加工中心刀庫及機(jī)械手可靠性優(yōu)化設(shè)計
近年來，由于國產(chǎn)加工中心技術(shù)發(fā)展迅速，國內(nèi)許多機(jī)床廠家都擁有了達(dá)到國際水平或接近國際水平自主開發(fā)的加工中心機(jī)床。但是，高質(zhì)量、高可靠性加工中心的許多關(guān)鍵零部件，如五軸聯(lián)動系統(tǒng)、絲杠、高速電主軸、直線導(dǎo)軌、刀庫、ATC換刀機(jī)構(gòu)等依然很大程度依賴進(jìn)口。我國作為一個數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)與使用的大國，更應(yīng)該發(fā)展高可靠性、高性能且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的加工中心。加速高檔數(shù)控機(jī)床功能部件的國產(chǎn)化及產(chǎn)業(yè)化，不僅為推進(jìn)高檔數(shù)控機(jī)床進(jìn)入國際市場創(chuàng)造條件，同時也為整個數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
加工中心是先進(jìn)制造業(yè)的基礎(chǔ)裝備，其可靠性水平直接關(guān)系到產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。目前，加工中心刀庫及機(jī)械手等關(guān)鍵功能部件可靠性失效數(shù)據(jù)為非均勻離散數(shù)據(jù)，難以對加工中心的可靠性提高起明顯作用。為此，在漢斯出版社《機(jī)械工程與技術(shù)》期刊中，有論文采用馬爾科夫模型與發(fā)生函數(shù)結(jié)合的辦法，具體計算各分系統(tǒng)狀態(tài)對壽命范圍內(nèi)加工中心可靠性的影響，然后基于發(fā)生函數(shù)獲得的加工中心可靠度數(shù)據(jù)，建立響應(yīng)面模型，獲得各分系統(tǒng)對加工中心可靠性影響水平，從而研究得到改進(jìn)方案。與傳統(tǒng)計算方案相比，改方案數(shù)據(jù)收集效率更快，準(zhǔn)確性更高，成本更低。
傳統(tǒng)的加工中心可靠性評估立足于普通更新理論和非齊次隨機(jī)過程，即把狀態(tài)簡單地分為“正?！焙汀笆А?，前者代表加工中心在運(yùn)行時處于最初始的“如新狀態(tài)”，后者代表加工中心每次損壞維修后恢復(fù)到故障發(fā)生前的“如舊狀態(tài)”。然而現(xiàn)實(shí)情況卻更加復(fù)雜，整個加工中心系統(tǒng)的大部分小型零部件可更換、中型零件可維修，只有極少數(shù)大型部件損壞才會導(dǎo)致系統(tǒng)徹底損毀。這就使得加工中心的運(yùn)行狀態(tài)可以分成多種層次，如機(jī)械手與刀庫配合自動換刀的過程，除了簡單分為換刀完美成功與換刀完全失敗兩種狀態(tài)外，還包括：換刀成功，但是換刀時間變長、或者換刀精度衰退等情況。
加工中心換刀裝置的可靠性是指其在指定的運(yùn)行條件下，能夠在規(guī)定時間內(nèi)成功完成儲刀選刀及換刀的能力。在已有的可靠性分析中，研究者一般對在生產(chǎn)車間現(xiàn)場正常運(yùn)轉(zhuǎn)的加工中心進(jìn)行現(xiàn)場可靠性數(shù)據(jù)采集。當(dāng)加工中心產(chǎn)生故障時，由生產(chǎn)企業(yè)的維修部門和機(jī)床操作者根據(jù)故障現(xiàn)象和故障類型進(jìn)行記錄并維修。此方法耗時較長，且獲得的數(shù)據(jù)大多為離散數(shù)據(jù)，難以據(jù)此分析出具體的改進(jìn)方案。
為解決上述問題，本文通過將發(fā)生函數(shù)與馬爾可夫模型相結(jié)合，以此獲得較詳細(xì)的可靠性數(shù)據(jù)并得出具體改進(jìn)方案。模型首先需確定對加工中心可靠性影響最大的性能參數(shù)。在執(zhí)行換刀動作時，機(jī)械手和刀庫需要完成的動作類型多、速度快、對定位準(zhǔn)確性要求高。在加工復(fù)雜程度較高的零件時，更是有可能幾十秒交換一次刀具，因此刀庫和機(jī)械手是加工中心的可靠性薄弱環(huán)節(jié)。
本文采用了基于馬爾可夫模型的發(fā)生函數(shù)建立響應(yīng)面的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)可靠性研究，克服試驗(yàn)周期長、試驗(yàn)不可重現(xiàn)以及試驗(yàn)成本高昂的問題，通過模型計算獲得加工中心刀庫及機(jī)械手可靠性優(yōu)化的具體方案。最后，本文通過加工中心動作可靠性實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)對加工中心換刀動作可靠性影響較大的參數(shù)是刀庫到位精度的故障率。因此，要提高加工中心的可靠性優(yōu)先要提高刀庫的零件的質(zhì)量。
文章來源：https://doi.org/10.12677/MET.2020.96059
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