加工中心刀库及机械手可靠性优化设计

加工中心刀库及机械手可靠性优化设计

近年来，由于国产加工中心技术发展迅速，国内许多机床厂家都拥有了达到国际水平或接近国际水平自主开发的加工中心机床。但是，高质量、高可靠性加工中心的许多关键零部件，如五轴联动系统、丝杠、高速电主轴、直线导轨、刀库、ATC换刀机构等依然很大程度依赖进口。我国作为一个数控机床生产与使用的大国，更应该发展高可靠性、高性能且具有自主知识产权的加工中心。加速高档数控机床功能部件的国产化及产业化，不仅为推进高档数控机床进入国际市场创造条件，同时也为整个数控机床产业的发展奠定坚实的基础。

加工中心是先进制造业的基础装备，其可靠性水平直接关系到产品性能的优劣。目前，加工中心刀库及机械手等关键功能部件可靠性失效数据为非均匀离散数据，难以对加工中心的可靠性提高起明显作用。为此，在汉斯出版社《机械工程与技术》期刊中，有论文采用马尔科夫模型与发生函数结合的办法，具体计算各分系统状态对寿命范围内加工中心可靠性的影响，然后基于发生函数获得的加工中心可靠度数据，建立响应面模型，获得各分系统对加工中心可靠性影响水平，从而研究得到改进方案。与传统计算方案相比，改方案数据收集效率更快，准确性更高，成本更低。

传统的加工中心可靠性评估立足于普通更新理论和非齐次随机过程，即把状态简单地分为“正常”和“失效”，前者代表加工中心在运行时处于最初始的“如新状态”，后者代表加工中心每次损坏维修后恢复到故障发生前的“如旧状态”。然而现实情况却更加复杂，整个加工中心系统的大部分小型零部件可更换、中型零件可维修，只有极少数大型部件损坏才会导致系统彻底损毁。这就使得加工中心的运行状态可以分成多种层次，如机械手与刀库配合自动换刀的过程，除了简单分为换刀完美成功与换刀完全失败两种状态外，还包括：换刀成功，但是换刀时间变长、或者换刀精度衰退等情况。

加工中心换刀装置的可靠性是指其在指定的运行条件下，能够在规定时间内成功完成储刀选刀及换刀的能力。在已有的可靠性分析中，研究者一般对在生产车间现场正常运转的加工中心进行现场可靠性数据采集。当加工中心产生故障时，由生产企业的维修部门和机床操作者根据故障现象和故障类型进行记录并维修。此方法耗时较长，且获得的数据大多为离散数据，难以据此分析出具体的改进方案。

为解决上述问题，本文通过将发生函数与马尔可夫模型相结合，以此获得较详细的可靠性数据并得出具体改进方案。模型首先需确定对加工中心可靠性影响最大的性能参数。在执行换刀动作时，机械手和刀库需要完成的动作类型多、速度快、对定位准确性要求高。在加工复杂程度较高的零件时，更是有可能几十秒交换一次刀具，因此刀库和机械手是加工中心的可靠性薄弱环节。

本文采用了基于马尔可夫模型的发生函数建立响应面的方法代替传统可靠性研究，克服试验周期长、试验不可重现以及试验成本高昂的问题，通过模型计算获得加工中心刀库及机械手可靠性优化的具体方案。最后，本文通过加工中心动作可靠性实例研究发现对加工中心换刀动作可靠性影响较大的参数是刀库到位精度的故障率。因此，要提高加工中心的可靠性优先要提高刀库的零件的质量。

文章来源：https://doi.org/10.12677/MET.2020.96059