基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于评估加工中心刀库机械手可靠性水平的实验室可靠性试验 方法，更确切地说，本发明涉及一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验 方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国机械行业水平的不断提高，国产加工中心在汽车、航空航天、精密模具等 行业内应用越来越广泛。但随着加工中心功能的增加和性能指标的提高，其故障隐患也逐 渐增多，可靠性问题愈发严重，已成为制约国产加工中心占领市场的一个重要因素。大量故 障数据的统计分析表明，国产加工中心可靠性偏低的主要原因之一是其关键功能部件的可 靠性水平较低，而作为加工中心关键功能部件之一的刀库机械手，是加工中心所有功能部 件中故障频率较高的部件之一。因此进行加工中心刀库机械手可靠性试验，暴露和激发刀 库机械手的故障，不仅为其自身可靠性增长及可靠性评估提供了实用的基础数据，对于提 高加工中心整机的可靠性水平也具有重要的实际意义。
[0003] 我国关于数控机床关键功能部件可靠性试验的研宄起步较晚，目前虽然研制开发 了一些能够对刀库机械手进行可靠性试验的试验装置，但缺乏完善的、能够尽量模拟真实 工况的刀库机械手实验室可靠性试验方法。目前的试验方法主要根据受试刀库的出厂性能 指标要求，对其进行简单的最大刀重、最大刀长、最大偏心矩换刀试验，即使进行一定时间 内的随机换刀试验，但试验当中并未考虑刀盘负荷（插刀数量和重量）、刀具选配、试验时 间（总的换刀次数）等可靠性试验必备的特征信息，试验过程更倾向于刀库机械手的性能 试验，而不能称其为可靠性试验，故试验产生的故障数据往往也不能用于可靠性评估。刀 库机械手作为一个复杂的可修复系统，对其进行实验室可靠性试验时必须具备两个前提条 件：一是试验不能改变系统的故障模式，二是试验不能改变系统的故障机理，这就要求其可 靠性试验的试验装置和试验方法应该能尽量模拟刀库机械手的实际工况。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于现场载荷特征的加工 中心刀库机械手可靠性试验方法，其能够模拟真实工况，依据加工中心刀库机械手用户现 场的广义工作载荷（插刀重量-刀柄和刀具总重、插刀长度-刀柄和刀具总长度、换刀次数 及换刀频率等）数据，通过统计分析，确定刀库机械手实验室可靠性试验时的模拟载荷施 加策略和可靠性试验流程，为准确、快速评价加工中心刀库机械手的可靠性水平提供了一 种行之有效的方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下方案实现的：
[0006] 一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一、现场数据采集，指试验单位采集并记录加工中心用户在使用加工中心过 程中刀盘/刀仓的数据，每一目标刀库至少包括：目标刀库机械手名称、每天工作时间、统 计天数、实际插刀数量、工件日产量、单次装夹换刀次数、单次装夹加工工件数、该刀具换刀 次数；
[0008] 步骤二、数据处理过程，包括：
[0009] 1)实际工况下刀库机械手平均换刀频率a与平均故障间隔换刀次数MTBFn计算： 根据上述步骤一现场采集的刀库信息计算平均换刀频率a，将预期的平均故障间隔工作时 间MTBFt转换为平均故障间隔工作次数MTBF n;
[0010] 2)刀盘/刀仓插刀总重量吣的统计分布模型的建立：根据上述步骤一现场采集的 刀库信息整理出每个目标刀库机械手刀盘/刀仓的插刀总重量吣，将每个目标刀库机械手 刀盘/刀仓的插刀总重量吣分成多个刀盘/刀仓插刀总重量重量级，将所有统计的刀盘/ 刀仓插刀总重量分配到所属的刀盘/刀仓插刀总重量重量级中，并计算每个刀盘/刀仓插 刀总重量重量级可靠性试验时的换刀次数；
[0011] 3)刀盘/刀仓每个重量级可靠性试验时的平均插刀数的确定：统计出某一重 量级内每个刀库的插刀数量与相应的采集时间，由此计算出对该刀库重量级进行可靠性试 验时需要插的刀具数量；
[0012] 4)每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型的建立：根据上述步骤一现场采集的数 据及步骤2)所划分的重量级，建立每个重量级刀盘/刀仓的插刀分布模型，记录每个重量 级刀盘/刀仓的插刀重量、插刀长度、统计周期内该刀具换刀次数；
[0013] 5)试验时所需选配的配重块参数的计算：根据上述步骤4)建立的每个重量级刀 盘/刀仓的插刀分布模型，给每个重量级刀盘/刀仓的插刀重量及插刀长度分别划分重量 级区间及长度区间，并依据划分的区间选取配重块；
[0014] 6)试验时每个配重块需进行换刀的次数的计算：由上述步骤5)选取的配重块参 数信息，根据步骤4)中每个刀库重量级的刀具长度、重量分布，得到每个配重块在此分布 中对应的换刀次数及该配重块换刀次数在该重量级配重块换刀次数的占比，即求出每个配 重块的需进行换刀的次数；
[0015] 步骤三、实验室可靠性试验，采用定时截尾试验方法进行加工中心刀库机械手可 靠性试验，试验停止条件为每把模拟刀具均达到其需进行换刀的次数。
[0016] 本发明所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，步 骤二数据处理过程中步骤1)实际工况下刀库机械手平均换刀频率a与平均故障间隔换刀 次数MTBFjf算具体过程为：
[0017] 1. 1)计算采集数据中所有目标刀库机械手总工作时间T，单位：h
[0018] T = E Tj
[0019] Tj= T idXdi
[0020] 其中：
[0021] 一一凡为统计周期内第i个目标刀库机械手的总工作时间，单位：h ;
[0022] -一Tid为统计周期内第i个目标刀库机械手每天的工作时间单位：h ;
[0023] --屯为统计周期内第i个目标刀库机械手的统计天数；
[0024] 1. 2)计算总工作时间T对应的总的换刀次数N，单位：次
[0025] 队=(mXQX d J / 入
[0026] N = E Nj
[0027] 其中：
[0028] --Q为统计周期内目标刀库机械手加工工件的日产量，单位：件；
[0029] --m为统计周期内目标刀库机械手单次装夹换刀次数，单位：次；
[0030] -一屯为统计周期内目标刀库机械手的工作天数，单位：天；
[0031] --A为统计周期内目标刀库机械手在每次加工过程中同时加工的工件个数，单 位：件；
[0032] --队为统计周期内第i个目标刀库机械手总的换刀次数，单位：次；
[0033]1. 3)计算统计周期内所有目标刀库机械手的平均换刀频率a，单位：次/h
[0034] a = N/T
[0035] 1. 4)将预期平均故障间隔工作时间MTBFt (单位：h)转化为平均故障间隔工作次 数MTBFn，单位：次。
[0036] MTBFn= MTBF t X a
[0037] 本发明所述的一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，步 骤二数据处理过程中步骤2)刀盘/刀仓插刀总重量％的统计分布模型的建立具体包括以 下过程：
[0038]2. 1)目标刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量吣数据统计
[0039] 根据所述步骤一现场采集的刀库信息整理出每个目标刀库机械手刀盘/刀仓的 插刀总重量吣，单位：kg，并至少对目标刀库名称、对应的插刀总重量吣和总工作时间T 1进 行汇总；
[0040] 2. 2)建立目标刀库机械手刀盘/刀仓插刀总重量Mi的统计分布
[0041] 根据上述步骤2. 1)的汇总结果，找到插刀总重量吣的最大值11_与最小值Mmin， 由此建立插刀总重量区间[]?_，]?_];
[0042] 将总重量区间[Mmin，M_]按以下方法等分为K个子区间，每个子区间代表一个刀 盘/刀仓插刀总重量重量级：
[0043] I子区间个数K由斯特奇斯（Sturges)经验公式
【主权项】
1. 一种基于现场载荷特征的加工中心刀库机械手可靠性试验方法，包括以下步骤： 步骤一、现场数据采集，指试验单位采集并记录加工中心用户在使用加工中心过程中 刀盘/刀仓的数据，每一目标刀库至少包括：目标刀库机械手名称、每天工作时间、统计天 数、实际插刀数量、工件日产量、单次装夹换刀次数、单次装夹加工工件数、该刀具换刀次 数； 步骤二、数据处理过程，包括： 1) 实际工况下刀库机械手平均换刀频率a与平均故障间隔换刀次数MTBFJf算：根 据上述步骤一现场采集的刀库信息计算平均换刀频率a，将预期的平均故障间隔工作时间 MTBF t转换为平均故障间隔工作次数MTBF n; 2) 刀盘/刀仓插刀总重量吣的统计分布模型的建立：根据上述步骤一现场采集的刀库 信息整理出每个目标刀库机械手刀盘/刀仓的插刀总重量M i,将每个目标刀库机械手刀盘 /刀仓的插刀总重量Mi分成多个刀盘/刀仓插刀