多工序加工系统质量可靠性集成建模研究

多工序加工系统 质量可靠性集成建模研究 　　　　　　　 多工序加工系统质量可靠性集成建模研究 摘要 加工系统可靠性是保证产品质量和生产率的重要因素之一。在多工序加工系统中，系统的停工可由系统要素故障或产品质量不合格引起，因此多工序加工系统的可靠性应当同时考虑系统要素和产品质量的影响。 目前很多学者在可靠性分析方面已有大量研究成果，但大多仅考虑了加工系统要素方面的因素，而未考虑产品质量对各加工系统要素的影响以及相互之间的作用。Chen Y. 等提出了“质量可靠性交互作用”的理论，建立了多工序加工系统的质量可靠性集成模型，有效的描述了多工序加工系统中产品质量和加工系统要素可靠性之间的交互作用。但是在Chen Y.等提出的模型中，忽略了要素间的相互影响，没有考虑系统要素衰退对系统要素故障的影响。 本文拟通过研究系统要素间的相互作用，改进了质量可靠性交互作用的理论，完善了多工序加工系统质量可靠性集成建模研究。本文通过MATLAB编程，实现了多工序加工系统质量可靠性集成建模，并通过蒙特卡洛模拟得到系统可靠性的定量分析。另外，本文以Visual C++6.0为平台，开发了“多工序加工系统质量可靠性集成预测系统”，该系统包括“质量可靠性分析”、“性能分析”和“过程控制”三个模块，可对多工序加工系统的可靠性进行预测，并分析系统可靠性对质量可靠性交互作用的敏感程度。同时，该系统还可实现在生产周期结束后对加工系统进行静态分析和在生产过程中对系统进行动态控制等功能。 关键词：多工序加工系统，质量可靠性交互作用，性能衰退，故障，系统可靠性 ABSTRACT System reliability is a vital factor in ensuring product quality and productivity in a production process. The downtime of a machining system is caused by both machining system component failures and nonconforming products produced by a degraded system. Therefore, system reliability of a multi-station machining system should address not only the effects of machining system components but also the effects of the product quality. Various research effects have been made to study system reliability in the component and system stage. But most of methods consider only the effects of system components, and overlook the effects of product quality and the interaction between the product quality and the system components. Chen Y. proposed the theory of “the interaction between product quality and component reliability”, and developed the quality-reliability-integrated model, which can effectively describe the product quality and component reliability dependency in the multi-station machining system. But the model they proposed overlooked the effects between the system components and did not consider the effects between system components degradation and system components failures. This paper, considering the interactions between system components, proposes an improved concept of quality-reliability interaction effect, and develops a new quality-reliability integrated model. Through MATLAB programming, the new quality-reliability integrated model of the multi-station machining system is achieved and an analytical solution for the system reliability is obtained by doing Monte Carlo simulation. In addition, this paper, using Visual C + +6.0 as a platform, develops a "multi-station machining system quality-reliability-integrated forecasting system", which includes three modules: “quality-reliability analysis module", "performance Analysis module" and "process control module". This system can predict the system reliability of a multi-station machining system and analysis the sensitivity of quality-reliability interaction effect. At the same time, the software system can achieve static analysis after production cycles and make dynamic controls during the production process. KEY WORDS：Multi-station Machining System, Quality-Reliability Interaction, Degradation, Failure, System Reliability 目 录 第一章 绪论 1 1.1课题研究背景及意义 1 1.1.1研究背景 1 1.1.2研究意义 1 1.1.3国内外研究现状 2 1.2论文主要内容 3 第二章 多工序加工系统质量可靠性集成建模 4 2.1引言 4 2.2质量可靠性交互作用介绍 4 2.2.1加工系统要素与产品质量的关系 6 2.2.2加工系统要素衰退建模 6 2.2.3下游产品偏差建模 7 2.2.4加工系统要素故障建模 8 2.3多工序加工系统质量可靠性集成建模 9 2.3.1建模面临的问题 10 2.3.2质量可靠性集成建模步骤 10 2.3.3质量可靠性集成建模过程 10 2.3.4蒙特卡洛法求解 13 2.3.5质量可靠性集成建模优化 14 2.4本章小结 15 第三章 多工序加工系统质量可靠性实例研究 16 3.1引言 16 3.2模型建立 16 3.3基于MATLAB蒙特卡洛法的实现 19 3.4结果分析 20 3.4.1质量可靠性预测 20 3.4.2质量可靠性敏感度分析 22 3.5本章小结 23 第四章 多工序加工系统质量可靠性集成预测系统软件开发 24 4.1开发软件平台 24 4.1.1MATLAB简介 24 4.1.2Visual C++6.0简介 24 4.1.3MATLAB与Visual C++6.0混合编程方法介绍 25 4.1.4MATLAB与Visual C++6.0混合编程方法选择 26 4.2“多工序加工系统可靠性集成预测系统”软件开发 26 4.2.1软件系统结构 26 4.2.2“可靠性分析”模块 28 4.2.3“性能分析”模块 33 4.2.4“过程控制”模块 40 4.3本章小结 45 第五章 结论 46 参考文献 47 谢辞 49 第一章 绪论 1.1课题研究背景及意义 1.1.1研究背景 随着现代制造业的快速发展，零件的形状越来越复杂，精度要求越来越高，零件的加工往往需要多个工序才能完成。在工业生产中，多工序加工系统的运用已经非常普遍，例如机械加工、汽车制造和装配、半导体制造等行业。多工序加工系统是指产品制造过程采用多个工序的加工系统，其产品质量受到多个误差源（如机床、刀具、夹具等）影响。多工序加工系统往往由多个系统要素串行或并行相结合，不同工序间存在着复杂的耦合关系，由于各个工序输入输出关系复杂，产品质量和系统可靠性也不断变化，以某种方式相互关联。多工序加工系统可靠性不仅取决于加工系统要素（包含多个工序的机床、刀具和夹具等）的可靠性，还取决于在制产品的质量。加工系统要素性能故障反映了加工系统可靠性，关键产品特征测量偏差反映了产品质量，而且两者均与加工系统要素的衰退状态有关。 针对多工序加工系统多输入多输出、时变、离散、概率化等特点，提高系统可靠性和维护水平，不仅需要先进的自动化装备，还要对系统可靠性评价和维护管理的科学性提出更高的要求；不仅需要先进的可靠性建模、分析技术，而且需要各种维护策略优化应用以保证多工序加工系统可靠性、生产效率和产品质量水平。能源、运载、国防及装备制造业的关键零部件都是在多工序加工系统环境下制造的，多工序加工系统可靠性评价和维护管理技术已成为实现高质量、高精度化制造的核心技术，是制造科学的重要前沿领域之一。 当前以质量、成本、市场响应时间的综合能力为核心竞争力的国际市场环境下，提高多工序加工系统可靠性和维护水平，确保产品质量已经成为制造企业生存的必要条件。系统可靠性评价分析和维护管理是加工系统理论的重要组成，是提高产品质量和生产效率的基础和关键。企业为了在市场竞争中脱颖而出，就必须想办法在多工序加工系统中减少产品缺陷，提高产品质量，保证较高的加工系统可靠性。因此，必须通过研究系统要素和产品质量的关系，对实际制造过程进行建模，实现多工序加工系统可靠性的量化的描述，才能最终达到控制产品质量和提高系统可靠性的目的。 1.1.2研究意义 加工系统可靠性水平对于产品生产率和质量有着至关重要的影响。现代加工系统是具有高度柔性和复杂性的网络化系统，既包括机械设备，又含有电子产品，既有多种硬件，又有多种软件，既有物流，又有信息流以及人的参与，易发生故障。国内外的加工系统都不同程度地存在可靠性问题，严重影响了加工系统的推广应用和投资效益的正常发挥。为了提高系统整体的可靠性水平，以发挥和实现加工系统的全部效能，必须通过分析建模、监