基于ISM與FMECA的加工中心故障分析
加工中心作為復雜機電一體化產品，其功能先 進性和結構復雜性導致內部故障存在關聯性，_個 單元或子系統發生故障，可能導致系統其他部分出 現故障，引起多米諾效應，嚴重影響其可靠性[1].因 此，進行故障關聯分析并找出故障傳播對系統影響 的有效方法以阻止該情況發生很有必要.近年來國內外學者對故障關聯的研究主要集中 于單向關聯故障的研究.有基于可靠性模型的串聯 相關故障分析和共因失效分析等[2 _5 ].對于雙向故 障關聯性的研究還較少涉足，在文獻[1]中，采用自 相關矩陣考慮各因素間直接關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聯關系.而作 為復雜系統分析方法的重要方法——解釋結構模型 (Interpretative Structural Modeling，ISM)卻能考 慮系統各故障子系統間直接間接關系，有效進行系 統故障分析.該法于1973年由美國Warfield教授 提出，可將復雜系統分解為若干子系統要素，實現多 級遞階結構模型的構建[6 ].它借助圖形表示出系統 要素間所有直接、間接關系，并據此分析找出影響整 個系統可靠性的根本因素，進而對這些根本因素進 行重點改善，這也就為系統進行ISM模型分析提供 了理論依據[71].實踐證明，該方法既適用于分析社 會經濟問題，又適用于學習理解相互關系較復雜的 各種問題[10].但就當前看，尚未有學者將其應用于 精工機床故障分析中，因此本文基于加工中心故障 關聯復雜性，立足宏觀，將其引入該領域，借助ISM 法將眾多要素相互影響的邏輯關系用多級遞階結構 進行直觀表示，明確關聯故障子系統層級，找出深層 子系統，確定可靠性改進薄弱環節.并對其進行故障 模式、影響及危害性分析（Failure ModeEffects and Criticality Analysis，FMECA)，進而確定其關鍵故 障模式.1 ISM與FMECA的原理與方法1.1解釋結構模型（ISM)ISM基本原理是采用各種創造性技術，提取系 統構成要素，利用有向圖、矩陣等工具，構造出_個 多級遞階結構模型，從而將要素間的依賴關系與系 統內部結構直觀地展現出來，實現關系條理化、層次 化[11].本文將其應用于加工中心故障關聯分析中， 實施基本步驟為：1. 2故障模式、影響及危害性分析（FMECA)根據ISM所得結果，獲取深層要素，確定可靠 性薄弱環節，從而對其進行FMECA分析，以獲取 關鍵故障模式.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].準備工作.該步驟是在對系統做FMECA分 析之前進行的，是收集準備充分資料的階段，這些資 料包括系統設計、工藝流程與使用維護等方面，同時 還包括類似設備在使用、維護與安裝過程中的常見故障模式.1) 功能定義.明確設備能完成的功能與在整個 系統中所處地位.2) 確定故障模式.明確待分析設備系統中主要 零部件潛在故障模式.3) 故障原因和后果分析.分析引發故障發生的 各可能因素，找到各故障模式所有可能潛在原因，并 預計故障產生后果.4) 確定檢測方法.提出或收集以往對系統和各 元器件的故障模式檢測方法.5) 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（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生概率及其查明難易程度，并給出了適當的評定系數，公式為RPN = SXOXD.式中：S表示嚴酷度，在1?10范圍內取值；O表示 發生概率，在1?10范圍內取值；D表示查明難度， 在1?10范圍內取值.可通過統計方法或經驗來確 定S，O，D的評定原則[13].另采用各部件故障模式 的平均值簡化計算部件對應的故障風險值，用 RPN表示.2實例分析2.1基于ISM的關聯故障子系統模型構建通過對某系列加工中心故障數據進行分析整 理，得到各子系統關聯故障統計表，如表1所示. 表1加工中心關聯故障統計表 Tab. 1 Associated failure statistics of machining center subsystem 序 初始故障 子系統 后繼故障 子系統 故障原因 序 初始故障 子系統 后繼故障 子系統 故障原因 1 電氣系統 進給系統 參考點開關有問題導致機床無法回參考點 12 精工系統 主軸系統 機床參數設置出問題導致主軸定位不準 2 精工系統 進給系統 精工系統參數設置錯誤導致X軸跟蹤誤差過大 13 精工系統 刀庫 OI控制失靈導致14號和3號刀數據混亂 3 氣動系統 刀庫 氣壓過低導致機床正常換刀時機械手換不到位 14 電氣系統 冷卻系統 跳閘，致使水泵不運轉 4 排屑系統 防護裝置 鋁屑進入卡住，致使Y軸防護損壞 15 精工系統 進給系統 機床參數設置出問題導致Y軸跟蹤誤差過大報警 5 潤滑系統 排屑系統 潤滑油注油不足導致機床排屑機不工作 16 電氣系統 主軸系統 開關損壞導致主軸旋轉不停 6 液壓系統 進給系統 Z軸平衡油缸壓力不足，引發Z軸單元報警 17 電氣系統 刀庫 無觸點開關松動造成加工過程中刀庫運轉不正常 7 精工系統 刀庫 機床參數設置出問題導致機床無法正常換刀 18 液壓系統 主軸系統 夾緊油缸與制動架結合處漏油或油管漏油 導致主軸夾刀不緊 8 潤滑系統 主軸系統 潤滑油有雜質導致鏜孔時主軸發出噪音 19 排屑系統 氣動系統 缸體內混入異物拉出傷痕導致打刀氣缸損壞 9 電氣系統 排屑系統 空氣開關跳闡導致排削機失靈 20 氣動系統 刀庫 氣動電磁閥故障導致手動拿刀拿不下來 10 潤滑系統 進給系統 潤滑不良導致X軸傳動有噪音 21 電氣系統 刀庫 接觸器失靈導致機械手不能換刀 11 電氣系統 主軸系統 限位開關故障不發信號導致換刀時主軸不定向 22 電氣系統 進給系統 斷路器損壞導致機床四軸出現超程報警 該模型為一個四級遞階層次結構 模型.其中刀庫（S1 )、進給系統（S2 )、主軸系統 (S3 )、防護系統（S7 )、冷卻系統（S8 )是表層要素，為易受其他子系統影響的故障子系統，本身不對其 他子系統產生影響.氣動系統（S6 )、精工系統 (S9 )、液壓系統（S11 )是淺層要素，這三個要素對 第_層要素有直接影響，其中氣動系統（S )對第_ 層要素產生影響的同時，受到下一層要素對其產生 的影響，而精工系統（S9 )和液壓系統（S11 )僅對上 層要素產生影響，不受其他要素的影響.排屑系統 (S5 )是中層要素，該要素對上層要素產生直接或間 接的影響，同時受下層子系統要素的影響.電氣系統(s4)和潤滑系統（s1())是深層要素，它們通過不同 方式對其他故障子系統產生直接或間接的影響，自 身并不受其他子系統的影響.說明這兩個故障子系 統地位尤其重要，為關鍵子系統，要對其加強可靠性 改進.為明確關鍵子系統具體改進方向，需要對其進 行FMECA分析，以下以電氣系統為例進行關鍵故 障模式和關鍵設備的探尋.1. 2 FMECA 分析由對國內某系列加工中心的故障數據收集信 息，可得到電氣系統的故障模式、影響和危害度分析 表格，如表4所示.主要包括各種開關、電燈、電源、 接觸器、變頻器、電源線、繼電器等的FMECA. 表4 電氣系統FMECA表 Tab. 4 Electrical system FMECA table 故障影響 部件 模式編號 故障模式 故障原因 _ 電氣系統 整機 s 0 D RPN RPN A1 制動開關損壞 本身質量問題 不能工作 不能運轉 7 5 4 140 A2 空氣開關損壞 本身質量問題 功能不完整 運轉有問題 5 5 4 100 開關 A3 循環啟動按鈕損壞 連接電纜線故障 電機不轉 運轉有問題 6 7 3 126 132 A4 無觸點開關松動 裝配問題 功能不完整 運轉有問題 5 5 5 125 A5 電磁感應開關損壞 用戶使用不當 功能不完整 運轉有問題 7 4 6 168 B1 鎮流器損壞 本身質量問題 影響照明 可能對加工中心 工作有影響 6 5 6 180 電燈 B2 燈管損壞 自然老化損壞 影響照明 可能對加工中心 工作有影響 5 5 5 125 142 B3 工作照明燈損壞 用戶使用不當 影響照明 可能對加工中心 工作有影響 5 6 4 120 電源 C1 穩壓電源損壞 質量問題 功能不完整 不能運轉 8 3 4 96 84 C2 電源跳閘 電源電機故障 不能工作 不能運轉 8 3 3 72 接觸器 D1 接觸器損壞 外力因素損壞 功能不全 不能運轉 8 4 6 192 192 變頻器 E1 電壓過低 電廠本身變壓器 負荷不平衡 電機不轉 運轉有問題 7 4 7 196 196 電源線 F1 線接頭損壞 磨損 功能不完整 運轉有問題 6 6 3 108 01080 繼電器 G1 繼電器損壞 外力因素損壞 不能工作 有無法工作的可能 8 5 6 240 02400 由表4可知，該系列加工中心電氣系統中繼電 器、變頻器和接觸器的危險順序數******，是需注意的 關鍵設備，因此應該重點檢測其安全狀態.此外，單 就故障模式來說，危險順序數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、電燈鎮流 器損壞、電磁感應開關損壞、制動開關損壞，這六個 故障模式是該系列加工中心的關鍵故障模式，應著 重進行可靠性改進.這些故障多為元器件損壞，電氣 系統元器件主要是外購獲得，因此，加工中心企業應 加強外購件采購質量管理，入廠前元器件進行篩選 實驗；同時設計部門在選用元器件時，須從優選手冊 目錄中選取，若須采用目錄之外的元器件，需經質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備加強維護，加強操作培 訓，以提高設備使用可靠性.由以上分析知，相比傳統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系，從系統角度出發，確定 加工中心薄弱環節，即關鍵子系統，得出了符合工程 實際的結論，從而為系統可靠性分析提供了堅實的 理論基礎.接著對所得關鍵子系統進行FMECA分 析，確定了關鍵故障模式以及關鍵設備，更加明確了 可靠性改進方向.3結論1) 采用ISM法分析各子系統間關系，建立了加 工中心故障關聯子系統遞階結構模型，將故障關聯 子系統劃分為表層故障子系統、淺層故障子系統、中 層故障子系統和深層故障子系統，從而使故障傳遞 關系得以直觀而深刻地表現，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法所得深層子系統進行了 FMECA分析，確定了關鍵故障模式及關鍵設備，明 確了可靠性改進方向.3) ISM與FMECA法為明確關鍵子系統及其 關鍵設備與關鍵故障模式提供了簡單快捷的新思 路，完善了現有故障分析方法體系.本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！