基于FMECA的数控机床主轴系统故障分析.pdf

J u n ．2 0 1 5 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e r i n g V 0 l - 4 3 N o ．1 2 H y d r o me c h a t r o n ic s E n g i n e e r i n g h t t p ／ ／ j d y ． q k s ． c q u t ． e d u ． o n E - ma i l j d y g c y w1 2 6 ． c o rn F a i l u r e a n a l y s i s f o r s p i n d l e s y s t e m o f CN C ma c h i n e t o o l s b a s e d o n F ME C A Ⅱ一 t i e Z HANG ．L i d a Z HU 1 ,2 D e p a r t m e n t o f ．C h e mi c a l E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ，J i l i n V o c a t i 0 nal C o l l e g e O fI n d u s t r y a n d T e c h n o l o g y ， J i l l n 1 3 0 0 1 3 ， C h i n a C o l l e g e o fMe c han i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， fl l i n U n i v e r s i t y ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2 ， Ab s t r a c t T h e s p i n d l e s y s t e m i s t h e k e y s u b s y s t e m o f C NC ma c h i n e t o o l s ， i t h a s l o t s o f f a i l u I ．e a n d h a s c o mD a ． s o n o f a s i n g l e f a i l u r e p h e n o me n o n。Th e r e f o r e ， f a i l u r e p h e n o me n o n o f t e n c a n n o t b e u s e d t 0 f a i l u r e di a g n o s i s a n d t r o u b l e s h o o t i n g ． I n t h i s p a p e r ，F MECA a n a l y s i s me t ho d s wa s us e d，t o d e t e r mi n e t h e f a i l u r le m0 d e a n d c a u s e s o f t h e c o mp o n e n t s o f t h e s p i n d l e s y s t e m o f CNC ma c h i n e t o o l s ，a n d f u r t h e r c a l c u l a t e t h e d a ma g e d e _ e e o f e a c h c o rn- p o n e n t F i n a l l y，t h e d a ma g e d e g r e e p r o v i d e s t h e r e f e r e n c e f o r e q ui pme n t r e p a i r s t r a t e g y ． Ke y wo r d s C NC Ma c h i n e t o o l s ， F ME C A ， S p i nd l e s y s t e m d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 2 4 D o c u me n t c o d e A C L C n um b e r T H 1 7 1 I nt ro duc t i o n CNC ma c h i n e t o o l s i s a c o mp l e x r e p a i r a bl e s y s t e m [ 1 ] ，s p i n d l e s y s t e m i s t h e k e y s u b s y s t e m s o f C N C ma c h i n e t o o l s ． T h e p e r f o r ma n c e o f s p i n d l e s y s t e m d i r e c t l y a f f e c t s t h e p e rfo rm a n c e o f t h e ma c h i n e s ， a n d t h e mo t i o n a c c u r a c y d i r e c t l y a f f e c t s ma c h i n i n g a c e u r a ． c y ． Whe n t h e s p i n d l e s y s t e m f a i l s．i t ha s l o t s o f f a i l u r e a n d ha s c o mp a ris o n o f a s i n g l e f a i l u r e p h e n o me ． n o n．Th e c o mmo n f a i l u r e i nc l u d e n o t t u r n t h e s p i n d l e ． s p i n d l e j o g ，n o t A T C ，s e r v o a l a r m， P L C a l a r m， h y ． d r a u l i c s y s t e m a l a r m ， l a c k o f p r e c i s i o n， s p i n d l e n o i s e ，c r a s h e s e t c ．T h e f a i l u r e ma y b e s t r u c t u r a l d e s i g n p r o b l e ms， o p e r a t i o n a l p r o b l e ms， p r o g r a mmi n g p r o b l e ms a n d ma i n t e n a n c e p r o b l e ms ．Th e f a c t o r s c a u． s i n g t h e f a i l u r e a r e c o mp l e x，a n d i n v o l v e ma n y t e c h n o l o g i e s，s o t h e b a s i s o f f a u l t d i a g n o s t i c s a n d t r o u b l e ． s h o o t i n g c a n n o t i s t h e s i mp l y S y mp t o m．T h e c h a r a c - t e r i s t i c s o f t h e s p i n d l e s y s t e m f a i l u r e a r e mo r e v a r i e t v ， t r o u b l e s h o o t i n g d i f fic u l t ，t h u s s t u d y f a i l u r e mo d e s a n d Re c e i v e d 1 D e c e mb e r 2 0 1 4；r e v i s e d 1 2 F e b r u a r y 2 0 1 5； a c c e p t e d 1 Ma r c h 2 0 1 5 C o r r e s p o n d i n g a u t h o r L i t i e Z HA NG ，As s o c i a t e p r o f e s s o r ， P o s t g r a d u a t e ． E ma i l Z h a n g l i t i e 1 9 6 7 1 6 3 ． c o n c a u s e s o f f a i l u r e， t o d e t e rm i n e t h e e x t e n t o f d a ma g e e a c h c o mp o n e n t p a rt，wh i c h h a s t a r g e t e d t h e e s t ab ． 1 i s h me n t o f CNC s pi n d l e r e pa i r s t r a t e gy i s i mp o r t a n t ． FMECA i s Fa i l u r e Mo d e s，Ef f e c t s a nd Crit i c a l i t v A． n a l y s i s ， i n c l u d i n g f a u l t mo d e a n d e f f e c t a n aly s i s F M E Aa n d H a z a r d A n a l y s i s C A ．F ME C A i s a b o t t o m u D s u mma r i z e d a n a l y s i s me t h o d wh i c h i s c l a s s e d b y t h e s e v e rit y o f t h e f a i l u r e mo d e a n d p r o ba b i l i t y o f o c c u r r e n c e o f t h e f a i l u r e 『 2] ． T h e u s e o f FM。ECA i s f o u n d t h e we a k l i n k o f pr o du c t i o n t h a t i n ． c l u d e i n p r o d u c t i o n d e s i gn ， p r o d u c t a n d o p e r a t e ． F ME C A c a n a l s o p r o v i d e e v i d e n c e fo r R r e l i a b i l i t y ． M m a i n t a i n a b i l i t y ， S s e c u ri t y ， T t e s t a b i l i t y ， S p r o t e c t i o n o f p r o p e r t y ．F ME C A i s a n i m p o r t a n t me t h o d i n ma n y o f e n g i n e e rin g t h a t u s e d t o r e l i a b i l i t y d e s i gn ，d e s i gn o p t i mi z a t i o n a n d f a i l u r e a n aly s i s ．Fo r e x a mp l e， i mp r o v e d FMECA i s u s e d t o a n a l y s i s t h e d a n g e r s o f t h e C NC t o o l p o s t『 3 4] ． I n t hi s p a pe r ，s t u d i e s us i n g q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f f a i l u r e mo d e s o c c u r r e d a c t u a l l y ，t h e c a u s e a n d i t s i m p a c t d u ri n g u s e o f t h e s p i n d l e s y s t e m o f t h e C NC ma c h i n e t o o l s，F MECA a n a l y s i s me t h o d i s u s e d t o d e t e r ． mi n e t he e x t e n t o f d a ma g e o f t h e c o mp o n e nt s o f t he s p i n d l e s y s t e m．F i n a l l y，FMECA a n a l y s i s me t h o d p r o v i d e s t h e e v i d e n c e for t h e ma i n t e n a n c e s t r a t e g y o f t h e s pi n d l e s y s t e m． F a i l u r e a n a l y s i s f o r s pi n dle s y s t e m o f CNC ma c h i n e t o o l s b a s e d o n FMECA 1 37 2 A s p i n d l e s y s t e m f a i l u r e a n a l y s i s I n t h i s pa p e r ，s t u d i e s b y 1 7 CNC ma c h i n e t o o l s ，we o b t a i n e d t h e r e l e v a n t ma i n t e n a n c e i n f o r ma t i o n o f t h e s p i n d l e s y rs t e m o f CNC ma c hi n e t o o l t o o l s b a s e d o n t h e c o l l a t e d a t a o f 5 y e a r s o f ma i n t e n a n c e i n f o r ma t i o n． T h e s p i n d l e s y s t e m f a i l u r e i s a n a l y s e s o n t h e b a s i s o f t h e c o l l a t e d a t a ． 2 ． Fa u l t l o c a t i o n a n a l y s i s Af t e r a n a l y s i s ，f a u l t l o c a t i o n a n d f r e q ue n c y s p i n d l e s y s t e m a r e s h o wn i n Ta b l e 1 ． An a l y s i s o f t h e d a t a i n Ta b l e 1，ba s e d o n t he di v i d i n g t h e s t and a r d o f t h e f a i l u r e p r o b a b i l i t y l e v e l T a b l e 2 c a n o b t a i n s t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ． Ta b l e 1 F a ult l o c a t i on a nd f r e qu e n c y o f a s p i n d l e s y s t em 3 Th e p r o p o r t i o n o f f a i l u r e o f t h e s e r v o s y s t e m a n d t h e P MC w e r e 9 ． 4 ％ ，9 ．1 ％ ，t h e f a i l u r e l e v e l i s g r a d e C t h a t o c c u r s o c c a s i o n all y． 2 ． 2 Fa i l u r e mo d e a n d c a u s e a n a l y s i s A f t e r a n a l y s i s ab o v e ma i n t e n a n c e d a t a． f a i l u r e mo d e o f t h e s p i nd l e s y s t e m a s s h o wn i n Tab l e 3 ． F r o m t h e a n a l y s i s o f T a b l e 3． t h e ma i n t h r e e k i n d o f s p i n d l e s y s t e m f a u h mo d e i s t h e t o o l t o o t i g h t e n b u t c a n n o t l o o s e． c u t t e r h o l de r i s n o t t i g h t a n d S p i n d l e p o i n t mo v e ． Th e t h r e e f a u l t mo d e s a c c o u n t e d for 5 5 ． 8 ％o f t h e t o t a 1 ．Of t h e e n t i r e f a u h mo d e．t h e t o o l t o t i g h t e n b u t c a n n o t l o o s e o c c u r s mo s t f r e qu e n t l y ， a c c o un t s f o r ab o u t 2 7． 3％o f t h e t o t a l f a u l t ． F r o m Ta b l e 4，a g i n g．s t u c k a n d l o o s e i s t h e ma i n c a u s e o f f a i l u r e。t h e c a u s e o f t h e t h r e e 3 8． 2％ o f t he t o t a 1 ．Fa i l u r e s c a u s e d b y s c r a t c h，t h e g a p i s t o o l a r g e ， t he g a p i s t o o s ma l l a r e f e we r ． F a u l t p a r t s F a u h f r e q u e n c y ／ ％T a b I e 3 S p i n d l e s y s t e m f a u l t mo d e a n d f r e q u e n c y S p i n d l e s y s t e m Pn e u ma t i c s y s t e m S e r v o s y s t e m De t e c t i o n s y s t e m P MC l 1 47． 3 9． 4 2 3． 2 9 ． 1 Ta b l e 2 F a ult p r ob a b i l i t y gr a di n g s t a nd a r d s F a u l t p r o b a b i l i t y s t a n d a r d s F a u l t f r e q u e n c y A l e v e l一0f t e n B l e v e 1．- S o me t i me s C l e v e l - B y a c c i d e n t D l e v e l- Ra r e E l e v e l-- F e w 2 0％ 1 O％ 一2 0％ 1 ％ 一1 O％ 0 ． 1 ％ 一1 ％ d e t e c t i o n s y s t e m C R l 0 ． 0 0 0 7 3 8P MC C R 5 0 ． 0 0 0 5 0 3 S e r v o s y s t e m C R 3 0 ． 0 0 0 5 0 4 ． V R C ∑ ∞ ∑ F a i l u r e a na l y s i s f o r s p i n d l e s y s t e m o f CNC ma c h i n e t o o l s b a s e d o n F MECA 1 3 9 4 Co nc l us i o ns I n t h i s p a p e r ，we a n a l y s i s t h e f a i l u r e mo d e s ， t h e f a i l u r e c a u s e o f s p i n d l e s y s t e m ，a n d t h e c r i t i c a l i t y of t h e c o mp o n e n t s b y u s i n g F ME C A me t h o d ．C a s e s t u d y s h o we d t h a t t he h i g h e s t c rit i c a l i t y i s p n e u ma t i c s y s t e m ，a n d t h e s e c o n d c rit i c a l i t y i s d e t e c t i o n s y s t e m． Th u s，i t i s n e c e s s a r y t o r o u t i n e ma i n t e n a n c e ．W e c a n t a k e pr e v e n t i v e ma i n t e n a n c e s t r a t e g y，t h e me c h a n i c al s t r u c t u r e o f t h e s p i n d l e mu s t b e s t r e n g t h e n e d t h e r o u t i n e ma i n t e n a n c e a n d i ns p e c t i o n， s e r v o s y s t e ms a n d PMC ma i n t e na n c e s t r a t e gy c a n b e ma i n t e n a n c e a f t e r wa r d s ． Ref e r enc e s [ 1 ] S H E N G u i x i a n g ， S H A O N a ， Z h a n g Y i n g z h i ， e t a 1 ．R e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n o f n ume r i c a l l y c o n t r o l l e d ma c h i n e t o o l ba s e d o n e x t e n i c s t h e o r y l J 1 ． J o u r n al o f J i l i n U n i v e r s i t y E n g i n e e ri n g a n d T e c h n o l o g y E d i t i o n ， 2 0 1 1 ， 4 1 1 1 0 6 1 0 9 ． [ 2 ] J I A X i n z h i ， A I D o n g m e i ， Q I U C h e n g ， e t a 1 ．C K 7 8 1 5 N c m a c h i n e t o o l f a u l t a n al y s i s [ J ] ．M a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y a n d mac h i n e t o o l s ， 2 0 0 0 5 5 7 5 8 ． [ 3 ] Z H A N G， Y i n g z h i Z H E N G S h a n ， S H E N G u i x i a n g ，e t a 1 ． C r i t i c ali t y a n aly s i s f o r C NC t u r r e t a d o p t i n g i mp o r t a n c e a n d f u z z y r e a s o n i n g [ J ] ．J o u r n a l o f J i l i n U n i v e r s i t yE n gi n e e r i n g a n d T e c h n o l o gy E d i t i o n ， 2 0 1 2 ， 4 2 5 1 1 5 7 1 1 6 1 ． [ 4 ] S H E N G u i x i ang ， L I H u a i y a n g ，Z H A N G Y i n g z h i ， e t a 1 ． F a i l u r e anal y s i s o f t u r r e t s y s t e m of N C l a t h e[ J ] ．MA C H I N E T OO L＆ HY DRAUL I C S。 20 1 1 ，1 0， 3 9 1 9 1 2 6 ． 1 2 9 基于 F ME C A的数控机床主轴系统故障分析 张李铁 ， 朱立达 ， 1 ． 吉林工业职业技术学院 化工机械系， 吉林1 3 0 0 1 3 2 ． 吉林大学 机械科学与工程学院， 吉林 长春1 3 0 0 2 2 摘要 数控机床主轴系统是数控机床的关键子 系统， 其故障较 多， 而每次故障现象又比较单 一 ，因此， 单纯通过故障现象往往不能作为故障诊断和排除的依据。应用 F ME C A分析方法， 分析数控机床主轴 系统各组 成部 分 的故 障模 式及故 障原 因， 并进 一步计 算各 组成部 分的危 害程度， 得到的危害程度为制定设备维修策略提供 了参考。 关键词 数控机床 ； F ME C A； 主轴 系统