FMECA數(shù)據(jù)庫(kù)分析管理系統(tǒng)軟件國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀
1.2課題相關(guān)內(nèi)容國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1精工機(jī)床可靠性現(xiàn)狀在科技R新月異的今天，可靠性工程正變得円益重要，可靠性已變成衡量一個(gè)系統(tǒng) 性能好壞的重要指標(biāo)，一個(gè)系統(tǒng)只有在長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作前提下I能發(fā)揮其備種功 能，系統(tǒng)屮各裝置、模塊之間必須嚴(yán)格控制協(xié)調(diào)一致地工作。對(duì)于高度復(fù)雜和高度自動(dòng) 化的精工機(jī)床來(lái)說(shuō)，人們對(duì)其依賴性越來(lái)越大，其不可靠和不安全因素會(huì)造成自身嚴(yán)重 損壞，甚至傷及人的生命，給國(guó)家和企業(yè)造成重大的損失[6]。近些年，我國(guó)精工機(jī)床技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使我國(guó)的制造業(yè)也取得了長(zhǎng)足進(jìn) 步，但與國(guó)外的同級(jí)產(chǎn)品相比，無(wú)論是在設(shè)計(jì)水平，還是在實(shí)際使用過(guò)程中，表現(xiàn)并不 如意。其原因主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及功能部件的設(shè)計(jì)可靠性有待提高，精工機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及 功能部件的設(shè)計(jì)可靠性在很大程度上也決定了整機(jī)的可靠性。我國(guó)歷來(lái)只重視主機(jī)的設(shè) 計(jì)和制造，造成我國(guó)精工機(jī)床的功能部件（如滾珠絲桿，滾動(dòng)導(dǎo)軌，精工車床轉(zhuǎn)塔刀架 加工中心刀庫(kù)和機(jī)械手）質(zhì)量差、可靠性低。為此，需要機(jī)床選用高性能、髙可靠性的 精工系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置配套功能部件、電器元件、檢測(cè)元件，以保證機(jī)床可靠性。此 外，還要大力發(fā)展刀具產(chǎn)業(yè)，開(kāi)展新穎刀具材料的研究，設(shè)計(jì)新穎的精工機(jī)床刀具，提 高刀具耐用度，延長(zhǎng)精工機(jī)床的精度保持時(shí)間，從而提高機(jī)床的可靠性。(2)機(jī)床可靠性試驗(yàn)工藝不規(guī)范。機(jī)床部件可靠性無(wú)相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)體系不 完整。由于不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致機(jī)床可靠性水平評(píng)價(jià)不一致。(3)機(jī)床精工系統(tǒng)故障較多，國(guó)產(chǎn)機(jī)電元器件（附件）質(zhì)量較差，我國(guó)的低壓電器、 機(jī)電元器件粗制濫造，任意銷售，相互仿造，真假難分。電源及工藝技術(shù)水平低，據(jù)國(guó) 外統(tǒng)計(jì)，往往強(qiáng)電設(shè)備對(duì)電源系統(tǒng)有“污染”，它產(chǎn)生很強(qiáng)的脈沖噪聲，通過(guò)傳導(dǎo)影響 電子設(shè)備的安全運(yùn)行。(4)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性差，伺服系統(tǒng)的性能決定精工機(jī)床的最高運(yùn)動(dòng)速度定位 及跟蹤精度，零件加工的表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率及工作可靠性等技術(shù)指標(biāo)，是精工系統(tǒng)和機(jī)床本體間的電傳動(dòng)聯(lián)系環(huán)節(jié)。提高伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性可采取諸如交流驅(qū)動(dòng)取代直 流驅(qū)動(dòng)、數(shù)字控制取代模擬控制，產(chǎn)生交流數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等增強(qiáng)柔性，大大提高可靠性。(5)在機(jī)床可靠性研究方面，吉林大學(xué)的申桂香等提出通過(guò)一種客觀賦權(quán)的熵權(quán)法 來(lái)評(píng)價(jià)精工機(jī)床的可靠性，有效克服了加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法中主觀確定權(quán)重的缺陷。根據(jù)所 構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(平均首次故障間隔時(shí)間MTTF、平均故障間隔時(shí)間MTBF和 當(dāng)量故障率D)和兩種加工中心的可靠性數(shù)據(jù)，計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重并對(duì)加工中心的 可靠性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[7]。裝甲兵工程學(xué)院的賈志成[8]等認(rèn)為產(chǎn)品壽命分布模型是評(píng)價(jià) 和提高產(chǎn)品可靠性水平的基礎(chǔ)，提出對(duì)加工中心進(jìn)行可靠性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)獲取的故障數(shù) 據(jù)進(jìn)行曲線擬合和假設(shè)檢驗(yàn)等數(shù)據(jù)分析和處理，得出加工中心壽命分布的數(shù)學(xué)模型，從 而為加工中心可靠性特征量的評(píng)定和采取可靠性增長(zhǎng)的技術(shù)措施提供了理論依據(jù)[9]。1.2.2國(guó)內(nèi)外FMECA分析技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展概況FMEA技術(shù)最早是由美國(guó)軍方提出的，早在20世紀(jì)50年代初，美國(guó)格魯門飛機(jī)公 司在研制飛機(jī)主操作系統(tǒng)時(shí)采用了 FMECA，當(dāng)時(shí)只進(jìn)行了故障模式及影響分析 (FMEA),而未進(jìn)行危害性分析（CA)，僅屬于定性分析，但取得了良好的效果。60 年代中期，F(xiàn)MEA技術(shù)正式應(yīng)用于航天工業(yè)（Apollo計(jì)劃)。70年代末，F(xiàn)MEA技術(shù)開(kāi) 始進(jìn)入汽車工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備工業(yè)。1980年，美國(guó)國(guó)防部頒布了 FMECA的軍用標(biāo)準(zhǔn)，即 MIL-STD-1629《故障模式、影響及危害性分析程序》。80年代中期，汽車工業(yè)開(kāi)始應(yīng)用 FMECA確認(rèn)其制造過(guò)程。1988年，美國(guó)聯(lián)邦航空局發(fā)布資訊通報(bào)，要求所有航空系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)及分析都必須使用FMECA。美國(guó)宇航局對(duì)FMECA特別重視，在長(zhǎng)壽命通信衛(wèi) 星上幾乎無(wú)一例外地采用了這種分析手段。美國(guó)衛(wèi)星成功的關(guān)鍵之一，就是采用了 FMECA技術(shù)[9~12]。此外，美國(guó)宇航局在總結(jié)衛(wèi)星故障原因及研究應(yīng)采取的技術(shù)對(duì)策時(shí)， 也把重點(diǎn)放在了 FMECA上。目前，F(xiàn)MECA已在工程實(shí)踐中形成一套完整的分析方法， 并根據(jù)產(chǎn)品故障產(chǎn)生機(jī)理的不同，F(xiàn)MECA與設(shè)計(jì)、制造、使用、承包商、供應(yīng)商以及 服務(wù)等整個(gè)產(chǎn)品壽命周期聯(lián)系起來(lái)，又被細(xì)分為設(shè)計(jì)FMECA、過(guò)程FMECA、使用 FMECA和服務(wù)FMECA四類。盡管FMECA得到非常廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，但從分析方法上看，F(xiàn)MECA仍然存在 缺陷與不足：系統(tǒng)復(fù)雜時(shí)，很難明確確定每一故障模式的故障影響；當(dāng)系統(tǒng)中元器件過(guò) 多，分析工作枯燥繁瑣，工作量大，難免造成遺漏和錯(cuò)誤。為此，人們不斷進(jìn)行研究來(lái) 改善FMECA的分析效果。目前，主要改進(jìn)方法有：(1)基于MIL.HDBK.217的FMECA方法。這種分析方法是目前可靠性分析使用比較廣泛的一種分析方法。是美國(guó)國(guó)防部在大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的支撐下，1995年2月頒發(fā) MIL.HDBK.217標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)給出大量電子元器件的基本可靠性數(shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ)，各 工業(yè)部門及其相關(guān)的一些公司研制、開(kāi)發(fā)FMECA軟件，如Relex系統(tǒng)和Item系統(tǒng)。這 些分析系統(tǒng)主要采用硬件法，適用于從零部件級(jí)開(kāi)始，最后擴(kuò)展到系統(tǒng)級(jí)，即自下而上 進(jìn)行分析。以元器件的可靠性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，能計(jì)算故障的危害程度。但這種分析方法只 能在系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較確定的情況下進(jìn)行，并且分析結(jié)果較簡(jiǎn)單、不夠細(xì)致，不同分析人員 分析結(jié)果的一致性很難保證。(2)矩陣法FMECA。1977年，美國(guó)人Barbour在從事長(zhǎng)壽命通訊的可靠性分析中提 出矩陣法FMECA。同一般FMECA方法相比，矩陣法具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性和系統(tǒng)性，對(duì) 系統(tǒng)中的每一個(gè)故障提供更有效的跟蹤性。矩陣法FMECA優(yōu)點(diǎn)是：能更好的表達(dá)系統(tǒng) 故障因果關(guān)系，推理算法簡(jiǎn)單直接，便于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的分析。 但矩陣法FMECA對(duì)系統(tǒng)的信息完備性要求較高，比較適合應(yīng)用于電子系統(tǒng)。(3)基于性能仿真的FMECA。基于性能仿真的FMECA實(shí)際是通過(guò)對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)元器 件的參數(shù)進(jìn)行蒙特卡洛仿真，確定在超出系統(tǒng)容限時(shí)一些參數(shù)的變化關(guān)系，作為FMECA 分析結(jié)果。這種分析方法在電子系統(tǒng)中比較常見(jiàn)。目前已有一些軟件系統(tǒng)支持這種分析 方法，如著名的機(jī)電系統(tǒng)仿真軟件Saber的附加FMECA模塊，獲得1999年度******測(cè)試 設(shè)計(jì)軟件的TestDesigner工具。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于得出的結(jié)果可信性比較髙，但速度 比較慢。(4)基于功能模型的FMECA。為達(dá)到******效益，美國(guó)Stanford大學(xué)的C. F. Eubanks等人利用目前功能建模技術(shù)的成果，提出采用系統(tǒng)的行為模型作為FMECA分析的基礎(chǔ)， 通過(guò)構(gòu)造行為模型的因果鏈來(lái)完成故障分析，取得一定的成果，并將這種方法應(yīng)用于制 冰器和電吹風(fēng)的FMECA中。但不夠完善，還沒(méi)有形成一套成熟的系統(tǒng)來(lái)支持整個(gè) FMECA的分析過(guò)程。以上是FMECA技術(shù)國(guó)外的研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)在80年代初期，隨著可靠性技術(shù)在工程中的應(yīng)用，F(xiàn)MECA的概念和方法也逐 漸被接受。目前在航空、航天、兵器、艦船、電子、機(jī)械、汽車、家用電器等工業(yè)領(lǐng)域， FMEA方法均獲得了一定程度的普及，為保證產(chǎn)品的可靠性發(fā)揮了重要作用。可以說(shuō)該 方法經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展與完善，已獲得了廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可，成為在系統(tǒng)的研制中必須 完成的一項(xiàng)可靠性分析工作。目前，國(guó)內(nèi)在機(jī)械、航空、電子等領(lǐng)域均已成功地應(yīng)用了 FMECA技術(shù)，并且明確 規(guī)定此項(xiàng)技術(shù)為設(shè)計(jì)人員必須掌握的技術(shù)，F(xiàn)MECA的有關(guān)資料亦被規(guī)定為不可缺少的 設(shè)計(jì)文件[13~15]。我國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB450在可靠性設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)中指出，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)中應(yīng)用FMECA找出設(shè)計(jì)上的潛在缺陷，是設(shè)計(jì)分析和設(shè)計(jì)審查中必須重視的資料之一。 軍標(biāo)還規(guī)定：實(shí)施FMEA是設(shè)計(jì)者和承制方必須完成的任務(wù)。1.2.3加工中心FMECA分析、信息管理平臺(tái)的技術(shù)發(fā)展在加工中心的FMECA分析方面，吉林大學(xué)的賈亞洲等根據(jù)某型號(hào)精工系統(tǒng)1年半 的故障數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行了故障部位和故障模式分析，并應(yīng)用FMECA法對(duì)故障多發(fā)部位 進(jìn)行了進(jìn)一步的研究；指出了該精工系統(tǒng)及其相關(guān)功能部件的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，為精工 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和分析提供了依據(jù)。盡管FMECA方法多種多樣、各具特點(diǎn)，但還不能完全滿足設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)FMECA 的要求。及時(shí)性是成功實(shí)施FMECA的最重要因素之一，F(xiàn)MECA應(yīng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)同步進(jìn) 行，從產(chǎn)品功能的角度進(jìn)行基于功能模型的FMECA。它是一個(gè)“事前行為"，而不是“事 后行為"。因此，基于功能模型進(jìn)行FMECA，需進(jìn)一步完善，是值得深入、系統(tǒng)研究的 課題。另外，在20世紀(jì)50年代，美國(guó)將“結(jié)構(gòu)FMECA"技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)動(dòng) 機(jī)故障防范中，應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：某故障模式可能是上層系統(tǒng)的故障原因，同時(shí)又是下 層系統(tǒng)的結(jié)果；環(huán)境因素、人為因素或多種因素相互組合也可能對(duì)頂級(jí)事件產(chǎn)生影響； 還有，“結(jié)構(gòu)FMECA”進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，數(shù)據(jù)的采集具有很大模糊性，直接影響分析結(jié) 果的準(zhǔn)確性。而FMECA和故障樹(shù)（FTA)綜合進(jìn)行故障分析及FMECA模糊風(fēng)險(xiǎn)分析 分別可以解決以上兩種問(wèn)題，對(duì)改善系統(tǒng)可靠性具有很大應(yīng)用價(jià)值。軟件平臺(tái)方面，國(guó)內(nèi)軟件的應(yīng)用情況才剛剛起步。分析技術(shù)人員和工程師們將大量 寶貴時(shí)間浪費(fèi)在信息管理上，更重要的是由于人為的判斷誤差、計(jì)算誤差和信息管理誤 差等使得報(bào)告的分析誤差很大，計(jì)算精度很低，從而降低產(chǎn)品可靠性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的 相關(guān)高校和研究院也相應(yīng)地開(kāi)發(fā)過(guò)一些FMECA應(yīng)用軟件，如國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)機(jī)械 科學(xué)研究院、北京航空航天大學(xué)等單位都從事過(guò)此方面的研究。尤其是國(guó)防科技大學(xué)系 統(tǒng)工程研究所成功開(kāi)發(fā)了基于矩陣法FMECA的GeFMECA系統(tǒng)，以及北京運(yùn)通恒達(dá)科 技有限公司開(kāi)發(fā)的FMECA系統(tǒng)，但其功能都遠(yuǎn)落后于國(guó)外。1.3主要研究?jī)?nèi)容精工機(jī)床在實(shí)際使用中，由于設(shè)計(jì)、制造、使用等因素引起的故障不斷發(fā)生，因此 對(duì)精工機(jī)床進(jìn)行故障分析是十分必要的，故障分析也是對(duì)精工機(jī)床可靠性評(píng)估的重要內(nèi) 容之一。加工中心的FMECA故障數(shù)據(jù)缺乏有效的管理，F(xiàn)MECA又是一項(xiàng)煩瑣、乏味 的工作，實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)各種故障模式。而這些故障模式對(duì)今后的加工中心設(shè)計(jì)改進(jìn)、 使用維護(hù)有重要的參考價(jià)值，所以急切需要建立加工中心FMECA數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。其研究 內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：(1)廣泛深入調(diào)研，收集VMC650加工中心的故障情況。通過(guò)對(duì)故障數(shù)據(jù)的整理歸 納，得出故障模式。(2)建立故障模式數(shù)據(jù)庫(kù)，合理分類存儲(chǔ)故障模式。(3)編制VMC650加工中心數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件。(4)分析用戶需求，包括：軟件的功能性，即滿足用戶的各項(xiàng)功能需求；工程適用 性，即適應(yīng)用戶的工程分析流程和習(xí)慣；安全性，即保證數(shù)據(jù)的一致性和安全訪問(wèn)； 幵放性，即應(yīng)具有與其他軟件的良好接口，軟件自身功能、結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展和數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò) 展；以及用戶友好性等。(5)深入分析工程中的FMECA流程，將其作為軟件流程控制的基礎(chǔ)。分析FMECA 中涉及的數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系，建立完善的數(shù)據(jù)模型，為數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(6)從軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)層次建立FMECA軟件的總體框架，功能劃分，數(shù)據(jù)庫(kù)， 軟件接口規(guī)范，及運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行方式等。(7)從應(yīng)用角度出發(fā)，******可能實(shí)現(xiàn)可視化和自動(dòng)化，使軟件使用直觀，簡(jiǎn)單和高 效；建立強(qiáng)大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)以支持分析工作，提高分析水平。(8)通過(guò)應(yīng)用編制的軟件平臺(tái)進(jìn)行VMC650加工中心的FMECA分析，找出整機(jī)設(shè) 計(jì)運(yùn)行過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，給出相應(yīng)的建設(shè)性意見(jiàn)。