過程質量與可靠性集成研究

李娟

摘 要：制造系統可靠性的分析往往更傾向于利用運行故障數據進行系統性能診斷，忽略了產品質量因素的影響，同時對于性能衰退的影響考慮不夠，造成了系統故障診斷不及時，批量生產產品可靠性差。文章從制造過程出發，在性能衰退影響的基礎上構建了制造系統可靠性模型，結果表明，質量因素與性能衰退對于系統可靠性的影響同等重要，若忽略任何一個，則系統可靠性將會被過高估計。

關鍵詞：制造系統；可靠性；質量

中圖分類號：TH16 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0027-02

1 概述

隨著經濟全球化的日益加劇和科技進步的日新月異，高端制造裝備的結構日益復雜化的同時，由于日趨復雜多變的運行工況環境，導致其故障率亦明顯提高。因此，如何提高高端制造裝備的可靠性水平是我國制造業目前急需解決的重大課題。眾所周知，制造系統可靠性是保障產品質量與可靠性的重要基礎，高可靠性的產品被認為是高質量的過程和高度可靠性的制造系統共同的輸出結果。目前針對產品可靠性的研究主要集中于設計、使用階段，從制造過程角度來考慮的多限于工藝過程分析[1]，缺少對系統可靠性的定性定量研究，故對制造過程中影響制造系統性能的關鍵要素進行優化分析是確保產品可靠性的重要途徑。但是，對于制造系統可靠性的研究主要還是從系統自身角度基于運行故障數據進行優化分析[2]，與產品質量幾乎是獨立分開研究的，而即使有少數的一些聯合分析[3]，多是重點考慮組件故障的影響，缺乏考慮其性能退化對于系統可靠性的影響[4]， 這往往會造成對許多產生的系統故障無法及時、準確地診斷出來，從而造成許多不必要的停機。本文對制造系統可靠性的分析，在考慮質量因素的基礎上，深入考慮了性能衰退對于系統可靠性的影響，能夠更為精確地診斷和預測系統的可靠性，提高最終產品的質量與可靠性水平。

2 制造系統對產品可靠性的影響

制造系統的可靠性直接決定了制造過程質量的穩定性，而所生產產品的可靠性受制于制作過程質量的穩定性。值得注意的是，制造系統對產品可靠性的影響是間接的，其影響是通過制造過程中的產品質量進行轉移。產品在制造過程中形成的質量變異是產品制造可靠性的基本因素。隨著產品制造加工的逐漸成型，制造過程5M1E的波動可以通過加工工藝轉移到產品過程質量上，形成加工誤差的傳遞，從而使產品的制造可靠性降低。產品制造可靠性的降低程度取決于制造過程中不可控的質量變異的嚴重程度，而質量變異的嚴重程度取決于制造系統可靠性的降低程度。

3 復雜制造過程質量與可靠性集成建模

3.1 集成模型框架

制造系統可靠性是指系統在正常運行的情況下能夠同時產出合格品的概率。制造系統中各個獨立工位組成單元的集合稱為制造系統要素（Manufacturing System Component，MSC），把對最終產品的外觀和性能產生重要影響的產品尺寸特征（如重要尺寸、強度等）稱為關鍵產品特征（KPC， Key Product Characteristics）。那么，系統可靠性度的表達式如下：

R（t）=Pr{系統在t時間前無災難性故障∩t時間前產品質量合格}

本文給出了質量與可靠性集成模型框架，同時描述了制造系統要素可靠性信息和產品質量信息的復雜關系，如圖1所示。

3.2 質量與可靠性集成建模

建模主要分為三個步驟：

首先，利用響應建模法構建產品質量與系統要素關系模型，用以描述產品質量關鍵特征和系統性能狀態之間的過程模型，在建模時考慮了制造環境的相關信息。如下：

然后，分別構建產品關鍵特征偏差模型、制造系統要素性能衰退模型和故障模型。一般情況性能衰退率可用指數分布描述，狀態可用正態分布來描述。系統要素最開始都有初始衰退率和初始故障率。

最后，根據制造系統可靠性的定義，綜合關鍵特性偏差模型、衰退模型和故障模型便可得系統可靠性的定量表達式，即：

4 案例研究

以某企業加工工藝流程為例，構建簡化模型，如圖2。

然后根據構建的制造系統可靠性模型，求解得到不同情形下的系統可靠性值，如圖3。

曲線（1）表示只有故障影響，在此基礎上曲線（2）增加考慮了衰退影響，曲線（3）增加考慮質量因素，曲線（4）綜合（2）和（3）。通過比對（4）與其它三條曲線可知，若不考慮質量影響，則系統的可靠性將會被過高估計，從而錯失最佳的維護時間。

5 結束語

綜上，對于系統可靠性的分析與預測，應該充分考慮制造過程中產品質量因素的影響以及衰退對于系統可靠性的影響，如果忽視了，那么系統可靠性將會被估計得過高，這對于實際生產具有一定指導意義。

參考文獻：

[1]Zhang F， Lu J， Yan Y， et al. Dimensional Quality Oriented Reliability Modeling for Complex Manufacturing Processes[J].International Journal of Computational Intelligence Systems， 2011，4（6）：1262-1268.

[2]周豐旭，李愛平，謝楠，等.基于性能衰退的多態制造系統可靠性分析[J].計算機集成制造系統，2014，06：1424-1431.

[3]匡芬，戴偉，王健，等.基于質量特性演化的工藝可靠性評估[J].計算機集成制造系統，2015，08：2124-2131.

[4]陳東寧，姚成玉.基于模糊貝葉斯網絡的多態系統可靠性分析及在液壓系統中的應用[J].機械工程學報，2012，16：175-183.