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)問題，又適用于學(xué)習(xí)理解相互關(guān)系較復(fù)雜的 各種問題[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，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) 還包括類似設(shè)備在使用、維護(hù)與安裝過程中的常見故障模式.
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.可通過統(tǒng)計(jì)方法或經(jīng)驗(yàn)來確 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.
2.1基于ISM的關(guān)聯(lián)故障子系統(tǒng)模型構(gòu)建
通過對(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.
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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
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該模型為一個(gè)四級(jí)遞階層次結(jié)構(gòu) 模型.其中刀庫（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.主要包括各種開關(guān)、電燈、電源、 接觸器、變頻器、電源線、繼電器等的FMECA.
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表4 電氣系統(tǒng)FMECA表 Tab. 4 Electrical system FMECA table 故障影響
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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 就故障模式來說，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)開關(guān)損壞、制動(dòng)開關(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)元器件主要是外購獲得，因此，加工中心企業(yè)應(yīng) 加強(qiáng)外購件采購質(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.
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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