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数控机床可靠性技术设计体系

日期：2015-02-06 16:42:26 作者： 来源： 浏览次数：0
     可靠性设计体系
     
    　　1 可靠性设计的意义
     
    　　众所周知，产品的可靠性首先是设计出来，其次才是制造出来的[1]。据统计，产品设计阶段对可靠性的贡献率可达70%～80%，可见产品的固有可靠性主要是由设计决定的，设计环节赋予了产品“先天优劣”的本质特性。产品的安全可靠性是机电产品设计时必须满足的主要指标之一，只有在产品设计阶段就充分考虑了可靠性，再由制造和管理来保证，才能有效地提高产品的可靠性、降低成本、实现产品结构优化，提高产品的可用性。
     
    　　为了实现可靠性设计的目的，除了可靠性建模、可靠性分析和可靠性分配等可靠性设计的基本内容外，还有必要在企业建立一个系统、全面的可靠性设计体系，并实现体系的有效运行。
     
    　　可靠性设计体系的建立和运行需要与产品研发过程紧密结合，其主要内容包括可靠性设计准则的建立和应用、可靠性数据的收集与分析、建立可靠性模型、对可靠性指标进行分配与预计、对可靠性特性进行分析以及对设计方案的可靠性进行评审和验证等。前两者为可靠性设计体系的前期准备工作，然后在此基础上开展可靠性建模、可靠性预计和分配、可靠性分析等工作，最后在产品设计完成后进行可靠性评审和验证，找到薄弱环节并反馈给产品设计进行循环改进和优化。在可靠性设计过程中借助可靠性相关的软件和工具，可提高设计工作的精度和效率，降低设计成本，最大限度的保证产品地固有可靠性特性。
     
    　　2 可靠性设计体系框架
     
     
     
    　　产品的可靠性设计是从预防的角度出发，结合产品研发流程(见图1)，在产品研发过程中运用可靠性设计准则、可靠性预计和分配、可靠性分析、可靠性评审、可靠性试验等技术和管理手段，确保产品的固有可靠性。为达到这个目标，可以在企业建立如图2所示的产品可靠性设计体系架构，图中虚线部分表示相应的可靠性工作需要在当前的工程设计基础上开展，箭头表示各可靠性工作之间的数据流。
     
    　　结合图1和图2可以看出，可靠性设计与产品工程设计之间存在广泛的数据交互：一方面依据当前的工程设计方案获取开展可靠性工作所需要的基本信息，如可靠性建模、FMECA和FTA技术等都必须以工程设计方案为基础才能进行;另一方面将可靠性设计分析结果反馈到产品的工程设计中去，如通过可靠性分配将整机可靠性指标合理的分配到各组成单元，利用FMECA和FTA技术找到产品设计方案中的薄弱环节，采取设计更改等补救措施进一步优化设计方案，通过可靠性评审和试验，最后形成制造工艺文件、工艺规范和标准。
     
    　　3 产品设计各环节的可靠性工作及应用工具
     
    　　可靠性设计与分析工作是产品设计研发的有机组成部分，要将其合理、有效地融入到产品的研发中去。可靠性设计流程贯穿于产品设计与开发的每个环节，在产品设计和开发过程的不同阶段，具有不同的可靠性设计内容及不同的应用工具。
     
    　　3.1 技术决策阶段的可靠性工作及应用工具
     
    　　技术决策阶段需要完成市场调研报告和产品立项可行性分析报告的编制，此阶段的可靠性工作主要内容如下：
     
    　　(1)调研及分析市场和用户对可靠性的需求，制定市场和用户对产品可靠性需求调研报告;调研了解市场上同类产品的可靠性状况，制定同类产品的可靠性状况调研报告。
     
    　　(2)收集用户的现场数据，制定现场数据调研报告;对现场数据进行统计和分析，结合市场和用户对可靠性的需求以及市场上同类产品的可靠性状况提出拟开发产品的方案和建议，可靠性数据分析流程见图3。
     
     
    　　(3)围绕用户需求确定的产品可靠性定量和定性要求，依据各调研报告的分析结论和建议，结合企业的历史数据(产品故障数据、技术手段和经验)，制定产品可靠性工作的主要内容，初步制定实现用户可靠性要求的可靠性工作计划。
     
    　　(4)开展可行性分析。可行性分析应包括可靠性指标的技术可行性分析和经济可行性分析，并对可靠性指标可行性分析报告进行评审。
     
    　　技术决策阶段应用的工具：
     
    　　(1)数据统计工具：SPSS和EXCEL(直方图和饼图)，主要是用来初步分析故障数据的分布规律和统计各故障部位所占比例。
     
    　　(2)调研报告中故障数据分析方法有主次图法、因果图法(鱼骨图或树枝图)等，上述方法适用于分析产品已有故障的主要原因、故障的主要模式和关键部位。
     
    　　(3)可靠性指标的技术可行性分析过程主要是对指标的预计过程，利用相关的一些分析和预计方法如性能参数法、相似产品法、故障率法和蒙特卡洛法等，以便在方案论证及初步设计阶段，根据初步确定的系统性能及结构参数预计系统可靠性。
     
    　　(4)技术决策阶段可靠性评审主要采用JB/T 
    7517-1994《机械产品可靠性设计评审》和GB7828—87《可靠性设计评审》等标准进行评审;应用初步设计阶段可靠性工作内容检核表进行检查和控制。
     
    　　3.2 初步设计阶段的可靠性工作及应用工具
     
    　　初步设计阶段要编制技术任务书(含总图、主要部件草图)，编制初步设计评审报告，此阶段的可靠性工作内容如下：
     
    　　(1)规定外购件和外协件的可靠性要求，以确保符合规定的可靠性要求;
     
    　　(2)建立故障报告、分析和纠正措施系统(FRACAS)。
     
    　　(3)初步设计可靠性评审，可靠性评审流程图见图4。
     
     
    　　初步设计阶段使用的可靠性工具包括：
     
    　　(1)参考GJB450A《装备可靠性工作通用要求》和GJB841《故障报告、分析和纠正措施系统》建立并运行产品故障报告、分析和纠正措施系统(FRACAS)。
     
    　　(2)采用JB/T 7517-1994《机械产品可靠性设计评审》和GB7828—87《可靠性设计评审》等标准进行评审。
     
    　　(3)应用工作内容检核表进行检查和控制;应用评审检核表进行可靠性设计评审。
     
    　　3.3 技术设计阶段的可靠性工作及应用工具
     
    　　技术设计阶段先申请产品型号，编制产品部件设计要求和产品标准化综合要求，然后进行产品环境因素、危险源识别，最后绘制总图、各主要部件装配图、产品标识，并进行技术设计评审和编制相关评审报告。此阶段的可靠性工作内容如下：
     
    　　(1)提出产品设计阶段应贯彻的可靠性设计相关标准(技术标准、管理体系文件)。
     
    　　(2)列出产品可靠性设计过程中的各种依据，包括一些通用要求、手册、准则、专门术语等相关文件，确定影响产品可靠性的各种因素，包括各种应力和强度;
     
    　　(3)确定产品的使用条件、极限状态和失效判据，确定危险源，并进行标识，制定相应的防护和补救措施。
     
    　　(4)建立产品系统级可靠性框图和数学模型，并编写产品可靠性建模报告;根据产品的可靠性模型，将整机可靠性指标分配到系统级，编写可靠性分配报告，对各子系统和整机的可靠性水平进行预计，并编写可靠性预计报告;
     
    　　(5)参照已绘制的总图(草图)、简图(草图)和参照同类产品的结构和功能，初步进行D-FMEA，编写D-FMEA报告，根据D-FMEA的结果和同类产品的故障数据，初步进行故障树分析(FTA)，编写故障树分析(FTA)报告。
     
    　　(6)可靠性建模报告评审、可靠性分配报告评审、可靠性预计报告评审、故障模式、影响及危害性分析(FMECA)报告评审、故障树分析(FTA)报告评审、一般件和关重件清单评审、关重件可靠性设计流程和方法评审;编制可靠性设计评审报告。
     
    　　此阶段应用的可靠性相关工具有：
     
    　　(1)可靠性设计准则应用手册，其实施贯彻流程图见图5。
     
     
    　　(2)Relex、reliasoft等公司开发的相关软件。
     
    　　(3)产品可靠性建模工具或方法：传统的概率模型、布尔真值表模型、逻辑图模型和马尔科夫建模方法、蒙特卡洛仿真方法。
     
    　　(4)产品初步设计阶段常用可靠性分配方法有等分配法、综合评分分配法;可靠性指标的分配方法，具体选用那一种方法，应根据所掌握的数据、资料和信息的情况，从使用、简便、经济等各方面全盘考虑，选择最佳的分配方案。
     
    　　(5)产品初步设计阶段常用可靠性预计方法有相似产品预计法、修正系数法和图解近似计算法;产品初步定型设计依据可靠性设计准则进行。
     
    　　(6)产品设计FMECA分析主要以填表格的形式进行;产品FTA分析主要借助故障树来分析。
     
    　　(7)采用JB/T 
    7517-1994《机械产品可靠性设计评审》和GB7828—87《可靠性设计评审》等标准进行评审;应用设计内容检核表进行检查;应用设计评审检核表进行可靠性设计评审。
     
    　　3.4 工作图设计阶段的可靠性工作及应用工具
     
    　　工作图设计主要包括绘制全套工程图样，编制工艺分配表、外购件清单，编制产品目标成本核算表，编制验收技术条件、合格证明书，编制使用说明书、装配单。此阶段相关的可靠性工作内容如下：
     
    　　(1)建立产品零、部件级可靠性框图和数学模型，并编写相应可靠性建模报告。
     
    　　(2)根据零、部件可靠性模型，将各分系统级可靠性指标分配到各个部件级，直至最底层零件级，并相应的编写可靠性分配报告;对零件、部件、子系统和整机的可靠性水平进行预计，并编写相应可靠性预计报告。
     
    　　(3)对零部件进行详细D-FMEA分析，并编写相应D-FMEA报告;对产品故障进行详细故障树分析(FTA)，并编写相应FTA报告。
     
    　　(4)确定产品的一般零件和关重件(关键或重要的零件)，并列出产品一般件和关重件清单，对关重件进行可靠性设计，并绘制主要零部件草图。
     
    　　(5)对一般件进行设计，并绘制全部零部件草图，确定对产品成本费用有重大影响的主要零部件，进行可靠性优化设计。
     
    　　(6)制定产品可靠性验收试验大纲、试验程序等文件。
     
    　　此阶段应用的工具有：
    　　(1)Relex、Reliasoft等公司开发的相关可靠性软件。
     
    　　(2)产品可靠性建模工具或方法：传统的概率模型、布尔真值表模型、逻辑图模型和马尔科夫建模方法、蒙特卡洛仿真方法。
     
    　　(3)在产品详细设计阶段常用可靠性分配方法有再分配法、比例组合分配法和动态规划分配法等;在产品详细设计阶段常用可靠性预计方法有零部件计数法、故障率预计法、一次二阶矩法和应力强度干涉法。
     
    　　(4)零部件详细定性设计依据可靠性设计准则进行;产品设计FMECA分析主要以填D-FMECA表格的形式进行，产品FTA分析主要故障树的形式分析。
     
    　　(5)确定产品危险截面的位置时可借助传统的机械设计中的计算手段，如强度、磨损、腐蚀、刚度等物理计算，或利用有限元分析软件例如Asays，Nastran等直接进行有限元分析。
     
    　　(6)常规机械设计主要采用安全系数法，可靠性定性设计一般可以借鉴以往成功的设计经验进行规范化设计和成熟技术设计，可靠性最优化设计法，如花费最小的最优化分配方法、拉格朗日乘子法、动态规划法等。
     
    　　(7)可靠性验收试验的依据：GJB 899—2009《可靠性鉴定试验和验收试验》。
     
    　　3.5 样机试制阶段的可靠性工作及应用工具
     
    　　样机试制需经历编制工艺方案、评审、工艺设计要求、产品工艺、工装任务书，工装设计，编制产品制造费用分解表，样机试制，样机型式试验，编制型式试验报告和鉴定文件，进行样机试制鉴定，编制设计改进建议进行整改，绘制全套小批试制用工作图样及设计文件等过程。其中各环节需进行的可靠性工作内容如下：
     
    　　(1)制定影响产品可靠性的工艺方案，并进行验证和评审，明确工艺对产品可靠性的影响，确定关键工艺控制点，按装配工艺检核表进行样机装配;
     
    　　(2)根据用户的建议和综合经费、进度等条件选定需开展可靠性研制试验的项目，制定样机可靠性研制试验方案，并尽量与产品研制试验相结合，制定样机可靠性研制实验报告;
     
    　　(3)确定进行可靠性增长试验的项目，制定样机可靠性增长试验大纲，明确增长目标，增长模型和试验剖面，按计划进行可靠性增长试验(RGT)，编写可靠性增长实验报告，提出增长试验结论;
     
    　　(4)编制产品样机可靠性鉴定试验方案，编制产品样机可靠性鉴定试验大纲，编制产品样机可靠性鉴定试验程序，按照应按标准GJB899-2009《可靠性鉴定试验和验收试验》进行可靠性鉴定试验，根据可靠性鉴定试验的结果，评估其可靠性水平是否达到设计的要求，为生产决策提供信息，编制可靠性鉴定试验报告;
     
    　　(5)对试验方案、大纲、试验前准备工作、试验过程和试验完成情况进行评审。
     
    　　此阶段应用的相关工具有：
    　　(1)过程FMECA(PFMECA)，装配工艺检核表;
     
    　　(2)可靠性研制试验试验方法有可靠性增长摸底试验(或可靠性摸底试验)、可靠性强化试验(RET)或高加速寿命试验(HALT)等，或与性能试验、环境试验相结合，可靠性增长试验采用有模型的可靠性增长试验，相关要求和手册有GJB450A—2004《装备可靠性工作通用要求》、GJB1407—92《可靠性增长试验》、GJB/Z77—95《可靠性增长管理手册》等;
     
    　　(3)研制阶段结束进入批量生产前，应按标准GJB899-2009《可靠性鉴定试验和验收试验》制定具体的试验方案、大纲和程序;
     
    　　(4)按照可靠性鉴定试验相关标准进行相应的试验，如GJB450A—2004《装备可靠性工作通用要求》、GJB899—90《可靠性鉴定与验收试验》、GJB899A—2009《可靠性鉴定与验收试验》等。
     
    　　(5)按照PDCA循环进行改进和提高。
     
    　　3.6 小批试制阶段的可靠性工作及应用工具
     
    　　小批试制阶段包括工艺和工装整改、小批试制、小批试制型式试验及编制试验报告、编制鉴定文件进行鉴定、编制设计改进建议书进行整改、编制全套定型生产用工作图样及设计文件、编制产品质量特性分级表和编制产品维修配件生产目录及图册，各环节相关的可靠性工作内容如下：
     
    　　(1)分析研究产品工艺过程的缺陷和薄弱环节，为产品工艺设计的改进提供依据;
     
    　　(2)按照装配工艺检核表进行装配和质量控制;
     
    　　(3)采用可靠性分析方法分析小批试制过程中有关产品结构、性能等方面的问题，并总结其解决措施;
     
    　　(4)编制产品可靠性鉴定试验方案、鉴定试验大纲、鉴定试验程序。按照应按标准GJB899-2009《可靠性鉴定试验和验收试验》进行可靠性鉴定试验，对试验方案、大纲、试验前准备工作、试验过程和试验完成情况进行评审。
     
    　　此阶段应用的相关工具有：
    　　(1)故障树分析(FTA)、有限元分析;
     
    　　(2)产品小批试制型式试验(全面性能试验)标准;
     
    　　(3)按照可靠性鉴定试验相关标准编写样机鉴定文件和进行相应的试验，如GJB450A—2004《装备可靠性工作通用要求》、GJB899—90《可靠性鉴定与验收试验》、GJB899A—2009《可靠性鉴定与验收试验》、GB5080.5—85《设备可靠性试验成功率的验证实验方案》、GJB150—86《军用设备环境试验方法》等;
     
    　　(4)按照PDCA循环进行改进和提高。
     
    　　3.7 定型生产阶段的可靠性工作及应用工具
     
    　　定型生产阶段包括工艺整改、工装整改和定型生产等内容，其各环节相关的可靠性工作内容如下：
    　　(1)分析研究产品工艺过程的缺陷和薄弱环节，为产品工艺设计的改进提供依据;
    　　(2)制定并完善工艺文件，包括加工、装配、调试等工艺文件，形成最终正式工艺规范和标准，制定并完善工装文件，形成最终正式工装规范和标准。
    　　(3)了解并掌握产品加工、装配、调试、储运等环节产品质量信息，及时处理和改进。
     
    　　此阶段应用的相关工具有：
    　　(1)PDCA循环;
    　　(2)《产品可靠性管理体系文件》。
     
    　　4 可靠性设计体系的建立和运行
     
    　　结合已建立的可靠性设计体系框架，以某机床厂卧式加工中心的托盘自动交换转置为例，分析其可靠性设计分析工作流程。托盘自动交换转置(APC,automatic pallet change)是加工中心的关键功能部件之一，其功能主要是实现已加工零件与待加工零件之间的自动交换，必须保证其工作可靠性。
     
    　　4.1 产品初步结构性能分析
     
     
    　　根据产品的功能需求分析和前期调研情况，初步确定该型号卧式加工中心配置双工位托盘自动交换装置，即布置有两个托盘，且以支撑柱为中心成180°对称布置，可实现较长时间无人看管运行的混流加工，托盘自动交换时间为15 s。托盘自动交换装置具有上升、下降以及围绕中间支撑柱成180°旋转的功能，从而实现已加工工件与待加工工件的自动交换。其结构简图如图6所示。
     
    　　4.2 在初步方案的基础上开展可靠性设计分析工作
     
    　　(1)目标产品功能分析
     
    　　托盘自动交换架的交换过程如下：托架上升，然后旋转，接着下降。这3个动作只是完成了托盘自动交换装置半个周期的动作，在下半个周期中，托架上升和下降动作不变，只是托架旋转方向与上半个周期相反，从而实现了工件的循环交换。
     
    　　(2)可靠性前期准备工作
     
    　　根据产品的使用要求，确定卧式加工中心的可靠性设计指标为：MTBF达到1500h。然后收集、整理可靠性数据按照图3进行可靠性数据分析，接着制定可靠性工作计划，主要内容包括：①可靠性工作的总体要求和时间安排;②可靠性工作的管理机构及其职责的明确;③可靠性工作的实施机构及其职责的明确;④对供应方监督与控制工作的安排;⑤可靠性评审工作的要求与安排。
     
    　　(3)可靠性建模
     
    　　绘制功能框图和可靠性框图建立基本可靠性模型和任务可靠性模型，用于定量分配、预计和评价产品的可靠性。通过软件Isograph可以完成此项工作。
     
    　　通过对托盘自动交换装置功能和结构的进一步分析，得到任务可靠性框图(见图7)。
     
     
    　　(4)可靠性分配预计和验证
     
    　　结合可靠性指标MTBF=1500h和其他可靠性数据及建立的可靠性模型，进行可靠性分配和预计，然后进行验证，若不满足可靠性要求，就利用FMECA和FTA分析技术找到薄弱环节，再将信息反馈给工程设计以进行改进和完善。采用Isograph软件完成此工作。
     
    　　(5)故障模式影响及危害性分析(FMECA)和故障树分析(FTA)
     
    　　①故障模式分析
    　　通过对托盘自动交换装置结构和运行原理深入地分析，并参考专家实际工程经验方面的意见，确定了托盘自动交换装置所有可能的故障模式，如托架上升、下降及旋转不到位;交换架在减速瞬间以及旋转到位时产生较大的晃动及噪声;交换架运行不平稳等。
    　　②故障原因分析故障模式只能描述产品发生故障的表现形式，无法解释为何会发生这些故障，通过对故障模式进行故障原因分析，找到这些故障模式发生的所有可能的原因，从产品的设计、选型、加工、装配、调整、用户使用和维护保养等方面采取具体措施，达到提高托盘自动交换装置可靠性的目的。如分析故障模式托架上升、下降及旋转不到位的原因有：升降油缸密封装置磨损或损坏而发生液压油泄漏，进而导致油压不足;旋转油缸密封装置磨损或损坏而发生液压油泄漏、旋转感应开关安装位置的不合理。
    　　③故障影响分析
    　　通过对托盘自动交换装置故障模式的分析，得出诸故障模式的发生对其局部、对托盘自动交换装置和FMEA分析的落脚点是针对不同的故障模式提出相应的改进措施和使用补偿措施，以消除或减轻故障影响，进而提高产品的可靠性。例如针对交换架上升、对整机的安全性、设备完好性、任务成功性以及维修性等的影响。
    　　④故障检测方法分析
    　　故障检测方法、手段或工具的选择，应根据具体的故障模式、原因等因素的综合分析而定。对于该卧式加工中心托盘自动交换装置的故障检测，一般是目视检查、仪器检测以及数控系统显示报警检查等。
    　　⑤设计改进与使用补偿措施分析下降不到位的故障，采取的改进措施为：改进升降液压缸密封结构、采用高可靠性密封件;定期疏通电磁阀、回油管路;优化接近开关的安装位置和结构。
    　　⑥危害性分析(CA)
    　　根据可靠性试验信息、用户信息以及相似产品故障信息的统计分析，由FMEA分析得到托盘自动交换装置所有可能的故障模式。由于缺乏相应的故障率数据，因而，采用风险优先数进行危害性分析。
    　　⑦故障模式危害度排序
    　　根据最终的风险优先数对托盘自动交换装置诸故障模式的危害度由大到小进行排序，然后选择危害度较大的潜在故障模式作为改进对象。
    　　⑧输出FMECA报告
    　　通过以上各步骤的分析和总结，即可得出托盘自动交换装置的FMECA报告，进而再进行FTA分析。
     
    　　4.3 反馈信息到工程设计
     
    　　利用FMECA和FTA技术找到产品设计中的薄弱环节，确定关键件、重要件，对于一般零件，可采用常规机械设计方法和可靠性定性设计进行直接设计。但是对于关键件和重要件的可靠性设计可采用定性和定量设计相结合的方法。如果采用定量设计，必须明确给定设计要求和可靠性指标要求。对关键件进行应力分析和热分析。可应用Ansys软件可以完成应力分析和热分析。
     
    　　4.4 电子元器件选择
     
    　　按照相关的选用原则，对电子元器件进行选择和控制，保证设计中选择合格的电子元器件，确保生产制造中使用的元器件复合要求，供应稳定，以保证产品的可靠性。
     
    　　4.5 结构可靠性设计
     
    　　结合可靠性设计准则如电磁兼容设计准则、热设计准则和“三防”设计准则等进行结构可靠性设计。
     
    　　4.6 可靠性试验
     
    　　根据系统、产品的可靠性指标，确定可靠性试验方案，制定相应的试验程序，若产品在试验中有故障发生，应进行失效机理分析，采取补救措施，并实时记录，试验结束后形成可提交的可靠性试验报告。在试验过程中运行Isograph软件中Fracas功能模块，分析试验中出现的故障，确定故障原因，审查纠正措施的有效性。最后由设计人员对可靠性设计工作进行总结，形成可靠性设计手册。
     
    　　5 结语
     
    　　本文主要基于产品设计与开发过程构建了可靠性设计体系框架，阐述了产品设计各个环节的可靠性工作及相关的应用工具。可靠性设计体系为保证靠性设计工作有序、高效地开展打下坚实的基础，实施该体系框架对于消除潜在故障起到了预防作用，在优化产品结构设计时也保证了产品的安全可靠性和经济性。

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