2017年5月23日

MDH80加工中心故障原因分析方法

故障原因分析方法3.2.1故障樹分析法故障樹分析法又叫FTA分析法，是一種分析故障原因的方法。FTA是Fault Tree Analysis的縮寫。FTA與FMECA兩者之間有很多異同點。FMECA是自下而上的邏輯歸納法，而FTA是自上而下的邏輯演繹法[41]。FMECA從故障模式中分析出故障后果，而FTA從故障后果分析出故障原因。FMECA通常針對的是單個故障分別分析，而FTA 則更加系統。在做完FMECA后再完成FTA就可以比較完善地分析加工中心各個子系統的故障。FTA首先是由美國貝爾實驗室在1962年提出的，目前它己經應用到許多工程領域中了。故障樹分析法的作用：(1)FTA能夠幫助加工中心的使用人員更清晰的了解各個部件之間的聯系[42]。(2)利用FTA可以幫助查清每個微小故障對系統的影響，了解故障的傳播途徑，避免重復性的檢查。(3)因為其直觀性，FTA可以被認為是一種維修指導方案，可以節省大量的培訓時間和費用。(4)FTA可以在全壽命周期中任何階段都使用，它可以幫助設計人員對系統有更深入的認識，在設計階段就發現問題，從而提高加工中心的可靠性。(5)FTA也可以用來定量分析以確定頂層事件的發生概率等可靠性參數，為改善系統可靠性提供了定量的數據。(6)FTA具有很大的靈活性，利用FTA不僅僅可以分析出機械電子等故障原因造成的影響，還可以看出哪些地方會發生由人為和環境因素造成的故障，能夠幫助車間管理人員制定管理方案。(7)用FMECA分析故障原因的局限是它是一種單因素定性分析法，而FTA可以對各個故障事件的多因素組合和多層次邏輯關系進行分析。3.2.2故障樹建圖規則故障樹的建立基礎是對加工中心的設計結構、故障模式、故障現象有了全面的了解。同時要與加工中心的維修人員探討故障原因，不可以憑空想象。FTA是一種圖形演繹法，對特定故障現象層層深入分析。而故障樹分析中最重要的一步就是建樹。建樹的順序是從上而下，逐層建樹，不可跳級，故障樹之間各種事件的邏輯關系必須嚴密合理。故障樹里包含的內容主要是事件和邏輯門，下面對本次建樹時用的所有故障樹事件和邏輯門做說明：(1)頂事件：是邏輯門輸出事件，這里表示某子系統發生了故障。(2)中間事件：既是邏輯門輸入也是輸出，這里表示既可以分析產生該事件的原因，也可以得出它引發的結果。(3)底事件：只能是邏輯門輸入，這里表示無需再分析其產生原因，或者它本身就是故障最基本的原因。(4)未探明事件：表示無法分析其原因或不需要進一步分析原因的事件。(5)邏輯或門：表示輸入事件至少發生一個時，輸出事件才發生。在建立故障樹時，這些事件和邏輯門需要用符號來表示。表3.3列出了表示這些事件和邏輯門的符號。本文規定各個子系統的頂事件都是該子系統發生了故障，不能正常工作。這些頂事件都用代號表示，每個子系統對應的代號顯示在表3.4中。表3. 4子系統代號Tab. 3.4 Code of subsystems 代號子系統代號子系統 w 工件傳輸系統 P 機床防護及基礎件 c 控制電氣系統 H 液壓氣動系統. J 夾具系統 S 主軸系統 T 刀具系統 R 冷卻排屑及除塵除霧系統 F 進給系統 L 集中潤滑系統將第一層中間事件的代號設置為YA01、YA02等。Y即子系統的代號，A代表第 —層中間事件，比如工件傳輸系統的第一層中間事件為WA01、WA02等。以此類推，第二層中間事件代號為YB01等，第三層中間事件代號為YC01等，直到達到了底事件。每一個底事件代號設置為YX01等，每一個未探明事件代號設置為YW01等。每個事件的代號只是為了方便畫出故障樹圖形，每一個事件代號所代表的意義都需要寫清楚，所有故障事件都必須嚴格定義。每一個故障樹之中的都包含很多的故障現象，有一些故障現象的原因是相同的，這被稱為共因事件。對于故障樹中的共因事件應該采用同一個事件符號。一個完整的故障樹很復雜，在建樹時要盡量避免出現疏漏。建立故障樹模型之前要做好故障模式分析，只有確定了所有的故障模式，才能不遺漏中間事件和底事件。因此在建立故障樹時，需要參考各個子系統的FMECA故障模式分析表[43]，即本章的表3.2。在此基礎上分析出引起頂事件發生的所有中間事件作為輸入，之后像分析頂事件一樣再逐層分析直到不能分解，每一層的分析都要徹底結束后再分析下一層以避免遺漏。因此, 可以總結出故障樹的建樹流程，如圖3.3所示。3.3各子系統故障原因分析及改進本節利用故障模式分析出的結果對各個子系統做了故障樹分析圖，并利用故障樹來分析MDH80加工中心各個子系統的故障原因，同時針對故障以及一些安全隱患提出了改進措施。3.3.1工件傳輸系統故障原因分析及改進措施圖3.4是工件傳輸系統的故障樹圖，表3.5列出了工件傳輸系統中各個事件所代表的意義。表3. 5工件傳輸系統故障樹各事件的意義 Tab. 3.5 Meanings of all codes in fault tree of work-piece transmission subsystem 代號意義代號意義 W 工件傳輸系統故障 WA01 機械手故障 WA02 滾道不動 WB01 機械手受到撞擊 WB02 機械手移位超程 WB03 機械手抓錯料 WB04 機械手不動作 WB05 卡料 WB06 機械手失調 WB07 機械手誤報警 WB08 感應失效 WC01 機械手撞滾道 WC02 機械手撞工件 WX01 滾道安裝不合理 WX02 機械手與夾具之間位置需調整 WX03 夾具信號與機械手信號之間程序邏輯不完善 WX04 缺少保護程序 WX05 機械手驅動器及控制單元有故障 WX06 機械手控制程序不合理 WX07 信號丟失 WX08 信息對接故障 WX09 元器件功能喪失 WX10 與前后工序有沖突 WX11 傳感器不能正常工作從工件傳輸系統的故障樹中可以看到，絕大多數故障是由程序不合理或信號不到位引起的。因此對于工件傳輸系統的故障解決方案關鍵在于改善程序。因為每個桁架機械手可能同時為兩個到四個加工中心服務，如果生產正常運行，機械手不會出現程序上的故障。但是當某臺加工中心停產或突然發生故障不能工作時，機械手的控制程序就可能不能識別這些突發情況，導致機械手不能完成正確的動作。如果某些信號開關失靈或者損壞，機械手控制系統也沒有完善的熱保護程序。這就需要在程序設計階段就研宄機械手可能遇到的每一種突發情況，為每一種突發狀況都制定相應的保護程序以避免出現重大程序漏洞。機械手在搬運工件過程中可能會在抓料時與工件碰撞，在放工件時與滾道碰撞，這類碰撞故障會對機械手有較大的損壞，需要立即解決。因此要根據故障樹分析出的故障原因，完善程序，對不合理的機械結構做調整。滾道故障是生產線上經常發生的故障，它會影響到加工中心的生產節拍。其產生原因主要是毛坯件不規范而卡在滾道上，或者接近傳感器出現故障。接近傳感器的原理是如果有金屬在傳感器探測頭前一定距離內通過，傳感器就會給控制系統發出信號，進而控制滾道繼續運行。但是因為滾道寬度比工件寬度寬很多，有時實際的安裝距離未達到設計標準，就會產生許多錯誤信號。有時因為對接近傳感器的保護不到位，經常會有鐵屑沾到接近傳感器上，這樣傳感器也會傳出錯誤信號。工件被放到滾道的過程中也容易發生碰撞到傳感器的現象。因此滾道的傳感器上也應該加上傳感器保護裝置，并對不合理的傳感器裝配做調整?？傊?，完善程序和加強對滾道上傳感器的維護和管理是改進工件傳輸系統可靠性的重要措施。3.3.2控制電氣系統故障原因分析及改進措施圖3.5是控制電氣系統的故障樹圖，表3.6列出了控制電氣系統.中各個事件所代表的意義。表3. 6控制電氣系統故障樹各事件的意義 Tab. 3.6 Meanings of all codes in fault tree of CNC subsystem 代號意義代號意義 c 控制電氣故障 CA01 機床不動作 CA02 CNC控制器故障 CA03 電氣信號不到位 CA04 誤報警 CB01 機床不能啟動 CB02 機床停止運行 CX01 元器件損壞 CX02 電纜線路損壞 CX03 開關上有鐵屑 CX04 開關松動 CX05 程序不完善 CX06 開關位置有偏差 CX07 元器件失靈 CX08 CNC參數錯 CX09 壓力繼電器故障控制電氣系統相當于一臺加工中心的大腦，控制電氣系統出現問題會直接導致加工中心無法完成自動化運行?？刂齐姎庀到y的主要故障有機床不動作、CNC控制器故障、電氣信號不到位、元器件損壞、誤報警等?？刂葡到y的程序也需要完善，對一些微小的程序錯誤要做及時的修改。如果一臺MDH80加工中心出現了程序問題，就要檢查其他加工中心的程序是否也出現了同樣錯誤。程序錯誤雖然不能對加工中心產生較大的損傷，但是它會造成加工中心停止運行，如果排查故障時間過長就會影響生產節拍。信號不到位主要是由信號開關故障引起的，對發生故障的信號開關應做調整或重新裝配。在控制電氣系統中，外購元器件出現的故障比例較高，約占該子系統故障的35.3%。對此，一方面要對外購件進行質量檢測，另一方面要加強對電氣元器件的維護。根據車間工人以往的經驗，如果管路、線路等裝配比較混亂就容易產生相互摩擦，導致電氣線路壽命減少；而且各種電纜線路太接近，在絕緣皮老化后也容易造成比較嚴重的安全隱患。因此電氣線路要設計成一個比較安全、合理、使用方便的結構。針對控制電氣系統維修時遇到的困難，本文也提出了一些改進建議：將各個電子元器件都要貼上標識，標明其用途和電氣地址號，以方便排查故障；將英文的操作界面、電氣標識都盡量改成中文，防止加工中心使用人員誤操作。3.3.3夾具系統故障原因分析及改進措施圖3.6是夾具系統的故障樹圖，表3.7列出了夾具系統中各個事件所代表的意義。表3. 7夾具系統故障樹各事件的意義 Tab. 3.7 Meanings of all codes in fault tree of fixture subsystem 代號意義代號意義 J 夾具系統故障 JA01 夾具松開 JA02 夾具受撞擊 JA03 夾具傳感器信號丟失 JA04 夾具系統誤報警 JA05 氣檢不合格 JB01 機械手放工件同時裝夾具 JX01 元器件損壞 JX02 零件損壞 JX03 壓力繼電器有問題 JX04 夾具程序有問題 JX05 沒有夾具夾爪到位監控 JX06 安裝松動 JX07 判斷時間延時參數錯 JX08 氣檢值錯誤 JX09 工件本身不合格 JX10 裝工件時有液體通過查看夾具系統FTA圖，可以發現，夾具系統發生的主要故障為夾具松開、夾具受撞擊、信號丟失、氣檢故障、和元器件、零部件損壞等。夾具松開主要是因為壓力繼電器出問題、夾具程序有問題。當把工件放到夾具上時，如果放工件的同時也裝夾具，工件就會撞到夾具夾爪上，這對夾具的損壞會非常大，為了避免這類故障還會發生，夾具系統應該増加夾爪到位監控系統。氣檢故障是夾具系統的重點問題，因為雖然氣檢不合格對機床和工件不會造成重大的損壞，但會嚴重影響生產效率。氣檢就是在夾具下通一個氣管，靠氣體流動的壓力來判斷夾具和工件之間的間隙的大小，進而判斷工件是否被準確的裝在夾具上了。造成氣檢不合格的原因有三點：第一，氣檢值選擇的不合理，因為工件與夾具之間的縫隙過小，所以縫隙稍微改變就會造成很大的壓力誤差，隨著生產的繼續進行，憑經驗找到合適的氣檢值，這類故障就會減少，同時也可以通過在標準件下墊墊片和氣檢試驗塊等方式檢測出合適的氣檢值；第二，工件本身不合格，如果工件在之前工序中的加工精度未達到要求，就會造成氣檢不合格；第三，工件上有水或油，水和油會堵塞氣檢孔，但是這類故障主要是因為操作管理不當引起的，可以避免。夾具系統因為直接與工件接觸，所以如果機械手把工件放在夾具的過程中出現故障就會造成有些元器件、零部件受到沖擊而損傷。因為夾具系統發生過零部件、元器件損壞的故障，因此要對這些容易損壞的部件加強管理和維護。3.3.4刀庫系統故障原因分析及改進措施圖3.7是刀庫系統的故障樹圖，表3.8列出了刀庫系統中各個事件所代表的意義。表3. 8刀庫系統故障樹各事件的意義 Tab. 3.8 Meanings of all codes in fault tree of tool maga2dne subsystem 代號意義代號意義 T 刀庫系統發生故障 TA02 刀庫故障 TA01 刀檢故障 TB01 刀檢誤報警 TB02 刀檢失調 TB03 刀庫不換刀 TB04 刀庫掉刀 TC01 傳感器信號傳輸故障 TX01 傳感器本身可靠性差 TX02 傳感器安裝位置錯 TX03 刀檢值錯誤 TX04 刀檢程序不合理 TX05 24V電壓有故障 TX06 刀庫抓手不牢 TX07 刀庫程序參數錯刀庫系統的故障主要分為兩個部分，刀庫故障和刀檢故障。刀庫故障主要包括刀庫不能換刀和刀庫掉刀，這主要是因為刀庫的控制程序或電氣設備出現問題、完善程序和維護電氣設備的穩定性是保護刀庫的重要措施。刀庫系統存在一定的安全隱患，應該添加保護工作人員安全的裝置，比如刀庫門被打開時應該傳出刀庫停止轉動信號，防止刀庫門打開時刀庫鏈仍能旋轉造成對維修人員的傷害。在加工中心運行初期，刀檢故障出現的比較多。刀檢的工作原理是刀尖如果在傳感器的檢測范圍內，傳感器就會傳出一個信號，但是如果沒有接收到信號就說明刀具己經斷了。一臺加工中心至少有二十到三十把刀，包括銑刀、鉆刀、攻絲等等。因此一臺加工中心的各把刀長短都會不同，甚至差異很大。而刀檢傳感器并不會因為每把刀的長短不同而作位置上的調整。因此如果刀檢傳感器的位置不合理就會發出錯誤的信號，比如刀具沒斷但沒檢測到刀具就會產生誤報警，嚴重的會導致檢測系統程序失調而不能正常檢測。因此，調整好刀檢傳感器的位置，并保證傳感器本身的可靠性是解決刀檢故障的重點。3.3.5進給系統故障原因分析及改進措施圖3.8是進給系統的故障樹圖，表3.9列出了進給系統中各個事件所代表的意義。表3, 9進給系統故障樹各事件的意義 Tab. 3.9 Meanings of all codes in fault tree of feeding subsystem 代號意義代號意義 F 進給子系統發生故障 FA01 回轉臺故障 FA02 Z軸移位超程 FB01 回轉臺損壞 PB02 回轉臺不動 FX01 回轉臺裝配有問題 FX02 外購件本身可靠性差 FX03 程序內信號地址錯誤 FX04 位置開關安裝位置錯誤 FX05 元器件功能喪失 FX06 傳動系統本身有誤差等機械問題 FX07 驅動器及其控制單元有故障 FW01 不注意保養回轉臺進給系統的故障主要集中在Z軸和回轉臺上。Z軸故障主要就是移位超程，它的表現形式是軸實際已經超程，引起限位開關有動作而產生報警，但是它也可能是程序或信號傳輸錯誤引起的錯誤報警。在排除這類故障時要對進給系統的機械傳動機構和軟件、驅動器等控制機構同時檢查[44]?；剞D臺故障主要是回轉臺裝配出現問題，或回轉臺不動。回轉臺不動是因為回轉臺的信號開關位置錯誤或信號程序地址錯誤引起的回轉臺與控制系統之間的信號傳輸出現問題。完善信號傳輸線路是減少回轉臺故障的重要措施。同時回轉臺是一個外購件，在考察過程中發現有回轉臺損壞的現象。加工中心使用人員要主要保養這些重要設備，同時提醒加工中心制造廠家要在購買外購件時要加強對它的性能測試。3.3.6機床防護及基礎件系統故障原因分析及改進措施圖3.9是機床防護及基礎件系統的故障樹圖，表3.10列出了機床防護及基礎件系統中各個事件所代表的意義。表3.10機床防護及基礎件系統故障樹各事件的意義 Tab. 3.10 Meanings of all codes in fault tree of protection subsystem 代號意義代號意義 P 機床防護及基礎件發生故障 PA01 頂門開啟故障 PA02 機床無法暖機 PA03 防護部件缺失 PA04 空調故障 PB01 頂門信號不到位 PB02 空調門未關 PX01 氣缸連接處松動 PX02 門鎖位置松動 PX03 信號開關松動 PX04 信號開關失靈 PX05 門鎖位置錯誤 PX06 零部件損壞 PW01 加工裝配失誤 PW02 操作失誤機床防護及基礎件的地位十分重要，因為如果這方面發生嚴重故障將會直接影響到加工中心的壽命和使用人員的安全。機床防護方面的故障主要是頂門開啟故障。造成頂門開啟故障的原因就是門鎖門銷、氣缸連接處等部位連接不牢，也可能是信號開關松動或失靈導致傳輸不到信號。因為誤操作造成的故障也出現在該系統中，管理者應該加強管理。加工中心的很多關鍵部件都被包裹在加工中心的防護系統之中，而這些部件也是檢查和維修的重點部位，因此為了方便拆裝和維修這些內部設備，應該在一些關鍵的地方添加維修門。3.3. 7液壓氣動系統故障原因分析及改進措施液壓氣動系統的主要故障有：油泵壓力失調、接頭松動、零部件或元器件損壞、氣壓信號不到位。該系統的故障有57%是裝配責任，剩下43%是因為外購件出了問題。因此對于液壓氣動系統要加強裝配時的管理，和對管道的維護。每個管路上都應該加上明顯的標牌，每個與液壓和氣壓有關的元器件都應該添加壓力標識，以方便維修和管理。3.3.8主軸系統故障原因分析及改進措施圖3.10是主軸系統的故障樹圖，表3.11列出了主軸系統中各個事件所代表的意義。表3.11主軸系統故障樹各事件的意義 Tab. 3. U . Meanings of all codes in fault tree of spindle subsystem S 主軸系統有問題 SA01 主軸內冷線路斷 SA02 加工的產品精度有問題 SB01 機床水平有走動 SB02 刀具切削方案不完善 SX01 程序出錯 SX02 裝刀不牢 SX03 主軸本身有振動 SX04 夾具定位不準，導致與主軸相對位置不正確 SX05 地腳螺栓松動 SX06 刀具本身結構有問題 SX07 較長的刀具在切削時刀尖頭部晃動過大 SX08 切削參數和走刀路線不合適 SX09 運輸時有劃傷主軸系統是影響加工中心加工精度的最重要結構。影響加工精度的原因有很多，本文通過故障樹分析法將所有影響工件加工精度的原因都歸于主軸系統以便于維修人員制定故障排查方案。圖3.10和表3.11中列出了影響MDH80加工中心精度的可能原因。維修人員要對其一一排查。主軸系統內部要定期做振動檢測。對于容易出問題的刀具要重新制定切削方案。同時還要排查所有與精度有關的非主軸系統故障因素。在工件運輸時要避免出現磕碰劃傷等問題。3.3.9冷卻排屑除塵除霧系統故障原因分析及改進措施圖3.11是工件傳輸系統的故障樹圖，表3.12列出了工件傳輸系統中各個事件所代表的意義。表3.12冷卻排屑除塵除霧系統故障樹各事件的意義Tab. 3.12 Meanings of all codes in fault tree of cooling and chip removal subsystem 代號意義代號意義 R 冷卻排屑除塵除霧系統故障 RA01 過濾器濾芯堵塞 RA02 冷卻壓力失調 RA03 積攢鐵屑 RB01 沖屑裝置設計不合理 RX01 液體接頭松動 RX02 反沖器沖力不夠 RX03 未能及時清理 RX04 沖屑流量設置不合理 RX05 沖屑角度選擇不合理 RW01 誤操作冷卻排屑除塵除霧系統的故障總數雖然不多，但是故障模式種類卻很多，雖然都不是很嚴重的故障，但是卻暴露了加工中心制造和管理上的一些問題。比如過濾器的定期清理沒做到位或反沖器沖力不夠，導致了過濾器的濾芯堵塞。連接件松動表明在裝配后未檢查仔細。因為加工中心的設計不合理，導致有的地方積攢了鐵屑。在同一條生產線上不僅有本次研宄用的國產加工中心還有一些國產專機和進口的加工中心。其中進口加工中心對一些關鍵傳感器做了保護，防止沖洗鐵屑時濺到這些元器件上而產生錯誤信號。而國產加工中心和專機在這方面做得不好，特別是國產專機。國產專機在沖屑時由于沖屑流量不合理或沖洗角度的不合理會導致液體在射到防護板后反射到防護板外面，造成機床漏水，而且鐵屑也可能被沖到一些狹小的縫隙中或元器件上，還需要人工清理。MDH80 加工中心設計人員可以學習進口加工中心對細節的處理，吸取國產專機設計上失誤的教訓，以提高在細節方面的設計水平。為了防止上排系統出現故障隱患，維修人員在維修后要及時清理切削液中的雜物，比如斷刀、維修時用的手套等，以防止這些雜物被吸入上排系統，導致上排系統堵塞。3.3.10集中潤滑系統故障原因分析及改進措施集中潤滑系統的故障較少，主要就是潤滑油壓力不足。而且該系統所需的維修時間很短，只要及時檢查潤滑油泵就能排除。3.3.11故障原因總結通過上述對各個子系統的故障原因分析可以看出，大部分故障是由于設計不合理或裝配不合格引起的，符合加工中心處于早期失效期的特點。對于結構和程序設計不合理之處，設計人員應該盡快提出改進方案。對于一些容易出現問題的元器件要重新檢查其性能和裝配是否牢靠。對于容易出現誤操作的地方要加強監督和管理。大部分系統中都有一些故障隱患，雖然暫時沒有出現故障，但也要在早期失效期內將這些隱患都解除。維修人員要根據故障樹分析法分析出的故障原因，事先制定好故障排查方案，以減少故障維修時間，提高加工中心生產效率。因此利用故障樹來分析MDH80加工中心的故障原因，對于加快加工中心渡過早期失效期和優化維修管理策略具有很大的作用。3.4本章小結本章利用FMECA法，總結了發生在MDH80加工中心上的所有的故障模式，并將這些故障模式分為了六類。其中功能型和狀態型故障模式所占的比例都超過了 30%，應該加強注意。對各類故障模式可能造成的影響進行了分析。介紹了 FMECA中的CAS 量分析法，并計算出了每個故障模式和各子系統對加工中心的危害度。列出了需要重點解決的13個故障模式。通過比較各子系統的故障危害度和故障頻率，可以得出結論：維修人員在制定維修策略時應該以故障危害度的大小作為參考，而不是故障頻率。本章也總結了建立加工中心故障樹的規則和作用，并根據各個子系統的特點和故障模式建立了各個子系統的故障樹。根據各子系統的故障樹，本章針對各個子系統的故障和存在的隱患提出了改進措施，為加快MDH80加工中心渡過早期失效期并優化維修管理策略提供了依據。

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