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加工中心作為復(fù)雜機(jī)電一體化產(chǎn)品，其功能先進(jìn)性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性導(dǎo)致內(nèi)部故障存在關(guān)聯(lián)性，_個(gè) 單元或子系統(tǒng)發(fā)生故障，可能導(dǎo)致系統(tǒng)其他部分出現(xiàn)故障，引起多米諾效應(yīng)，嚴(yán)重影響其可靠性^[1].因此，進(jìn)行故障關(guān)聯(lián)分析并找出故障傳播對(duì)系統(tǒng)影響的有效方法以阻止該情況發(fā)生很有必要.

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)故障關(guān)聯(lián)的研究主要集中于單向關(guān)聯(lián)故障的研究.有基于可靠性模型的串聯(lián) 相關(guān)故障分析和共因失效分析等^[2 _⁵^].對(duì)于雙向故障關(guān)聯(lián)性的研究還較少涉足，在文獻(xiàn)[1]中，采用自相關(guān)矩陣考慮各因素間直接關(guān)系的同時(shí)卻忽視了多層次故障傳遞鏈條中因素間的間接關(guān)聯(lián)關(guān)系.而作為復(fù)雜系統(tǒng)分析方法的重要方法——解釋結(jié)構(gòu)模型 (Interpretative Structural Modeling，ISM)卻能考慮系統(tǒng)各故障子系統(tǒng)間直接間接關(guān)系，有效進(jìn)行系統(tǒng)故障分析.該法于1973年由美國(guó)Warfield教授提出，可將復(fù)雜系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)要素，實(shí)現(xiàn)多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建^[6^].它借助圖形表示出系統(tǒng) 要素間所有直接、間接關(guān)系，并據(jù)此分析找出影響整個(gè)系統(tǒng)可靠性的根本因素，進(jìn)而對(duì)這些根本因素進(jìn) 行重點(diǎn)改善，這也就為系統(tǒng)進(jìn)行ISM模型分析提供了理論依據(jù)^[⁷1^].實(shí)踐證明，該方法既適用于分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，又適用于學(xué)習(xí)理解相互關(guān)系較復(fù)雜的各種問(wèn)題^[¹⁰^].但就當(dāng)前看，尚未有學(xué)者將其應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床故障分析中，因此本文基于加工中心故障關(guān)聯(lián)復(fù)雜性，立足宏觀，將其引入該領(lǐng)域，借助ISM 法將眾多要素相互影響的邏輯關(guān)系用多級(jí)遞階結(jié)構(gòu) 進(jìn)行直觀表示，明確關(guān)聯(lián)故障子系統(tǒng)層級(jí)，找出深層子系統(tǒng)，確定可靠性改進(jìn)薄弱環(huán)節(jié).并對(duì)其進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析（Failure ModeEffects and Criticality Analysis，FMECA)，進(jìn)而確定其關(guān)鍵故障模式.

1 ISM與FMECA的原理與方法

1.1解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM)

ISM基本原理是采用各種創(chuàng)造性技術(shù)，提取系統(tǒng)構(gòu)成要素，利用有向圖、矩陣等工具，構(gòu)造出_個(gè) 多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型，從而將要素間的依賴關(guān)系與系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)直觀地展現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)關(guān)系條理化、層次化^[¹¹^].本文將其應(yīng)用于加工中心故障關(guān)聯(lián)分析中，實(shí)施基本步驟為：

1. 2故障模式、影響及危害性分析（FMECA)

根據(jù)ISM所得結(jié)果，獲取深層要素，確定可靠性薄弱環(huán)節(jié)，從而對(duì)其進(jìn)行FMECA分析，以獲取關(guān)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(zhǔn)備工作.該步驟是在對(duì)系統(tǒng)做FMECA分析之前進(jìn)行的，是收集準(zhǔn)備充分資料的階段，這些資料包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝流程與使用維護(hù)等方面，同時(shí) 還包括類(lèi)似設(shè)備在使用、維護(hù)與安裝過(guò)程中的常見(jiàn)故障模式.

1) 功能定義.明確設(shè)備能完成的功能與在整個(gè) 系統(tǒng)中所處地位.

2) 確定故障模式.明確待分析設(shè)備系統(tǒng)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(fā)故障發(fā)生的各可能因素，找到各故障模式所有可能潛在原因，并預(yù)計(jì)故障產(chǎn)生后果.

4) 確定檢測(cè)方法.提出或收集以往對(duì)系統(tǒng)和各元器件的故障模式檢測(cè)方法.

5) 危險(xiǎn)性評(píng)估.危險(xiǎn)性評(píng)估方法主要有危害度等級(jí)評(píng)定法和危險(xiǎn)順序數(shù)（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(yán)酷程度與發(fā)生概率及其查明難易
程度，并給出了適當(dāng)?shù)脑u(píng)定系數(shù)，公式為

RPN = SXOXD.

式中：S表示嚴(yán)酷度，在1?10范圍內(nèi)取值；O表示發(fā)生概率，在1?10范圍內(nèi)取值；D表示查明難度，在1?10范圍內(nèi)取值.可通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法或經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定S，O，D的評(píng)定原則^[13].另采用各部件故障模式的平均值簡(jiǎn)化計(jì)算部件對(duì)應(yīng)的故障風(fēng)險(xiǎn)值，用 RPN表示.

2實(shí)例分析

2.1基于ISM的關(guān)聯(lián)故障子系統(tǒng)模型構(gòu)建

通過(guò)對(duì)某系列加工中心故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得到各子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)故障統(tǒng)計(jì)表，如表1所示.

表1加工中心關(guān)聯(lián)故障統(tǒng)計(jì)表 Tab. 1 Associated failure statistics of machining center subsystem

序	初始故障子系統(tǒng)	后繼故障子系統(tǒng)	故障原因	序	初始故障子系統(tǒng)	后繼故障子系統(tǒng)	故障原因
1	電氣系統(tǒng)	進(jìn)給系統(tǒng)	參考點(diǎn)開(kāi)關(guān)有問(wèn)題導(dǎo)致機(jī)床無(wú)法回參考點(diǎn)	12	數(shù)控系統(tǒng)	主軸系統(tǒng)	機(jī)床參數(shù)設(shè)置出問(wèn)題導(dǎo)致主軸定位不準(zhǔn)
2	數(shù)控系統(tǒng)	進(jìn)給系統(tǒng)	數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致X軸跟蹤誤差過(guò)大	13	數(shù)控系統(tǒng)	刀庫(kù)	OI控制失靈導(dǎo)致14號(hào)和3號(hào)刀數(shù)據(jù)混亂
3	氣動(dòng)系統(tǒng)	刀庫(kù)	氣壓過(guò)低導(dǎo)致機(jī)床正常換刀時(shí)機(jī)械手換不到位	14	電氣系統(tǒng)	冷卻系統(tǒng)	跳閘，致使水泵不運(yùn)轉(zhuǎn)
4	排屑系統(tǒng)	防護(hù)裝置	鋁屑進(jìn)入卡住，致使Y軸防護(hù)損壞	15	數(shù)控系統(tǒng)	進(jìn)給系統(tǒng)	機(jī)床參數(shù)設(shè)置出問(wèn)題導(dǎo)致Y軸跟蹤誤差過(guò)大報(bào)警
5	潤(rùn)滑系統(tǒng)	排屑系統(tǒng)	潤(rùn)滑油注油不足導(dǎo)致機(jī)床排屑機(jī)不工作	16	電氣系統(tǒng)	主軸系統(tǒng)	開(kāi)關(guān)損壞導(dǎo)致主軸旋轉(zhuǎn)不停
6	液壓系統(tǒng)	進(jìn)給系統(tǒng)	Z軸平衡油缸壓力不足，引發(fā)Z軸單元報(bào)警	17	電氣系統(tǒng)	刀庫(kù)	無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)松動(dòng)造成加工過(guò)程中刀庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常
7	數(shù)控系統(tǒng)	刀庫(kù)	機(jī)床參數(shù)設(shè)置出問(wèn)題導(dǎo)致機(jī)床無(wú)法正常換刀	18	液壓系統(tǒng)	主軸系統(tǒng)	夾緊油缸與制動(dòng)架結(jié)合處漏油或油管漏油導(dǎo)致主軸夾刀不緊
8	潤(rùn)滑系統(tǒng)	主軸系統(tǒng)	潤(rùn)滑油有雜質(zhì)導(dǎo)致鏜孔時(shí)主軸發(fā)出噪音	19	排屑系統(tǒng)	氣動(dòng)系統(tǒng)	缸體內(nèi)混入異物拉出傷痕導(dǎo)致打刀氣缸損壞
9	電氣系統(tǒng)	排屑系統(tǒng)	空氣開(kāi)關(guān)跳闡導(dǎo)致排削機(jī)失靈	20	氣動(dòng)系統(tǒng)	刀庫(kù)	氣動(dòng)電磁閥故障導(dǎo)致手動(dòng)拿刀拿不下來(lái)
10	潤(rùn)滑系統(tǒng)	進(jìn)給系統(tǒng)	潤(rùn)滑不良導(dǎo)致X軸傳動(dòng)有噪音	21	電氣系統(tǒng)	刀庫(kù)	接觸器失靈導(dǎo)致機(jī)械手不能換刀
11	電氣系統(tǒng)	主軸系統(tǒng)	限位開(kāi)關(guān)故障不發(fā)信號(hào)導(dǎo)致?lián)Q刀時(shí)主軸不定向	22	電氣系統(tǒng)	進(jìn)給系統(tǒng)	斷路器損壞導(dǎo)致機(jī)床四軸出現(xiàn)超程報(bào)警

該模型為一個(gè)四級(jí)遞階層次結(jié)構(gòu) 模型.其中刀庫(kù)（S1 )、進(jìn)給系統(tǒng)（S2 )、主軸系統(tǒng) (S3 )、防護(hù)系統(tǒng)（S₇ )、冷卻系統(tǒng)（S₈ )是表層要素，
為易受其他子系統(tǒng)影響的故障子系統(tǒng)，本身不對(duì)其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響.氣動(dòng)系統(tǒng)（S₆ )、數(shù)控系統(tǒng) (S₉ )、液壓系統(tǒng)（S11 )是淺層要素，這三個(gè)要素對(duì) 第_層要素有直接影響，其中氣動(dòng)系統(tǒng)（S )對(duì)第_ 層要素產(chǎn)生影響的同時(shí)，受到下一層要素對(duì)其產(chǎn)生的影響，而數(shù)控系統(tǒng)（S9 )和液壓系統(tǒng)（S11 )僅對(duì)上層要素產(chǎn)生影響，不受其他要素的影響.排屑系統(tǒng) (S5 )是中層要素，該要素對(duì)上層要素產(chǎn)生直接或間接的影響，同時(shí)受下層子系統(tǒng)要素的影響.電氣系統(tǒng)(s₄)和潤(rùn)滑系統(tǒng)（s₁₍₎)是深層要素，它們通過(guò)不同方式對(duì)其他故障子系統(tǒng)產(chǎn)生直接或間接的影響，自身并不受其他子系統(tǒng)的影響.說(shuō)明這兩個(gè)故障子系統(tǒng)地位尤其重要，為關(guān)鍵子系統(tǒng)，要對(duì)其加強(qiáng)可靠性改進(jìn).為明確關(guān)鍵子系統(tǒng)具體改進(jìn)方向，需要對(duì)其進(jìn) 行FMECA分析，以下以電氣系統(tǒng)為例進(jìn)行關(guān)鍵故障模式和關(guān)鍵設(shè)備的探尋.

1. 2 FMECA 分析

由對(duì)國(guó)內(nèi)某系列加工中心的故障數(shù)據(jù)收集信息，可得到電氣系統(tǒng)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(kāi)關(guān)、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(tǒng)FMECA表 Tab. 4 Electrical system FMECA table

故障影響

部件	模式編號(hào)	故障模式	故障原因 _	電氣系統(tǒng)	整機(jī)	s	0	D	RPN	RPN
	A1	制動(dòng)開(kāi)關(guān)損壞	本身質(zhì)量問(wèn)題	不能工作	不能運(yùn)轉(zhuǎn)	7	5	4	140
	A2	空氣開(kāi)關(guān)損壞	本身質(zhì)量問(wèn)題	功能不完整	運(yùn)轉(zhuǎn)有問(wèn)題	5	5	4	100
開(kāi)關(guān)	A3	循環(huán)啟動(dòng)按鈕損壞	連接電纜線故障	電機(jī)不轉(zhuǎn)	運(yùn)轉(zhuǎn)有問(wèn)題	6	7	3	126	132
	A4	無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)松動(dòng)	裝配問(wèn)題	功能不完整	運(yùn)轉(zhuǎn)有問(wèn)題	5	5	5	125
	A5	電磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)損壞	用戶使用不當(dāng)	功能不完整	運(yùn)轉(zhuǎn)有問(wèn)題	7	4	6	168
	B1	鎮(zhèn)流器損壞	本身質(zhì)量問(wèn)題	影響照明	可能對(duì)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(duì)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(dāng)	影響照明	可能對(duì)加工中心工作有影響	5	6	4	120
電源	C1	穩(wěn)壓電源損壞	質(zhì)量問(wèn)題	功能不完整	不能運(yùn)轉(zhuǎn)	8	3	4	96	84
電源	C2	電源跳閘	電源電機(jī)故障	不能工作	不能運(yùn)轉(zhuǎn)	8	3	3	72	84
接觸器	D1	接觸器損壞	外力因素?fù)p壞	功能不全	不能運(yùn)轉(zhuǎn)	8	4	6	192	192
變頻器	E1	電壓過(guò)低	電廠本身變壓器負(fù)荷不平衡	電機(jī)不轉(zhuǎn)	運(yùn)轉(zhuǎn)有問(wèn)題	7	4	7	196	196
電源線	F1	線接頭損壞	磨損	功能不完整	運(yùn)轉(zhuǎn)有問(wèn)題	6	6	3	108	⁰108⁰
繼電器	G1	繼電器損壞	外力因素?fù)p壞	不能工作	有無(wú)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(tǒng)中繼電器、變頻器和接觸器的危險(xiǎn)順序數(shù)最大，是需注意的關(guān)鍵設(shè)備，因此應(yīng)該重點(diǎn)檢測(cè)其安全狀態(tài).此外，單就故障模式來(lái)說(shuō)，危險(xiǎn)順序數(shù)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(zhèn)流器損壞、電磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)損壞、制動(dòng)開(kāi)關(guān)損壞，這六個(gè) 故障模式是該系列加工中心的關(guān)鍵故障模式，應(yīng)著重進(jìn)行可靠性改進(jìn).這些故障多為元器件損壞，電氣系統(tǒng)元器件主要是外購(gòu)獲得，因此，加工中心企業(yè)應(yīng) 加強(qiáng)外購(gòu)件采購(gòu)質(zhì)量管理，入廠前元器件進(jìn)行篩選實(shí)驗(yàn)；同時(shí)設(shè)計(jì)部門(mén)在選用元器件時(shí)，須從優(yōu)選手冊(cè) 目錄中選取，若須采用目錄之外的元器件，需經(jīng)質(zhì)量
部門(mén)認(rèn)定為可靠補(bǔ)入目錄后才能用于選取.另外，用戶也要在使用中注意對(duì)設(shè)備加強(qiáng)維護(hù)，加強(qiáng)操作培訓(xùn)，以提高設(shè)備使用可靠性.

由以上分析知，相比傳統(tǒng)FMECA方法并未考慮故障之間的相互影響，只對(duì)各故障模式危害性獨(dú) 立地進(jìn)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(guān)系，從系統(tǒng)角度出發(fā)，確定加工中心薄弱環(huán)節(jié)，即關(guān)鍵子系統(tǒng)，得出了符合工程實(shí)際的結(jié)論，從而為系統(tǒng)可靠性分析提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).接著對(duì)所得關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行FMECA分析，確定了關(guān)鍵故障模式以及關(guān)鍵設(shè)備，更加明確了可靠性改進(jìn)方向.

3結(jié)論

1) 采用ISM法分析各子系統(tǒng)間關(guān)系，建立了加工中心故障關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)遞階結(jié)構(gòu)模型，將故障關(guān)聯(lián) 子系統(tǒng)劃分為表層故障子系統(tǒng)、淺層故障子系統(tǒng)、中層故障子系統(tǒng)和深層故障子系統(tǒng)，從而使故障傳遞關(guān)系得以直觀而深刻地表現(xiàn)，為故障快速診斷提供了新方法，并對(duì)可靠性改進(jìn)具有重要意義.

2) 對(duì)運(yùn)用ISM法所得深層子系統(tǒng)進(jìn)行了 FMECA分析，確定了關(guān)鍵故障模式及關(guān)鍵設(shè)備，明確了可靠性改進(jìn)方向.

3) ISM與FMECA法為明確關(guān)鍵子系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備與關(guān)鍵故障模式提供了簡(jiǎn)單快捷的新思路，完善了現(xiàn)有故障分析方法體系.

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