基于ISM與FMECA的加工中心故障分析

孫曙光等

摘要：故障分析是實現(xiàn)加工中心可靠性水平增長的重要環(huán)節(jié)，因此提高故障分析的準確性至關(guān)重要.鑒于此，本文首先充分考慮加工中心故障子系統(tǒng)間影響關(guān)系，基于ISM法構(gòu)建遞階結(jié)構(gòu)模型，使得關(guān)聯(lián)故障子系統(tǒng)間復(fù)雜影響關(guān)系層次化，以求得深層故障子系統(tǒng)，確定可靠性改進薄弱環(huán)節(jié).其次對所得薄弱環(huán)節(jié)進行FMECA分析，進而確定關(guān)鍵故障模式，為提高加工中心可靠性奠定基礎(chǔ).最后以某系列加工中心現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)為研究對象進行實例研究，證明了ISM和FMECA法在加工中心故障分析中的準確有效性.

關(guān)鍵詞：加工中心；ISM；FMECA；故障分析

中圖分類號：TG659 文獻標(biāo)識碼：A

Failure Analysis of Machining Center Based on ISM and FMECA

SUN Shuguang1，2， SHEN Guixiang1，ZHANG Yingzhi1，

WANG Xiaoyan3， QI Xiaoyan1，4，WU Maokun1

（1. College of Mechanical Science and Engineering，Jilin Univ， Changchun，Jilin130022，China；

2.College of Management Science and Engineering， Shandong Normal Univ， Jinan，Shandong250000，China；

3. College of Electronic Engineering， Shenyang Aerospace Univ， Shenyang，Liaoning110136，China；

4.Dept of Aircraft and Driving Force， Aviation Univ of Air Force， Changchun， Jilin130022，China）

Abstract： Failure analysis is an important part of realizing the growth of machining center reliability level， so it is important to improve the accuracy of failure analysis. In view of this， this paper first considered the relationship and influence among failure subsystem elements of machining center， constructed the hierarchical structure model based on ISM method， made clear the class of interrelated failure subsystem， found out the deep failure subsystem elements and determined the weak link in the reliability improvement. Secondly， it analyzed the subsystem with FMECA， and determined the critical failure modes of the subsystem and laid a foundation for improving the reliability of machining center. Finally， it did the case study based on the field failure data of a series of machining center. The result has proved that the above method is accurate and effective in the failure analysis of machining center.

Key words：machining center； ISM；FMECA；failure analysis

加工中心作為復(fù)雜機電一體化產(chǎn)品，其功能先進性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性導(dǎo)致內(nèi)部故障存在關(guān)聯(lián)性，一個單元或子系統(tǒng)發(fā)生故障，可能導(dǎo)致系統(tǒng)其他部分出現(xiàn)故障，引起多米諾效應(yīng)，嚴重影響其可靠性[1].因此，進行故障關(guān)聯(lián)分析并找出故障傳播對系統(tǒng)影響的有效方法以阻止該情況發(fā)生很有必要.

近年來國內(nèi)外學(xué)者對故障關(guān)聯(lián)的研究主要集中于單向關(guān)聯(lián)故障的研究.有基于可靠性模型的串聯(lián)相關(guān)故障分析和共因失效分析等[2-5].對于雙向故障關(guān)聯(lián)性的研究還較少涉足，在文獻[1]中，采用自相關(guān)矩陣考慮各因素間直接關(guān)系的同時卻忽視了多層次故障傳遞鏈條中因素間的間接關(guān)聯(lián)關(guān)系.而作為復(fù)雜系統(tǒng)分析方法的重要方法——解釋結(jié)構(gòu)模型（Interpretative Structural Modeling，ISM）卻能考慮系統(tǒng)各故障子系統(tǒng)間直接間接關(guān)系，有效進行系統(tǒng)故障分析.該法于1973年由美國Warfield教授提出，可將復(fù)雜系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)要素，實現(xiàn)多級遞階結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建[6].它借助圖形表示出系統(tǒng)要素間所有直接、間接關(guān)系，并據(jù)此分析找出影響整個系統(tǒng)可靠性的根本因素，進而對這些根本因素進行重點改善，這也就為系統(tǒng)進行ISM模型分析提供了理論依據(jù)[7-9].實踐證明，該方法既適用于分析社會經(jīng)濟問題，又適用于學(xué)習(xí)理解相互關(guān)系較復(fù)雜的各種問題[10].但就當(dāng)前看，尚未有學(xué)者將其應(yīng)用于數(shù)控機床故障分析中，因此本文基于加工中心故障關(guān)聯(lián)復(fù)雜性，立足宏觀，將其引入該領(lǐng)域，借助ISM法將眾多要素相互影響的邏輯關(guān)系用多級遞階結(jié)構(gòu)進行直觀表示，明確關(guān)聯(lián)故障子系統(tǒng)層級，找出深層子系統(tǒng)，確定可靠性改進薄弱環(huán)節(jié).并對其進行故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analysis， FMECA），進而確定其關(guān)鍵故障模式.

1ISM與FMECA的原理與方法

1.1解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）

ISM基本原理是采用各種創(chuàng)造性技術(shù)，提取系統(tǒng)構(gòu)成要素，利用有向圖、矩陣等工具，構(gòu)造出一個多級遞階結(jié)構(gòu)模型，從而將要素間的依賴關(guān)系與系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)直觀地展現(xiàn)出來，實現(xiàn)關(guān)系條理化、層次化[11].本文將其應(yīng)用于加工中心故障關(guān)聯(lián)分析中，實施基本步驟為：

1）根據(jù)故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)建故障有向圖，確定構(gòu)成系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)要素集S=〖JB（{〗Si，i=1，2，…，n.對于各個關(guān)聯(lián)故障子系統(tǒng)，兩兩間進行比較，在此基礎(chǔ)上形成一個表示子系統(tǒng)間因果影響關(guān)系的故障有向圖.影響關(guān)系是二元關(guān)系的一種，即如果要素i對要素j有影響，用一條有向線段表示，箭頭指向元素j，記為i→j.確定故障有向圖中的因果影響關(guān)系，然后用這種方式來繪制故障有向圖.

2）依據(jù)故障關(guān)聯(lián)有向圖得到鄰接矩陣〖WTHX〗A〖WTBX〗.

5）構(gòu)建遞階結(jié)構(gòu)模型，獲取深層要素.

對可達矩陣〖WTHX〗M〖WTBX〗進行越級二元關(guān)系的去除，并去除自身到達的二元關(guān)系，獲取骨架矩陣，繼而構(gòu)建遞階結(jié)構(gòu)模型.

1.2故障模式、影響及危害性分析（FMECA）

根據(jù)ISM所得結(jié)果，獲取深層要素，確定可靠性薄弱環(huán)節(jié)，從而對其進行FMECA分析，以獲取關(guān)鍵故障模式.其中FMECA是一種用于可靠性分析的主要方法，該方法有如下步驟[12].

1）準備工作.該步驟是在對系統(tǒng)做FMECA分析之前進行的，是收集準備充分資料的階段，這些資料包括系統(tǒng)設(shè)計、工藝流程與使用維護等方面，同時還包括類似設(shè)備在使用、維護與安裝過程中的常見故障模式.

2）功能定義.明確設(shè)備能完成的功能與在整個系統(tǒng)中所處地位.

3）確定故障模式.明確待分析設(shè)備系統(tǒng)中主要零部件潛在故障模式.

4）故障原因和后果分析.分析引發(fā)故障發(fā)生的各可能因素，找到各故障模式所有可能潛在原因，并預(yù)計故障產(chǎn)生后果.

5）確定檢測方法.提出或收集以往對系統(tǒng)和各元器件的故障模式檢測方法.

6）危險性評估.危險性評估方法主要有危害度等級評定法和危險順序數(shù)（RPN）排序法等.在此采用RPN（Risk Priority Number）排序法，該方法兼顧了故障模式的嚴酷程度與發(fā)生概率及其查明難易程度，并給出了適當(dāng)?shù)脑u定系數(shù)，公式為

由圖2可知，該模型為一個四級遞階層次結(jié)構(gòu)模型.其中刀庫（S1）、進給系統(tǒng)（S2）、主軸系統(tǒng)（S3）、防護系統(tǒng)（S7）、冷卻系統(tǒng)（S8）是表層要素，為易受其他子系統(tǒng)影響的故障子系統(tǒng)，本身不對其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響.氣動系統(tǒng)（S6）、數(shù)控系統(tǒng)（S9）、液壓系統(tǒng)（S11）是淺層要素，這三個要素對第一層要素有直接影響，其中氣動系統(tǒng)（S6）對第一層要素產(chǎn)生影響的同時，受到下一層要素對其產(chǎn)生的影響，而數(shù)控系統(tǒng)（S9）和液壓系統(tǒng)（S11）僅對上層要素產(chǎn)生影響，不受其他要素的影響.排屑系統(tǒng)（S5）是中層要素，該要素對上層要素產(chǎn)生直接或間接的影響，同時受下層子系統(tǒng)要素的影響.電氣系統(tǒng)

（S4）和潤滑系統(tǒng)（S10）是深層要素，它們通過不同方式對其他故障子系統(tǒng)產(chǎn)生直接或間接的影響，自身并不受其他子系統(tǒng)的影響.說明這兩個故障子系統(tǒng)地位尤其重要，為關(guān)鍵子系統(tǒng)，要對其加強可靠性改進.為明確關(guān)鍵子系統(tǒng)具體改進方向，需要對其進行FMECA分析，以下以電氣系統(tǒng)為例進行關(guān)鍵故障模式和關(guān)鍵設(shè)備的探尋.

2.2FMECA分析

由對國內(nèi)某系列加工中心的故障數(shù)據(jù)收集信息，可得到電氣系統(tǒng)的故障模式、影響和危害度分析表格，如表4所示.主要包括各種開關(guān)、電燈、電源、接觸器、變頻器、電源線、繼電器等的FMECA.

由表4可知，該系列加工中心電氣系統(tǒng)中繼電器、變頻器和接觸器的危險順序數(shù)最大，是需注意的關(guān)鍵設(shè)備，因此應(yīng)該重點檢測其安全狀態(tài).此外，單就故障模式來說，危險順序數(shù)較大的故障模式依次為繼電器損壞、變頻器損壞、接觸器損壞、電燈鎮(zhèn)流器損壞、電磁感應(yīng)開關(guān)損壞、制動開關(guān)損壞，這六個故障模式是該系列加工中心的關(guān)鍵故障模式，應(yīng)著重進行可靠性改進.這些故障多為元器件損壞，電氣系統(tǒng)元器件主要是外購獲得，因此，加工中心企業(yè)應(yīng)加強外購件采購質(zhì)量管理，入廠前元器件進行篩選實驗；同時設(shè)計部門在選用元器件時，須從優(yōu)選手冊目錄中選取，若須采用目錄之外的元器件，需經(jīng)質(zhì)量部門認定為可靠補入目錄后才能用于選取.另外，用戶也要在使用中注意對設(shè)備加強維護，加強操作培訓(xùn)，以提高設(shè)備使用可靠性.

由以上分析知，相比傳統(tǒng)FMECA方法并未考慮故障之間的相互影響，只對各故障模式危害性獨立地進行分析，本文所使用的ISM法則充分考慮和反映故障間直接與間接關(guān)系，從系統(tǒng)角度出發(fā)，確定加工中心薄弱環(huán)節(jié)，即關(guān)鍵子系統(tǒng)，得出了符合工程實際的結(jié)論，從而為系統(tǒng)可靠性分析提供了堅實的理論基礎(chǔ).接著對所得關(guān)鍵子系統(tǒng)進行FMECA分析，確定了關(guān)鍵故障模式以及關(guān)鍵設(shè)備，更加明確了可靠性改進方向.

3結(jié)論

1）采用ISM法分析各子系統(tǒng)間關(guān)系，建立了加工中心故障關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)遞階結(jié)構(gòu)模型，將故障關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)劃分為表層故障子系統(tǒng)、淺層故障子系統(tǒng)、中層故障子系統(tǒng)和深層故障子系統(tǒng)，從而使故障傳遞關(guān)系得以直觀而深刻地表現(xiàn)，為故障快速診斷提供了新方法，并對可靠性改進具有重要意義.

2）對運用ISM法所得深層子系統(tǒng)進行了FMECA分析，確定了關(guān)鍵故障模式及關(guān)鍵設(shè)備，明確了可靠性改進方向.

3）ISM與FMECA法為明確關(guān)鍵子系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備與關(guān)鍵故障模式提供了簡單快捷的新思路，完善了現(xiàn)有故障分析方法體系.

參考文獻

杜雷，高建民，陳琨.基于故障相關(guān)性分析的可靠性配置[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2011，17（9）：1973-1980.

DU Lei，GAO Jianmin，CHEN Kun.Reliability deployment based on fault correlation analysis[J].Computer Integrated Manufacturing System， 2011， 17（9）：1973-1980.

（In Chinese）

[2]SUN Yong ，MA Lin，MATHEW J，et al.An analytical model for interactive failures[J]. Reliability Engineering and System Safety， 2006， 91（5）： 495-504.

[3]SUN Yong， MA Lin.Estimate of interactive coefficients [C]//Proceedings of ICRMS2009. New York：IEEE， 2009.

[4]沈祖培，唐輝.有共因失效的系統(tǒng)可靠性的GO法分析[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，46（6）：829-832.

SHEN Zupei，TANG Hui. System reliability analysis with common cause failures using the GO methodology [J]. J Tsinghua Univ：Sci &Tech，2006，46（6）：829-832.（In Chinese）

[5]RAMIREZ MARQUEZ J E，COIT D W. Optimization of system reliability in the presence of common cause failures[J]. Reliability Engineering and System Safety，2007， 92（10）：1421-1434.

[6]SINGH M D，SHANKAR R N，GREGORY G. Decision analysis[M]. London： Pitman Publishing， 1988.

[7]楊麗芳，張所地.基于 ISM 的山西省創(chuàng)業(yè)意向影響因素分析[J]. 經(jīng)濟與管理，2013，35（10）：214-215.

YANG Lifang，ZHANG Suodi. Analysis of factors influencing Shanxi Province entrepreneurial intention based on ISM [J]. Economy and Management，2013，35（10）：214-215.（In Chinese）

[8]李洪偉.基于ISM的煤礦安全事故頻發(fā)影響因素分析[J]. 礦產(chǎn)保護與利用，2012（2）： 9-12.

LI Hongwei. Analyzing the influence factors of coal mine Accidents occurred frequently based on ISM[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources， 2012（2）：9-12.（In Chinese）

[9]廖秋林，卜國華，沈守云. 基于 ISM 模型的南寧青秀山景區(qū)競爭力研究[J]. 經(jīng)濟地理，2012， 32（3）：174-176.

LIAO Qiulin，BU Guohua，SHEN Shou yun.Study on competitiveness of Qingxiu mountain scenic resorts in Nanning on the basis of interpretive structural model[J]. Economic Geography，2012，32（3）：174-176.（In Chinese）

[10]PANDEY V C，SURESH G，RAVI S. An interpretive structural modeling of enabler variables for integration in supply chain management[J]. Productivity， 2005， 46：93-108.

[11]ZHANG K，LI H.Individual factors analysis of network learning based on ISM method [C]//International Conference of China Communication （ICCC2010）.2010： 131-136.

[12]康銳，石榮德. FMECA 技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2006.

KANG Rui，SHI Rongde. FMECA technology and its application[M]. Beijing： National Defence Industry Press， 2006.（In Chinese）

[13]NIU Yumei，HE Yuzhu， LI Jianhong， et al. The optimizatic of RPN criticality analysis method in FMECA[C]//International Conference on Apperceiving Computer and Intelligent Analysis.Shanghai，2009：166- 170.