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課題背景
隨著市場經濟地快速發展和全球經濟一體化程度地不斷加深，市場對于裝備制造業產品提出了性能更好、能耗更少、人機界面更高等一系列要求，作為裝備制造業的“工作母機”一數控機床，其精度、功能、可靠性水平直接決定了產品的市場競爭力水平[1]。長期以來，我國一直是數控機床制造大國[2]、消費大國，卻不是制造強國[3]。國內數控機床市場，尤其中高端市場長期被國外品牌所占領[4][5]，其中主要原因就是國產數控機床產品的可靠性水平差[6][7]。
數控機床是國家裝備制造業的工作母機，其技術水平代表了一個國家的綜合實力。數控機床是集機、電、液、光于一體的復雜系統[11]。數控機床的應用極大地提升了自動化程度，提高了生產率，降低了制造成本，也能改善工人勞動條件。隨著市場競爭的加劇，產品的更新速度越來越快，數控機床的應用越來越廣泛。數控機床技術的先進程度決定著數控裝備的精度、可靠性等性能參數，因此技術的先進與否更能體現一個國家裝備制造業技術水平的高低[12]。
社會經濟的不斷進步對裝備制造業提出了越來越高的要求。在科學技術的不斷發展的條件下，裝備制造業也在不斷的進步，裝備制造業的發展也在促進著科學技術的攀升，此二者的動力來源于社會經濟的不斷增長和人民日益增長的物質文化需求。科學技術的發展為裝備制造業提供了性能更加優良的材料、更加智能化的控制方式、更快的傳感器和處理系統，而裝備制造業的提升為科學技術提供了更為精密的儀器、功能更為全面的設備。社會經濟的不斷進步對企業的生產制造不斷提出新的挑戰：要求企業生產越來越復雜的零件的同時卻不能對精度和穩定性產生影響；要求企業能夠根據市場的需求快速的調整自己的生產線，快速的生產出合格產品；要求企業嚴格控制成本，提高生產制造的自動化，實現較長時間內無人監管條件下的安全生產[13][14]。
對于上述要求，普通機床等剛性制造設備顯然是難以實現的，只有數控機床才能實現上述功能。與傳統機床相比，數控機床的自動化程度高，可自行根據程序設定進行加工，可在同一數控機床完成多道工序，減少了因更換刀具、裝夾工件所產生的時間成本、人力成本，提高了生產效率；同時，也可避免多次裝夾產生的累計誤差，提高了產品質量；對于普通機床無法規避的定位誤差、刀具誤差、溫度變化誤差等問題，數控機床都可以在數控程序中加入代碼，進行誤差補償。隨著社會不斷發展，對數控機床的性能提出了更高的要求，數控機床應向著高精度、高效率、高柔性自動化程度發展[15][16]。
數控機床是社會經濟發展到一定程度的必然產物，因此，大多數國家尤其是發達國家常常視數控機床擁有量和消費量為本國工業化程度的一個度量。從2005年起，數控機床價值總額在我國整體機床價值總額中已超過60%[17]，并呈現逐年遞增的趨勢。目前，數控機床已廣泛應用于各行各業中，例如汽車制造業、船舶工業、航天航空、武器裝備制造等等，數控機床已經植入于人們日常生活的方方面面中。因此，如何提高數控機床的精度和可靠性就顯得尤為重要。尤其對于航天航空工業、核工業、武器裝備制造業等一些關乎到國家命運生死存亡的行業，低檔數控機床不適合也無法生產出高質量、高性能的產品。在國內高檔數控機床市場，國有自主品牌的高檔數控機床因其可靠性低得不到市場的認可，更無法在眾多國外品牌圍繞下進行突圍。因此為了提高數控機床可靠性、維持數控機床高效穩定的工作就成了重中之重。數控機床關鍵功能部件能否正常工作直接會對整機正常運轉產生影響，國內的大多數高檔數控機床由國外進口，發生故障后對關鍵功能部件進行維修需要國外的廠商來解決，花費不僅巨大，而且維修周期較長，嚴重影響企業生產效率。因此實時監控數控機床各個關鍵功能部件的健康狀態，及時發現異常狀態并提前聯系主機廠商，在發生故障前對故障部位進行維護、更換就顯得尤為重要。
加工中心是由機械設備與數控系統組成的適用于加工復雜形狀工件的高效率數控機床。加工中心具有自動換刀系統，可通過數控系統自動更換刀具。加工中心的最初原型為數控銑床，在二十世紀四十年代末，美國開始研究數控機床，并由美國MIT研制成功了世界第一臺數控銑床[18][19];世界第一臺加工中心由美國卡尼雷特公司研制成功。隨著傳感器枋術、材料學不斷取得新講展，加工中心的件能愈加完善，加工中心越來越受到世界各國尤其是工業發達國家的重視。
隨著加工中心的性能、精度、速度、柔性自動化不斷提高，可靠性作為一個重要
評價指標也日益受到人們重視[2()]。眾所周知，現今國內機床行業能夠生產高端加工中心，但其可靠性低、精度保持能力差，無法在市場競爭中取得優勢。國內企業寧愿花高價買進口的加工中心，也不愿意選擇性價比較高的國產加工中心。導致這些問題的主要原因是國產加工中心技術含量低、國產加工中心精度保持性差、國產加工中心可靠性低，直接對企業的生產效率產生影響，造成人力物力浪費，給企業帶來損失。
盤式刀庫自動換刀系統是加工中心的關鍵功能部件之一，由刀盤、機械手、氣缸組成。刀盤可以儲存刀具，并在數控系統的控制下進行選刀；氣缸和機械手協作完成拔刀、換刀、插刀動作。盤式刀庫機械手自動換刀系統故障率較高，發生故障時對整機可靠性會產生直接影響。自動換刀系統結構較復雜、換刀時機械手動作速度快、插刀和抓刀時定位準確性要求高，故障率較高，據統計數控機床15 %左右的故障都與之有關，可以說換刀系統是加工中心的可靠性薄弱環節，因此開展加工中心關鍵部件的故障預警研究，在故障發生前做好維修的準備，或者在故障發生前對關鍵功能部件進行事前維修，從而避免故障發生是非常有意義的工作[21]。

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加工中心盤式刀庫換刀系統的故障預警方法研究-背景

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