第 1 章 绪论
1.1 研究背景与意义
随着现代制造技术和信息产业的快速发展，数控机床作为现代机械制造工作母机，在机械制造加工中发挥着越来越被广泛的作用[1,2]。全球各发达国家都加大发展高档制造装备产业投入的力度，积极采用现代化先进技术提升装备制造业的水平，加快发展装备制造业和机床产业对于提高各国工业化能力具有深远的影响[3,4]。
我国数控行业起步于 1958 年，比一些发达国家要晚 10 多年。在起步初期由于受到西方发达国家技术封锁，发展非常缓慢，直到七十年代才开始进入快速发展期。经过几十年的发展，通过与发达国家合作研究、技术引进及技术攻关，掌握了很多先进设计方法与加工工艺方法，攻克了许多关键技术，在数控机床的制造水平上得到了很大的提高，我们的整体水平与国外的先进制造水平之间的差距正在逐步缩小[5,6]。据统计，2012 年 1-10 月我国机床工具行业累计完成工业总产值 5766.7 亿元，同比增长 11.1%，此外，2012 年 1-10 月份我国机床工具行业累计完成产品销售产值 5592.7 亿元，同比增长 10.8%[7]，但尽管我国的机床行业庞大，为世界机床第一大生产国，但是我们与国外先进国家相比大而不强，这是我国机床行业的主要基本特征。主要表现在国内市场需求结构的加速升级与行业供给能力不相适应。国内机床产品质量水平普遍较低，低档机床产能过剩，高档机床品种少，并且精度较低，故障率较高，这些质量问题都严重影响了产品的竞争力[8-10]。产品质量最直接和最有代表性的评判指标就是可靠性。所以如果要提高数控机床的质量，就必须要想尽办法提高数控机床的可靠性。机床用户考虑的不仅仅是产品的性能要好，更为看中的是产品的可靠性水平要高，这是今后产品能否占领市场的关键因素。加强数控机床可靠性方面的研究不仅是提高我国机床产业竞争力，另一方面也是对机床用户负责的表现[11]。过去因为机床可靠性水平低，发生过很多次事故造成财产损失及人员伤亡。2005 年 4 月，浙江某公司的数控立式车床在使用过程中发生加工工件突然脱离夹具、撞破防护装置后飞出，导致一名操作工人死亡，经专家现场查勘，分析论证，最后得出机床存在严重安全质量缺陷的结论。可见，研究数控机床产品可靠性具有非常重要的意义。
1.2 数控机床可靠性研究现状
1.2.1 国外可靠性研究现状
早在 20 世纪 70 年代，前苏联的一些研究人员根据数控机床在结构、功能、外载荷等一些方面的特殊性，利用机床工作损耗中故障与可靠性这一矛盾点，运用现代物理学、现代数学、现代工程科学等新理论，对数控机床故障模型、可靠性模型和工艺可靠性进行了研究，建立了机床可靠性研究技术的最初基本理论，为今后的可靠性研究指明了方向，并且发表了许多数控机床可靠性方面的专著，为可靠性研究奠定了基础。另外，前苏联的学者还提出了机床早期故障消除的可靠性试验的方法和进行工艺试运转[12,13]。
英国布拉德福大学的KellerA.Z等人运用模糊数学理论处理数控机床故障数据，从而达到定量处理模糊不确定性的问题。英国伯明翰大学的研究人员通过跟踪监测，采集了 35 台数控机床数据，分析得出数控机床整机的故障时间分布服从威布尔分布，并且得到了分布模型形状参数。此项研究为后来的可靠性评价提供了理论依据，在可靠性评估中得到了广泛应用[15]。
从 20 世纪 80 年代中期开始，日本的一些专家学者开始研究数控机床的故障模式和故障原因，试图找出提高可靠性的方法。日本新泻大学的研究人员通过跟踪数控机床加工现场试验，分析评估其可靠性指标，发现所有故障中机床本体占了一半，机床本体是机床可靠性的薄弱环节，并且对故障原因提出了相应的可靠性改进意见，对机床可靠性水平的提高起到了重要作用[16]。
近年来，俄罗斯的研究人员对数控机床所受载荷大小与机床的可靠性之间的关系进行了广泛的研究，找出可靠性如何分配才能达到经济利益最大化。此外，俄罗斯学者通过对数控机床故障分类，提出了许多预防故障的有效方法。
第 2 章 数控机床可靠性故障模型分析
所有产品的寿命分布都存在着一定的规律，通过数控机床可靠性模型的建立，可以使数控机床可靠性的潜在规律通过数学模型表述出来，并且对模型中的未知参数利用相关的数学方法计算求解，可以实现对数控机床可靠性水平的准确定位与评估。另外，可靠性建模在可靠性工程、可靠性管理等方面也起着非常重要的作用[31]。
2.1 国内某系列数控机床故障模型分析
本文研究对象为国内某机床厂生产的五轴联动桥式龙门加工中心系列机床，它是引进先进技术生产的新一代数控机床，不仅适用于板类、盘类、壳体类、精密零件的加工，而且适用于模具加工[32]。
第 3 章 数控机床可靠性评估.................35
3.1 可靠性评估指标 ...................35
3.2 国内某系列数控机床可靠性评估 .....................40
3.3 国外某系列数控机床可靠性评估 .............42
第 4 章 故障模式影响及危害性分析..............45
4.1 概述 ...................45
4.2 国内机床故障模式影响及危害性分析 .............52
4.3 国外机床故障模式影响及危害性分析 ...................65
4.4 国内外机床对比综合分析 ...................76
第 5 章 总结与展望...................79
结论
尽管我国机床行业近些年发展势头迅猛，但是我国生产的数控机床质量与国外机床相比还有差距。本文结合“国产高档数控机床在典型飞机结构件加工中的示范应用”国家科技重大专项项目，选取了国产某型号高档五轴联动数控机床与代表国际先进水平的国外五轴联动数控机床进行了可靠性对比分析，从而找出国产数控机床与国外数控机床的差距，具体研究结果如下：
1、对国内外数控机床的平均故障间隔时间 MTBF、平均修复时间 MTTR、固有可用度iA 、当量故障率 D 进行了分析对比，国产五轴联动数控机床的平均故障间隔时间为 137.95 小时，平均修复时间为 9.72 小时，固有可用度为 0.93，当量故障率为28.59次/1000小时。国外五轴联动数控机床的平均故障间隔时间为208.36小时，平均修复时间为 13.20 小时，固有可用度为 0.94，当量故障率为 19.75 次/1000 小时。
2、利用层次分析法综合评价，国内五轴联动数控机床利用层次分析法对平均故障间隔时间 MTBF、平均修复时间 MTTR、固有可用度iA 、当量故障率 D 综合评价为 0.648，国外五轴联动数控机床综合评价为 0.784。
3、国外五轴联动数控机床在精度系统、主轴系统和坐标轴系统相对于国外五轴联动数控机床的其它子系统来说也较为薄弱，但是在故障发生次数方面要远远小于国内五轴联动数控机床。
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