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數(shù)控機(jī)床安全性發(fā)展現(xiàn)狀

文檔作者：李麗麗史建鋒趙波張勇文檔來(lái)源： 1．河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 2．安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 3．安鋼集團(tuán)汽運(yùn)公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月02日
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2014年9月
第42卷第17期
機(jī)床與液壓
MACHINE T00L ＆ HYDRAULICS
Sep．2014
Vo1．42 No．17
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2014．17．047
數(shù)控機(jī)床安全性發(fā)展現(xiàn)狀
李麗麗 ，史建鋒。，趙波 ，張勇
(1．河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南焦作454000；
2．安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南安陽(yáng)455000；
3．安鋼集團(tuán)汽運(yùn)公司，河南安陽(yáng)455000)
摘要：數(shù)控機(jī)床作為一種生產(chǎn)設(shè)備，其安全性是十分重要的。由于加工技術(shù)指標(biāo)的提高，帶來(lái)了一系列安全問題，如
加工過(guò)程中出現(xiàn)的撞車、刀具破損、控制失常等對(duì)機(jī)床和工作人員安全造成的威脅，以及對(duì)環(huán)境的污染等。針對(duì)這些問
題，分別從數(shù)控機(jī)床本身的安全、操作者的安全、環(huán)境保護(hù)3個(gè)方面分析了數(shù)控機(jī)床存在的安全性問題。以安全原理、人
機(jī)工程學(xué)、心理學(xué)等理論為指導(dǎo)，分析了數(shù)控機(jī)床安全性國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并提出數(shù)控機(jī)床安全性發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；安全性；人機(jī)工程學(xué)；心理學(xué)；研究現(xiàn)狀
中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—3881(2014)17—176—3
Current Development 0f CNC M achine Tool Safety
LI Lili ，SHI Jianfeng ，ZHAO Bo ，ZHANG Yong
(1．School of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000，China；
2．School of Mechanical Engineering， Anyang Institute of Technology，Anyang Henan 455000， China；
3．Angang Group Trucks Company，Anyang Henan 455000，China)
Abstract：As a kind of production equipment，CNC machine tools’safety is very important．As a result of the technology index
of processing improving，a series of security issues were brought in，such as some threats to the security of machine tools and personnel
due to collision，tool breakage，out of control and ete．，during the manufacturing process，and the pollution to environment．Aimed at
these problems，from three aspects in separate as the safety of CNC machine tools，the safety of operator and environmental protection，
safety problems existed in the machine tools were analyzed．By taking the principles of safety，ergonomics and psychology，and other
theories as the instruction，the current research situation of CNC machine tool safety at home and abroad was analyzed。The direction of
development of CNC machine tool safety was put forward．
Keywords：CNC machine tools；Safety；Ergonomics；Psychology；Research status
0 前言
在20世紀(jì)60年代，美國(guó)國(guó)防部頒布的MLD．
STD-882標(biāo)準(zhǔn)，首次建立了較為完整的系統(tǒng)安全概
念 。1967年美國(guó)空軍發(fā)表了系統(tǒng)安全工程的概念，
他們利用系統(tǒng)工程的方法研究導(dǎo)彈系統(tǒng)的可靠性和安
全性。并于1969年和1977年對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了兩次修
訂 。1974年德國(guó)開始實(shí)施全國(guó)性的“公正對(duì)待人
的技術(shù)” 項(xiàng)目，以心理學(xué)和人機(jī)工程學(xué)為基礎(chǔ)全面
改造設(shè)計(jì)工業(yè)革命以來(lái)以機(jī)器為本的環(huán)境、設(shè)備、工
具、人機(jī)界面等，主要解決勞動(dòng)問題和勞動(dòng)疲勞問
題。20世紀(jì)80年代后期，歐洲許多國(guó)家和美國(guó)開始
尋找心理學(xué)基礎(chǔ)，以解決電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等的
人機(jī)互動(dòng)問題 。20世紀(jì)90年代初，歐盟和美國(guó)等
發(fā)達(dá)國(guó)家正式將機(jī)床設(shè)備的安全性能列為研究?jī)?nèi)容，
并得到了很好的應(yīng)用。為保證機(jī)床的安全性，他們從
機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全防護(hù)和提供使用信息三大方
面，結(jié)合了系統(tǒng)安全工程方法、安全人機(jī)工程學(xué)、可
靠性及可維護(hù)性等。并已相繼制定和頒布了統(tǒng)一的機(jī)
床安全一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模式。在航空航天方面，ISO／
Tc20／SC14／wG5和ECSS共同起草了IS014620—1標(biāo)
準(zhǔn)《空間系統(tǒng)一安全性要求》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空間系統(tǒng)的
安全性要求有詳細(xì)的規(guī)定。普通民用產(chǎn)品方面，如機(jī)
電產(chǎn)品等方面，美國(guó)的uL、歐盟的CE及加拿大的
CSA等認(rèn)證機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品安全認(rèn)證，已經(jīng)獲得許多國(guó)家
的認(rèn)可 J。
自數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)以來(lái)，安全事故從未間斷過(guò)，說(shuō)
收稿日期：2013—08—03
基金項(xiàng)目：河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(13A460002)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2012ZX04005-021)；安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)床
關(guān)鍵功能部件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目
作者簡(jiǎn)介：李麗麗(1988一)，女，碩士，研究方向?yàn)榫艹芗庸ぜ夹g(shù)與裝備。E—mail：lovel051227433@163．conl。
第17期 李麗麗等：數(shù)控機(jī)床安全性發(fā)展現(xiàn)狀 ·177·
明了人一機(jī)關(guān)系一直未協(xié)調(diào)好，這給勞動(dòng)者的生命財(cái)
產(chǎn)安全也造成極大的威脅，為此，應(yīng)該大力提高勞動(dòng)
者的勞動(dòng)環(huán)境、勞動(dòng)內(nèi)容以及勞動(dòng)過(guò)程的安全性、友
善性、和諧性。從而達(dá)到人與機(jī)器設(shè)備、環(huán)境之間保
持協(xié)調(diào)、安全、舒適、高效的人機(jī)關(guān)系。隨著社會(huì)對(duì)
產(chǎn)品附加功能，如文化、安全、舒適、友善等非物質(zhì)
方面需求的增加。高速機(jī)床的安全性就顯得越來(lái)越重
要 ]。
本文作者介紹了數(shù)控機(jī)床存在的安全性問題及國(guó)
內(nèi)外數(shù)控機(jī)床安全性現(xiàn)狀，并提出了高速數(shù)控機(jī)床的
安全性發(fā)展方向。
1 數(shù)控機(jī)床可靠性現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)在可靠性及可維護(hù)性設(shè)計(jì)方面有所研究，邱
紹虎等 分析了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性偏低的原因，指
出了系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、零部件選型、制造與裝配工
藝、機(jī)床使用與維護(hù)等是影響機(jī)床可靠性的主要因
素。并提出了企業(yè)應(yīng)從設(shè)計(jì)源頭上把握產(chǎn)品的可靠
性，注重故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，這樣才能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)
床的可靠性增長(zhǎng)。楊兆軍等 針對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性分
配過(guò)程中具有多種影響因素且有些因素難以定量分析
的問題，研究了一種將區(qū)間分析、模糊綜合評(píng)判和層
次分析法相結(jié)合的可靠性綜合分配方法。建立數(shù)控機(jī)
床可靠性分配模型 ，如圖1所示，并證明該模型能
有效解決目前數(shù)控機(jī)床可靠性分配中存在的主要問
題。張根保等 在現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床可靠性分配研究局限
性的基礎(chǔ)上，利用成功流方法建立了一種考慮數(shù)控機(jī)
床各零部件相關(guān)性的可靠性模型，提出了一種實(shí)用的
可靠性成本預(yù)估函數(shù)，建立了數(shù)控機(jī)床可靠性分配的
非線性規(guī)劃模型。為數(shù)控機(jī)床的可靠性分配和優(yōu)化提
供了一種具有實(shí)際操作意義的解決方案。吳麗和劉駿
躍 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性進(jìn)行評(píng)
價(jià)，計(jì)算結(jié)果有較小的誤差，但也能夠方便有效的評(píng)
價(jià)數(shù)控機(jī)床使用的可靠性。于捷等人 在二參數(shù)威布
爾分布可靠性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，又提出三參數(shù)威布爾分
布的可靠性評(píng)價(jià)，可以更精確地反映出數(shù)控機(jī)床的各
項(xiàng)指標(biāo) 張強(qiáng)等人 分析了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品全壽命周
期中的可靠性工作，提出了面向并行工程的數(shù)控機(jī)床
可靠性工程的思想，提出并建立了面向并行工程數(shù)控
機(jī)床可靠性控制模型。趙建英 分析了影響數(shù)控機(jī)
床可靠性的因素，提出了提高數(shù)控機(jī)床可靠性的有效
途徑。朱樹紅和夏羅生 從不同側(cè)面分析了數(shù)控機(jī)
床的可靠性，闡述了提高數(shù)控機(jī)床可靠性的方法。
雖然我國(guó)在可靠性方面也有所研究，但是目前國(guó)
產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心的MTBF(Mean Time Between
Failures)在500～600 h之間，而國(guó)際先進(jìn)水平的
MTBF已在800～1 000 h之間 。而且國(guó)產(chǎn)加工中心
刀庫(kù)機(jī)械手、數(shù)控車床刀架也不受用戶歡迎，此外，
外觀、漏油等老問題也決定了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性
總體水平仍然偏低。
1 主軸部件1
l (MTBF) l
其他系統(tǒng)
(MTBF)
數(shù)控機(jī)床可靠性指標(biāo)
(MTBF)
進(jìn)給機(jī)構(gòu)l l 防護(hù)系統(tǒng)
(MTBF) l l (MTBF)
排屑系統(tǒng)
(MTBF)
圖1 可靠性分配模型
2 數(shù)控機(jī)床安全性現(xiàn)狀
機(jī)床的可靠性水平在一定程度上反映了機(jī)床安全
性水平，從而可知國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的安全性水平。國(guó)產(chǎn)
數(shù)控機(jī)床與國(guó)外先進(jìn)水平之間的差距主要在對(duì)機(jī)床安
全性重視程度不夠，這一方面由于機(jī)床安全性特性：
(1)安全的依附性，安全是依附于生產(chǎn)而存在的，
在不發(fā)生事故的情況下，很難看到安全的重要性，會(huì)
認(rèn)為搞安全投資沒有必要性；(2)安全效益的隱性，
安全生產(chǎn)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是間接的、隱性的。只有事
故發(fā)生后，造成了經(jīng)濟(jì)損失，才感覺出它的存在，這
樣就減弱了深入研究的動(dòng)力 。另一方面對(duì)多數(shù)企業(yè)
來(lái)說(shuō)，可能由于資金短缺或是不想增加成本等種種原
因而對(duì)此無(wú)暇顧及，產(chǎn)品安全性能不能保證。但有些
企業(yè)只能稱為組裝作坊，安全設(shè)計(jì)根本無(wú)從談起。
2．1 數(shù)控機(jī)床安全性評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀
機(jī)床的安全性是判斷、評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床性能的一個(gè)
重要指標(biāo)。它表明機(jī)床在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)
間內(nèi)不發(fā)生事故、不造成人員傷害或財(cái)產(chǎn)損失的情況
下，完成規(guī)定功能的性能。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)
展，事故致因呈現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化的趨勢(shì)，而且現(xiàn)代
安全設(shè)計(jì)方法主張以人為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)物進(jìn)行設(shè)計(jì)，要
求真正做到設(shè)計(jì)的人性化。正是由于這些特性，導(dǎo)致
了安全工作的復(fù)雜性。然而對(duì)安全工作的研究一直沒
有停止過(guò)。N．P．SHEEHY和A．J．CHAPMAN 副研究
了數(shù)控機(jī)床安全性問題的原因和提出了一系列的解決
方法。陳磊?提出一種高速機(jī)床安全性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化
的方法，該方法主要理論基礎(chǔ)是系統(tǒng)安全工程理論。
崔磊和王慶 通過(guò)對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)的MIS(Management
Information System)故障模式的探討，提出了基于計(jì)
算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，闡述了
容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法和安全對(duì)策，指出機(jī)床設(shè)計(jì)MIS安全
性分析對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)的作用和地位。楊曉京和劉劍
雄 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，
· 178· 機(jī)床與液壓 第42卷
數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)是以三維實(shí)體建模軟件PRO／E、
機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS、大型有限元分析軟件
ANSYS和控制仿真軟件MATLAB／SIMULII如圖2所
示 。
廠———-_] 模型轉(zhuǎn)換廠———]
簍l
轉(zhuǎn)l
換l
’
ADAM S
件模型
機(jī)裝配
數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)
運(yùn)動(dòng)學(xué)／動(dòng)
力學(xué)性能
模型轉(zhuǎn)換
A NSY S
剛度熱變
形抗振性
伺服控制性能
IMATLAB／S1
l M ULINK
圖2 數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)集成軟件平臺(tái)框
機(jī)床存在的安全性問題，主要是機(jī)床本身的安
全、操作者的安全、環(huán)境污染問題。針對(duì)這些問題，
有提出安全性措施的，F(xiàn)RIDLYAND和SIMON 16]根據(jù)
ANSI B11和CSA ZA等標(biāo)準(zhǔn)提出了一系列保障操作人
員安全措施，包括運(yùn)動(dòng)限速、噪聲控制、防觸電措施
等；陳慶 提出了磨削機(jī)床安全性設(shè)計(jì)與抗干擾措
施，安全性設(shè)計(jì)具體包括：機(jī)械設(shè)計(jì)中的保護(hù)措施、
防水措施、電氣控制系統(tǒng)的保護(hù)措施；張兆好等u
根據(jù)GB5226．1—2002標(biāo)準(zhǔn)，提出提高木工機(jī)床產(chǎn)品安
全性措施，主要從電氣安全性方面考慮。有提出評(píng)價(jià)
方法的，王桂萍等 根據(jù)數(shù)控機(jī)床綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)
具有多層次、多因素且定量與定性指標(biāo)并存的特點(diǎn)，
提出應(yīng)用模糊可拓層次分析法評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床綠色度的
方法，較傳統(tǒng)層次分析法更科學(xué)、合理，如圖3所
示 。
I 加工中心綠色度綜合評(píng)價(jià) l
1
人機(jī)屬性 環(huán)境屬性 資源屬性 能源屬性 經(jīng)濟(jì)屬性
廠}_] 廠+] 廠h 廠}-] 廠}_]
界面 操 安 氣空噪聲 固液 料材備設(shè) 人力 源能源能 能 使社 制
交作 全 利消 源 用會(huì) 造
互性 性 污污 污 資資 資 用耗 類 成成 成
性 染染 染 源源 源 率量 型 本本 本
圖3 加工中心綠色度綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
2．2 人機(jī)工程學(xué)和心理學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀
人機(jī)工程學(xué)和心理學(xué)的發(fā)展也為解決機(jī)床的安全
性問題提供了方向。人機(jī)工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容為產(chǎn)品設(shè)
計(jì)中要考慮“人的因素”提供人體尺度參數(shù)；為產(chǎn)
品設(shè)計(jì)中“物” 的功能合理及安全提供科學(xué)依據(jù)；
為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中考慮“環(huán)境因素” 提供設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；為
進(jìn)行人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù) 。以心理
學(xué)為指導(dǎo)設(shè)計(jì)物人關(guān)系或人機(jī)界面。可以解決安全問
題、可用性問題、疲勞問題等。利用色彩的形狀、大
小和比例以及不同色彩之間的搭配均會(huì)對(duì)人的心理產(chǎn)
生不同的影響來(lái)提高機(jī)床的安全性。李靖 、王坤
茜心¨和劉婷爾 都對(duì)數(shù)控機(jī)床色彩設(shè)計(jì)進(jìn)行了研
究，分析和研究了數(shù)控機(jī)床的色彩配置方式以及色彩
選用的規(guī)律。
余雷 、吳曉莉和薛廷 都闡述了人機(jī)工程學(xué)
在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中的重要性。董建 、馮光勇 和
張高美 也研究了人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床人性化設(shè)
計(jì)中的應(yīng)用。姚民雄 依據(jù)人因?qū)W原理，設(shè)計(jì)具有合
理人機(jī)界面的機(jī)床設(shè)備，提高機(jī)床操作的舒適度、安
全性和功效。陳明等人 分別從視覺、觸覺與聽覺
三要素來(lái)對(duì)數(shù)控機(jī)床人機(jī)工程學(xué)展開分析，建議數(shù)控
機(jī)床人機(jī)工程學(xué)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該從視覺、觸覺與聽覺三
方面來(lái)完善數(shù)控機(jī)床人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)。宮文飛等
從人機(jī)工程學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)等角度出發(fā)，對(duì)數(shù)控機(jī)床
的人機(jī)界面設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和探討，并對(duì)數(shù)控機(jī)床人
機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)的嘗試。歐陽(yáng)效卓 對(duì)數(shù)控機(jī)床
人機(jī)工程設(shè)計(jì)原則進(jìn)行研究與探討，探索尋找有利于
我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)和切入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，使我國(guó)的
機(jī)電產(chǎn)品能在激烈的國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)中得到有益啟示。
3 結(jié)束語(yǔ)
數(shù)控機(jī)床的安全性能關(guān)系到數(shù)控機(jī)床的使用壽
命、生產(chǎn)效率和操作人員的生命安全，也關(guān)系到我國(guó)
機(jī)床能否打入國(guó)際市場(chǎng)，并直接影響著與國(guó)際上其他
企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。在機(jī)床安全性設(shè)計(jì)方面以人機(jī)工程
學(xué)、心理學(xué)為理論基礎(chǔ)，以綠色化為目標(biāo)，努力實(shí)現(xiàn)
我國(guó)從制造大國(guó)到制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。
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· 186· 機(jī)床與液壓 第42卷
從表2可看出，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出結(jié)果與期望結(jié)果
基本一致，只有滾珠磨損一組數(shù)據(jù)出現(xiàn)診斷錯(cuò)誤，因
此識(shí)別率為 =19／20=95％ ，識(shí)別率比較高。可見，
經(jīng)過(guò)EMD分解后的各個(gè)分量基本上包含了滾動(dòng)軸承
的主要故障信息，與偏斜度、均方根值等時(shí)域特征的
結(jié)合作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入特征量，更能準(zhǔn)確有效地完
成滾動(dòng)軸承狀態(tài)的故障診斷。
4 結(jié)束語(yǔ)
當(dāng)滾動(dòng)軸承發(fā)生故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)各個(gè)頻帶的
能量都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，故障振動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)出非線
性、非平穩(wěn)特征，且存在噪聲干擾，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分
析很難得到有效的結(jié)論。利用EMD分解方法處理非
線性、非平穩(wěn)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)
習(xí)機(jī)制，對(duì)滾動(dòng)軸承故障振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，證
明了EMD分解后的前幾個(gè)IMF分量包含了軸承的主
要故障信息，是滾動(dòng)軸承故障信號(hào)處理的有效方法。
通過(guò)對(duì)軸承正常、滾珠磨損、內(nèi)圈磨損、外圈磨損及
保持架磨損等故障進(jìn)行診斷的結(jié)果表明，將EMD和
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合建立的軸承故障診斷模型能有效
地識(shí)別軸承的各種故障狀態(tài)，且具有良好的通用性和
實(shí)用價(jià)值。
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