析

在故障树中,底事件对顶上事件的发生均产 生影响,但所起的作用不同.有些作用较大,而另 一些作用较小,即重要度有差异.根据所建立的故 障树,对顶上事件的函数式进行析取范式或合取 范式,求出其最简表达式以便于分析研究.如果故 障树中与门多,最小径集的数量少,定性分析从最 小径集入手反而经济有效.在故障树定性分析基 础上,为了轻重缓急地釆取预防措施,保证系统的 安全性,必须掌握各个底事件对顶上事件的发生 所起的不同作用•

3影响表面粗糙度方面的故障树Q

• (1) 求精车外圆表面,其圆周方向出现有规 律跳纹,近似等距,手摸有不平感的故障树Bl及 对偶成功树B/

BI= Xi + X₆ ⁺ X22 + X% + X31

BJ= X₁ ^,X₆^,X₂₂ ^,X₂3 ^,X₃ι^,

可见,只有上述所有底事件均不发生才能保 证顶事件不发生•

• (2) 精车外圆表面出现有规律的波纹,粗糙 度大的故障树氐及对偶成功树

^B2 ⁼ A₁ + X₄ + X₅ + ^X25

=X₄ + X₅ + X₈ + X₁₂ + X₂4 ^{+ x}25 + ^x27 + ^x32 其中主传动系统振动

A] = Xg + X12 + X" + ^27 + X32

B/ = X√X√X√X√X√X√X√X√

• (3) 精车外圆出现螺旋状波纹，明暗相同的 故障树B₃

^Bɜ = 'S + X"

• (4) 精车外圆表面出现混乱波纹,排列无规 律,深度不同的故障树玖及对偶成功树B√

^B4= ^A2 ^{+ x}I ⁺ X∣2 + ^X17 ^{+ x}!8 + ^X21 ^{+ X}32 = Xl +X7 + X12 +X16 + X17 + ^x!8 +X2∣ + X29 +X30 + X32

其中主轴轴向窜动^A2 = ^X7 + ^x!6 ^{+ X}29 + ^X30 ŋ r _ γ ∕γ ∕γ ，Y          ，Y 'Y ^,Y ^,Y ^,

^D* = ʌɪ 入7 ^λ12 ^λ16 ^λ17 ^λ18 ^λ21 ^λ29 ^λ30 ^λ32

• (5) 精车端面,在直径方向上每隔一定距离 出现波纹禺

^B5 = 'W + ^X19 ^{+ x}20 ^{+ X}26

• (6) 精车外圆出现螺旋状波纹:B6

^B6 = X12

• (7) 精车螺纹牙形上有振痕B, 其中:①系统刚度A₃=Y₂Y₃ 工件选择不当‰=χ₂÷χ₃ 刀具选择不当y₃=x₄÷x₅

②切削用量选择不当A₄=X₂₇X₂₈

B₇ = A₂ + A₃ + A₄

^B7 = ^X7 ^{+ X}16 + X₂₉ + X₃₀ + ( X₂ + X₃ ) ( X₄ + X5) ^+x27^x28

= (X₂+X₃+X₇ +Xm +X₂> +X₂₇) (X4 +X₅ +X₇ + X₁₆+X_s+X₂₇ +X₃₀ ) (X₂ +X₃ +X₇ +x₁₆ +X₂₉ + X₂₈ ) (X₄ +X₅ +X₇ +X₁₂ +X₂₉ +x₂₈ ^+χ30)

• (8) 车梯形螺纹时出现“扎刀”现象B8 其中:纵向进给滚动丝杠轴向窜动

A₅ = X₆ + X₂₂ + X₂₃ + ^x3> ^BS^=X1 ⁺ ʌs ^{+ A}2

=X_I +X₆ + X₇ + X₁₆ + X₂₂ + X₂₃ + ^X31 + ^X29 + X30

• (9)用切刀切入时“颤动”或切入用量大时 “颤动”

^B9 = ^A4 + ^X9 + ^X15 + ^X21

=(X9 + X” + X21 + X27) (X9 + X” + X21 + X₂₈)

• (10)用“光刀”纵向进刀加工圆柱面时，粗 糙度大B_n)

其中：

• ① 主轴低速时“爬行^,* A₆ =X₁₀X,,

• ② 机床振动 A₇ ɪ X_{8 +} X₉ + X₁₂ + X₁₃ + X₁₄ + X24 + X32

^BlO = A₆ + A₇ + X₃₃

=(X₈ + X₉ + Xio + X12 + X13 + Xm + X24 + X32 + X33 ) ( X₈ + X₉ + ^xIl + ^X12 + ^XI3 ^{+ X}I4 + ^X24 + ^32 + x₃₃)

综上所述,影响表面粗糙度故障树的最小径 集如下：

Q = B₁ + B₂ + B₃ + B₄ + B₅ + B₆ + B₇ + B₈ + B₉ + B_K)

令：

A=X] + X₆ + X₇ + X₈ + X₉ + X₁₂ + X₁₃ + X₁₄ + X16 + X17 + X18 + Xr + X20 + ‰1 ⁺ X22 + 乂23 + ^24 + X25 + X26 + Xll + 乂29 + X30 + X31 + X32 + X33

B =X₂+X₃ C =X₄+X₅ D = X_K) E=X₁₁

F= X₂7 G — X 28

贝 ∣hQ = (A + B+D + F)(A + C + D + F)(A + B + E + F)(A + C + E+F)(A + B + D + G)(A + C + D + G)(A + B+E + G)(A+C+E+G)

综上所述,要保证CAK6150D CNC车床传动 系统正常工作,就必须保证故障树D的八个最小 径集(A + B + D + F)、(A + C + D + F)、(A + B + E + F)、(A + C+E + F)、(A + B + D + G)、(A + C + D + G)√A + B + E+G)及(A + C+E + G)当 中任意一个的全部底事件都不发生.

4维修实例

经过上述分析,我们把CAK6150D CNC车床 传动系统典型故障分为10个故障类型,33个基 本故障原因•在该机床的维修,管理及设计过程 中，只要抓住主要矛盾,根据机床的具体使用要 求,侧重保证某个方面的精度和性能,就能保证机 床的工作性能.安全可靠,降低维修费用.

例如，当精加工轴类零件时在外圆表面上出 现螺旋状波纹,于是按图索骥,在故障树上找到故 障的原因是主轴轴承磨损，即基本故障原因X₁₂ 导致的故障类型B6,于是更换主轴轴承,维修后 故障现象自然消失.维修后再加工端面时波纹也 自然消失,这说明基本故障原因Xm也是导致的 故障类型艮的原因，同时还可以判断出基本故障 原因X₁₉ ,X₂₀和X26在维修前后都没有发生.

5结 论

利用这种故障模式分析方法去分析生产当中 出现的表面粗糙度问题,简便明了;对维修人员的 文化程度要求不高,便于普及应用；能直接地找到 故障的根源,便于开展预防维修和计划维修,可以 显著地提高该设备的可靠性和维修指标.

参考文献:

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ReSearCh on SUrfaCe ROUghneSS AnaIySiS MethOd Of FaUIt Tree in CNC Lathe PrOCeSSing

ZHANG XUe-Wen

(COlIege Of MeChaniCaI Engineering_,BeihUa UniVerSity_,JiIin City 132021 ,China)

AbStraCt： The failure CaUSeS Of roughness for CNC Iathe is discussed. The fault tree Of CNC Iathe is Set UP whɪɛh COnSiStS Of 10 failure PhenOmena and 33 base events. By USing BOOIean function, the mini Path SetS and mini CUt SetS are obtained. The effect among the failure is also found out. It PrOVideS mathematic models for further quantitative analysis Of SySteIn reliability and an easy Way Of PreVentiVe maintenance and failure COntroL It is also SignifICant for SilniIar CNC Iathe to improve the reliability and maintenance.

^Key words： CNC Iathejmini Path set；mini CUt set;fault tree analysis；reliability

万方数据