過程質(zhì)量與可靠性集成研究

李娟

摘 要：制造系統(tǒng)可靠性的分析往往更傾向于利用運(yùn)行故障數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性能診斷，忽略了產(chǎn)品質(zhì)量因素的影響，同時對于性能衰退的影響考慮不夠，造成了系統(tǒng)故障診斷不及時，批量生產(chǎn)產(chǎn)品可靠性差。文章從制造過程出發(fā)，在性能衰退影響的基礎(chǔ)上構(gòu)建了制造系統(tǒng)可靠性模型，結(jié)果表明，質(zhì)量因素與性能衰退對于系統(tǒng)可靠性的影響同等重要，若忽略任何一個，則系統(tǒng)可靠性將會被過高估計(jì)。

關(guān)鍵詞：制造系統(tǒng)；可靠性；質(zhì)量

中圖分類號：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0027-02

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的日益加劇和科技進(jìn)步的日新月異，高端制造裝備的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化的同時，由于日趨復(fù)雜多變的運(yùn)行工況環(huán)境，導(dǎo)致其故障率亦明顯提高。因此，如何提高高端制造裝備的可靠性水平是我國制造業(yè)目前急需解決的重大課題。眾所周知，制造系統(tǒng)可靠性是保障產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的重要基礎(chǔ)，高可靠性的產(chǎn)品被認(rèn)為是高質(zhì)量的過程和高度可靠性的制造系統(tǒng)共同的輸出結(jié)果。目前針對產(chǎn)品可靠性的研究主要集中于設(shè)計(jì)、使用階段，從制造過程角度來考慮的多限于工藝過程分析[1]，缺少對系統(tǒng)可靠性的定性定量研究，故對制造過程中影響制造系統(tǒng)性能的關(guān)鍵要素進(jìn)行優(yōu)化分析是確保產(chǎn)品可靠性的重要途徑。但是，對于制造系統(tǒng)可靠性的研究主要還是從系統(tǒng)自身角度基于運(yùn)行故障數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析[2]，與產(chǎn)品質(zhì)量幾乎是獨(dú)立分開研究的，而即使有少數(shù)的一些聯(lián)合分析[3]，多是重點(diǎn)考慮組件故障的影響，缺乏考慮其性能退化對于系統(tǒng)可靠性的影響[4]， 這往往會造成對許多產(chǎn)生的系統(tǒng)故障無法及時、準(zhǔn)確地診斷出來，從而造成許多不必要的停機(jī)。本文對制造系統(tǒng)可靠性的分析，在考慮質(zhì)量因素的基礎(chǔ)上，深入考慮了性能衰退對于系統(tǒng)可靠性的影響，能夠更為精確地診斷和預(yù)測系統(tǒng)的可靠性，提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性水平。

2 制造系統(tǒng)對產(chǎn)品可靠性的影響

制造系統(tǒng)的可靠性直接決定了制造過程質(zhì)量的穩(wěn)定性，而所生產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性受制于制作過程質(zhì)量的穩(wěn)定性。值得注意的是，制造系統(tǒng)對產(chǎn)品可靠性的影響是間接的，其影響是通過制造過程中的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。產(chǎn)品在制造過程中形成的質(zhì)量變異是產(chǎn)品制造可靠性的基本因素。隨著產(chǎn)品制造加工的逐漸成型，制造過程5M1E的波動可以通過加工工藝轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品過程質(zhì)量上，形成加工誤差的傳遞，從而使產(chǎn)品的制造可靠性降低。產(chǎn)品制造可靠性的降低程度取決于制造過程中不可控的質(zhì)量變異的嚴(yán)重程度，而質(zhì)量變異的嚴(yán)重程度取決于制造系統(tǒng)可靠性的降低程度。

3 復(fù)雜制造過程質(zhì)量與可靠性集成建模

3.1 集成模型框架

制造系統(tǒng)可靠性是指系統(tǒng)在正常運(yùn)行的情況下能夠同時產(chǎn)出合格品的概率。制造系統(tǒng)中各個獨(dú)立工位組成單元的集合稱為制造系統(tǒng)要素（Manufacturing System Component，MSC），把對最終產(chǎn)品的外觀和性能產(chǎn)生重要影響的產(chǎn)品尺寸特征（如重要尺寸、強(qiáng)度等）稱為關(guān)鍵產(chǎn)品特征（KPC， Key Product Characteristics）。那么，系統(tǒng)可靠性度的表達(dá)式如下：

R（t）=Pr{系統(tǒng)在t時間前無災(zāi)難性故障∩t時間前產(chǎn)品質(zhì)量合格}

本文給出了質(zhì)量與可靠性集成模型框架，同時描述了制造系統(tǒng)要素可靠性信息和產(chǎn)品質(zhì)量信息的復(fù)雜關(guān)系，如圖1所示。

3.2 質(zhì)量與可靠性集成建模

建模主要分為三個步驟：

首先，利用響應(yīng)建模法構(gòu)建產(chǎn)品質(zhì)量與系統(tǒng)要素關(guān)系模型，用以描述產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵特征和系統(tǒng)性能狀態(tài)之間的過程模型，在建模時考慮了制造環(huán)境的相關(guān)信息。如下：

然后，分別構(gòu)建產(chǎn)品關(guān)鍵特征偏差模型、制造系統(tǒng)要素性能衰退模型和故障模型。一般情況性能衰退率可用指數(shù)分布描述，狀態(tài)可用正態(tài)分布來描述。系統(tǒng)要素最開始都有初始衰退率和初始故障率。

最后，根據(jù)制造系統(tǒng)可靠性的定義，綜合關(guān)鍵特性偏差模型、衰退模型和故障模型便可得系統(tǒng)可靠性的定量表達(dá)式，即：

4 案例研究

以某企業(yè)加工工藝流程為例，構(gòu)建簡化模型，如圖2。

然后根據(jù)構(gòu)建的制造系統(tǒng)可靠性模型，求解得到不同情形下的系統(tǒng)可靠性值，如圖3。

曲線（1）表示只有故障影響，在此基礎(chǔ)上曲線（2）增加考慮了衰退影響，曲線（3）增加考慮質(zhì)量因素，曲線（4）綜合（2）和（3）。通過比對（4）與其它三條曲線可知，若不考慮質(zhì)量影響，則系統(tǒng)的可靠性將會被過高估計(jì)，從而錯失最佳的維護(hù)時間。

5 結(jié)束語

綜上，對于系統(tǒng)可靠性的分析與預(yù)測，應(yīng)該充分考慮制造過程中產(chǎn)品質(zhì)量因素的影響以及衰退對于系統(tǒng)可靠性的影響，如果忽視了，那么系統(tǒng)可靠性將會被估計(jì)得過高，這對于實(shí)際生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義。

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