FMECA數(shù)據(jù)庫分析管理系統(tǒng)軟件國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀
1.2課題相關(guān)內(nèi)容國內(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,。對于高度復(fù)雜和高度自動(dòng) 化的精工機(jī)床來說，人們對其依賴性越來越大,，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，給國家和企業(yè)造成重大的損失[6],。近些年,，我國精工機(jī)床技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使我國的制造業(yè)也取得了長足進(jìn) 步,，但與國外的同級產(chǎn)品相比,，無論是在設(shè)計(jì)水平，還是在實(shí)際使用過程中,，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,。我國歷來只重視主機(jī)的設(shè) 計(jì)和制造,，造成我國精工機(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)床部件可靠性無相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),，評價(jià)體系不 完整,。由于不同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致機(jī)床可靠性水平評價(jià)不一致,。(3)機(jī)床精工系統(tǒng)故障較多,，國產(chǎn)機(jī)電元器件（附件）質(zhì)量較差，我國的低壓電器,、 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 外統(tǒng)計(jì),，往往強(qiáng)電設(shè)備對電源系統(tǒng)有“污染”,，它產(chǎn)生很強(qiáng)的脈沖噪聲，通過傳導(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一種客觀賦權(quán)的熵權(quán)法 來評價(jià)精工機(jī)床的可靠性，有效克服了加權(quán)綜合評價(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)重并對加工中心的 可靠性進(jìn)行了綜合評價(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價(jià) 和提高產(chǎn)品可靠性水平的基礎(chǔ),，提出對加工中心進(jìn)行可靠性現(xiàn)場試驗(yàn),，對獲取的故障數(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定和采取可靠性增長的技術(shù)措施提供了理論依據(jù)[9],。1.2.2國內(nèi)外FMECA分析技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展概況FMEA技術(shù)最早是由美國軍方提出的，早在20世紀(jì)50年代初,，美國格魯門飛機(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 始進(jìn)入汽車工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備工業(yè)。1980年,，美國國防部頒布了 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)開始應(yīng)用 FMECA確認(rèn)其制造過程。1988年,，美國聯(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。美國宇航局對FMECA特別重視,，在長壽命通信衛(wèi) 星上幾乎無一例外地采用了這種分析手段,。美國衛(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，又被細(xì)分為設(shè)計(jì)FMECA、過程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 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 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,。是美國國防部在大量統(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，適用于從零部件級開始,，最后擴(kuò)展到系統(tǒng)級,，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,，美國人Barbour在從事長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 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，推理算法簡單直接,，便于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后對系統(tǒng)進(jìn)行有效的分析,。 但矩陣法FMECA對系統(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)際是通過對構(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,。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),， 通過構(gòu)造行為模型的因果鏈來完成故障分析,，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,，還沒有形成一套成熟的系統(tǒng)來支持整個(gè) FMECA的分析過程。以上是FMECA技術(shù)國外的研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀,。國內(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,。可以說該 方法經(jīng)過長時(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],。我國軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB450在可靠性設(shè)計(jì)及評價(jià)中指出,，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)營運(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)某型號精工系統(tǒng)1年半 的故障數(shù)據(jù),，對其進(jìn)行了故障部位和故障模式分析,，并應(yīng)用FMECA法對故障多發(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)過程中對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頂級事件產(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（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題,，對改善系統(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,，國內(nèi)的 相關(guān)高校和研究院也相應(yīng)地開發(fā)過一些FMECA應(yīng)用軟件，如國防科技大學(xué),、中國機(jī)械 科學(xué)研究院,、北京航空航天大學(xué)等單位都從事過此方面的研究。尤其是國防科技大學(xué)系 統(tǒng)工程研究所成功開發(fā)了基于矩陣法FMECA的GeFMECA系統(tǒng),，以及北京運(yùn)通恒達(dá)科 技有限公司開發(fā)的FMECA系統(tǒng),，但其功能都遠(yuǎn)落后于國外。1.3主要研究內(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,，故障分析也是對精工機(jī)床可靠性評估的重要內(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。通過對故障數(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,，合理分類存儲(chǔ)故障模式。(3)編制VMC650加工中心數(shù)據(jù)庫管理系統(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,； 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,， 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，簡單和高 效,；建立強(qiáng)大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫以支持分析工作,，提高分析水平。(8)通過應(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)行過程中的薄弱環(huán)節(jié),，給出相應(yīng)的建設(shè)性意見。