MDH80加工中心故障模式影响及危害度分析
3.1故障模式影响及危害度分析
3.1. 1 fmeca 的作用
fmeca是英文 failure mode effect and criticality analysis 的简称，它的中文意思是故 障模式影响及危害度分析。它是由fmea技术发展而来。fmea的主要作用是寻找加 工中心所有可能的故障模式及各个故障模式造成的影响，并在此基础上分析故障原因。 故障模式分析要对所有故障都进行故障模式分类，切莫遗漏。fmea分析过程是一种表 格化的分析过程，数据都添加在表格中，比较清晰直观，也利于工厂的信息化管理。ca 分析是在fmea分析的基础上发展而来的，是fmea的补充，两者结合形成了 fmeca 法。ca是英文criticality analysis的简称，意思是故障危害度分析。这种方法可以比较 各种故障模式产生的影响，它也分为定性分析和定量分析。定性分析中比较常用的方法 是风险优先数法[36]，本文采用的是更具体的定量分析法。
fmeca可以帮助加工中心使用人员有效地梳理各个故障，并将其分类整理，实现 对故障数据的科学化管理；它也可以应用在加工中心的制造装配过程中，有助于分析出 这些环节中哪些地方容易出现问题，进而提高制造装配质量；对于设计者来说，利用 fmeca可以在加工中心设计阶段就分析出潜在的失效模式，有助于提高设计水平。
3.1.2故障模式的分类
故障模式指的是加工中心发生故障后的表现形式。对于大部分成熟的产品或系统， 它们的故障模式都已经被总结出来了，并制定了相应的标准。但是加工中心的结构太复 杂，故障模式经常随机出现，而且种类繁多。因此加工中心故障模式的制定要根据不同 加工中心的特殊情况，参考其他成熟产品的故障模式，总结出与该类型加工中心相匹配 的故障模式。
为了方便对故障模式进行解读，本文将加工中心的故障模式分为六类。故障模式的 分类原则如下[37]:
(1)堵塞型故障模式：即表现出气体或液体等堵塞的故障模式。
(2)功能型故障模式[38]:该类型故障模式指的是系统不能达到指令要求的功能。 主要指机械机构不能完成要求的动作。
(3)失调型故障模式：指的是有些系统暂时失去控制，但并未造成损坏。
(4)松动型故障模式：即表现出锁紧件松动、连接件松动等形式的故障。
(5)损坏型故障模式：即部件受损。其中元器件损坏表示的是单独的电子零件受 损，零部件损坏指的是简单的机械零件受到损坏。
(6)状态型故障模式：主要是指某些系统或复杂结构部件处在不良状态；有些电 气系统和元器件暂时性能下降或丧失；缸体或缸盖的加工精度不达标；各种类型的误报 警等。
根据上述的分类原则，本文定义了在考察期间内mdh80加工中心发生过的故障模 式[39],每个故障模式的名称体现出了故障的表现形式。表3.1列出了故障模式的类型、 名称和发生频率。
图3.1显示的是各类型故障模式所占的比例。从表3.1和图3.1中可以看出，功能型 和状态型故障模式所占的比例多，两者都已经超过了 30%，应该加强注意。功能型、 状态型故障模式主要发生在加工中心运行初期，它暴露了很多在设计阶段和加工制造装 配阶段出现的问题。随着不断对加工中心进行改进，这两类故障所占的比例会逐渐减少， 加工中心也会逐渐过渡到偶然故障期。损坏型故障模式占到了 18%,这类故障对加工中 心的危害很大。在加工中心完成初期运行后，管理人员应该制定相应的零部件管理和维护方案以减少这类故障发生的概率。频数大的故障模式是各种类型的误报警。在以往 的可靠性分析中，因为其危害性较小，误报警是一种经常被忽略的故障模式，但是误报 警也会暴露出加工中心在哪些地方存在故障隐患，因此必须要分析其产生原因，避免其 发展成严重的故障。
3. 1.3故障模式影响分析
从故障模式的名字当中就可以看出每种故障模式对机床的影响。大多数功能型、失 调型和状态型故障会造成机床的某一部分无法正常工作。因为加工中心是一种串 统，即如果一个子系统发生故障，加工中心就无法正常运行。因此上述三类故障主要影 响的是生产节拍。但是如果其中有些故障模式不能正确处理，就会对加工中心造成比较 严重的损伤，甚至威胁到工作人员的安全。损坏型故障模式对加工中心的影响主要是使 加工中心的某些部件受到破坏。其中零部件损坏和元器件损坏等造成的影响较小，而且 容易修复。而机械手受撞击、夹具受撞击对加工中心的损坏会非常的大。因为这会直接 导致某些子系统的功能下降而且这些损伤很难修复，严重的情况是它们会导致这些子 系统*不能工作而需要更换。堵塞型和松动型故障模式主要是跟气体和液体有关，这 类故障会对生产车间的环境造成影响，比如大量的液体会渗漏到加工中心外面。在实地 考察生产线时，可以发现这类故障虽然对加工中心本身的影响不算太大，但是大量的液 体渗漏会影响加工中心使用人员的行动，造成大量的不便。清理这些液体也要消耗大量 的人力。
3. 1.4故障模式危害度分析
故障模式危害度分析就是fmeca中的ca定量分析。传统的fmea方法并没有考 虑到每种故障模式的危害性，而ca定量分析就会针对每一种故障模式，研宄它对加工 中心造成的损伤概率和故障发生概率产生的综合影响，以全面评价每一种故障模式。故 障模式及子系统的危害度反映了其发生故障时，对加工中心整体的使用性和操作员安全 的影响程度。完成ca分析可以找出影响加工中心可靠性的关键子系统，找到加工中心 的可靠性薄弱环节，以进行有针对性地改进。
根据可靠性分析需要，本文将加工中心十个子系统发生故障造成的危害度用代号表 示，代号如下：工件传输系统（crd、控制电气系统（cr2)、夹具系统（cr3)、刀 库系统（cr4)、进给系统（cr5)、机床防护及基础件（cr6)、液压气动系统（cr7)、 主轴系统（cr8)、冷却排屑除尘除雾系统（cr9)、集中润滑系统（cr1())。
传统的损伤概率取值一共有四种：）8^0,表示该故障模式对加工中心不能造成损 伤；；8广0.1,表示该故障模式有很小的概率对加工中心造成损伤；）8广0.5,表示该故 障模式对加工中心可能造成损伤；18^1，表示该故障模式对加工中心肯定造成损伤。 但是0.1、0.5、1这三个数值之间的差距过大，而且加工中心本身十分复杂，其发生的 故障模式也是多种多样的。如果两种故障模式都可能对加工中心造成损伤，但是损伤发 生的概率却不相同，仅仅用月0=0.5这一种表现形式不能体现出这两者之间的差别。因 此当某故障模式对加工中心可能造成损伤时，其损伤概率/3 &•的取值可以是0.1到0.9之 间任意一个数值。数值越大表明该故障模式对加工中心造成损伤的概率越大。生产线运 行时，确保操作人员的安全是重要的，因此如果该故障模式有可能对工作人员造成伤 害，#要取相对比较大的值。
3. 1.5故障危害度报告
从表3.2和图3.2中可以看出工件传输系统的故障危害度大，是加工中心可靠性 弱的环节。液压气动系统、冷却系统和集中润滑系统的故障危害度明显比其他子系 统的小，而集中润滑系统的危害度更是远远小于其他子系统。将图2.2、表2.3和图3.2、 表3.2做对比可以看出：控制电气系统的故障频率是夹具系统的1.3倍，但是控制电气 系统的危害度与夹具系统的危害度己经基本持平；控制电气系统的故障频率是刀具系统 的1.89倍，而前者的危害度仅仅是后者的1.18倍；进给系统、机床防护及基础件、液 压气动系统的故障频率是主轴系统的1.75倍，但是主轴系统的故障危害度已经与这三个 系统基本相同，甚至比液压气动系统的大。这说明在夹具系统和刀库系统上发生故障时 造成的损害会比控制电气系统上的大；主轴系统的故障频率虽然很小，但是其一旦发生 故障就会产生很严重的影响。因此故障危害度分析是一种比故障频率分析更科学的评价 加工中心各子系统可靠性的方法。在制定维修和检测策略时，通常会根据加工中心的故 障报告来判断哪个子系统更需要加强重视。加工中心维护人员应该以故障危害度为准则 制定维修策略而不是故障频率。
从表3.2中可以看出各个故障模式的危害度。其中故障模式危害度超过0.00004/h 的有13个：刀库系统中的功能型-刀库掉刀、失调型-刀检失调；进给系统中的功能型- 移位超程、损坏型-重要部件损坏；主轴系统中的状态型-精度问题；工件传输系统中的 损坏型-机械手受撞击；夹具系统中的功能型-夹具松开、损坏型-夹具受撞击；控制电气 系统中的损坏型-线路电缆断路、损坏型-元器件损坏；机床防护及基础件中的功能型- 顶门开启故障、损坏型-部件缺失•，液压气动系统中的损坏型-零件损坏。这些危害度超 过0.00004/h的故障模式主要是功能型和损坏型，还包括少量的状态型、失调型。其中 故障危害度大的是机械手受撞击，它的故障危害度达到0.00016/h,远远超过其他的故 障模式；而主轴系统中的精度问题危害度也超过了 0.0001/h。这些危害度大的故障模式 可能对工作人员造成伤害，可能严重影响产品精度，也可能对加工中心造成很严重的损 伤，因此这些故障模式需要立即解决，查找出其发生的原因，从根本上杜绝这类故障再 次发生。而这些故障中大部分都是属于加工中心在生产线上运行初期易发生的故障，随 着对加工中心不断进行改进这类故障会越来越少，加工中心的故障危害度也会大幅度减 少。
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3.1. 1 fmeca 的作用
fmeca是英文 failure mode effect and criticality analysis 的简称，它的中文意思是故 障模式影响及危害度分析。它是由fmea技术发展而来。fmea的主要作用是寻找加 工中心所有可能的故障模式及各个故障模式造成的影响，并在此基础上分析故障原因。 故障模式分析要对所有故障都进行故障模式分类，切莫遗漏。fmea分析过程是一种表 格化的分析过程，数据都添加在表格中，比较清晰直观，也利于工厂的信息化管理。ca 分析是在fmea分析的基础上发展而来的，是fmea的补充，两者结合形成了 fmeca 法。ca是英文criticality analysis的简称，意思是故障危害度分析。这种方法可以比较 各种故障模式产生的影响，它也分为定性分析和定量分析。定性分析中比较常用的方法 是风险优先数法[36]，本文采用的是更具体的定量分析法。
fmeca可以帮助加工中心使用人员有效地梳理各个故障，并将其分类整理，实现 对故障数据的科学化管理；它也可以应用在加工中心的制造装配过程中，有助于分析出 这些环节中哪些地方容易出现问题，进而提高制造装配质量；对于设计者来说，利用 fmeca可以在加工中心设计阶段就分析出潜在的失效模式，有助于提高设计水平。
3.1.2故障模式的分类
故障模式指的是加工中心发生故障后的表现形式。对于大部分成熟的产品或系统， 它们的故障模式都已经被总结出来了，并制定了相应的标准。但是加工中心的结构太复 杂，故障模式经常随机出现，而且种类繁多。因此加工中心故障模式的制定要根据不同 加工中心的特殊情况，参考其他成熟产品的故障模式，总结出与该类型加工中心相匹配 的故障模式。
为了方便对故障模式进行解读，本文将加工中心的故障模式分为六类。故障模式的 分类原则如下[37]:
(1)堵塞型故障模式：即表现出气体或液体等堵塞的故障模式。
(2)功能型故障模式[38]:该类型故障模式指的是系统不能达到指令要求的功能。 主要指机械机构不能完成要求的动作。
(3)失调型故障模式：指的是有些系统暂时失去控制，但并未造成损坏。
(4)松动型故障模式：即表现出锁紧件松动、连接件松动等形式的故障。
(5)损坏型故障模式：即部件受损。其中元器件损坏表示的是单独的电子零件受 损，零部件损坏指的是简单的机械零件受到损坏。
(6)状态型故障模式：主要是指某些系统或复杂结构部件处在不良状态；有些电 气系统和元器件暂时性能下降或丧失；缸体或缸盖的加工精度不达标；各种类型的误报 警等。
根据上述的分类原则，本文定义了在考察期间内mdh80加工中心发生过的故障模 式[39],每个故障模式的名称体现出了故障的表现形式。表3.1列出了故障模式的类型、 名称和发生频率。
图3.1显示的是各类型故障模式所占的比例。从表3.1和图3.1中可以看出，功能型 和状态型故障模式所占的比例多，两者都已经超过了 30%，应该加强注意。功能型、 状态型故障模式主要发生在加工中心运行初期，它暴露了很多在设计阶段和加工制造装 配阶段出现的问题。随着不断对加工中心进行改进，这两类故障所占的比例会逐渐减少， 加工中心也会逐渐过渡到偶然故障期。损坏型故障模式占到了 18%,这类故障对加工中 心的危害很大。在加工中心完成初期运行后，管理人员应该制定相应的零部件管理和维护方案以减少这类故障发生的概率。频数大的故障模式是各种类型的误报警。在以往 的可靠性分析中，因为其危害性较小，误报警是一种经常被忽略的故障模式，但是误报 警也会暴露出加工中心在哪些地方存在故障隐患，因此必须要分析其产生原因，避免其 发展成严重的故障。
3. 1.3故障模式影响分析
从故障模式的名字当中就可以看出每种故障模式对机床的影响。大多数功能型、失 调型和状态型故障会造成机床的某一部分无法正常工作。因为加工中心是一种串 统，即如果一个子系统发生故障，加工中心就无法正常运行。因此上述三类故障主要影 响的是生产节拍。但是如果其中有些故障模式不能正确处理，就会对加工中心造成比较 严重的损伤，甚至威胁到工作人员的安全。损坏型故障模式对加工中心的影响主要是使 加工中心的某些部件受到破坏。其中零部件损坏和元器件损坏等造成的影响较小，而且 容易修复。而机械手受撞击、夹具受撞击对加工中心的损坏会非常的大。因为这会直接 导致某些子系统的功能下降而且这些损伤很难修复，严重的情况是它们会导致这些子 系统*不能工作而需要更换。堵塞型和松动型故障模式主要是跟气体和液体有关，这 类故障会对生产车间的环境造成影响，比如大量的液体会渗漏到加工中心外面。在实地 考察生产线时，可以发现这类故障虽然对加工中心本身的影响不算太大，但是大量的液 体渗漏会影响加工中心使用人员的行动，造成大量的不便。清理这些液体也要消耗大量 的人力。
3. 1.4故障模式危害度分析
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根据可靠性分析需要，本文将加工中心十个子系统发生故障造成的危害度用代号表 示，代号如下：工件传输系统（crd、控制电气系统（cr2)、夹具系统（cr3)、刀 库系统（cr4)、进给系统（cr5)、机床防护及基础件（cr6)、液压气动系统（cr7)、 主轴系统（cr8)、冷却排屑除尘除雾系统（cr9)、集中润滑系统（cr1())。
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3. 1.5故障危害度报告
从表3.2和图3.2中可以看出工件传输系统的故障危害度大，是加工中心可靠性 弱的环节。液压气动系统、冷却系统和集中润滑系统的故障危害度明显比其他子系 统的小，而集中润滑系统的危害度更是远远小于其他子系统。将图2.2、表2.3和图3.2、 表3.2做对比可以看出：控制电气系统的故障频率是夹具系统的1.3倍，但是控制电气 系统的危害度与夹具系统的危害度己经基本持平；控制电气系统的故障频率是刀具系统 的1.89倍，而前者的危害度仅仅是后者的1.18倍；进给系统、机床防护及基础件、液 压气动系统的故障频率是主轴系统的1.75倍，但是主轴系统的故障危害度已经与这三个 系统基本相同，甚至比液压气动系统的大。这说明在夹具系统和刀库系统上发生故障时 造成的损害会比控制电气系统上的大；主轴系统的故障频率虽然很小，但是其一旦发生 故障就会产生很严重的影响。因此故障危害度分析是一种比故障频率分析更科学的评价 加工中心各子系统可靠性的方法。在制定维修和检测策略时，通常会根据加工中心的故 障报告来判断哪个子系统更需要加强重视。加工中心维护人员应该以故障危害度为准则 制定维修策略而不是故障频率。
从表3.2中可以看出各个故障模式的危害度。其中故障模式危害度超过0.00004/h 的有13个：刀库系统中的功能型-刀库掉刀、失调型-刀检失调；进给系统中的功能型- 移位超程、损坏型-重要部件损坏；主轴系统中的状态型-精度问题；工件传输系统中的 损坏型-机械手受撞击；夹具系统中的功能型-夹具松开、损坏型-夹具受撞击；控制电气 系统中的损坏型-线路电缆断路、损坏型-元器件损坏；机床防护及基础件中的功能型- 顶门开启故障、损坏型-部件缺失•，液压气动系统中的损坏型-零件损坏。这些危害度超 过0.00004/h的故障模式主要是功能型和损坏型，还包括少量的状态型、失调型。其中 故障危害度大的是机械手受撞击，它的故障危害度达到0.00016/h,远远超过其他的故 障模式；而主轴系统中的精度问题危害度也超过了 0.0001/h。这些危害度大的故障模式 可能对工作人员造成伤害，可能严重影响产品精度，也可能对加工中心造成很严重的损 伤，因此这些故障模式需要立即解决，查找出其发生的原因，从根本上杜绝这类故障再 次发生。而这些故障中大部分都是属于加工中心在生产线上运行初期易发生的故障，随 着对加工中心不断进行改进这类故障会越来越少，加工中心的故障危害度也会大幅度减 少。
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