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精益生产下的数控机床维护维修研究 李攀峰高云婷 河南工业大学电气工程学院， 河南 郑州 4 5 0 0 0 7 摘要 介绍了数控机床常见故障的分布特征和故障的起因， 分析了精益制造与数控机床故障维护维修之间 的矛盾 ， 提出了在精益生产方式下解决这一矛盾的基本方法。最后 ， 指出精益生产企业探索出一条 适合于企业自身、 有效的维护维修途径是保证落实精益生产的关键。 关键词 精益生产数控机床全面生产维护 中图分类号 T H1 6 5 文献标识码 B St u d y o n ma i n t e n a n c e o f CNC ma c h i n e t o o l u s e d i n l e a n ma n u f a c t u r i n g LI P a n f e ng， GAO Yu n t i n g H e n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 ， C H N Ab s t r a c t Th e p a p e r s t u d i e d t he d i s t r i b u t i o n o f NC ma c h i n e t o o l f a i l u r e，d i s c u s s e d t he c a u s e s a n d p r e v e n t i v e me a s u r e s ，a n a l y z e d t he c o n t r a d i c t i o n b e t we e n t h e n e e d o f l e a n ma n u f a c t u r i n g s y s t e m a n d t h e ma i n t e n a n c e o f CNC ma c h i ne t o o l s ．Th e n，a b a s i c me t h o d t o s o l v e t h i s p r o b l e m wa s g i v e n b y a u t ho r ．F i n a l l y，i t po i n t e d o u t t h a t t h e k e y f o r i mp l e me nt a t i o n o f l e a n p r o d u c t i o n ma na g e me n t i s t o e x p l o r e t h e e f f e c t i v e wa y i n ma - i n t e n a nc e o f CNC ma c h i n e t o o l s b y e n t e r p r i s e i t s e l f ． Ke ywo r d sLe a n Ma nu f a c t u r i n g ； CNC Ma c h i n e To o l ； To t a l Pr o d u c t i v e Ma i n t e n a n c e 制造企业为适应全球激烈的竞争需要都逐渐地趋 向于采用先进的数控机床作为主要的生产工具， 采用 精益生产和管理模式实现企业生产过程管理 ， 最大限 度地增强了产品质量、 降低了产品价格， 提高了产品的 竞争优势。精益生产与管理模式起源于 日本丰 田汽车 公司 ， 是一种 以最大限度地减少运 营成本为主要 目标 的生产方式， 它追求的是在不投人多余生产要素的情 况下 ， 所有经营活动有益有效具有经济性 的一种生产 和管理模式。其特点是尽可能地消除一 切浪费 ， 追求 精益求精和不断改善质量。精益生产总结出工厂中的 浪费现象主要有制造过剩 的浪费 、 等待的浪费 、 生产不 良的浪费、 工作 的浪费等 7种 。 数控机床具有精度高 、 柔性好等特点 ， 已成为精益 制造企业的关键核心制造设备 。由于它综合应用了计 常先从钝化时问、 吃刀深度 、 毛刷旋转速度 3个参数依 次进行调整 ， 如得不到满意效果 ， 可更换不同硬度 的毛 刷再进行调试 ， 得到满意参数后 ， 再装满刀片进行钝化 加工， 特别是瀑布式刃 口的刀片钝化 ， 其参数的确定更 需仔细分析 、 试验 ， 否则可能得到相反的结果。 3 结语 我们通过几种不同要求 的刀片进行钝化试验 ， 得 出常用的几种重型切削刀片的钝化参数 ， 为 日后刀片 的钝化加工积累了经验， 并对该种机床的加工效率做 了简要分析如下 刀片单面平均钝化时间为 5 ra i n ， 按 平均一次装载 1 5 0片刀片， 则每小时可钝化 9 0 0片刀 片， 而一般机床每小时钝化 1 2 0片刀片， 因此该机床具 I I 等 z u 昂 4 有较高的加工效率。 参 考文 献 [ 1 ] 现代机夹可转位刀具 实用手册编委会． 现代机夹 可转位刀具实用 手 册[ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 2 ] 重型切削实用技术 手册编写组 ． 重型切 削实用技术手册 [ M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 3 ] 桂 育鹏 ， 于启勋 ． 刀具 刃口钝化技 术 的探讨 [ J ] ． 机械工 人 冷加工 ， 2 0 0 4 6 ． [ 4] 顾祖慰 ， 张奇． 刀具钝化技术 应用前景 的展望 [ J ] ． 工具技 术 ， 2 0 0 9 ， 4 3 8 ． 第一作者 王晓峰， 女， 1 9 7 2年生， 讲师， 硕士， 研 究方向为硬脆材料加工。 编辑 汪 艺 收稿日 期 2 0 l 】 一 0 1 1 2 文章编号 l 1 o 4 3 I 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位嚣。 9 9 算机 、 电子 、 自动控制 、 自动检测及精密机械等学科的 综合知识 ， 其维护和维修 已成为企业公认 的难题 。与 传统的机械装备相 比， 内容上虽然也包括机械 、 电气 、 液压与气动方面的故障 ， 但 就其维修和诊断方面的重 要性来说 ， 则是侧重于电子系统 、 机械 、 液压 、 气动乃至 光学等装置模块 的交节点上。 在精益生产和管理模式下探索数控机床维修维护 模式 ， 避免数控机床故障停机 ， 减少故障的查找和修复 的时问， 是精益制造型企业 克服 “ 等待浪费” 的关键因 素之一。 l 数控机床 故障及其分布特征 数控机床全部或部分地丧失了机床规定 的功能就 称为数控机床故障。 故障诊 断技 术就 是在 机床出现故障时， 掌握机床 现行状态的信息 ， 查明产生 故障部位和原因， 或预知机 床的异常和故障动向， 并采 取必要 的措施 和对策 的技 术 ， 防止故障的产生。诊断 的 目的就 是要 确定故 障的 原因和部位 ， 以便机床维修 人员或操作 人员尽快地进 行故障的修复。 按照机床本体 、 附属装 置和数控 系统对 故障进行 分类 ， 对多种类型加工 中心 的故障统计结果 如 图 1所 示。加工 中心机 床本体 占 机床总故障的 7 3 ％。对机 床本体故 障按其 组成功能 模块 进行统 计分类 如 图 2 所示。可 以看 出加 工 中心 的刀库和机械手 故障次数 最多 ， 占机床本体故障总数 附属装置 数控系统 25 ％ 图3 加工中心附属装置故障 分布 的 5 9 ％ ， 表明机床本体故障与其功能部件的动作频率 有关。图 3所示为机床附属装置故障分布示意图。可 以看出加工中心的液压系统占机床附属装置故障总数 的4 l ％， 故障率最高， 说明液压系统是数控机床比较 薄弱的环节。 2 数控机床故障的原因 数控机床故障起因呈现多样性 ， 根据维修经验来 】 0 O 看 ， 数控机床故障的起因主要有以下几个方 面 2 ． 1 机床“ 先天性” 设计缺陷故障 这类故障主要是与机床 “ 先天性” 设计‘ 错误有关 。 根据数控机床的组成结构可简单地分为机械类缺 陷、 电气系统缺陷和液压气动系统缺陷等。 其 中机械类缺陷如联 轴器设计不合理 、 床身结 构 不合理、 丝杠支撑结构不合理等多个方面。如某龙门 式数控铣床当用户开至说明书标定的最南转速时， 机 床主轴轴承损坏。在机床已过保修期的情况下， 用户 不得不 自己更换轴承 ， 且 只能在低速下 工作 。这类缺 陷一方面给用户带来 了经 济损失 ， 同时也限制了机床 的工艺范 围。 电气类设计性故障常见的形式有系统双电源并联 供电 、 继 电器容量过小 ， 灭弧能力差 、 驱动 功率太小 、 电路设计不合理 、 电路布线不合理等。双 电源并联供 电时容易造成只有一个电源工作， 而另一个成为负载， 最终造成 电源容量小而烧毁电源模块。选用继电器容 量过小易造成继电器触点容易被烧毁或者触点开合状 态不明显 ， 产生“ 似断非断” 的现象 。选刖容量较小 的 驱动器虽然节省了成本 ， 但是工作时容易烧毁驱动器。 电路设计 以及布线 的不合理容 易造成强烈的 电磁 干 扰 ， 或者因移动部件的运动而拉断导线 ， 影响机床的正 常工作。 数控机床的液压和气动系统主要用米实现 自动换 刀所需的运动 ， 机床运动部件的平衡 ， 机床运动部件 的 制动和离合器的控制， 齿轮拨又换档等 ， 机床的润滑和 冷却 ， 机床防护罩和门的自动开关 ， 工作白的松开与夹 紧以及交换工作台的自动交换等动作， 火具的自动松 开与夹紧， 工件与工具的定位 和交换工作台的 自动 吹 屑清理定位等辅助运动。液压 、 气动系统是数控机床 的重要组成部分 ， 也是数控机床维修和维护的主要 内 容之一。液压 、 气动系统的缺 陷常表现为管路设计不 合理 、 密封不严等方面。 液压 、 气动系统设计 的不合理容易造成机床的可 靠性降低。特别是对于数控剪板 、 冲压类饥床来讲 ， 液 压 、 气动系统 的缺陷往往是致命的 ， 易造成机床功能无 法实现或者精度达不到设计标 准等 问题 ， 这样的机床 对用户来讲无疑是废机器 1台。 设计性缺陷对用户来讲通常是较难发现的， 这类 缺陷的出现往往需要较长的时间周期 ， 暴露时往往呈 现出批量的特征。这类故障的排除往往需要建立在对 机床的整体性能进行综合评定的基础上进行 ， 而机床 是 1 个有机的统一体， 任何局部细节的改变可能会影 响到整机的性能， 对用户来讲是非常困难的。随着数 等 i ‘‘平 删 控机床新产品的不断涌现 ， 其生产周期在不断地缩减 ， 这类故障也呈现出上升的趋势。设计类缺陷往往与机 床厂的设计生产能力 、 管理水平等因素有关 ， 机床生产 厂商应对此类故障负主要责任。 2 ． 2 用户使用不当造成的故障 维修的经验表明， 数控机床故障的很大一部分因 素与用户的不正确使用有关 。此类故障的原因主要体 现在以下 2个方面 1 恶劣使用环境引起的故障 数控机床是比较精密的自动控制设备， 安装时应 尽可能地避免灰尘大 、 易传导振动、 湿度大、 靠近热源 或者阳光直射 的地方。比如将常规数控机床与磨削类 机床混合排列 ， 磨床 的磨粒易造成机床导轨磨损 和电 路板短路损坏 。湿度高的环境往往易造成 电路板短 路 ， 特别是夏秋交替 的时节 ， 空气中湿度特别高 ， 这也 是数控机床故障的高发期 。电网质量差 以及强烈的电 子干扰也是此类故障的另一个重要的原因之一。我国 电网质量相对来讲还不是很高 ， 而许多如西 门子等数 控系统对电网质量要求较高。另外 ， 用户 车问电气设 备排布不合理 ， 大功率用 电设备易产生强烈 的电子干 扰 ， 会向空间辐射和向电网回馈高强度 的电磁波 ， 电磁 波会沿电源进线侵入数控设备 ， 易造成数控机床死机 、 蹿动甚至电器电子元件损坏。机床遭受热辐射易造成 导轨、 丝杠和主轴的变形 ， 使得加工精度下降。 所以， 用户在安装数控机床时应特别注意安装环 境对机床的影响 ， 如果环境无法避免则应考虑．ND l i 特 别的防护措施 。如灰尘大的场所要加强机床导轨和电 气柜的防护 ， 电气柜可选用全密封设计 。潮湿的环境 应多通风 ， 保持机床 经常处于开机状态 。对 于电网质 量和电子干扰的影响 ， 可增加相应 的稳压器 件和采取 相应的抗干扰措施。如果机床的附近有振动源 ， 可考 虑在机器周围设置避振措施。 2 用户错误 的使用方法引起的故障 这类故障一般来讲是 比较严重的故 障， 主要是 由 用户错误的操作和维护方法造成的， 其结果往往损坏 机床功能部件甚至造成重大人身伤害。如机床操作不 当造成撞车 、 加工时工件装卡不紧造成工件 飞出或者 移位 、 进刀量过大造成刀具损坏甚至主轴损坏。高速 旋转的动不平衡工件在机床上易引起 附加弯矩 ， 破坏 主轴等部件。机床维护人员未按机床维护的相关规定 进行机床维护也会造成机床严重故障。如机床缺少润 滑油可能会使机床磨损加剧甚至损坏关键部件， 机床 长期停机未进行定时开机维护可能会造成机床数据丢 失 ， 导轨防护不严可能会造成 导轨 面损伤使得机床移 一 ‘ul I 舅； q 动精度丧失 ， 电气控制柜长期处 于开 门状态 虽方便 了 调试和维护但是可能会造成电器元件 的触点因污染而 短路 ， 电动机防护不 良可能会造成灰尘或润滑液等侵 入 电动机造成相问短路或光 电编码器污损甚至造成机 床异动。另外 ， 维修人员的“ 二次破坏 ” 也会对机床造 成致命的故障。 3 设备或零部件的 自然损耗形成的故障 数控机床 由数 以干计 分离元器件组成 ， 每个部件 都会对数控机床的正常工作带来影响。而任何器件 、 零部件都是具有生命周期的， 随着时问的增加 ， 其使用 寿命在逐步减少 。如电池具有一定的使用期 限、 油液 会随时问而变质老化 、 电器元件会 随时间或动作次数 而逐步失效 、 机械移动部件会逐渐因磨损而损坏等等。 液压油的污染变质是数控机床液压系统故障的主 要原因之一 ， 它会造成阀芯堵塞 、 活塞泄漏等故障 ， 造 成机床误动作 ， 甚至会对机床产生更大的破坏 ； 电子元 件 的温漂 、 高压击穿 、 系统接插件松动、 接插头金属芯 表面氧化等是数控系统硬件故障的主要原 因之一； 相 互配合移动机械部件 问的磨 损会造成如轴承 、 导轨等 部件丧失精度 ， 影响机床加工性能。 维修经验表明 1 O年 以上床龄的数控机床此类故 障发生的概率较大。此类故 障的发生是不可避免 的， 只有通过 良好的机床维护才会延迟或避免故障的产 生 。 3 精益生产方式下的数控机床维修与维护管 理 常用的故障诊断方法有故障树法、 仪器诊断法以 及综合分析判断法等。现在数控机床维修人员主要工 作不再是“ 修复线路板” 的概念， 而是利用现有装备、 手段以及数控机床或系统制造商提供的各种监控或诊 断方法 ， 及时准确地判断 出故障类型， 确定维修方 向。 就数控机床电气系统的维修而言， 现在多数数控系统 均采用专用总线结构 、 专用大规模集成电路 、 专用伺服 驱动。所以， 目前机床电气故 障的维修主要是及时判 断出 C N C、 伺服及 P MC之间 的接 口电路 的故障点 ， 利 用最直接有效的渠道 ， 迅速买到备件 ， 正确更换备件并 恢复系统数据， 使 系统正常工作 。但是 在经验不是足 够丰富的情况下 ， 故障诊断时间较长， 这与精益制造的 主导思想是矛盾的。另外， 根据机床故障类型不同， 故 障的排除时间也不尽相同。精益生产方式下设备损坏 造成的生产暂停是一种严重的浪费， 是绝不允许的。 精益生产管理条件下， 要从数控机床的采购、 数控 机床的维护维修管理方法等多个方面人手 ， 避免产 生 管理技术 M a n clg in g S k ill 不必要 的浪费 。 数控机床采购时要选择质量、 售后服务有保证， 可 维护性高的产 品。并且使用时应制定合理 的数控设备 维护维修管理方法是减少故障维修 时问、 防止故 障发 生和实施精益生产的关键。 精益生产 管理对设 备提 出了全 面生产维 护的理 念。理想的全面生产维护是以建立对设备全寿命期进 行维护修理的系统 、全员参与 、建立小组 自主维护 和 以所涉及的相关部门为基础支撑起来的设备综合效率 最高的维修模式 。这样的维修模式对数控机床来说也 是适合的 ， 但是应当制定严格的维修界限 ， 将数控机床 的维修进行分类 ， 严格 限定各级人员的职责范围。比 如数控机床的一般性维护可 由操作人员参 与， 但是 机 床 内部故障的判断和排除应由专业 的维修维护人 员进 行 ， 否则很容易多机床造成“ 二次深度破坏 ” ， 会 给后 续的维护带来意想不到的困难 。 数控机床的全面维护包括机床的使用方针和机床 使用维护两个方面。要科 学而合理地使用数控机床 ， 防止设备的闲置 ， 提高其利用率。将数控机床 的操作 与管理和维护联系统一起来 ， 充分发挥 车间各类人员 的作用， 实现包括操作人员、 设备维修人员、 管理人员 等全员参与。对机床进行全系统与全寿命的管理抑制 机床故障率的增高和延 长机床的寿命期 ； 利用计算 、 监 控与网络技术 、 新型控制系统和新的管理思想与方法 ， 不断改进机床的维护与修理 。对数控机床易损坏的 、 自然寿命较短的功能部件， 应做特别的处理， 必要时应 备有备件 。 故 图4 数控机床故障的变化规律 图4为设备的维护对数控机床故障变化规律的影 响。图中的初期故障期是由于机床的设计、 制造、 装配 调整和初期的操作运行等因素引起的早期磨损造成 的。图中间的故障偶发期的故障主要是不当的操作与 维护、 变异等因素引起 的。此时的关键是正确 的管理 和维护 。它也是全面维护要运用的时期 。磨损故障期 是由于维护不当、 维护不到位或者不进行维护而造成 的提前老化和故障频发期。全面维护的工作 目标之一 是， 避免不当故障阶段的提前到来。如果它提前到来 就 只能提前 进行大修 、 中小修或者 只能停机 、 退 役报 废 。 维持数控机床正常运行 的必要条件 主要有 定期 维护保养 、 操作标准化 、 保证机床正常运行条件如运行 要求的温度和湿度 ； 制定和严格遵守机床操作规程 ； 进 行预防维护与修理 、 机床故障时及时进行故障维修 。 为有效地实施数控机床的全面维护必须扩大与机 床相关的各类作业人员的职责 ， 如 由操作 完成清扫 工作地与清洁机床 的职责； 在经过培训合格后授权 由 操作者维护保养 自己操作的数控机床 ； 建 立考核与奖 惩办法 ， 并严格执行精 益管理 的逐级汇报制度。这对 数控机床 的操作人员提出了更高 的要求 ， 必须培训设 备管理人员 、 技术人员 、 数控机床维修人员 -j 操人员学 习和运用新的知识与技术。 4 结语 数控机床涉及 的知识面宽 、 控制技术 复杂性决定 了其维修维护人员的综合素质要很高。所 以对用户来 讲 ， 其“ 维修难 ” 的问题将长期存在。精益牛产与管理 的理念是通过降低成本、 提高效率从而消除浪费获得 利润 ， 机床的故障停机就是浪费。如何对数控机床进 行合理的使用和维护， 如何提高机床维修的效率是精 益生产与管理需要长期摸索的问题。探索一条适合于 精益生产企业 自身 、 有效的维护维修途径是企业保证 精益生产管理落实的关键 。 参考文献 [ 1 ] 高云婷． 数控机床维修中系统置换技术 研究 [ J ] ． 饥眯 与液压 ， 2 0 0 7 9 2 5 4 - 2 5 5 ． [ 2 ] 李攀峰． 数控系统 P L C信息交换技术研究[ J ] ． 机『未r 器 ， 2 0 0 7 3 91 1 ． [ 3 ] 李攀峰． 数控机床维修中二次破坏 问题 探讨 [ J ] ． 设 衙管理 与维护 ， 2 0 0 7 6 2 0 - 2 1 ． [ 4 ] 夏庆观． 数控机床故障诊断 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 李金伴． 数控机床故障诊断与维修速查 手册[ M] ． 北京 化学工业 出 版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 王爱玲 ， 等 ． 现代数控机床 [ M] ． 2版 ． 北 京 国防 【k 出版社 ， 2 0 0 9 ． 第一作者 李攀峰， 男， 1 9 7 6年生， 讲 师， 在读博 士 ， 主要从事数控技 术教学和研究 ， 发表论 文 1 0篇 ， 专 著 2本。 编辑孙德茂 收稿 日期 2 0 1 O - 0 9 0 3 文章编号 1 1 0 4 3 2 如果您想发表对本文的看法． 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 LU釜 。‘ q