自2002年我国成为世界第一大机床消费市场以来，进口数控机床的消费量逐年增长，国产数控机床的市场空间被进口产品大量占领，其主要原因就是产品的可靠性低，这已是不争的事实。因此，“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（以下简称“04专项”）在课题立项中，将“数控机床可靠性设计和性能试验技术”设置为第一项关键共性技术。就国产数控磨床而言，研究开发数控磨床的可靠性系列技术,提升国产数控磨床的整体水平，缩小国内外差距，已成为国内机床制造企业及用户企业的殷切愿望。

自2009年以来，在04专项的支持下，北京第二机床厂有限公司共牵头承担和参与了5项有关机床可靠性和精度保持性的研究课题，其中，2013年牵头承担的“中高档国产数控磨床可靠性规模化提升工程”课题，专门围绕国产数控磨床的可靠性和精度保持性而展开研究。该课题的执行期为2013年1月1日至2017年12月31日，主要目标是：

1. 梳理前期研究成果，借鉴其他数控机床可靠性的成功经验，开展具有数控磨床特色的可靠性关键技术的集成和创新性研究。

2. 开发数控磨床全生命周期的可靠性系列实用技术，建立产品可靠性保障体系。

3. 研究成果在数控磨床及其关键功能部件上推广应用，确保规模化生产的主机产品的可靠性水平MTBF达到1500h，提升国产数控磨床及其关键功能部件的市场竞争力。

4. 建立产、学、研、用相结合的数控磨床可靠性技术创新基地和创新团队，切实提高企业自身的产品可靠性技术创新和推广应用能力。

国产数控机床可靠性研究存在的主要问题

由于我国数控磨床可靠性研究工作的起步相对较晚，因此目前主要存在以下问题:

1. 数控磨床可靠性的基础数据（故障数据、载荷数据和维修数据等）积累不足，主机和功能部件的可靠性设计和可靠性试验缺乏依据，急需建立数控磨床可靠性动态数据库、知识库和交流平台。

2. 行业尚未建立一套完善的数控磨床可靠性设计、一致性制造、装配以及可靠性保障体系，目前开发的技术成果系统性和实用性尚显不强，急需开发贯穿数控磨床全生命周期的可靠性系列实用技术。

3. 企业的可靠性试验能力尚显薄弱，目前部分企业虽然研制了数控磨床关键功能部件可靠性试验台，但试验台在数量和质量上还远远不能满足可靠性试验的需求。

4. 前期的研究工作主要局限在重大专项立项支持研发的新产品上，还未实现在量大面广的数控磨床产品上的大面积推广应用。

5. 数控磨床企业尚未建立起产品的可靠性保障体系和稳定的可靠性研究团队，造成可靠性共性技术研究与企业需求结合不够紧密，企业自身的可靠性技术研发和推广应用的能力不强。

针对以上问题，北京第二机床厂有限公司联合无锡机床股份有限公司、杭州杭机股份有限公司、湖南海捷精密机械有限公司和国家机床质量监督检验中心等，通过强强联合开展了协同攻关。在推进实施前期研究成果的基础上，以中高档数控磨床及其关键功能部件为对象，收集积累可靠性和质量信息基础数据，开发数控磨床可靠性动态数据库、知识库和交流平台，研究数控磨床可靠性系列实用技术，以及数控磨床制造过程的一致性制造技术、装配技术，在数控磨床骨干企业建立产品可靠性保障体系，形成产、学、研、用相结合的可靠性研究团队和可靠性技术研发与试验基地，突破了困扰国产数控磨床可靠性的关键技术。所取得的研究成果，首先在参与本课题的4家数控磨床主机企业中进行推广应用，切实提高了国产数控磨床的整体可靠性水平。

研究内容

围绕近年来承担的相关课题，北京第二机床厂有限公司开发了数控机床全生命周期的可靠性系列实用技术，建立了企业的产品可靠性保障体系，实现了研究成果在量大面广的数控磨床骨干企业和相关关键功能部件骨干企业的推广应用，确保了主机产品的可靠性水平MTBF达到1500h，提升了国产数控磨床及其关键功能部件的市场竞争力，进一步促进了我国数控磨床可靠性技术创新基地和创新团队的建设。具体包括：

1. 在数控磨床可靠性系列技术方面，研究开发了可靠性分析与基于多学科优化理论的可靠性综合设计技术、可靠性试验与早期故障排除技术以及制造过程的可靠性保障技术，制定了技术规范和标准。

2. 在可靠性支持工具方面，开发了可靠性动态数据库、知识库、评价分析软件和交流平台。

3. 在产品质量控制方面，研究了数控磨床的一致性控制技术，实施了产品质量一致性制造技术。

4. 在保障机制建设方面，建立了企业的产品可靠性保障体系。

5. 在可靠性基地建设方面，建立了50人以上的产、学、研、用可靠性研究团队。该团队紧密围绕课题目标和任务，开展各项工作。

针对困扰数控磨床可靠性提升的关键问题，围绕下述9项核心任务开展了研究工作：数控磨床可靠性现场试验及数据采集、数控磨床可靠性优化设计与分析技术、数控磨床早期故障排除体系研究、数控磨床使用可靠性技术研究和数控磨床制造过程的可靠性保障技术研究，以及数控磨床质量一致性制造技术研究，数控磨床可靠性动态数据库、知识库研究及开发，数控磨床关键功能部件可靠性试验技术研究，数控磨床可靠性保障体系和人才基地建设。通过对这9项核心任务的研究，推动了数控磨床可靠性提升工程的整体进步，使我国数控磨床产业掌握了可靠性提升的关键技术，增强了国产数控机床的市场竞争力。

课题解决的重大问题

1. 开发了贯穿数控磨床全生命周期的可靠性系列实用技术

本课题开发的数控磨床全生命周期过程的系列可靠性实用技术包括设计、制造、安装、调试、早期故障排除、售后服务和用户培训等。同时，制定了相应的数控磨床可靠性系列技术规范，并形成了企业标准或行业和国家标准，从而有效地解决了长期以来开展数控机床可靠性工作无章可循的问题。

2.建立了企业的数控磨床产品可靠性保障体系

我国磨床企业尚未建立起产品的可靠性保障体系，使得有限的数控磨床可靠性技术难以在企业得到良好的推广应用。课题在数控磨床骨干企业建立了包括管理机构和人员设置、技术保障和规范的实施、岗位责任和责任追究机制、信息反馈和数据积累以及试验能力在内的企业产品可靠性保障体系，在企业形成了可靠性技术的保障机制，并在本课题协作单位内部推广实施，从而解决了可靠性技术难以在企业推广应用的问题。

3.构建了数控磨床可靠性动态数据库和知识库

我国数控磨床的可靠性数据积累相对较少，必须尽快补充。本课题对涉及的数控磨床开展了长期的用户现场跟踪试验，收集并积累了机床及其功能部件的可靠性数据，在深入分析数控磨床出现的故障、产生的原因以及对应的故障维修方法的基础上，建立了数控磨床最小故障割集，进而构建出包括数控磨床可靠性动态记录、指标评估、故障判别和故障排除指导等功能于一体的数控磨床可靠性分析知识库，为数控机床的可靠性评价、可靠性设计和可靠性增长提供了依据。

4.开展了基于多学科优化设计理论的数控磨床可靠性设计技术的研究

在数控磨床的产品设计中，受关注度最高的是数控磨床的功能、精度、效率和制造成本等，而对数控磨床的可靠性关注不足。本课题以上述构建的数控磨床动态数据库、知识库为前提，以多学科优化设计理论为基础，在确保数控磨床精度、瞬时加工效率不变的前提下，针对降低成本和提高可靠性这两个相互矛盾的约束目标，通过构造适合现存生产状况的惩罚函数，合理确定了数控磨床优化设计目标函数。通过将数控磨床各零部件类型、性能、成本和可靠性等各项指标定量化，构造出综合反映数控磨床可靠性设计各参数变量的基因因子，并运用遗传学算法，获得了数控磨床可靠性综合设计的新方法。

5.开发了数控磨床一致性制造技术

在数控磨床的规模化批量制造过程中，应对关键零件的质量和整机精度指标的一致性有较高的要求。本课题以数控磨床为对象，研究了数控磨床的质量一致性加工和装配技术，掌握了影响制造质量和精度一致性工艺要素的溯源方法，研究了毛坯件的时效处理、关键零件加工以及部件和整机装配的质量检测技术，形成了保障一致性制造的技术规范，大幅度提高了批量化国产数控磨床的基础制造水平。

数控磨床质量一致性制造技术

6. 开展了试验平台与早期故障消除体系的研究

数控机床的故障率是个典型的“浴盆曲线”，早期故障发生率很高，严重影响了用户对国产机床的信心。因此，本课题对早期故障消除技术进行了研究，以开发出早期故障的快速消除技术，将早期故障消灭在制造企业。这项研究涉及建立早期故障消除的体系架构，研究早期故障快速消除方法，包括：早期故障分析方法，加速、加载试验方法，早期故障消除率评价方法等。同时，研制数控磨床关键功能部件的可靠性试验台，开展工况模拟和可靠性加速试验，形成国产关键功能部件的可靠性评价、筛选和试验能力，建成数控磨床可靠性试验和技术创新基地。

早期故障排除试验流程图

课题开发的关键技术

通过课题的实施，主要开发了如下关键技术：

1. 数控磨床整机及其子系统故障概率密度模型建模方法；

2. 数控磨床整机及其子系统累计故障概率分布规律；

3. 数控磨床整机及其子系统评价故障间隔时间计算方法及模型；

4. 去浴盆曲线前段的数控磨床可靠性预测理论及方法；

5．数控磨床可靠性优化分配理论及方法；

6. 基于遗传算法的曲轴磨削单元系统可靠性优化分配理论和方法；

7. 数控曲轴磨床运动误差检测新方法。

以上核心技术，对我国今后掌握数控磨床可靠性关键指标，提升可靠性水平，开展可靠性设计等都具有重要的理论意义和应用价值。

取得的成果

1.规模化提高了数控磨床的可靠性水平

本课题以量大面广且能够反映国产数控磨床整体可靠性水平的200台中高档数控磨床作为可靠性提升的目标对象，从可靠性设计、可靠性试验、早期故障排除、制造装配过程的可靠性保障、制造质量一致性控制、运行可靠性控制及可靠性保证体系等多个方面深入细致地开展了研究工作。通过与各参加单位的紧密合作，研究了产品全寿命周期的可靠性增长技术，促使规模化生产的数控磨床的可靠性水平MTBF达到1500h，使课题研发的可靠性技术更具普适性和可推广性，在质和量两个方面都有创新突破。

2. 积累了大批量可靠性基础数据

本课题对专项支持研发的、具备用户现场跟踪实现条件的30台以上数控磨床产品样机进行了长达3000h/台的现场跟踪试验，收集、积累了完整的载荷、故障和维修数据信息，为数据库积累数据5000条以上。

数控磨床可靠性现场跟踪数据采集流程

3. 构建了数控磨床可靠性动态数据库、知识库

本课题对专项支持研发的、具备用户现场跟踪实现条件的30台以上数控磨床产品样机进行了长达3000h/台的现场跟踪试验，在深入分析数控磨床出现的故障、产生的原因以及对应的故障维修方法的基础上，建立了数控磨床最小故障割集，进而构建出包括数控磨床可靠性动态记录、指标评估、故障判别和故障排除指导等功能于一体的数控磨床可靠性分析知识库，为数控机床的可靠性评价、可靠性设计和可靠性增长提供了依据。

数控磨床可靠性动态数据库系统的功能结构图

4. 研制了20套数控磨床主要关键功能部件的可靠性试验台

无论是外圆磨床还是内圆磨床，或是平面磨床，磨削主轴都具有较高的转速和回转精度，是数控磨床的关键功能部件。由于在高转速下实现对主轴的工况模拟难度较大，造价也较高，因此，目前国内数控磨床企业的功能部件可靠性试验台大多是空运转试验台。本课题借鉴加工中心高速电主轴可靠性试验台的成功经验，研制开发出具有工况模拟能力的数控磨床主轴可靠性试验台，实现了数控磨床功能部件可靠性台架试验能力的新突破。通过研究关键功能部件可靠性试验的故障检测和报警技术，提高了关键功能部件可靠性试验的自动化程度和加速试验能力。由于能够主动激发暴露出功能部件的潜在故障，因此在可靠性试验能力方面具有先进性。

数控外圆磨床可靠性加载装置机械结构

加载装置控制系统结构

数控外圆磨床进给系统可靠性试验台

数控外圆磨床砂轮主轴可靠性试验台

数控磨床头架轴系可靠性试验台

数控系统试验台

机床导轨、直线电机性能可靠性试验装置

5. 建立了产品可靠性保障体系

在参加课题的数控磨床企业中，研究建立了产品可靠性保障体系。课题在研究和实施可靠性理论和实用技术的基础上，构建了一套适用于企业的机床产品可靠性保障体系，包括：可靠性管理机构和人员设置、技术保障和规范的落实、故障信息反馈和数据积累、岗位责任和责任追究机制以及试验能力和条件建设等，用以指导和协助企业从“设计理念、设计制造、外购外协、安装调试、早期试验直到用户指导和维修服务”这一产品全寿命周期出发，制定并实施可靠性保障制度。

在企业内部，设立了产品可靠性管理部门，包括产品设计、制造、装配、外购外协、试验、销售和使用维护等可靠性工程师岗位，明确了产品生产各个岗位的可靠性职责，并建立了责任追究机制。通过研究产品故障的溯源技术，对产品运行过程中出现的故障进行溯源和责任追究，在产品全寿命周期内促进了产品可靠性的增长。

企业的产品可靠性保障体系

6.申报发明专利6 项，发表学术论文16 篇

本课题依靠自主创新，通过产、学、研、用相结合的运行模式，充分发挥各自优势，参照相关的国际、国内标准，在大量研究和试验的基础上，针对数控磨床可靠性存在的关键问题，以及围绕设计、制造、装配和使用的关键技术，制定了数控磨床可靠性技术标准和规范，形成了一批专有技术。主要涉及：可靠性设计、可靠性试验、可靠性保障、可靠性评估和可靠性增长等系列实用技术；系统的可靠性标准和规范；可靠性数据库。上述研究成果均拥有自主知识产权，不仅有助于推动数控机床产品可靠性工程的顺利实施，还可望形成若干可靠性领域的前沿技术，带动可靠性这一学科的进一步发展。

7. 建立了数控磨床可靠性人才培养基地

通过产、学、研合作，形成了50 人的数控机床可靠性技术研发团队，建立了数控机床可靠性人才培养基地。通过开展技术培训和建立企业的产品可靠性保障体系，为企业的相关工程技术人员普及了数控机床可靠性知识，建立起可靠性责任意识强烈的企业员工队伍，为提升整个磨床行业中高档数控磨床的可靠性水平发挥了重要作用。

取得的效益

本课题的研究成果，已在北京第二机床厂有限公司、无锡机床股份有限公司、杭州杭机股份有限公司和湖南海捷精密工业有限公司等企业批量生产的200台以上数控磨床产品中得到了示范应用，并推广应用于上述企业的其他数控机床产品及整个数控磨床行业中。这对于促进数控磨床行业整体可靠性水平的提升，从而提高国产数控磨床的声誉，增强产品市场竞争力发挥了积极的作用。

基于此，本课题联合企业的收入从2011年的12.4亿元增长到2016年的20亿元，利税从2011年的9600万增长到2016年的1.6亿元，从而为国家及企业带来了显著的经济效益。国产数控磨床可靠性水平的提升，还使应用领域的企业降低了设备采购成本，提高了产品质量，从而部分替代了进口。

作为课题责任单位，北京第二机床厂有限公司还与数控磨床关键功能部件（丝杠、主轴等）的生产企业签署了“数控磨床配套国产关键功能部件可靠性提升合作研发协议”，通过合作，促使数控磨床企业、功能部件企业及数控磨床配套企业在产品可靠性提升工程中得到了共同发展。

北京第二机床厂有限公司将可靠性研究成果应用于数控磨床

存在的问题和差距

在04专项实施前，国产数控机床的可靠性和精度保持性重要指标MTBF大约为600h，专项的实施，使得大多数专项支持的主机产品的MTBF达到900h以上。通过本课题的实施，国产数控磨床的MTBF可以达到1500h左右。但是，与国外先进水平的磨床所具有的5000h相比，还有很大的差距。因此，国产数控磨床尚需持续开展可靠性技术研究，才能进一步缩小与国外的差距。