基于ISM与FMECA的加工中心故障分析
加工中心作为复杂机电一体化产品，其功能先 进性和结构复杂性导致内部故障存在关联性，_个 单元或子系统发生故障，可能导致系统其他部分出 现故障，引起多米诺效应，严重影响其可靠性[1].因 此，进行故障关联分析并找出故障传播对系统影响 的有效方法以阻止该情况发生很有必要.近年来国内外学者对故障关联的研究主要集中 于单向关联故障的研究.有基于可靠性模型的串联 相关故障分析和共因失效分析等[2 _5 ].对于双向故 障关联性的研究还较少涉足，在文献[1]中，采用自 相关矩阵考虑各因素间直接关系的同时却忽视了多 层次故障传递链条中因素间的间接关联关系.而作 为复杂系统分析方法的重要方法——解释结构模型 (Interpretative Structural Modeling，ISM)却能考 虑系统各故障子系统间直接间接关系，有效进行系 统故障分析.该法于1973年由美国Warfield教授 提出，可将复杂系统分解为若干子系统要素，实现多 级递阶结构模型的构建[6 ].它借助图形表示出系统 要素间所有直接、间接关系，并据此分析找出影响整 个系统可靠性的根本因素，进而对这些根本因素进 行重点改善，这也就为系统进行ISM模型分析提供 了理论依据[71].实践证明，该方法既适用于分析社 会经济问题，又适用于学习理解相互关系较复杂的 各种问题[10].但就当前看，尚未有学者将其应用于 精工机床故障分析中，因此本文基于加工中心故障 关联复杂性，立足宏观，将其引入该领域，借助ISM 法将众多要素相互影响的逻辑关系用多级递阶结构 进行直观表示，明确关联故障子系统层级，找出深层 子系统，确定可靠性改进薄弱环节.并对其进行故障 模式、影响及危害性分析（Failure ModeEffects and Criticality Analysis，FMECA)，进而确定其关键故 障模式.1 ISM与FMECA的原理与方法1.1解释结构模型（ISM)ISM基本原理是采用各种创造性技术，提取系 统构成要素，利用有向图、矩阵等工具，构造出_个 多级递阶结构模型，从而将要素间的依赖关系与系 统内部结构直观地展现出来，实现关系条理化、层次 化[11].本文将其应用于加工中心故障关联分析中， 实施基本步骤为：1. 2故障模式、影响及危害性分析（FMECA)根据ISM所得结果，获取深层要素，确定可靠 性薄弱环节，从而对其进行FMECA分析，以获取 关键故障模式.其中FMECA是一种用于可靠性分 析的主要方法，该方法有如下步骤[12].准备工作.该步骤是在对系统做FMECA分 析之前进行的，是收集准备充分资料的阶段，这些资 料包括系统设计、工艺流程与使用维护等方面，同时 还包括类似设备在使用、维护与安装过程中的常见故障模式.1) 功能定义.明确设备能完成的功能与在整个 系统中所处地位.2) 确定故障模式.明确待分析设备系统中主要 零部件潜在故障模式.3) 故障原因和后果分析.分析引发故障发生的 各可能因素，找到各故障模式所有可能潜在原因，并 预计故障产生后果.4) 确定检测方法.提出或收集以往对系统和各 元器件的故障模式检测方法.5) 危险性评估.危险性评估方法主要有危害度 等级评定法和危险顺序数（RPN)排序法等.在此采 用RPN(Risk Priority Number)排序法，该方法兼 顾了故障模式的严酷程度与发生概率及其查明难易程度，并给出了适当的评定系数，公式为RPN = SXOXD.式中：S表示严酷度，在1〜10范围内取值；O表示 发生概率，在1〜10范围内取值；D表示查明难度， 在1〜10范围内取值.可通过统计方法或经验来确 定S，O，D的评定原则[13].另采用各部件故障模式 的平均值简化计算部件对应的故障风险值，用 RPN表示.2实例分析2.1基于ISM的关联故障子系统模型构建通过对某系列加工中心故障数据进行分析整 理，得到各子系统关联故障统计表，如表1所示. 表1加工中心关联故障统计表 Tab. 1 Associated failure statistics of machining center subsystem 序 初始故障 子系统 后继故障 子系统 故障原因 序 初始故障 子系统 后继故障 子系统 故障原因 1 电气系统 进给系统 参考点开关有问题导致机床无法回参考点 12 精工系统 主轴系统 机床参数设置出问题导致主轴定位不准 2 精工系统 进给系统 精工系统参数设置错误导致X轴跟踪误差过大 13 精工系统 刀库 OI控制失灵导致14号和3号刀数据混乱 3 气动系统 刀库 气压过低导致机床正常换刀时机械手换不到位 14 电气系统 冷却系统 跳闸，致使水泵不运转 4 排屑系统 防护装置 铝屑进入卡住，致使Y轴防护损坏 15 精工系统 进给系统 机床参数设置出问题导致Y轴跟踪误差过大报警 5 润滑系统 排屑系统 润滑油注油不足导致机床排屑机不工作 16 电气系统 主轴系统 开关损坏导致主轴旋转不停 6 液压系统 进给系统 Z轴平衡油缸压力不足，引发Z轴单元报警 17 电气系统 刀库 无触点开关松动造成加工过程中刀库运转不正常 7 精工系统 刀库 机床参数设置出问题导致机床无法正常换刀 18 液压系统 主轴系统 夹紧油缸与制动架结合处漏油或油管漏油 导致主轴夹刀不紧 8 润滑系统 主轴系统 润滑油有杂质导致镗孔时主轴发出噪音 19 排屑系统 气动系统 缸体内混入异物拉出伤痕导致打刀气缸损坏 9 电气系统 排屑系统 空气开关跳阐导致排削机失灵 20 气动系统 刀库 气动电磁阀故障导致手动拿刀拿不下来 10 润滑系统 进给系统 润滑不良导致X轴传动有噪音 21 电气系统 刀库 接触器失灵导致机械手不能换刀 11 电气系统 主轴系统 限位开关故障不发信号导致换刀时主轴不定向 22 电气系统 进给系统 断路器损坏导致机床四轴出现超程报警 该模型为一个四级递阶层次结构 模型.其中刀库（S1 )、进给系统（S2 )、主轴系统 (S3 )、防护系统（S7 )、冷却系统（S8 )是表层要素，为易受其他子系统影响的故障子系统，本身不对其 他子系统产生影响.气动系统（S6 )、精工系统 (S9 )、液压系统（S11 )是浅层要素，这三个要素对 第_层要素有直接影响，其中气动系统（S )对第_ 层要素产生影响的同时，受到下一层要素对其产生 的影响，而精工系统（S9 )和液压系统（S11 )仅对上 层要素产生影响，不受其他要素的影响.排屑系统 (S5 )是中层要素，该要素对上层要素产生直接或间 接的影响，同时受下层子系统要素的影响.电气系统(s4)和润滑系统（s1())是深层要素，它们通过不同 方式对其他故障子系统产生直接或间接的影响，自 身并不受其他子系统的影响.说明这两个故障子系 统地位尤其重要，为关键子系统，要对其加强可靠性 改进.为明确关键子系统具体改进方向，需要对其进 行FMECA分析，以下以电气系统为例进行关键故 障模式和关键设备的探寻.1. 2 FMECA 分析由对国内某系列加工中心的故障数据收集信 息，可得到电气系统的故障模式、影响和危害度分析 表格，如表4所示.主要包括各种开关、电灯、电源、 接触器、变频器、电源线、继电器等的FMECA. 表4 电气系统FMECA表 Tab. 4 Electrical system FMECA table 故障影响 部件 模式编号 故障模式 故障原因 _ 电气系统 整机 s 0 D RPN RPN A1 制动开关损坏 本身质量问题 不能工作 不能运转 7 5 4 140 A2 空气开关损坏 本身质量问题 功能不完整 运转有问题 5 5 4 100 开关 A3 循环启动按钮损坏 连接电缆线故障 电机不转 运转有问题 6 7 3 126 132 A4 无触点开关松动 装配问题 功能不完整 运转有问题 5 5 5 125 A5 电磁感应开关损坏 用户使用不当 功能不完整 运转有问题 7 4 6 168 B1 镇流器损坏 本身质量问题 影响照明 可能对加工中心 工作有影响 6 5 6 180 电灯 B2 灯管损坏 自然老化损坏 影响照明 可能对加工中心 工作有影响 5 5 5 125 142 B3 工作照明灯损坏 用户使用不当 影响照明 可能对加工中心 工作有影响 5 6 4 120 电源 C1 稳压电源损坏 质量问题 功能不完整 不能运转 8 3 4 96 84 C2 电源跳闸 电源电机故障 不能工作 不能运转 8 3 3 72 接触器 D1 接触器损坏 外力因素损坏 功能不全 不能运转 8 4 6 192 192 变频器 E1 电压过低 电厂本身变压器 负荷不平衡 电机不转 运转有问题 7 4 7 196 196 电源线 F1 线接头损坏 磨损 功能不完整 运转有问题 6 6 3 108 01080 继电器 G1 继电器损坏 外力因素损坏 不能工作 有无法工作的可能 8 5 6 240 02400 由表4可知，该系列加工中心电气系统中继电 器、变频器和接触器的危险顺序数******，是需注意的 关键设备，因此应该重点检测其安全状态.此外，单 就故障模式来说，危险顺序数较大的故障模式依次 为继电器损坏、变频器损坏、接触器损坏、电灯镇流 器损坏、电磁感应开关损坏、制动开关损坏，这六个 故障模式是该系列加工中心的关键故障模式，应着 重进行可靠性改进.这些故障多为元器件损坏，电气 系统元器件主要是外购获得，因此，加工中心企业应 加强外购件采购质量管理，入厂前元器件进行筛选 实验；同时设计部门在选用元器件时，须从优选手册 目录中选取，若须采用目录之外的元器件，需经质量部门认定为可靠补入目录后才能用于选取.另外，用 户也要在使用中注意对设备加强维护，加强操作培 训，以提高设备使用可靠性.由以上分析知，相比传统FMECA方法并未考 虑故障之间的相互影响，只对各故障模式危害性独 立地进行分析，本文所使用的ISM法则充分考虑和 反映故障间直接与间接关系，从系统角度出发，确定 加工中心薄弱环节，即关键子系统，得出了符合工程 实际的结论，从而为系统可靠性分析提供了坚实的 理论基础.接着对所得关键子系统进行FMECA分 析，确定了关键故障模式以及关键设备，更加明确了 可靠性改进方向.3结论1) 采用ISM法分析各子系统间关系，建立了加 工中心故障关联子系统递阶结构模型，将故障关联 子系统划分为表层故障子系统、浅层故障子系统、中 层故障子系统和深层故障子系统，从而使故障传递 关系得以直观而深刻地表现，为故障快速诊断提供 了新方法，并对可靠性改进具有重要意义.2) 对运用ISM法所得深层子系统进行了 FMECA分析，确定了关键故障模式及关键设备，明 确了可靠性改进方向.3) ISM与FMECA法为明确关键子系统及其 关键设备与关键故障模式提供了简单快捷的新思 路，完善了现有故障分析方法体系.本文由海天精工整理发表文章均来自网络仅供学习参考，转载请注明！