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數控機床可維修性設計及其
關鍵技術研究
摘要]故障作為隨機事件是不可避免的,而可靠性設計從某種意義上講又是靠大量的可靠性測量
分析與儲備。為此人們在設計中,在對關鍵的零部件進行適當的可靠性儲備的同時,應更多地注重於產
品的可維修性設計,可維修性設計雖然會使成本有所增加,但較之在產品開始產生之後,再對設計進行
修改而帶來的經濟損失和聲譽損失,仍然是相當經濟的。本文重點從設計措施入手研究提高數控設備
維修性的新途徑,使數控產品的故障診斷和維修既方便又快捷,並在此基礎分析冗餘設計的維修性設計
技術。
[關鍵詞]數控機床;可維修性設計;設計准則;技術分析;冗餘設計
設計質量對於產品而言至關重要,而以最少的成本獲
得高質量的產品已經成為當今產品設計的主要追求。可維
修性設計就是其中一個非常重要的內容,可維修性設計就
是把維修性納入產品設計過程,通過設計與驗證實現維修
性要求,這不僅是提高產品質量水平的客觀需要,也是用戶
的迫切需求。因為一件產品的維修工作越簡單,那麼它對
顧客的吸引力也就越大。
隨著數控技術的發展,設計人員在產品設計中引入了
大量的電子技術元件,這一方面改善了數控產品的性能,而
另一方面給產品的可靠性設計也帶來了新問題。因為故障
作為隨機事件是不可避免的,而可靠性設計從某種意義上
講又是靠大量的可靠性測量分析與儲備。為此人們在設計
中,在對關鍵的零部件進行適當的可靠性儲備的同時,應更
多地注重於產品的可維修性設計,使產品的故障診斷和維
修既方便又快捷。
1維修性方案
人們現在所關心的已不僅僅是產品的初始性能,而是
產品在整個生命周期中的性能變化。而產品的使用性能受
到其使用方法的影響。因此一方面,我們需要知道產品是
如何被使用的,這些信息可以從它的前代產品中得到。另
一方面,設計者在設計時可以採取一定措施來改變產品將
來被使用以及維修的方式。例如,設計者需要判斷那種零
件更加耐磨,以及零件的替換方式等等,這些都將直接關系
到產品的拆卸性能、維修性能。因此我們需要做的不僅僅
是預測產品或部件的故障發生率,則是要求以最少的操作
和成本完成一件產品或一個系統的維修工作。現在,製造
商們已經意識在產品設計和製造過程中考慮產品的可維
修性。
現代設計的數控設備不僅要功能佳,而且也要使用、維
修方便,這樣整台設備的綜合效率才高。在產品論證、方案
設計時,設計者要有現代設計意識,採用並行工程的原理,
考慮到從產品概念到投入使用過程中的整個壽命周期中所
有的因素,包括設計、製造、安裝、調試、使用、維修等階段。
因此,設計者在產品設計建模時,就應當考慮到產品拆卸的
可能性及修理的結構工藝性,整台設備不能有不可到達的
死角,所有部件盡量採用快速解脫裝置,以便拆裝。
2維修性設計與分析
2. 1可達性設計
可達性就是在進行設備維修、更換時,能夠方便地接近
維修部位和進行維修作業,是一種設計布局與裝配特性。
可達性又分為:安裝場所可達性;設備外部可達性;內部可
達性三類。良好的可達性,能減少維修牽連和差錯,使維修
作業方便舒適。在進行可達性設計過程中,可以重點從以
下幾個方面去把握:
(1)所有的零部件都應在不拆卸其他零部件的情況下
也能直接看到或碰到; (2)更換零部件時間:為了縮短更換
零部件的時間,從布局觀點應考慮,把故障出現頻數多的零
部件、更換時間長的零部件,放在可達性好的部位; (3)零
部件的尺寸與質量:對於大的、重的零部件等,在布局時應
考慮盡可能放置在開口部分近旁;並且在更換時不致損壞
其他零部件的部位; (4)診斷的難易:機器內零部件配置應
多考慮進行診斷的程序,即維修人員一邊直接檢查零部件,
一邊判定故障位置。一般來說,零部件的配置方法可分為
下面四類:A標准配置:配置零部件時,要考慮其重量、熱分
布、工作性能等方面,也要考慮其強度、耐久性和製造工藝
性,但對下述方法不作考慮; B零部件的分類配置:把同類
的結構單元、零部件(例如繼電器)等安裝在一起,這種方
法對定期的預防維修(定期檢果、定期更換等)是方便的; C
電路的分類配置:這是電子設備中常用的一種方法,它是把
由多個零部件組成的結構單元(用途不同也可以)集中在
一處。這樣,有利於實現元部件的標准化,並可簡化測試程
序和縮短測試時間;D邏輯式配置:按照功能方框圖的各方
框來進行配置。維修人員在理解了工作原理之後,就能很
容易地對照框圖來尋求故障位置。(5)設整檢查的難易:
最現想的零部件配置是,不用打開機器就能檢查或設整機
器。即使機器內有調整處,也必須使其不停機就能進行調
整; (6)零部件周圍的空間:在更換零部件時,如無適當的
空間,就會嚴重妨礙作業。(7)目視:在配置零部件時為了
能用目視,應考慮以下幾點:A、拆下蓋板時,要能以正常的
視角看到所有的零部件; B、取放零部件時,要能從開口部
分看到零部件; C、配置零部件時,要使零部件上的金屬件、
螺絲等能看到清而不受其他零部件遮蔽,也不受工作人員
的手和工具的遮蔽; D、為了能識別,要在機體上和零部件
上作出標記; E、需要調整的零部件,既要看得見調整外,又
要在機體上或對應的顯示器上顯示其調整范圍。
2. 2模快化設計
在整體式結構中,失效的零部件或元器件是分立而離
散分布的,判明故障點比較困難,在維修中往往需大拆大
卸,並受工具、測試設備、操作空間等維修條件的限制,不僅
修復和更換速度慢,而且易影響維修後的質量,並且對維修
人員的技術和技能要求比較高。
模塊是將一個單元體、組件、部件或零部件,設計成一
個可以單獨處理的單元,使其便於供應和安裝、使用、維修。
由於整機中的模塊便於拆裝、測試,所以模塊化對維修有特
別重大的意義,它使維修工作產生了革命性的變化,或者
說,模塊化帶來了維修工作的革命。
(1)簡化維修,縮短維修時間:從維修著眼,模塊是以
從整機上整個地拆下來的設計部件,維修是以模塊為單位
進行的。由於模塊易於從整機中拆卸和組裝,簡化了維修
工作,縮短了維修時間。(2)易於測試診斷:模塊間有明確
的功能分割,能單獨調試,且常有故障指示,出現故障後易
於判斷,並迅速找到有故障模塊,縮短了故障診斷、定位時
間。(3)降低對維修人員水平的要求:由於維修方式和維
修條件和改善,可大大降低對維修人員的技術水平和技能
的要求,並易於保證維修質量。如有備用模塊、甚至設備的
操作者就可及時進行快速更換。(4)減少預防性維修工作
量:由於模塊易於與產品剝離,許多模塊可以拆下來,拿回
到維修室進行維修,維修環境良好,維修工具齊全,可減少
或避免現場維修;有時由於機器已裝上備用模塊而正常運
轉,對損壞的模塊可從容不迫地進行維修,有助於保證修復
性維修的質量。(5)有助於實施改進性維修:由於模塊是
「黑箱」型部件,有確定的功能和輸入、輸出介面,新技術模
塊只要功能與介面能相兼容,就可方便地用於改造老產品。
(6)有助於售後服務(維修):現代企業都有一支數量不小
的售後服務隊伍,以便讓用戶滿意。模塊化產品不僅易於
測試、診斷,並且由於模塊通用性大、壽命長、生產批量大,
大多數備件都是新產品上還在使用的零部件,易於取得,甚
至可在市場上購得。(7)模塊化設計對維修除有上述的技
術性好處外,還可大大簡化維修管理。
2. 3測試診斷設計
最基本的要求就是,測試診斷應准確、迅速、簡捷。
(1)對測試點配置的要求:A、測試點的種類與數量應
適應各維修級別的需求,並考慮到測試技術不斷發展的要
求。B、測試點的布局要便於檢測,並盡可能集中或分區集
中,且可達性良好。其排列應有利於進行順序的檢測與診
斷。C、測試點的選配應盡量適應原位檢測的需要。產品
內部及需修復的可更換單元還應配備適應數量供修理使用
的測試點。D、測試點和測試基準不應設置在易損壞的部
位。(2)對測試方式和設備的要求:A、應盡量採取原位(在
線,實時與非實時的)測試方式。重要部位應盡量採用性能
監測(視)和故障報警裝置。對危險的徵兆應能自動顯示,
自動報警。B、對復雜的設備系統,應採用機內測試(BIT),
外部自動測試設備,測試軟體,人工測試等,形成高的綜合
診斷能力,保證能迅速,准確地判明故障部位。要注意被測
單元與測試設備的介面匹配。C、在機內測試、外部自動測
試與人工測試之間要進行費用、效能的綜合權衡,使系統診
斷能力與費用達到最優化。D、測試設備應與主裝備同時
進行選配或研製、試驗、交付使用。研製時應優先選用現行
系統中適用的或通用的測試設備;必要時考慮測試技術的
發展,研製新的測試設備。E、測試設備要求體積和質量
小、在各種環境條件下可靠性高、操作方便、維修簡單和通
用化、多功能化。(3)故障診斷的一般要求:對於一個系統
來說,故障診斷應該滿足以下要求:A、對系統在各種方式
和狀態下均能可靠地進行檢測,並能指出系統在各種方式
下處於正常工作、發生故障、抑或性能退化的狀態。B、能
檢測顯示95%的系統故障,並能把其中90%的故障定位到
更換單元。C、避免或盡量少使用外部測試儀器。D、故障
檢測和定位電路的失效率,不超過系統總失效率的5%。
E、錯誤告警概率應小於1%。錯誤告警包括: a虛警:監控
電路指示有故障,而實際上並不存在功能性故障; b故障沒
有被發現:發生了故障,但未顯示出來; c故障識別錯誤:故
障部位或性質顯示的錯誤。(4)測試性設計一般准則:測
試性是指產品(系統、子系統、設備或模塊)能及時准確地
確定其狀態(可工作、不可工作、性能下降)和隔離其內部
故障的一種設計特性。也就是須在產品設計時就考慮測試
要素,使產品方便測試和(或)產品本身就能完成某些測試
功能。測試性設計的一般要求如下: A、合理劃分功能單
元:只要有可能,應根據結構表示物理和電氣的劃分。因為
實際維修單元是結構分解所得的模塊。B、應為診斷對象
配置內部和外部測試裝置,並應確保BITE(內部測試裝置)
性能的修復和校準。C、測試過程(程序)和外部激勵源,對
部件本身及有關設備或整個系統不產生有害效果。尤其需
注意檢查會否構成影響安全的潛在通路。D、所有的匯流排
系統對各種測量應都是可訪問的。E、對於通用功能,應設
計和編寫診斷應用軟體,以便維修人員可以迅速進行檢測。
F、應考慮維修中所需使用的外部設備及其測量過程,應考
慮與外部設備的兼容性和配備必要的測試點。G、診斷系
統應能通過相應的測量,對產品的使用功能、設計單元的狀
態和輸出特性作出評價。H、測試方式的轉換:每個診斷系
統都不可能是完美無缺的,有時會造成對被測件(UUT)的
測試不準;此時,可應用常規的、功能定位的測試方法,在可
替換模塊級確定故障位置,這些維修介面(測試點)也可用
來檢測模塊的運行數據。
2. 4防差錯的設計
防差錯設計的一般要求如下: (1)設計時,應避免或消
除在使用操作和維修時造成人失誤的可能,即使發生失誤
也應不危機人機安全,並能立即發覺和糾正。(2)外形相
近而功能不同的零部件,重要連接部位和安裝時容易發生
差錯的零部件,應從構造上採取防差錯措施或有明顯的防
止差錯識別標志。(3)產品上應有必要的為防止差錯和提
高維修效率的標志。(4)測試點和與其他有關設備的連接
點處,均應標明名稱或用途以及必要的數據等,也可標明編
號或代號。(5)需要進行注油保養的部位應設置永久性標
志,必要時應設置標牌。(6)對可能發生操作差錯的裝置
應有操作順序號碼和方向的標志。(7)對間隙較小,周圍
產品較多且安裝定位困難的組合件、零部件等應有定位銷、
槽或安裝位置的標志。(8)標志應根據產品的特點、使用、
維修的需要,按照有關標準的規定採用規范化的文字,數
字,顏色或光,圖案或符號等表示。標志的大小和位置要適
當,鮮明醒目,容易看到和辨認。(9)標牌和標志在裝備使
用、存放和運輸條件下都必須是經久耐用的。
3冗餘設計
容錯技術的關鍵是冗餘技術,即採用備用的硬體或軟
件參與系統的運行或處於准備狀態,一旦系統出現故障,能
自動切換,保持系統不間斷地正常工作。冗餘控制的概念,
嚴格來講是採用一定或成倍量的設備或元器件的方式組成
控制系統來參加控制。當某一設備或元器件發生故障而損
壞時,它可以通過硬體、軟體或人為方式,相互切換作為後
備設備或元器件,替代因故障而損壞的設備或元器件,保持
系統正常工作,使控制設備因意外而導致的停機損失降到
最低。提到冗餘,這里還有一個概念———同步(synchroniza-
tion)。它是指冗餘系統的兩個或多個處理器之間要經常比
較各自的狀態,根據一定的規則以決定系統是否工作在正
常的狀態。這種狀態比較和系統可靠性的判定被稱作
同步。
冗餘控制的方式在工控領域根據不同的產品和客戶不
同的需求有多種多樣,採用的方式也不盡相同。
一般根據產品應用和客戶需求的不同,冗餘控制可分
為: (1)處理器冗餘(CPU冗餘); (2)通信冗餘(網路冗
余); (3)I/O冗餘; (4)電源冗餘。
按冗餘的實現方式來分大致可分為: (1)硬冗餘(hard
-rendancy),即採用特殊的硬體模塊或PLC中固化的程
序來實現PLC同步、故障切換的冗餘方式。(2)軟冗餘
(soft-rendancy),即採用編程的方式來實現PLC同步、
故障切換的冗餘方式。
按冗餘的切換方式來分大致可分為: (1)熱冗餘(熱備
hot-back),即硬冗餘方式,當主設備故障時,通過特定硬
件判別、備份方式無間隙地自動切換到備用設備上,保持系
統正常運行。(2)暖冗餘(暖備或溫備warm-back),即軟
冗餘方式,主要通過編程方式來實現冗餘。由於軟冗餘的
實現受多方因素制約,系統切換的時間較硬冗餘稍長,因此
部分軟冗餘可能會使主設備在發生切換時有間隙或需要人
為簡單干預或預置才得以完善。(3)冷冗餘(冷備cold-
back),即一套或部分冗餘的設備(如: CPU)不通電、不工
作,准備待命(人為預置好)。當主設備故障時需要人工恢
復系統運行。按照現在的嚴格定義,這種方式,並不算是冗
余,只作備件理解。這種冗餘一般應用於實時性不強、工藝
連續性要求不高的場合。
I/O冗餘、電源冗餘大多數屬於硬冗餘范疇,而處理器
冗餘、通信冗餘(網路冗餘)既可採用硬冗餘實現也可以采
用軟冗餘實現。一般硬冗餘與軟冗餘相比,硬冗餘投入較
大,冗餘實現和系統維護相對簡單,系統性能較可靠,系統
的切換速度會較快。適合於生產工藝要求較高、反應速度
較快的裝置和生產線。軟冗餘投入的成本比硬冗餘小,軟
冗餘不需要特殊的冗餘模塊或軟體支持,但在冗餘實現和
系統維護方面比較繁瑣並且一般的軟冗餘切換的速度稍
慢,系統性能主要取決於編程者的編程水平和所選硬體的
品質,這類冗餘方式比較適用於生產工藝流程要求不太高、
反應速度較慢、開停要求不嚴的裝置和生產線。
為了提高設備的可靠性,降低故障率,在設計時,對關
鍵的部件或分系統,可採取額外附加部件或採取其他手段。
其優點在於設備的一部分發生故障時,整個系統仍能正常
工作,改變傳統的一壞就修的弊端。
冗餘性設計有以下3種形式: (1)工作儲備設計:對某
一關鍵部件,採用2個以上與其相同的單元,共同完成某一
功能的設計,並聯、並串聯、串並聯等就是其常見的形式
(2)表決儲備設計: n個相同的單元中,只要有k個以上的
單元不發生故障,系統就能正常工作,又稱「n中取k」儲備
設計。(3)非工作儲備設計:當設備的一個單元(或分系
統)發生故障時,另一個未工作的單元(或分系統)通過故
障監測裝置及轉換進入工作狀態的設計。這樣設計的優點
是系統的可靠性高,缺點是增加了轉換裝置,若採用手動轉
換,可能會造成暫短的停機損失;若採用自動轉換,則會增
加設備的製造成本,因此,採用這種設計時,要在設備的高
性能與其生產成本之間求得平衡。
4結束語
在生產過程開始之後再對設計進行修改必將會帶來成
本的增加,因此設計者如果在設計的初始階段就考慮到產
品的可維修性,那麼此時更改設計所帶來的損失相對較小。
可維修性設計所帶來的收益包括:降低操作成本和生命周
期費用。實行可維修性設計的著眼點在於用戶產品使用中
(上接第52頁)的維修經濟性,目的是獲取潛在的、長期的
經濟和社會效益。可維修性設計雖然會使成本有所增加,
但較之在產品開始產生之後,甚至在用戶使用過程中發現
維修性問題,再對設計進行修改而來經濟損失和聲譽損失,
仍然是相當經濟的。
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