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          FANUC數控系統的可靠性從何而來

          振興數控機床工業,實現產業化是發展我國機械制造業的必由之路:數控系統產業化是達到這個目標的關鍵之一。數控機床由數控系統控制,它的運動由數控系統的伺服裝置驅動,所以數控系統是數控機床的大腦。又是數控機床運動的原動力;而且數控系統不同于家電,它是生產資料,不是消費資料,要耐受各種惡劣工亞環境的考驗,所以,數控系統的可靠性非常重要。另外,數控系統的可靠比也是用戶的要求,特別是在現代化生產線上采用的數控系統更是如此,設想在一條 24h連續運轉的生產線上如果有一臺不可靠的數控系統在工作.經常停機修理.因而影響整條生產線的正常工作,用戶怎么能受得了?市場要求數控機床長期正常工作,這首先就要求數控系統要長期地可靠工作。可靠性在數控系統產品的研發、設計及制造鏈中最綜合地體現質量及水平,包括技術及管理水平。目前,世界著各的數控制造商家都非常重視數控系統的可靠性。本文以日本FANUC公司為例,說明由于該公司對數控系統可靠性的重視,因而其產品受到用戶的歡迎。
           
                 FANUC
          公司是以生產工廠自動化相關產品為主的公司。其主要產品為機床數控系統和機器人。FANUC集中全部雇員的三分之一致力于研究和開發工作。當前,與數控機床配套的數控系統的市場占有率,FANUC在日本約占70% ,在世界上約占50%以上。FANUC公司的產品是怎樣得到世界機床工業推祟的呢?


          1 FANUC公司的開發方針

          1 商品開發和驗證
              首先,FANUC公司明確制定商品開發的方針為:(1)高性能:系統采用最新、最先進的技術,以滿足用戶對高性能的要求。(2)高質量:首先是高可靠性,以保證商品可以安全地在世界任何地方工作。(3)低成本:可以使用戶獲得很高的經濟效益,使用戶的產品可以在國際市場上具有競爭力。如圖1所示。
           
          用戶購買FANUC的商品使用在生產線上的目的是為了實現機器的最佳性能,為了更好地滿足用戶的要求,FANUC把同類的產品也裝在自己的生產線設備上,最大限度地使用、考驗這些產品,盡量發揮和使用該產品的技術先進性以證明產品可靠和耐用。FANUC相信,在自己的工廠里,由于自動生產過程的機器人化(即生產過程無人化,基本由機器人進行),可以對產品進行高強度的考驗,比如,FANUC新的伺服電動機工廠只有43名操作者、288臺機器人和1個自動倉庫,其控制系統基本采用FANUC自己的系統。在該工廠里,所有生產過程從電動機零件的運輸、裝配、測試、包裝到出廠的所有過程,其操作人員與機器人的比例為1:6.7 。在FANUC的重型機械工廠中,運用了FANUC自己的控制系統CELL 60進行生產,它可以連續72h運轉,包括星期六和星期日。在FANUC的所有工廠里,現共有430名操作者和922臺機器人。操作人員與機器人的比例為 1:2.1。所有這些機器人化的工廠都遵從ISO9001國際標準進行生產。為了保證在用戶生產線上使用的FANUC商品總處在最佳的狀態,FANUC提供了全球范圍的維修和服務網絡,這些服務包括現場安裝、調試、測試、定期維修、故障診斷和修理,并且提供維修備件。這樣,只要用戶的生產線在工作,就可以對FANUC商品提供服務。FANUC的維修服務支持系統稱為CS24,它通過計算機與通信網絡連接在一起,該系統所提供的詳細服務記錄對于改善系統的可靠性產生了巨大作用。
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          高可靠性設計的目標
          FANUC
          在商品開發時,其項目負責人負責對產品的商業化:滿足用戶的需要、提出產.潔性能檔次的計劃、評估和選擇元器件,以達到高可靠性,實現成本和制造目標。從市場的需要到制造系統的每一件事情,項目開發的負責人都要熟悉,才能設計制造出高質量和高可靠性的產品。
           
          無庸贅述,在商品開發中,可靠性的設計是非常重要的。FANUC嚴格按照設計標準化的規定,制定盡量多的設計和生產標準,而對于元器件的選擇,則要于方百計確認它們的可靠性,比如熱、振動特性等,以便對它們進行全面評估。另外,FANUC提出了減少零件數量,作為每種產品的設計目標以保證產品的可靠性。在FANUC研究所的入口處.掛著一條標語“Weniger Teile”,就是要求開發人員在設計商品時要運用較少的零件概念。它也表示,減少元器件的數量也可以提高生產率、降低成本和減少維修。
           
          對于產品的開發,FANUC采用產品的故障率作為可靠性的量化目標。比如,CNC系統,包括電動機和伺服系統的目標故障率是0.01/·月,這個比率表示每月每臺CNC 的平均故障為0.1次,也就是每100個月有1次故障。為了更明確公司對商品負責,FANUC自行開發和制造了獨家的主要零配件,如印刷電路板和伺服電動機。盡管FANUC的專用芯片由專門廠家制造,但為了保證性能和可靠性,FANUC也在公司內進行設計。這就是FANUC對可靠性進行管理的方法。
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          高可靠性設計的要點
          環境
          CNC
          系統、與FA有關的產品以及機器人的設計首先要考慮的是環境,通過持續的可靠性運轉讓產品在嚴酷的環境(如經受溫度、濕度、振動和含有油霧的環境)下安全地使用是非常重要的。在產品設計時,關于產品的可靠性著重要對元件和產品本身對環境的耐受力進行評估。
          對于FANUC,主要的可靠性評估項目為對熱、冷、潮濕、振動、耐久性、噪聲、塵埃、切削油和靜電的耐受性,也評估電子元件的材料和結構耐受高溫切削油浸漬的能力,以確認在加工時腐蝕對暴露在切削油中元件的影響,而且對大多數常用的切削油都進行評估。
          最小化
          FANUC
          產品正朝著CNC小型化工藝發展,同時還充分關注有關小型化中的可靠性問題。
          電子元件引線距的縮小 一般IC的引線距為2.54mm,目前已減小到0.5mm甚至更小。導電線間的小距離在惡劣的環境中可能會通過電容產生漏電而使CNC系統出現故障,因此在印刷板上涂敷某些絕緣材料作成的涂層就可以避免這種故障。
          印刷板 在采用微細電路元件時,為了保證可靠性,也采取了一些措施。
          選擇耐潮濕、耐切削油的最佳材料。
          選擇最佳芯片焊接區,保證足夠的焊接強度和焊接生產率。
          對于大尺寸的表面安裝元件,要盡量選擇印刷板材料的膨脹系數接近元件的膨脹系數,以防止由于膨脹系數的不同而引起的焊接接點質量變壞。

          由于電子元件的故障率隨著溫度的增加而增加,因此,為了降低由于高密度安裝而產生的熱量并保持低的溫升,在運轉期間對元件周圍的溫度以及半導體的結點溫度設定一個允許的上限,以降低熱損耗。
          為了防止因接觸器小型化和多引線引起的電氣故障,如表面接觸壓力減少、接觸面異物引起的接觸不良,采用2點接觸以保證接觸表面的干凈。


          2 FANUC CNC控制器制造過程

          4 高可靠性的制造
          在商品開發中,負責人在設計時就要考慮整個生產制造的過程,而且要確保質量。穩定的制造和可靠性由采用機器人、自動化的設備保證。FANUC對制造過程中的可靠性非常注意,通過對元部件的老化和性能的試驗,消除次品。這樣,運行初期失效和故障在用戶的設備上就不會產生。比如在兀器件接受檢查期間對元器件在高溫下進行老化;在性能試驗前以高溫對印刷板進行老化,對裝配完的CNC 進行高溫運轉測試,對所有的機械單元,如機器人在出廠前進行100h運轉試驗等。所有測試和老化的記錄都存儲在可靠性的數據庫里,使用這些數據,對改進 FANUC產品的可靠性起了很大作用。圖2CNC的制造過程。


          3 FANUC系統的故障率

          5 高可靠性的維修和可靠性相關工作
          維修數據庫 FANUC非常重視服務和維修。它把提供給用戶的詳細服務及支持的任務按時間順序存放在維修的數據庫里。FANUC存儲了發生在用戶設備上的有關故障狀態,其總數約刀刃項,如用戶名稱、接到電話的日期、修理的日期、模塊名稱、系列號碼、故障單元的規格、維修的內容、故障的起因等。這個數據庫存儲的所有故障信息,已經成為用戶查詢故障歷史的數據源。這些項目的信息也被用來每月統計器件、單元、部件故障率的變化情況,用以改善和提高開發和制造部門以及維修部件的可靠性,同時也被FANUC用以進行質量管理。
          可靠性預測 以上的數據庫也用來進行高可靠性的設計,例如,預測新產品的可靠性等。
          ISO9000
          認證 FANUC已在19936月獲得ISO9002的認證;19977月獲得ISO9001的認證。
          FANUC
          系統的可靠性進展 FANUC產品的故障率如圖3所示。從圖中可以看出,FANUC產品的可靠性逐年提高。