基于模糊理论的数控车床可靠性研究
论文题目：基于模糊理论的数控车床可靠性研究
专 业：检测技术与自动化装置
硕 士 生：吴 丽 (签名) 指导教师：刘骏跃 (签名)
摘 要
数控车床是一种机电一体化的产品，在生产和生活中起着非常重要的作用。由于数控车床结构复杂、工作环境恶劣、故障模式和故障原因多样，对数控车床进行故障分析是十分必要的，而故障分析则是数控机床可靠性评估的一个重要方面。
本文对收集到的数控车床的故障数据进行深入分析，并利用模糊数学理论研究了数控车床的可靠性。
本文从故障模式、故障原因和故障危害度三方面对云南机床厂生产的通用数控车床的故障数据进行详细分析，找出了该系列数控车床设计的薄弱环节；在此基础上，对故障频繁的子系统深入地进行了故障模式和故障原因的分析，而刀架系统则是数控车床故障最频繁的子系统，因而建立了以刀架系统故障为顶事件的故障树，通过对故障树的初步分析，得出了刀架系统故障树的全部最小割集，并利用三角模糊数对故障树进行了定量分析，得到了顶事件刀架故障的模糊概率。这一方法克服了传统故障树分析复杂系统时遇到的困难，同时又不排斥传统故障树的分析方法。
针对数控车床可靠性，本文采用模糊数学理论对整机进行了模糊综合评价，并建立了评判模型，不仅综合考虑了影响可靠性的多种因素，而且充分发挥了专家的作用，因此其评判结果具有一定的客观性。
关 键 词：模糊可靠性；FMECA；故障树；综合评价
研究类型：应用研究
Subject :Research on Numerical Control Lathe Reliability Based on Fuzzy Theory
Specialty : Measurement Technique and Automatic Equipment
Name : wuli （Signature）
Instructor: liujunyao （Signature）
Abstract
Numerical control lathes which plays a very important role in production and life is a kind of mechanical and electrical products. Because of the complex configuration,severe working condition,failure modes and failure cause of diversity, it is very necessary for faulting analysis on the numerical control lathes and fault analysis is an important aspect in reliability assessment for numerical control lathes.
This thesis deeply analyzed the fault data basing on the collected Numerical control lathes and made the reliability of numerical control lathe using the fuzzy mathematics theory.
This thesis analyzed the production general numerical control lathe fault data of Yunnan machine tool plant from three aspects of the failure mode,the cause of the problem and fault harm degree,found this series of numerical control lathe design of the weak link. Based on the above analysis,this thesis deeply analyzed the subsystem of the fault frequent about the failure mode and the analysis of the cause of the problem,and CNC lathe tool system is the most frequent subsystem of the numerical control lathes fault,so we established the fault tree of the system fault of the top events. Through a preliminary analysis of the fault tree,we concluded that all minimum cut set of the CNC lathes system fault tree,and utilized the triangular fuzzy number to analyze the fault tree, and got the fuzzy probability of top tool of events fault. This method overcomes the difficulties of traditional fault tree analysis in complex system,and does not reject traditional fault tree analysis method.
According to the reliability of numerical control lathe,this thesis adopted the fuzzy mathematics theory to evaluate the whole machine,and set up the evaluation model. Not only considering the various factors that influence the reliability but also making full use of experts, the evaluation result has certain objectivity.
Key Words:Fuzzy Reliability FMECA Fault Tree Comprehensive Eva1uation Thesis : Application Research
目录
目 录
1绪论 (1)
1.1研究数控车床可靠性的目的和意义 (1)
1.2数控车床可靠性研究现状概述 (1)
1.2.1数控车床的发展概况 (1)
1.2.2可靠性理论 (2)
1.2.3基于模糊理论的可靠性研究现状 (3)
1.3本文研究的主要内容 (4)
2数控车床的故障模式、影响及模糊危害度分析 (6)
2.1模糊数学原理 (6)
2.2 FMECA分析 (9)
2.2.1故障模式分析 (9)
2.2.2故障原因分析 (10)
2.2.3故障危害度分析 (10)
2.3数控车床整机故障分析 (10)
2.3.1故障部位分析 (10)
2.3.2故障模式分析 (12)
2.3.3故障原因分析 (12)
2.4子系统的故障模式及原因分析 (14)
2.4.1刀架系统 (14)
2.4.2电气系统 (15)
2.4.3进给系统 (17)
2.5模糊危害度分析 (18)
2.6本章小结 (21)
3基于模糊逻辑的故障树分析 (22)
3.1模糊故障树分析 (22)
3.1.1常用的术语和符号 (23)
3.1.2模糊故障树分析方法 (25)
3.2模糊故障树在数控车床刀架故障分析中的应用 (28)
3.2.1数控车床刀架系统 (28)
3.2.2刀架系统模糊故障树 (29)
3.2.3刀架系统模糊故障树定性分析 (31)
I
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3.2.4刀架系统模糊故障树的定量分析 (31)
3.3本章小结 (32)
4 数控车床可靠性的模糊综合评价研究 (34)
4.1模糊综合评价模型的基本概念 (34)
4.1.1模糊评价模型的要素 (34)
4.1.2模糊综合评价模型的步骤 (35)
4.2模糊综合评价模型 (36)
4.2.1一级综合评价模型 (36)
4.2.2多级模糊综合评价模型 (36)
4.3数控车床可靠性模糊综合评价 (37)
4.3.1数控机床可靠性指标 (37)
4.3.2建立数控车床模糊综合评价的因素集 (38)
4.3.3建立数控车床评价的备择集 (39)
4.3.4建立评价矩阵 (39)
4.3.5建立权重集 (40)
4.3.6数车控床可靠性模糊综合评价 (41)
4.4本章小结 (42)
5总结与展望 (43)
5.1本文研究成果 (43)
5.2展望 (43)
致 谢 (45)
参考文献 (46)
附 录 (49)
1 绪论
1 绪论
可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。它包括五个要素：对象（产品）、使用条件、规定时间、规定功能和能力。在可靠性定义中,“能力”是指可能性，是对可靠性的一种定性描述，传统的可靠性理论将产品的失效（未完成预期功能）认为是一个随机事件，在经典概率论基础上用概率来度量这种可能性，可靠性的主要特征量有可靠度、失效概率、失效率、失效概率密度和寿命等，它们是可靠性的定量化尺度。通过分析评价可靠性设计指标，可以发现系统薄弱环节和设计缺陷，保证产品设计满足可靠性定性和定量要求，为可靠性增长提供必要信息，具有重要理论意义和实践价值。
1.1 研究数控车床可靠性的目的和意义
在现代制造系统中，数控机床一直是先进制造技术的核心，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性化等特点，其发展水平的高低直接影响和制约着制造业的发展。当前我国的一些数控机床在功能和性能上能够达到或接近国外先进的水平，但在系统的可靠性上低于国外同类产品，故障率较高，可靠性问题一直以来都是困扰国产数控车床发展的一个瓶颈，提高产品质量和可靠性对提高国产数控车床市场占有率，树立国产数控车床的品牌形象有着十分重要的意义。
1.2数控车床可靠性研究现状概述
1.2.1数控车床的发展概况
数控车床作为装备工业中量最大、面最广的高新技术产品，是国民经济的重要基础，是机械、电子、汽车、能源、交通、原材料、通讯等基础产业实现生产现代化的重要手段，其发展水平的高低在一定程度上反映了一个国家装备能力的强弱。近年来，随着各国高新技术产业的发展，数控技术已成为当代国际间科技竞争的重要领域之一，数控车床的大量生产和采用，是今后机床市场发展的主要趋势。
苏联机床专家A.C.普罗尼柯夫，根据机床产品在功能、结构、外载荷等方面的特殊性，对机床可靠性进行了专门的研究，建立了机床可靠性技术的一些基本理论，开辟了在机床领域进行可靠性研究的途径，发表了一系列针对机床具体产品的可靠性论著[1]。英国专家从数控机床的现场可靠性信息入手，建立有关可靠性信息数据库，对其数据进行分析和处理，找出故障的分布规律和薄弱环节。他们从理论和实践两个方面提出了与
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数控机床相关的可靠性研究方法[2]。日本有关机床领域的研究专家从现场的故障模式影响及危害性分析(FMECA)，寻找故障原因，提出可靠性改进措施，对提高数控机床的可靠性水平起了积极作用[3]。
我国数控机床可靠性的研究是80年代末开始的，1989年我国对部分数控机床产品进行了可靠性摸底和考核。90年代以来，我国把数控机床可靠性的基础研究作为重点发展的方向，并把数控机床可靠性的基础研究工作列入到“八五”和“九五”国家重点科技攻关计划，并取得成果。例如王润孝等人分析了数控机床的故障特征及故障诊断方法，应用容错技术在数控机床设计中进行了探讨。国防科技大学的专家组进行了“柔性制造系统运行可靠性技术研究”，对可靠性指标进行确认和评定，探讨了柔性制造系统任务可靠性模型的建模方法[4-5]。
当前国产数控车床发展已进入关键阶段，在市场竞争中，国产数控车床与工业发达国家的差距仍在不断加大，产品可靠性、质量、精度等方面都难以与国外产品相比，数控车床的可靠性问题成为国产数控机床的薄弱环节，随着数控车床应用面的扩大和对使用效果的认识，市场不仅对数控车床的需求量增加了，而且对车床的性能质量提出了更高的要求，可靠性已经成为了产品竞争的焦点和国内外市场竞争的关键所在，因此提高产品质量和可靠性对扭转国产数控车床市场占有率，树立国产数控车床的良好形象有着十分重要的意义。
1.2.2 可靠性理论
国外对可靠性的研究由来已久，早在第二次世界大战时期，德国火箭专家R．Lussersr首先提出用概率乘积法则，其各子系统的可靠度乘积看成是系统的可靠度。50年代初期开始，广泛应用定量分析的方法研究可靠性。美国于60年代初期对可靠性开始进行研究，美国宇航局(NASA)于1965年起进行机械可靠性的研究。日本的可靠性技术是在1956年由美国引进，并将该技术推广应用到民用工业部门。英国于1962年出版了(Reliability And Microelectronics)杂志。至60年代以来，可靠性的研究已经由航空、电子、宇航、核能等工业部门扩展到电力与电机系统、动力、机械、土木等一般产业部门，涉及到工业产品的各个领域[6]。
而机床可靠性研究在70年代发源于前苏联，当时苏联机床研究的权威机构“金属切削机床科学实验研究院”进行了机床可靠性的专门研究。后来，引入现代人工智能理论来研究可靠性，使可靠性研究更加活跃，数控机床可靠性的研究也随之迅速发展。
数控机床可靠性首先决定于在设计过程中赋予的固有可靠性，其次决定于数控机床的使用、故障对系统功能的危害程度和影响及维修质量。数控机床的可靠性评价指标有以下几项:平均故障间隔时间MTBF、平均首次故障间隔时间MTTFF、平均修复时间MTTR和当量故障率D。除此之外，环境因素和人为因素也影响数控车床的可靠性。国
1 绪论
内学者在这方面也做了大量的工作，申桂香等通过一种客观赋权的熵权法来评价数控机床的可靠性，有效克服了加权综合评价法中主观确定权重的缺陷[7]。传统的统计推断方法难以得到置信水平很高的估计，于捷等通过Bayes方法可以获得很高的置信限水平估计，对数控机床进行可靠性验证[8]。余香梅等通过对神经网络深入的研究，提出了用于数控机床可靠性预测的三层BP神经网络模型和算法，对数控机床可靠性进行了预计[9]。戴丽东用模糊数学的理论对数控机床故障模式危害度进行了多因素模糊综合评价分析，使故障分析问题变得更加科学、合理[10]。
1.2.3 基于模糊理论的可靠性研究现状
模糊可靠性自20世纪80年代后期提出以来，国内有关学者就如何将模糊数学应用于可靠性分析的问题进行了大量而有益的探索，在理论上和方法上提出了许多新的内容。目前模糊可靠性分析研究大致有以下几个方面：
(1) 针对故障事件发生概率数据获取不足的现状，利用模糊值概率来描述单元或系统的可靠度等特征量进行可靠性分析。王永传在经典故障树分析方法的基础上，引入模糊集合理论，针对基于系统各部件故障率分别为三角形和正态型模糊数情形，应用扩展原理和模糊数运算法则对模糊故障树分析方法作了研究[11]；武庄等分析了传统故障树分析的不足，首先，早期设计阶段进行系统故障树分析和环境变化的预测，通过数据分析是很困难的；其次，对于新元器件，有一些统计样本，但由于故障数据较少，因此，得不到底事件发生的精确概率的真值;第三，在人为参与操作的系统中，大约占20%~90%的系统故障是由于人为因素造成，比例大小取决于人参与的程度，难于估计人为错误，而一些有关人为错误率的手册在当前虽然存在，但在大部分情况下，专家只能评多年的经验和观察给出带认为因素的判断。基于以上问题传统故障树分析是无能为力的，便提出了一种使用模糊数来表示事件发生概率，即采用模糊概率来刻画系统及其组成单元的故障行为[12]。张艳丽等将模糊故障树方法应用于数控加工中心液压系统的可靠性分析[13 ]。
(2) 针对系统事件的故障概率获取不足、事件联系难以确定以及不能确切描述故障程度等问题，姚成玉将模糊逻辑和T-S模糊模型（日本学者Takagi和Sugeno）引入到故障树分析中，用T-S门代替传统逻辑门来描述事件间的联系，用模糊数描述部件的故障程度，使故障树具有处理模糊信息的能力[14]。
(3) 针对可靠性分配中指标影响因素的模糊性，应用模糊层次分析法和模糊综合评价方法研究可靠性分配问题。梁庆卫、宋保维建立模糊判断矩阵，根据不同置信水平的截集和决策者对模糊判断矩阵的满意乐观程度指标进行模糊区间运算，得出各分系统可靠性指标所占的熵权，根据熵权对系统可靠性指标进行分配[15]；赵德孜在Vague集理论的表决模型中引入了倾向性因子，对可靠性影响因素赋权并与模糊综合评判理论结合，
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建立了综合评判系统各单元之间相对失效系数的模型[16]。
(4) 在概率的假设下，引入模糊参数，即为一类带模糊参数的系统可靠性分析。在数控机床可靠性分析方面，张英芝等针对故障危害度排序中故障影响概率不确定的问题，将模糊数学中的模糊语言变量和模糊综合评价方法引入到危害度分析中，找出对数控车床可靠性影响较大的故障模式与薄弱环节；应用模糊故障树理论，对数控车床主轴进行了故障树定量分析，计算在不同置信水平下数控车床主轴发生故障的概率区间值，为实现主轴系统的可靠性设计和提高数控车床的可靠性水平提供了依据[17]；包明宇针对数控系统模糊复杂性，从可靠性指标、可靠性考核等方面阐述了评价过程中的模糊因素，给出了考核指标体系和隶属函数及权重的确定方法，建立了数控系统可靠性考核模型[18]；巫少龙将模糊可靠性设计运用于主轴的刚度校核中，给出了机床主轴模糊可靠性设计的一种计算方法[19]，史晋芳采用专家系统的框架概念，构造数控机床故障诊断的专家系统模型，将人工智能技术应用于数控系统故障中[20]；戴丽东在传统故障分析方法的基础上，增加了测试性和维修性两个重要影响因素，并结合模糊数学的理论对数控机床故障模式危害度进行了多因素模糊综合评价分析[21]。
模糊可靠性的研究大多局限于结构简单的系统，无论是在理论研究还是工程应用方面仍处于起步和摸索阶段，还没有较完善的分析计算方法和较为成熟的理论体系。针对数控车床的可靠性模型，必须深入了解数控车床的应用背景、结构、性能以及它与各个子系统之间的关系，才能对其进行模糊可靠性建模及可靠性分析。
1.3 本文研究的主要内容
本课题以云南机床厂生产的通用型数控车床为研究对象。
在系统模糊可靠性理论的基础上，在以下几个方面进行较为深入的研究：
(1) 利用故障模式、影响及危害度分析(FMECA)和直方图相结合的方法将数控车床的故障数据进行了可靠性分析，并且对发生故障较多的子系统进行故障模式、影响分析(FMEA)及模糊危害度分析。通过分析故障模式及原因，以便发现设计、制造、使用中的薄弱环节，为提高国产数控车床可靠性提供依据。
(2) 为解决概率精确值难以获得的问题，对传统的结构函数进行模糊化描述，基本事件概率的可能性分布用三角模糊数给出，即发生故障这一事件本身是清晰的，但发生概率是模糊的。将故障的概率模糊化，故障树中的部件失效与系统失效之间的逻辑关系依旧成立，最小割集、结构函数等概念仍然有效，就可以实现故障树的模糊定量分析。本研究拟采用模糊故障树分析方法，对该型数控车床故障最频繁的子系统—刀架系统进行模糊可靠性分析，同时得出顶事件发生的模糊概率。
(3) 在系统可靠性评价中，对一些定性指标，只能依赖专家的知识和经验进行处理，模糊集和模糊语言变量在处理系统的不确定性中具有独到的优势，专家语言的评估中，
1 绪论
好、较好、较差等属于模糊语言变量，更能体现和描述系统可靠性评价中的主观因素，本研究中对专家评估的模糊语言变量进行数量化处理，将其用模糊数或者区间数等不确定形式表示，建立基于专家语言评估的数控车床的模糊可靠性评价模型。运用模糊理论评价数控车床的可靠性水平，为以后的产品改进提供可靠性依据。
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2 数控车床的故障模式、影响及模糊危害度分析
故障模式及影响分析即FMEA(Failure Mode Effect and Criticality Analysis)是分析系统的每个组成部件发生故障时对系统所产生的影响，划分各种故障的等级，并预先研究查找潜在故障的方法。它是可靠性研究的一个重要内容。这种方法于50年代初期开始应用于飞机操纵系统，并取得了良好效果。60年代后期逐渐走向成熟，发展成为故障模式、影响及危害度分析法(FMECA)。国内在80年代初期，随着可靠性技术在工程中的应用，FMECA 的概念和方法也逐渐被接受。FMECA 是由故障模式及影响分析(FMEA)与危害度分析(CA)结合发展而来的，FMEA 是一种定性分析；CA 属于定量分析，也可以进行半定量分析，该方法已得到广泛应用，成为产品可靠性改进设计的重要方法和措施之一。
传统FMECA 方法对数控车床进行故障分析的基本思想是：从整体上掌握此系列数控车床的故障发生情况，找出对整机可靠性影响较大的故障模式及原因，然后对故障频繁的部件或子系统进行故障模式及原因分析，最后进行危害度分析，这是对故障结果进行定量化的关键一步，其目的是按照每一故障模式的严重性级别及其严重度数字或发生概率的综合影响来研究故障模式，以便全面地评价故障模式的影响。FMECA 方法在工程实践中的意义和作用是它可以找出其薄弱环节和潜在的弱点，并把故障分析的结果反映给设计、制造及使用部门，以便从设计、制造、使用和维护等各方面采取对策和措施，探寻数控车床可靠性改进的主导方向，这是一种非常实用的研究方法。
然而，在传统FMECA 过程中，若得不到故障发生的精确值时，则不能对故障模式的发生概率、故障影响大小、危害度等进行评价，这时传统的FMECA 分析很难解决这一问题。模糊数学为我们提供了一种解决这一问题的途径，也就是使用模糊变量（隶属函数、语言变量等）来评价其危害度，模糊FMECA 能在故障信息是含糊或不精确时很好地进行故障分析，为我们提供了一个解决问题的有力工具。本章的任务是应用模糊FMECA 对某型数控车床整机和其中三个子系统进行分析，寻找其薄弱环节[22-25]。
2.1 模糊数学原理
本文对数控车床进行可靠性分析的过程中，为了便于分析，将所有与故障有关的事件统称为故障事件。
定义：设U 为故障事件u 的集合，A 为其普通子集，对于U 中的某一元素u ，A u ?，或者 A u ?，非此即彼，这样就定义从U 到[0,1]的映射A m 。
A m ：U ?[0,1] U ? )(u A =?
íì??A u A u 10 (2.1)
2 数控车床的故障模式、影响及模糊危害度分析
式中)(u A —普通子集A 的特征函数，也可记作)(u C A 。
模糊集合定义：设在论域U 中定义了从U 到[0,1]的一个映射A m
A m ：U ?{0,1} u ? )(u A ?[0,1] (2.2)
则称A 为U 上的模糊集，称)(u A 为A 上的隶属函数，也可以记作)(u A m ，它称作为u 关于A 的隶属度，)(u A m 越大，表示u 属于A 的程度越强。
当)(u A m 仅取0或1时，模糊集合A 就退化为普通集合A ，而)(u A m 就是A 的特征函数。可见，普通集合仅是模糊集合的特例，模糊集合可以包含普通集合。由模糊集合的定义知，模糊集合A 由其隶属函数)(u A m 唯一确定。因此，模糊集合和其隶属函数可以看成是等同的。隶属程度的思想反映了模糊性中的中间过渡过程，是贯穿整个模糊数学及应用模糊数学进行工程设计的基本思想[26]。
数控车床故障事件发生的模糊集合的建立取决于两个因素：找到恰当的论域和定义合适的隶属函数。
(1)“与”门模糊算子
传统故障树中，与门算子为
?==n
i i And p P 1 (2.3)
其中i p 是事件i 发生概率，为一精确值。
当每个事件发生的概率都是一个模糊数i p 时，其中),,(i i i i c b a p =，则模糊数与门算子为
?==n
i i And p P 1
),,(),,(),,(222111n n n c b a c b a c b a ′′′=L (2.4) ),,(111???====n
i i n i i n i i c b a
(2)“或”门模糊算子
传统故障树中，或门算子为
?=--=n
i i OR p P 1)1(1 (2.5)
当i p 为模糊数时，则模糊或门算子为
)1(11
?=--=n
i i OR p P
?=--=n i i i i c b a 1
)),,(1(1
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?=----=n
i i i i a b c 1)1,1,1(1
))1(1),1(1,)1(1(111???===------=n i n
i i i n i i c b a (2.6)
(3) 模糊数
运用模糊数进行故障分析时，通过各种途径获得的故障发生的概率有多种形式，包括精确发生的概率值，语言值及各种模糊数等。因此，在进行故障分析时需将它们归一为同一种形式。三角模糊数为线性分布函数，其代数运算较为简单，则将其它形式的模糊数转化为三角模糊数就更容易和直观。
①三角模糊数分布，其隶属函数用公式表示为
???????íì>￡<--￡<--￡=)(0
)()()(0)(b x b x m m b x b m x a a m a x a x x m (2.7) 三角模糊数的隶属函数如图2.1所示。
图2.1 三角形模糊数隶属函数
②精确概率值
对于精确概率值p ，可将其转化为三角模糊数),,(b m a q =.
③语言值
若把语言值转化为三角模糊数，须先了解语言值所对应概率的大致量级。
(4) 模糊变换原理
定义1 称映射
f ：)(Y F X ?
)()(Y F B x f x ?=a
2 数控车床的故障模式、影响及模糊危害度分析
为从X 到Y 的模糊映射。
可见F 映射是这样的一种对应关系：X 上的任一元素x 与Y 上的唯一确定F 集B 对应。
定义2 称映射
T ：)()(Y F X F ?
B A T A =)(a
为从X 到Y 的模糊变换。
可见，X 上的F 集A ，经变换T 后，得到Y 上的F 集B ，记
B A T =)(
称B 是A 在F 变换下的象，而A 是B 的原象。
由定义可知，模糊变换是集合变换的推广。即在映射T 下，将模糊集A 变换为模糊集B 。
若模糊变换T 满足：
)()()(B T A T B A T U U = (2.8)
)()(A T A T l l = (2.9)
则称T 为模糊线性变换。
2.2 FMECA 分析
FMECA 是通过分析产品所有可能的故障模式来确定某个故障对系统（或人员）安全、系统性能、任务成功、维修性要求等的潜在影响，并按故障影响的严重程度级别及其发生故障的概率对故障模式加以分类，采取适当措施，找出设计上的薄弱环节，避免这些影响。FMECA 分为两步，即故障模式影响分析(FMEA)和危害度分析(CA)，FMECA 是FMEA 的扩展和深化。
FMECA 的任务主要有[27 ]：
(1) 列出系统所有零件的故障模式和产生原因。
(2) 根据系统的逻辑关系，分析各种故障模式对系统各功能造成的影响和后果。
(3) 判断各种故障模式对系统各功能造成的故障影响的严重等级或级别。
(4) 根据故障影响的等级和故障发生概率估计出影响的危害性。
2.2.1 故障模式分析
故障是产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的状态或事件。而故障模式是故障的形态，即故障的表现形式，如断裂、开路、过度耗损、短路等。一般是从产品的故障现象入手研究产品的故障，进而通过故障现象（即故障模式）找出故障原因。前面已经介绍FMECA 是由故障模式及影响分析(FMEA)与危害度分析(CA)结合发展而来
的，FMECA分析的基础是故障模式，同时也是进行其它故障分析（如事件树分析、故障树分析等）的基础之一。产品的故障与产品所属系统的规定条件及规定功能密切相关，在对某个特定的系统进行故障分析时，首先必须明确其评定标准，即在规定的条件下系统出现故障时的评定依据，这样才能区分正常状态和非正常状态，确定某种非正常状态是否为该产品的故障模式。
2.2.2 故障原因分析
故障模式分析说明了产品将以什么样的模式发生故障，并未说明产品为什么发生故障的问题。因此，为了产品有较高的可靠性，对于每一故障模式，必须分析所有的可能原因。故障原因分析一般从以下两个方面着手，一方面是直接原因，即导致产品潜在故障或功能故障的那些化学、物理或生物变化过程等；另一方面是间接原因，即由于人为因素、环境因素和其他产品的故障等引起的。直接故障原因又称为故障机理。正确区分故障原因与故障模式是非常重要的。直接故障原因描述的是由于元部件误用、质量缺陷、设计缺陷和其他故障过程而导致故障的机理。而故障模式是可观察到的故障表现形式[28]。
2.2.3 故障危害度分析
危害度分析是按每一故障模式的严重性级别及故障模式的发生概率所产生的影响对其划等分类，便于全面地评价故障模式的各种可能的影响。危害度分析是FMEA的扩展和补充，必须在进行FMEA的前提下，才能进行危害度分析。危害度分析有两种方法，即定性分析和定量分析。定性分析是绘制危害度矩阵；定量分析是计算故障模式危害度。整机的危害性是对部件的故障后果的危害程度的综合评定，反映部件或子系统发生故障时，对整机的功能、性能、周围环境及人员安全的影响程度[29]。通过整机危害性分析可以获得影响数控机床可靠性的关键部件，摸清攻关产品的薄弱环节，以便有针对性的进行可靠性改进设计。
2.3 数控车床整机故障分析
下面以云南机床厂生产的通用型数控车床为研究对象，对其进行故障分析,如图 2.2所示。
2.3.1 故障部位分析
该型数控车床分为10个主要子系统，它们及其代码依次为：刀架系统(M)、电气系统(V)、进给系统(P)、主轴系统(S)、CNC系统(NC)、液压系统(D)、装夹系统(Z)、润滑系统(L)、排屑系统(K)、冷却系统(W)。见表2.1所示。
表2.1 部件故障频率表
部位代码结构部位频次频率
M 刀架系统8 0.258
V 电气系统 6 0.194
P 进给系统 4 0.129
S 主轴系统 3 0.097
K 排屑系统 3 0.097
NC CNC系统 2 0.065
D 液压系统 2 0.065
Z 装夹系统 1 0.032
L 润滑系统 1 0.032
W 冷却系统 1 0.032
图2.2 整机故障频率图
由故障部位频率表2.1可以看出，该数控车床故障的多发部位为刀架系统、电气系统、进给系统，它们的故障发生频率分别为25.8%、19.4%、12.9%。
通过表2.1和图2.2我们可以得到：
(1) 刀架系统是发生故障最频繁的部位，它的故障率明显高于其它部位或子系统。主要表现：刀架无法换刀、换刀时间过长、换刀臂不回原位、刀架旋转时有振动等。可见，对于数控车床来说，影响整机可靠性的最重要的因素是刀架系统，所以数控生产厂家急需解决的问题之一是提高其刀架系统质量，就必须进行可靠性改进设计。
(2) 电气系统的故障也较多。主要表现为：元器件损坏、短路、夹具打不开、夹具不松开、照明灯坏等。电气部分主要是外购件，如果能保证这些容易损坏的外购件的质量，可以减少数控车床的故障次数，提高其利用率。
(3) 进给系统这里主要是指X轴和Z轴。从部件故障频率图上可以看出该系统的故障也比较多，主要体现为：运动部件发出异响等。
(4) 另外，主轴系统、CNC系统、液压、润滑、冷却等系统故障也不容忽视。
2.3.2 故障模式分析
该型数控车床故障模式频率表如表2.2所示，故障模式直方图如图2.3所示。
表2.2故障模式频率表
代码故障模式频次频率
01 元、器件损坏 6 0.194
02 运动部件过紧卡死 4 0.129
03 零、部件松动 3 0.097
04 定位精度超标 3 0.097
05 液、气、油堵塞 3 0.097
06 运动部件制动失灵 2 0.065
07 线路、电缆连接不良 2 0.065
08 熔断器断/空气开关跳 2 0.065
09 线路、电缆短路 2 0.065
10 运动部件发出异响 1 0.032
11 气、液控制失灵 1 0.032
12 运动部件速度失控 1 0.032
13 电机不能正常工作 1 0.032
图2.3 故障模式直方图
由表2.2和图2.3可以看出，该型数控车床最频繁的故障模式是元器件损坏(19.4%)，运动部件过紧卡死(12.9%)，是主要的故障模式。
2.3.3 故障原因分析
故障模式分析只说明了数控车床以什么模式发生故障，并未说明数控车床为何发生
故障的问题。因此，为了提高其可靠性，还必须分析产生每一故障模式的所有可能原因。分析故障原因从以下两个方面着手，一方面是直接原因，即导致产品功能故障或潜在故障的产品自身的那些化学、物理或生物变化过程等，故障机理又即为故障直接原因；另一方面是间接故障原因，即由于其他产品的故障、人为因素和环境因素等引起的。正确区分故障原因与故障模式是非常重要的。直接故障原因描述的是由于元器件误用、质量缺陷、设计缺陷和其它故障过程而导致故障的机理；而故障模式是可观察到的故障表现形式。
故障原因分析应注意以下几点[4]：
(1) 正确区分故障原因和故障模式。由于制造、设计缺陷或外部条件所致故障是故障模式的直接原因或间接原因；而可观察到的故障表现形式是故障模式。
(2)考虑相邻层次的依存关系。因为低层次的故障模式往往是高层次的故障原因；
(3) 对于某一故障模式若存在两个或两个以上的原因时，应分别在“故障原因”栏中列出。
这里所说的故障原因是该型数控车床在实际生产使用中的故障模式，分析其中的故障机理，并参考了相关的资料，而得出了数控车床的故障原因如表2.3所示。
故障原因直方图如图2.4所示。
表2.3 故障原因频率表
代码故障原因频次频率
30 元、器件损坏7 0.226
31 松动 5 0.161
32 过载 4 0.129
33 堵塞 3 0.097
34 卡住 2 0.065
35 磨损 2 0.065
36 间隙不适 2 0.065
37 断裂 2 0.065
38 短路 2 0.065
39 脱落 1 0.032
40 CNC参数错 1 0.032
由表2.3和图2.4可以看出，该型数控车床故障原因主要是元、器件损坏(22.6%)，松动(16.1%)，过载(12.9%)，堵塞(9.7%)等引起的。
这说明数控车床元、器件的可靠性是十分重要的，对整体可靠性影响较大，因此对元、器件的选用提出了要求，设计部门在选用元、器件及原材料时，应先收集其现场故
障数据或进行必要的可靠性试验，在此基础上选择比较可靠的规格型号的元器件及生产厂家；并且对数控车床在部件、整机的装配与调试过程中，也应该制定和采取相应的措施，使车床在整个生产过程中，尽量减少不可靠因素的影响和不稳定现象的出现。
图2.4 故障原因直方图
2.4 子系统的故障模式及原因分析
对表2.1中故障最频繁的三个子系统：刀架系统、电气系统和进给系统分别进行故障模式及故障原因分析，来探寻可靠性改进的措施。
2.4.1 刀架系统
该型数控车床刀架系统故障模式频率表和直方图如表2.4和图2.5所示，故障原因频率表和直方图如表2.5和图2.6所示。
表2.4 刀架系统故障模式频率表
代码故障模式频次频率
03 零部件松动 2 0.25
01 元器件损坏 2 0.25
02 运动部件卡死 2 0.25
04 定位精度超标 1 0.125
13 电机不能正常工作 1 0.125
由表2.4和图2.5可知：该型数控车床刀架系统的故障模式主要是零部件松动、元器件损坏、运动部件卡死、定位精度超标等。其中零部件松动、元器件损坏和运动部件卡死三种故障模式的频率和约为75%，其它的故障模式发生的相对比较少。
图 2.5 刀架系统故障模式直方图
表2.5 刀架系统故障原因频率表
代码故障原因频次频率
30 元器件损坏 2 0.25
31 松动 2 0.25
29 过载 2 0.25
37 短路 1 0.125
28 间隙不适 1 0.125
由表2.5和图2.6可以看出，刀架系统故障原因主要是元器件损坏(25%)、松动(25%)、过载(25%)。
2.4.2 电气系统
该型数控车床电气系统故障模式频率表和直方图见表2.6和图2.7所示，故障原因频率表和直方图见表2.7和图2.8所示。
表2.6 电气系统故障模式频率表
代码故障模式频次频率
06 运动部件制动失灵 2 0. 333
09 线路、电缆短路 2 0.333
08 熔断器断/空气开关跳 1 0.167
01 元器件损坏 1 0.167
由表2.6和图2.7可知：该型数控车床电气系统故障模式主要是运动部件制动失灵、线路、电缆短路、熔断器断/空气开关跳及元器件损坏等。其中运动部件制动失灵、线路、电缆短路两种故障模式的频率和为66%。
表2.7 电气系统故障原因频率表
代码故障原因频次频率
30 元器件损坏 3 0.50
29 过载 2 0.333
31 松动 1 0.1667
图2.8 电气系统故障原因直方图
数控机床可靠性技术的发展(新编版)
数控机床可靠性技术的发展 (新编版) Safety management is an important part of enterprise production management. The object is the state management and control of all people, objects and environments in production. ( 安全管理 ) 单位：______________________ 姓名：______________________ 日期：______________________ 编号：AQ-SN-0291
数控机床可靠性技术的发展(新编版) 在我国的中高档数控机床市场，由于国产数控机床的可靠性较低，也就成为了占有率较低的主要原因，而且可靠性已经成为国内数控机床的一个重要技术瓶颈。 1.数控机床可靠性概念及指标 1.1数控机床可靠性 所谓的数控机床可靠性，就是指数控机床产品及其系统能够在限定时间内完成一定的动作指令的能力。 1.2数控机床可靠性指标 对于数控机床可靠性主要有以下两个指标： 第一，平均无故障时间（MeanTimeBetweenFailure，简称MTBF），就是指数控机床产品连续发生两次故障之间的平均时间。这种平均
故障时间常用做数控机床可靠性评价的一个定量指标。该数值越大，说明系统的可靠性越高。 第二，平均故障修复时间（MeanTimeToRepair，简称MTTR)，一般是指系统修复一次故障所需要的时间，其所需的流程是确认失效→配件获得→维修→重新投入使用。当该数值越小时，该系统的可靠性越高。 2.数控机床可靠性技术存在的问题 2.1数控机床可靠性研究的学者和机构较少 由于数控机床可靠性技术的研究需要很多部门、学科的交叉工作，并且耗时、耗资，再加上研究成果获得较慢。与一些关键共性技术的研究相比，国内很少有专门对数控机床可靠性进行较大力度的研究，那么能够对数控机床可靠性进行研究的科研机构非常稀缺，一直没能形成一套完整的技术体系。 2.2数控机床可靠性数据积累薄弱 对于数控机床的可靠性数据而言，不但要有数控机床的故障数据，也需要一些维修、载荷数据等。虽然我国已经积累了一定的数
数控机床的可靠性研究
Causes and Solution ofW ire Rupture i n H igh -Speed WEDM Process M a Gang ,Zhang Q i 1Abstract 2H i g h-Speed W ire WED M process often appears in the broken w ires .S i x m a i n factors of fila m ent break i n high speed w ire cutti n g m ach i n e w ere analyzed i n deta ils ,such as the use o f operati n g factors ,sto rage and transportati o n sil k fila m ent i n stitutional facto rs ,the w ork piece m ach i n i n g factors ,h i g h-frequency e lectric po w er para m eters ,pr ocessing of facto rs ,and the cho i c e of electrode w ire .Prevention m ethods were put fo r w ard ,w hich cou l d be he l p f u l for our w orkers and techn ica l personne.l 1Keywords 2H igh-SpeedW ire WED M;electrode w ire ;broken w ires pheno m enon ;第10卷第5期2008年10月 辽宁省交通高等专科学校学报 J O URNAL OF LI AON I NG PROV I NC I AL COLLEGE OF COMMUN I CAT I ONS Vo.l 10No .5Oct.2008 文章编号:1008-3812(2008)05-022-02 数控机床的可靠性研究 何丽辉 (辽宁省交通高等专科学校,辽宁沈阳 110122) 摘 要 我国数控机床制造水平与国外先进水平相比还有很大差距,主要反映在可靠性差、故障率高上。本 文通过对数控机床可靠性的分析,找出其可靠性的薄弱环节,进一步明确了其工作的改进方向。 关键词 数控机床 危害度 可靠性 中图分类号:TG 659 文献标识码: A 当今世界,工业发达国家在机床工业方面快速发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床,以加速工业和国民经济发展。随着微电子、计算机技术不断进步,数控机床在20世纪80年代以后得到加速发展,早已成为国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术,争夺用户及扩大市场的焦点。 数控机床较传统机床具有利用二进制数学方式输入,加工过程可任意编程,主轴及进给速度可按加工工艺需要变化,且能实现多座标联动,易加工复杂曲面。对加工对象具有/易变、多变、善变0等特点,换批调整方便,可实现杂件多品种中小批柔性生产,适应社会对产品多样化需求。 由于国产数控机床在技术上有重大突破,整机的可靠性显著提高,数控系统平均无故障时间可达一万小时以上,造成近一段时间数控机床产销量大 收稿日期:2008-06-11 幅增加,2007年1~5月金切机床行业机床产值数控化率达19.4%,是历史最好水平。有关人士认为,我国数控机床已进入快速发展时期。1 研究的必要性 据介绍,目前国产数控机床的品种已由过去100多种发展到500多种;主轴每分钟转速从原来的5000多转提高到8000~10000多转;进给速度从原来的每分钟12~15米提高到40~60米;换刀时间从原来的3~10秒降低到0.7~1.5秒。 但我国数控机床制造水平与国外先进水平相比还有很大差距,主要反映在可靠性差、故障率高上。由于随着我国数控机床市场的不断扩大,许多国外品牌大量进入中国,国内企业要想和这些国外品牌竞争的话,必须提高国产数控机床的可靠性。数控机床可靠性的提高可以直接减少机床生产厂家的售后服务费用和三包费用以及机床使用厂家的停机损失、机床维修等费用。国产数控机床可靠性的提高还可以抵制进口,扩大出口,增加外汇收 # 22#
浅谈数控机床传动机构精度可靠性优化
浅谈数控机床传动机构精度可靠性优化 发表时间：2019-09-12T10:53:16.360Z 来源：《基层建设》2019年第17期作者：梁毅 [导读] 摘要：本文主要对数控机床传动机构精度可靠性优化进一步的分析了解。 珠海格力电器股份有限公司 519000 摘要：本文主要对数控机床传动机构精度可靠性优化进一步的分析了解。数控机床作为制造业中最典型的高端制造装备，其发展水平直接决定了国家制造业在国际的竞争地位。 关键词：数控机床；传动机构；精度可靠性；分析 引言： 我国数控机床与国外发达国家相比仍存在较多不足，如机床精度低、可靠性差、核心技术落后等。精度作为衡量机床性能的核心指标，直接决定机床是否能完成指定任务，而精度可靠性体现了机床完成指定任务的能力，是机床性能得到充分发挥的保障，因此对数控机床进行精度可靠性分析具有十分重要的意义。 一、数控机床传动机构概述 数控机床传动系统表示从控制电机到工作台之间的传动链，一般由电机、联轴器、支承装置、减速机构、滚珠丝杠螺母副和执行元件，如工作台或刀具等组成，其结构可以简化为图1所示。由电机提供原动力，通过齿轮变速机构完成调速，由滚珠丝杠副将电机的旋转运动转化为大拖板上执行元件的往复直线运动，完成机床的进给和加工等。 ◆┫A浅谈数控机床传动机构精度可靠性优化 梁毅 珠海格力电器股份有限公司 519000 摘要：本文主要对数控机床传动机构精度可靠性优化进一步的分析了解。数控机床作为制造业中最典型的高端制造装备，其发展水平直接决定了国家制造业在国际的竞争地位。 关键词：数控机床；传动机构；精度可靠性；分析 引言： 我国数控机床与国外发达国家相比仍存在较多不足，如机床精度低、可靠性差、核心技术落后等。精度作为衡量机床性能的核心指标，直接决定机床是否能完成指定任务，而精度可靠性体现了机床完成指定任务的能力，是机床性能得到充分发挥的保障，因此对数控机床进行精度可靠性分析具有十分重要的意义。 一、数控机床传动机构概述 数控机床传动系统表示从控制电机到工作台之间的传动链，一般由电机、联轴器、支承装置、减速机构、滚珠丝杠螺母副和执行元件，如工作台或刀具等组成，其结构可以简化为图1所示。由电机提供原动力，通过齿轮变速机构完成调速，由滚珠丝杠副将电机的旋转运动转化为大拖板上执行元件的往复直线运动，完成机床的进给和加工等。 (1) 电机：其主要功能是将输入的电能转化成机械能，为机床提供原动力，一般可以分为步进电机和伺服电机。步进电机存在固定的旋转角度—步距角，其转角大小不受载荷变化的影响，主要根据输入脉冲信号的频率和脉冲个数决定实际转动角度，因此可以通过控制脉冲个数，准确控制电机角位移变量，实现准确定位；通过控制脉冲频率准确控制电机角速度和角加速度，实现高速旋转的目的。 (2) 联轴器：通过连接不同机构中的两根轴，实现扭矩的传递。根据被联接轴的相对位置和位置变动情况，可分为固定式联轴器和可移动式联轴器，其中根据补偿方式，又将可移动式联轴器分为刚性可移动式联轴器和挠性可移动式联轴器，具有传递扭矩、缓冲、减振、提高动态性能等作用，从而实现较高精度的传动。 (3) 减速机构：作为一种动力传达机构，常见的减速机构主要为齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、行星摆线针轮减速机构、硬齿面减速机构等，主要通过不同的传动比实现转速的变化。其中行星摆线针轮减速机构因具有高精度、高效率、高刚度等优点而广泛应用于步进电机和伺服电机中。 (4) 滚珠丝杠螺母副：由滚珠丝杠、滚珠和螺母组成。当滚珠丝杠转动时，由于滚动摩擦的作用，丝杠和螺母滚道之间的滚珠沿螺纹滚道滚动，从而带动大拖板移动，将旋转运动转化成直线运动，实现执行元件移动，具有高效率、高精度、高可靠性、高同步性等优点。 二、数控机床传动机构精度可靠性分析 1. 机构可靠性定义 广义的可靠性是指产品在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力，同理，机构可靠性定义为机构在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力。其中，“规定条件”是指机构运行时的外界环境和工作条件；“规定时间”是指机构运行的任务时间；“规定运动功能”是指在完成一定的运动形式的基础上，相关运动参数仍处于规定范围。综上，可以归纳为：准确性：对机构传递运动精确度的要求；及时性：对机构运行时间的要求；协调性：对规定运动功能内的不同动作之间一直连贯性的要求。 2. 数控机床传动机构精度可靠性分析模型 设I为数控机床传动机构的最大几何误差，则数控机床传动机构几何误差精度可靠性功能函数为： 式中：*为误差方向，可以分为+表示沿运动方向，-表示沿运动反方向，只有当方向相同时，才可以进行误差值判断；i为数控机床传动机构的传动方向，i=x，y，z；X为随机变量向量；Y为区间变量向量。
数控机床可靠性.维修性分析与研究(论文)
郑州工业应用技术学院 专科生毕业设计（论文） 题目：数控机床可靠性.维修性分析与研究 指导教师：职称： 学生姓名：学号 专业：机电一体化 院（系）：机电工程学院 答辩日期： 2015年6月**日 20XX年X月XX日
摘要 1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化，近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展，数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对关系国计民生的一些重要行业的发展也起着越来越重要的作用，数控机床具有精密、高效、柔性自动化和易于实现工艺复合和信息集成等的诸多特点，特别适于加工复杂形状的零件，备受到机械制造企业的青睐；但是数控机床市场仍然存在风险，数控机床技术也有诸多不完善之处，因此要想更好发挥数控技术的特点，就要将其故障率降低，所以数控机床可靠性和维修性技术也就显得尤为重要。本文主要是针对数控机床可靠性，维修性展开，对其进行分析研究。 关键词：数控技术数控机床可靠性维修性 Nc machine tool reliability maintainability analysis and research In 1952, the computer technology application in machine tools, was born in the United States the first CNC machine tool. From then on, the traditional machine tool to produce a qualitative change, nearly half a century, the CNC system has experienced two stages and six generations of development, the application of numerical control technology not only brings revolutionary change to traditional manufacturing, the manufacturing industry has become the symbol of industrialization, and with the continuous development of numerical control technology and application in the field of expansion, the development of relations, some key industries of the national economy and people's livelihood is playing a more and more important role, nc machine tools with precision, high efficiency, flexible and easy to realize automation process and information integration of many characteristics, especially suitable for processing of complex shape parts, closely to the favour of machinery manufacturing enterprise; Nc machine tool market there is still a risk, however, the numerical control machine tool technology also has many shortcomings, therefore in order to better play to the characteristics of numerical control technology, is the failure rate is reduced, so the numerical control machine reliability and maintainability technology also is particularly important. This article is mainly aimed at numerical control machine reliability, maintainability, analyzes its research. Keywords: Numerical control technology Nc machine tool reliability maintainability
数控机床常见报警故障及其维护保养
第七章数控机床常见报警故障及维护 保养 第一节数控机床常见故障及处理 一故障与可靠性 故障： 故障是指设备或系统因自身的原因而丧失规定功能的现象。故障的形式是多种多样的，但是故障具有相同的规律即故障规律曲线。
由图可知，改曲线分为三个区域，即初期运行区Ⅰ，系统的故障呈负指数曲线函数，故障率较高，故障原因大多数是设计、制造和装配缺陷所造成的；Ⅱ区为系统的正常运行区，此时故障率趋近一条水平线，故障率低，故障原因一般是由操作和维护不良而造成的偶发故障；Ⅲ区为系统的衰老区，此时故障率最大，主要原因是年久失修及磨损过渡造成的。若加强维护，可以延长系统的正常运行区。 二可靠性 可靠性是指在规定的条件下，数控机床维持无故障工作的能力。衡量
可靠性的指标如下： 1.平均无故障时间（MTBF）是指一台数控机床在使用中两次故障间隔的 平均时间。一般用总工作时间除以总故障次数来计算。 2.平均修复时间（MTTR）是指数控机床从出现故障直至正常使用所用 修复时间的平均值。 3.有效度（A）是指一台可维修的数控机床，在某一段时间内，维持其性 能的概率。用平均无故障时间除以平均无故障时间与平均修复时间的和来计算。 对于普通的数控机床，要求MTBF≥1000h, A≥0.95 三故障分类 数控机床的常见故障按故障性质、产生原因分为一下几类。 1 系统性故障和随机性故障 以故障出现的必然性和偶然性，将故障分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指机床或数控系统部分在一定的条件下必然出现的故障。随机性故障是指偶然出现的故障。一般随机性故障往往是由于机械结构的局部松动、错位、控制系统中的元器件出现工作特性飘移，机床电气元件可靠性下降等原因造成。这类故障在同样的条件下只偶然出现一两次，需要反复实验和综合判断才能排除。 2 有诊断显示故障和无诊断显示故障 以故障出现时有无自诊断显示，将故障分为有诊断显示故障和无诊断
数控机床可靠性技术的发展(标准版)
( 安全管理 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 数控机床可靠性技术的发展(标 准版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process
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第二，平均故障修复时间（MeanTimeToRepair，简称MTTR)，一般是指系统修复一次故障所需要的时间，其所需的流程是确认失效→配件获得→维修→重新投入使用。当该数值越小时，该系统的可靠性越高。 2.数控机床可靠性技术存在的问题 2.1数控机床可靠性研究的学者和机构较少 由于数控机床可靠性技术的研究需要很多部门、学科的交叉工作，并且耗时、耗资，再加上研究成果获得较慢。与一些关键共性技术的研究相比，国内很少有专门对数控机床可靠性进行较大力度的研究，那么能够对数控机床可靠性进行研究的科研机构非常稀缺，一直没能形成一套完整的技术体系。 2.2数控机床可靠性数据积累薄弱 对于数控机床的可靠性数据而言，不但要有数控机床的故障数据，也需要一些维修、载荷数据等。虽然我国已经积累了一定的数控机床故障、维修以及载荷数据等，然而很多数据也仅是针对某一型号的数控机床而已，并不能涵盖较大的用户群体和多样的数控机
浅谈对数控车床的认识
浅谈对数控车床的认识 姓名：李本旗 单位：陇东职业中等专业学校 日期：二〇一一年六月三十日
浅谈对数控车床的认识 李本旗 摘要：数控车床源于普通车床而优于普通车床，其有五大优点：1、提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定；2、提高生产效率，一般约提高效率3－5倍，使用数控加工中心机床则可提高生产率5－10倍；3、可加工形状复杂的零件； 4、减轻了劳动强度，改善了劳动条件； 5、有利于生产管理和机 械加工综合自动化的发展。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。普通车床经济实用，仍然在国民生产中占有一席之地。 关键词：数控车床认识 自从进入机械这个专业以来，“数控”这个词时常在耳边响起，作者对数控的理解虽然不象那些不懂数控的老师说的那样把毛坯装夹好后，输入程序，想要什么样的东西就能加工出什么来那样简单，但是对于数控车床的概念仍然不懂，虽然自己也曾经找书看过关于数控的概念，但那些生硬的文字解释依然使作者心里很含糊，直到这次培训真正接触了数控车床并亲手操作了才彻底明白。其实数控车床就
是在普通车床的基础上引入了计算机，利用计算机控制机床的运转，达到机电合一，并进一步改进机床的运行精度，同时实现多轴联动以完成复杂工件的加工。数控车床以其五大优点在工业生产中逐渐占领了重要的地位，并且其发展水平往往成为一个国家工业发展状况的标志之一。然而普通车床虽然没有数控车床的那么多优点，但由于其在价格上的优势仍然在国民生产中占有一席之地，占到车床总量的65%，而且永远也不可能完全被数控车床所取代。 一、数控车床的概念 数控车床又称为 CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。 数控技术也叫计算机数控技术（CNC，Computerized Numerical Control），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作时序逻辑控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入操作指令的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成，处理生成的微观指令传送给伺服驱动装置驱动电机或液压执行元件带动设备运行，从而实现对将毛坯料加工成为人
数控机床可靠性技术的发展
仅供参考[整理] 安全管理文书 数控机床可靠性技术的发展 日期：__________________ 单位：__________________ 第1 页共6 页
数控机床可靠性技术的发展 在我国的中高档数控机床市场，由于国产数控机床的可靠性较低，也就成为了占有率较低的主要原因，而且可靠性已经成为国内数控机床的一个重要技术瓶颈。 1.数控机床可靠性概念及指标 1.1数控机床可靠性 所谓的数控机床可靠性，就是指数控机床产品及其系统能够在限定时间内完成一定的动作指令的能力。 1.2数控机床可靠性指标 对于数控机床可靠性主要有以下两个指标： 第一，平均无故障时间（MeanTimeBetweenFailure，简称MTBF），就是指数控机床产品连续发生两次故障之间的平均时间。这种平均故障时间常用做数控机床可靠性评价的一个定量指标。该数值越大，说明系统的可靠性越高。 第二，平均故障修复时间（MeanTimeToRepair，简称MTTR)，一般是指系统修复一次故障所需要的时间，其所需的流程是确认失效配件获得维修重新投入使用。当该数值越小时，该系统的可靠性越高。 2.数控机床可靠性技术存在的问题 2.1数控机床可靠性研究的学者和机构较少 由于数控机床可靠性技术的研究需要很多部门、学科的交叉工作，并且耗时、耗资，再加上研究成果获得较慢。与一些关键共性技术的研究相比，国内很少有专门对数控机床可靠性进行较大力度的研究，那么能够对数控机床可靠性进行研究的科研机构非常稀缺，一直没能形成一套完整的技术体系。 第 2 页共 6 页
2.2数控机床可靠性数据积累薄弱 对于数控机床的可靠性数据而言，不但要有数控机床的故障数据，也需要一些维修、载荷数据等。虽然我国已经积累了一定的数控机床故障、维修以及载荷数据等，然而很多数据也仅是针对某一型号的数控机床而已，并不能涵盖较大的用户群体和多样的数控机床类型。那么就会使得数控机床进行可靠性设计时，不能得到较多的经验值，故使得我国的数控机床的可靠性设计严重先天不足。 2.3数控机床故障机理研究不足 目前大多数都是以故障独立为假设的条件下进行研究，然后对数控机床的故障数据进行可靠性建模，继而评估故障所带来的危害性。然后对于故障机理研究不具有普遍性，而对于很多问题存在较大的模糊性，其中包括故障之间的相关性、故障产生的本质原因等，以至于出现盲目改进，即费时又费钱，甚至有改进无效的情况出现。 2.4数控机床维修性和可用性重视不够 对数控机床这种类型的产品进行维修时，一般用户对于维修后的数控机床不但能够保证故障间隔时间得到延长，而且要求其维修简单、时间短。换句话说，既要求维修性好，有要求可靠性高。现在，对于我国数控机床行业的科研机构大多都是停留在对可靠度指标进行评估，以至于对于数控机床的维修性和可用性方面得不到科研机构的重视，目前也有一些论文对此进行研究分析，然而并未得到充分的重视，也仅仅是满足数控机床用户的需求而已。对此，就需要得到相关部门、政策进行引导，以便于得到数控机床领域的更多专家、学者对其维修性、可用性进行深入地研究分析，并针对问题予以解决。 3.数控机床可靠性技术的研究 第 3 页共 6 页
数控机床概述
第一章数控机床概述 第一节数控加工的概念 一、概念： 数字控制(Numerical Control，简称NC)技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术。数控机床：是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电动机的起动和停止，主轴变速，工件松开夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字信息送入数控装置或计算机，经过译码、运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。 数控加工：根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。 二、产生：1952年美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院(MIT)合作研制成功了世界上第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。 第二节数控机床的组成与分类 一、数控机床的组成 数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。现代数控系统都为计算机数控系统(Computer Numerical Control，简称CNC)。数控机床的基本组成包括加工程序、输入/输出装置、数控装置、伺服系统、辅助控制装置、反馈系统及机床本体。 图一数控机床的组成 第二节数控机床的组成与分类 CNC装置(CNC单元)： CNC装置是数控机床的核心部件。 组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块 以及相应的控制软件。 作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输 入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置 和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组 织，使整个系统有条不紊地进行工作的。 1. 操作面板 操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具。 组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显 示器；。 它是数控机床特有的部件。 第二节数控机床的组成与分类 2. 控制介质与输入输出设备 控制介质记录零件加工程序的媒介 输入输出设备CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通 常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程 序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放 或记录在相应的控制介质上。 1. 操作面板 操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具。 组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显
数控设备可靠性指标
数控机床可靠性的四项指标 （1）平均无故障间隔时间 平均无故障间隔时间，MTBF （Mean Time Between Failures ）是指对可修复产品，相邻故障工作时间的平均值，是衡量可靠性的重要指标，具体数值在产品标准中给出。据统计，数控系统最低可接受的MTBF 不应该低于3000h 。统计资料表明，国外数控系统的MTBF 为 5000h~22000h 。对可靠性的评估，主要是考核无故障性参数。数控系统丧失规定的功能称为故障。 平均无故障工作时间能准确反映数控设备正常工作的时间。它是指一次故障发生后，到下次故障发生前无故障间隙工作时间的平均值。MTBF 的观测值可用如下公式计算： MTBF =1N 0∑i =1n t i =∑i =1n t /∑i =1n r i 式中，N 0为在评定周期内机床累计故障频数；n 为机床抽样台数；i t 为在评定周期内第i 台机床实际工作时间h ，r i 为在评定周期内第i 台机床出现故障的频数。 数控机床经过早期磨损期后，消除了早期故障，进入正常工作阶段，其工作基本控制在偶然失效阶段，可以认为其故障间隔时间服从指数分布。 数控机床故障间隔时间的区间估计一般取置信区间水平为1-α=90%，即真值落在估计区间的概率为90%。 其双侧置信区间按下式估计： 其单侧置信区间按下式估计： θ>2T X 0.102(2r +2)=θL 式中，r 为发生故障的次数；T 为定时截尾试验时间，X 0.052、X 0.952、X 0.102为参数为 0.05、0.95、0.10的分布数。 评定时根据数控机床发生故障的次数及相关发生的时间，然后按照上述公式进行计算即可。MTBF 越长表示可靠性越高，正确工作能力越强。 （2）平均修复时间
数控机床可靠性技术的分析与研究
数控机床可靠性技术的分析与研究 作者时振伟 摘要： 当前数控技术在各个领域的广泛应用，促进了各个领域的极大发展。数控机床具有精密、高效、柔性自动化和易于实现工艺复合和信息集成等的诸多特点，特别适於加工复杂形状的零件，因而成为现代先进制造技术最重要的基础装备和世界机床市场的主流产品，备受到机械制造企业的青睐。但是数控机床市场仍然存在风险，数控机床技术也有诸多不完善之处，因此要想更好发挥数控技术的特点，就要将其故障率降低，所以数控机床可靠性技术也就显得尤为重要。本文主要是针对数控机床可靠性技术展开，对其进行分析研究。 关键词： 数控技术数控机床可靠性可靠性指标数控机床故障 一、数控技术、数控机床及可靠性技术概念阐释及可靠性指标 1.数控技术 简称数控（Numerical Control ）就是用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。它通常是对位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量的控制。 2.数控机床
数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。程序控制系统能够处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并且将其进行译码，用代码化的数字表示出来，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作使其按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。 3.数控机床可靠性 数控机床产品、数控系统在其规定的特有条件下及规定的时间内，完成规定功能的能力，称为数控机床可靠性。 4.数控机床可靠性指标 平均无故障时间MTBF、平均故障修复时间MTTR、可用度A。 平均无故障时间（Mean Time Between Failure，简称MTBF），是指产品从一次故障到下一次故障的平均时间。 平均故障修复时间（Mean Time To Repair，简称MTTR)，是随机变量恢复时间的期望值。它包括确认失效发生所需的时间，和维护所需要的时间，获得配件的时间，维修团队响应的时间，记录所有任务的时间，还有将设备重新投入使用的时间，即指系统修复一次故障所需要的时间。它是衡量一个产品可靠性的指标，它的值越小说明该系统的可靠性越高。 数控机床常用平均无故障时间MTBF作为可靠性的定量指标。二、数控机床可靠性技术存在的必要性 （一）数控机床市场的不断发展（需求）
浅谈影响数控机床性能的因素
浅谈影响数控机床性能的因素 摘要：目前国产数控机床在精度、速度、多轴联动和复合加工等先进功能方面取得了明显进展。但机床功能的维持能力即可靠性与国际水平尚有较大差距。可靠性低是国产数控机床，特别是中高档数控机床市场占有率低的主要原因，已成为国内机床产业发展的技术瓶颈，引起了行业和学术界的高度关注。数控机床作为复杂的机电液系统，它既不像电子产品和机械结构产品那样已经具备了相对成熟的可靠性理论与技术。 关键词：数控机床性能；因素； 近年来，高速度、高精度的高性能机床已经越来越成为数控机床发展的一个新趋势，针对高速、高精机床的研究也逐步展开。精密加工要求数控机床进给系统能够快速准确地对输入做出响应，但实际上有很多因素导致数控机床不能快速准确的复现输入。人们围绕影响数控机床精度的因素和如何提高数控机床的性能开展了大量深入的研究探讨和实践，取得了非常有价值的研究成果，对高性能数控机床的发展起到了重要作用。 一、影响数控机床性能的因素 1.数控机床可靠性研究的学者和机构较少 数控机床是一个故障模式多样、故障机理复杂、可修复的复杂系统，其可靠性的研究工作在技术上多学科交叉、时间上贯穿全生命周期、空间上涉及多部门协同，是一项复杂的系统工程。因此数控机床可靠性技术的研究工作周期长、耗资大、出成果慢，需要科研团队产学研合作长期工作才可能取得成效。相比于其他关键共性技术的研究，目前国内对数控机床可靠性研究的科技投入力度较小，专门从事该方向研究的科研机构和研究团队较少，尚未形成完整的技术体系。相关部门应加大投入，积极进行政策引导。数控机床的可靠性数据不仅包括故障数据，还应包括维修数据和载荷数据。目前数控机床的故障和维修数据已经有了一定的积累，但是其载荷数据积累严重不足。已有数据只是针对于某一型号或某一用户，未覆盖量大面广的数控车床和加工中心，也未涵盖不同用户行业，不具有普遍性。载荷数据积累不足，难以编制数控机床整机、功能部件和关键零件的载荷谱，可靠性设计依据不够充分，特别是不能进行可靠性概率设计，造成产品的固有可靠性水平先天不足。 2.数控机床故障机理研究不足 故障机理研究是指针对故障现象通过理论与试验分析得到反映产品故障本质的物理或化学原因。现有研究偏重于在故障独立的假设下，利用机床的故障数据进行可靠性建模与评估和故障模式影响及危害性分析，根据评估分析结果采取更换零部件和改变结构等设计改进措施。但由于故障机理研究不足，对产生故障的物理本质、故障之间的相关性和共因故障等问题认识不清，往往造成过度改进而增加成本，甚至出现改进无效的情况。 3.重机床整机、轻功能部件 数控机床主要是由各类功能部件和数控系统及支撑结构组成的，因此机床的可靠性与机床功能部件的可靠性，特别是关键功能部件的可靠性密切相关。保障功能部件的可靠性水平是德、日、瑞士等机床工业发达国家保证数控机床可靠性的主要技术途径。国内的中高档数控机床曾长期大量采用进口关键功能部件，国内机床功能部件企业的技术能力薄弱，大多处于产品中低端的低成本竞争阶段，使得研究机构的工作重心偏重机床整机。其次，整机可靠性的研究通常是进行现
数控机床可靠性评定 第1部分：总则(标准状态：现行)
犐犆犛２５．０４０．２０ 犑５０ 中华人民共和国国家标准 犌犅／犜２３５６７．１—２００９ 数控机床可靠性评定 第１部分：总则 犚犲犾犻犪犫犻犾犻狋狔犲狏犪犾狌犪狋犻狅狀犳狅狉狀狌犿犲狉犻犮犪犾犮狅狀狋狉狅犾犿犪犮犺犻狀犲狋狅狅犾狊— 犘犪狉狋１：犌犲狀犲狉犪犾狉狌犾犲 ２００９ ０４ １３发布２０１０ ０１ ０１实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
犌犅／犜２３５６７．１—２００９ 目 次 前言Ⅰ １ 范围１ ２ 规范性引用文件１ ３ 术语和定义１ ４ 故障判定２ ５ 抽样３ ６ 试验方式３ ７ 试验条件３ ８ 试验方法４ ９ 故障监测５ １０ 数据的采集５ １１ 可靠性评定指标６ １２ 结果判定７附录Ａ（规范性附录） 关于可靠性修正系数犽８ 附录Ｂ（资料性附录） 可靠性试验运行记录９ 附录Ｃ（资料性附录） 可靠性试验故障记录１０ 附录Ｄ（资料性附录） 故障分析报告１１
前 言 ＧＢ／Ｔ２３５６７《数控机床可靠性评定》分为以下八个部分： ———第１部分：总则； ———第２部分：加工中心； ———第３部分：数控车床； ———第４部分：数控铣床； ———第５部分：数控磨床； ———第６部分：数控齿轮加工机床； ———第７部分：五轴联动机床； ———第８部分：复合加工机床。 本部分为ＧＢ／Ｔ２３５６７的第１部分。 本部分的附录Ａ为规范性附录，附录Ｂ、附录Ｃ和附录Ｄ为资料性附录。 本部分由中国机械工业联合会提出。 本部分由全国金属切削机床标准化技术委员会（ＳＡＣ／ＴＣ２２）归口。 本部分起草单位：北京机床研究所，国家机床质量监督检验中心。 本部分主要起草人：张维、李祥文、赵钦志、官端阳。
数控机床维修培训系列教材
第一讲 数控机床维修的基本知识 培训中心：岳梁材 数控机床是一种自动化程度较高，结构较复杂的先进加工设备，是一种典型的机电一 体化产品，能够实现高速、高精度和高自动化，在企业生产中占有重要的地位。故如何做好数控机床的维修工件，使其发挥应有的效益，直接关系到企业的经济效益。 维修管理工作应包括：设备管理、维护保养及故障维修。本次主要介绍数控机床的维护保养和故障维修。 第一节 数控机床 一、数控机床的定义 数控机床是一种典型的机电一体化产品，能实现机械加工的高速度、高精度和高自动化，代表了机床的发展的方向。 国际信息处理联盟（I F I P）第五技术委员会对数控机床的定义是：数控机床是一个装有程控系统的机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其它符号编码指令规定的程序。具体的说，将刀具移动轨迹等加工信息用数字化的代码记录在程序介质上，然后输入数控系统，经过译码、运算，发出指令，自动控制机床上的刀具与工件之间相对运动，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件，这种机床即为数控机床。 二、数控机床的工作原理 数控机床在加工零件时，根据所输入的数控程序，由数控系统控制机床执行机构的各种动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路径和参数进行工作，从而加工出符合技术要求的零件。 三、数控机床的组成 数控机床一般由输入输出设备、C N C装置（或称C N C单元）、 伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器 P L C及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。 数控机床的组成框图。 其中除机床本体之外的部分称为计算机数控(C N C)系统 1.机床本体 C N C机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加之
机床可靠性设计及其指标
机床可靠性设计及其指标 6月19日，我们机械工程及自动化专业全体同学一起去了新国展观看了机床展，我们看到了各种先进的机床和机床工具，比如先进的DMG机床、三维扫描系统，功能强大的机械手臂等。我们开阔了自己的眼界，感叹德国、日本等发达国家制造业和制造设备的发达。除了这些，我们还就各种专业的方面有了一些了解。 可靠性是系统、机械设备或零部件在规定的工作条件下和规定的时间内保持与完成规定功能的能力。一个系统、一台设备，无论其如何先进，功能如何全面，精度如何高级如果故障频繁、可靠程度差，不能在规定的时间内可靠地工作，那么它的使用价值就不高，经济效果就不佳。从设计规划、制造安装、使用维护、更新改造到修复报废，可靠性始终是系统和设备的灵魂。可靠性是评定系统和设备好坏的主要目标之一，它体现了产品的耐用和可靠程度。数控机床是现代制造技术的基础装备，其技术水平高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志，而数控机床的可靠性是机床质量的关键。 数控机床的可靠性有以下四个指标：平均无故障间隔时间、平均修复时间、固有可用度、精度保持时间。 平均无故障间隔时间MTBF（Mean Time Between Failures）是指对可修复产品，相邻故障工作时间的平均值，是衡量可靠性的重要指标，具体数值在产品标准中给出。平均无故障工作时间能准确反映数控设备正常工作的时间。它是指一次故障发生后，到下次故障发生前无故障间隙工作时间的平均值。 平均修复时间（Mean Time To Repair）又称平均事后维修时间，是从发现故障到机床恢复规定性能所需修复时间的平均值，简称MTTR。它包括确认失效发生所必需的时间、维修所需要的时间、获得配件的时间、维修团队的响应时间、记录所有任务的时间以及将设备重新投入使用的时间。MTTP不仅和产品本身设计相关，而且和使用方法、维修水平、备件策略也密切相关。 固有可用度又称有效度(Availability)，是在规定的使用条件下，机械设备及零部件保持其规定功能的概率，简称A。有效度是评价设备利用率的一项重要指标，也是直接制约设备生产能力的重要因素。 精度保持时间（kT）是数控机床在两班工作制和遵守使用规则的条件下，其精度保持在机床精度标准规定的范围内的时间。 以上4个评定指标中，MTBF侧重于数控机床的无故障性，是最常用的评定指标；MTTR 反映了数控机床的维修性，即进行维修的难易程度；固有可用度A综合了反映无故障性和维修性，即有效性；精度保持时间反映了数控机床的耐久性和可靠寿命。 想要达到上述可靠性指标，需要有一定的方法。我们询问站台工作人员，他们站在销售的角度上，对我们说他们的机床都是相当可靠，对我们提出的问题有一些专业的解答。我们综合了各个展台的信息和宣传手册，还有网络上的资料，得出保证可靠性的方法。 （1）高可靠性设计 数控机床主要由信息载体、数控系统、伺服系统和机床本体四部分组成。数控机床的设计可靠性，取决于上述四个部分的设计可靠性，特别是数控系统的设计可靠性。 （2）功能模块化设计 数控系统的模块化设计。根据系统各部分的功能不同，将数控系统分成不同的模块：CPU 模块、位置控制模块、存储器模块、PLC模块、接口模块、电源模块、图形显示模块等。根据不同机床的数控功能要求，可选择不同的模块进行组合，在优化、通用化、标准化的原则下，进行功能模块的设计和制造，能大大地提高数控系统的可靠性。 （3）元器件最少化设计 减少元器件的数量，也就减少了故障发生的机率。设计时要尽量以软件代替硬件来实现