基于工藝失效知識的工藝改進(jìn)方法及實(shí)現

2006年5月北京航空航天大學(xué)學(xué)報X06第32卷第5期Journal of Beijing University of Aeronautics and AstronauticsVol 32 No 5基于工藝失效知識的工藝改進(jìn)方法及實(shí)現魏麗鄭聯(lián)語(yǔ)劉日暉〈北京航空航天大學(xué)機械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京100083)摘要:工藝設計是一個(gè)不斷改進(jìn)與優(yōu)化的過(guò)程,而反面工藝知識即工藝失效知識對工藝改進(jìn)與優(yōu)化往往十分有效,提出了一種基于工藝失效知識的改進(jìn)方法,包括8個(gè)步驟確定潛在失效模式,分析潛在失效原因,計算風(fēng)險優(yōu)先數N,提岀改進(jìn)措施,計算改進(jìn)后的鳳險優(yōu)先數N’,杈衡改進(jìn)措施,釆納改進(jìn)措施和存儲工藝改進(jìn)數據.在基于We的工藝失效知識庫管理系統—工藝FMFA( ailure Mode and Effect Analysis)的基礎上,通過(guò)建立工藝失效知識與產(chǎn)品和工藝信息的關(guān)聯(lián),實(shí)現工藝FMEA系統與CAPP( Computer Aided Process Planning)系統的信息集成和過(guò)程集成,從而達到工藝改進(jìn)的目的給出某飛機結構件(主梁)利用工藝失效知識進(jìn)行工藝改進(jìn)的驗證實(shí)例,為在工藝設計階段主動(dòng)預防地改進(jìn)工藝方案提供了一種有效手段關(guān)鍵詞:工藝設計;工藝改進(jìn);工藝失效知識;工藝失效模式與影響分析中圖分類(lèi)號:TH164文獻標識碼:A文章編號:100-5965(2006)0540585-05Approach to process improvement based on process failure knowledge andits implementationWei Li Zheng Lianyu Iiu Riht(School of Mechurucal Engineering and Automation, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)Abstract: Process planning is a continued improving and optimizing process, and reverse process knowledgenamely process failure knowledge which is experience of process improving measures where process quality problemsoccur in production, is quite effective to improve and optimize process solution. A process improvement approachbased on process failure knowledge was proposed, it includes eight steps: identifying potential failure mode, analyzing potential failure cause, counting risk priority number Nsing improvement action, counting risk prioritymumber N after improvement, tradeoff improvement actionting improvement action and saving process improvement data. On the basis of Web-based process failure knowledge management system(process FMEA, failureode and effect analysis ), the relationships between process failure knowledge and product and process informationwas established so as to implement the information and process integration between process FMEA and CAPP(com-puter aided process planning), and achieve effective process improvement. An airplane structural part( main girder)was used to validate process improvement utilizing process failure knowledge. This approach provides an effectivemeasure to actively other than passively improve process solution during process planningKey words: prnning; process improvement; process failure knowledge; process failure mode and ef中國煤化工CNMHG稿日期:200505-18基金項目:“十五”國防預研項日(41318124)j作藏據魏麗(1978-),女內蒙古通遼人,博士生, candywei@ buaa,du,cm北京航空航天大學(xué)學(xué)報2006工藝設計是優(yōu)化配置工藝資源,選擇合理的問(wèn)題加工方法和工藝參數,編排合理的加工順序的過(guò)工藝失效原因C用2元組表示程,為了獲得合理的工藝方案,需要綜合運用各種(3)改進(jìn)與優(yōu)化方法.工藝改進(jìn)與優(yōu)化方法可以分成其屮,C1為失效原因類(lèi)型;CD為詳細原因兩類(lèi):基于數學(xué)模型和基于知識模型.大多數情況工藝失效影響E用5元組表示下工藝改進(jìn)與優(yōu)化問(wèn)題難于通過(guò)有效的數學(xué)模型E=(En, SR, O, DR, N)求解,必須依賴(lài)工藝知識和經(jīng)驗.工藝知識包括正其中,En為失效影響描述;Sa為工藝失效產(chǎn)生影面知識和反面知識兩大類(lèi)反面知識是指在產(chǎn)品響的嚴重程度;On為工藝失效發(fā)生的頻率;D研制、試制過(guò)程以及生產(chǎn)過(guò)程中出現工藝質(zhì)量間為工藝失效發(fā)現的難易程度;N為風(fēng)險優(yōu)先數題時(shí),采取的工藝改進(jìn)措施和對策的經(jīng)驗知識TIs工藝人員往往對這種反面的知識(教訓)印象工藝改進(jìn)措施A用4元組表示深刻,這對工藝改進(jìn)十分有效.工藝失效模式與影A =(Ac, Ap, Ap, Ay)響分析就是利用“主動(dòng)預防”和“逆向思維”的思其中,A為改進(jìn)措施的描述;An為改進(jìn)方向,即想,指導工藝人員進(jìn)行工藝設計與改進(jìn)的有效方工藝要素,A={切削條件,走刀路徑,刀具性能,法裝夾方案,加工方法,機床性能…6;A,為改進(jìn)本文在集成的工藝失效知識表示模型和工藝失效知識庫系統(簡(jiǎn)稱(chēng)工藝FMEA系統)的基參數,個(gè)工藝要素有多個(gè)參數,例如切削條件包礎上進(jìn)一步研究了基于工藝失效知識的工藝改括切削速度、切削深度、進(jìn)給量等;Ay為具體的改進(jìn)過(guò)程與方法,并實(shí)現了工藝FMEA( Failure Mod進(jìn)參數值改進(jìn)結果R用5元組表示and Fffect Analysis)系統與CAPP( Computer AidedProcess Planning)系統的信息和過(guò)程集成,并通過(guò)R=(SR, OR, DR, N,Rc)某航空產(chǎn)品零件(機翼主梁)的工藝設計驗證了上其中,SB′為改進(jìn)后的工藝失效產(chǎn)生影響的嚴重程述改進(jìn)方法的有效性和集成應用效果度;On為改進(jìn)后的工藝失效發(fā)生的頻率;D為改進(jìn)后的工藝失效發(fā)現的難易程度;N為改進(jìn)后基于工藝失效知識的改進(jìn)過(guò)程的風(fēng)險優(yōu)先數;Rc為獲得此改進(jìn)結果所花費的成針對當前數字化工藝設計的特點(diǎn)與要求,提12工藝改進(jìn)過(guò)程出了基于工藝失效知識的藝改進(jìn)過(guò)程基于工藝失效知識的工藝改進(jìn)方法能夠再利1.1工藝失效知識的表示用工藝失效知識,并在工藝設計過(guò)程中改進(jìn)工藝工藝失效信息,包括發(fā)生什么樣的失效,為方案,而不是等到實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生問(wèn)題以后,再進(jìn)什么會(huì )發(fā)生失效,以及如何改進(jìn)和實(shí)際的改進(jìn)結行改進(jìn)基于工藝失效知識的工藝改進(jìn)過(guò)程包括果等,形成了工藝失效知識實(shí)際上,所有企業(yè)都以下8個(gè)步驟,如圖1所示會(huì )針對生產(chǎn)中的工藝失效問(wèn)題進(jìn)行分析,改進(jìn)工1)確定潛在失效模式.實(shí)踐中大量實(shí)例表藝方案,但卻不重視對這些生產(chǎn)數據進(jìn)行收集整明,大部分缺陷(約占60%)都在類(lèi)似范圍內出理和再利用通過(guò)對工藝失效知識進(jìn)行形式化的現,而且改進(jìn)措施也具有相似性,因此采用基于相描述,可以方便地利用關(guān)系數據庫來(lái)表示,建立工似度的推理算法獲得工藝失效知識.從工藝藝失效知識庫T藝失效知識用5元組形式表示設計系統中獲得某工序的工藝信息,與工藝失效K=(Q, C,E,A, R)(1)知識中的工藝失效問(wèn)題Q之間進(jìn)行相似度計算其中,K為工藝失效知識;Q為工藝失效間題;C檢索出工藝失效知識,由此確定此工序潛在的工為工藝失效版因E為工藝失效影響:A為工藝改藝失Ⅵ中國煤化工進(jìn)措施;R為改進(jìn)結果CNMHG失效原因是指引工藝失效問(wèn)題Q用5元組表示起失效可能的原因,例如由于切削參數不合理造Q=(P1,Q4,F,M,F)(2)成零件變形、設備能力不足等原因利用各種質(zhì)量其中,Pr為零件類(lèi)型;Qc為質(zhì)量特性;Fr為特征工具,例如設計實(shí)驗、因果分析以及以往的經(jīng)驗等面片毅攜工方法;F.為失效模式,即工藝質(zhì)量進(jìn)行失效原因分析并歸納出最主要的失數原因第5期魏麗等:基于工藝失效知識的工藝改進(jìn)方法及實(shí)現587AN N-N工藝設計}確定潛在失效模式效問(wèn)題8式中,△N為改進(jìn)效果值大表示效果明顯;△C為分析潛在失效原內改進(jìn)成本,值越大,說(shuō)明單位成本內的改進(jìn)效益計算風(fēng)險優(yōu)先數N越大.△C可以根據改進(jìn)措施的類(lèi)型定性佔計,例T藝改進(jìn)施大效分析如修改切削參數、走刀路徑等成本要低于更換新加T方法給定閾值刀具或夾具,而購買(mǎi)新設備的成本最高,或者根據機抹性能裝火方案成本模型計算獲得刀具性能提山改進(jìn)措施7)采納改進(jìn)措施確定采納某項改進(jìn)措施走路徑生產(chǎn)驗證切削條什計算改進(jìn)后的則將工藝失效分析結果反饋到工藝設計系統,工風(fēng)險優(yōu)先數N藝沒(méi)計人員接受改進(jìn)措施后,修改原工藝方案8)存儲工藝改進(jìn)數據.工藝改進(jìn)過(guò)程中的所有數據都保存到數據庫中,包括產(chǎn)品信息、工序信杈衝改進(jìn)措工藝失效息、失效模式、失效原因、改進(jìn)措施以及改進(jìn)效果能接受采納改進(jìn)措施這些數據通過(guò)生產(chǎn)驗證后,收集到知識庫中,可以不斷地豐富和更新工藝失效知識庫另外,根據這圖1基于工藝失效知識的T藝改進(jìn)過(guò)程些數據也可以按傳統的FMEA表格形式輸出,供工藝人員和有關(guān)技術(shù)人員參考3)按公式(7)計算風(fēng)險優(yōu)先數N.S8,On和經(jīng)過(guò)以上步驟,雖然工藝設計階段的工藝改D一般分為10個(gè)等級,根據統計分析、實(shí)驗結進(jìn)已經(jīng)結束,但必須在實(shí)際生產(chǎn)中跟蹤每項工藝果、相似產(chǎn)品的數據和工程師的經(jīng)驗來(lái)確定改進(jìn)措施,并把實(shí)際的改進(jìn)效果錄入到數據庫中N=Sg×Og×DR(7)這樣才完成了整個(gè)基于工藝失效知識的工藝改進(jìn)N值越大,風(fēng)險越大,工藝質(zhì)量問(wèn)題越嚴重.過(guò)程如果N值超過(guò)給定閾值(一般根據產(chǎn)品類(lèi)型、藝特點(diǎn)企業(yè)技術(shù)狀況和經(jīng)驗確定),需要針對此2工藝改進(jìn)方法的實(shí)現失效釆取工藝改進(jìn)措施如果小于給定閾值,表示通過(guò)集成工藝FMEA和CAPP系統,使二者風(fēng)險很小,不需要改進(jìn)能夠互操作實(shí)現基于工藝失效知識的工藝改進(jìn)4)提出改進(jìn)措施根據N值確定哪些失效問(wèn)2.1系統的體系結構題需要改進(jìn),改進(jìn)措施著(zhù)重于降低發(fā)生失效的頻系統由客戶(hù)端的工程設計與管理應用系統率(即降低On值),而不是通過(guò)提高檢驗方法或(本文僅用CAPP系統)、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器端的工藝手段以便更容易地發(fā)現失效模式(即降低FMEA系統,以及數據服務(wù)器上的產(chǎn)品、工藝數據值)因此改進(jìn)措施主要集中在改進(jìn)工藝方案,這庫、工藝失效知識庫與XML( Extensible Markup些措施可通過(guò)第1)步檢索出的工藝失效知識(含 Language,可擴展標記語(yǔ)言)文件三大部分組成其解決此失效的改進(jìn)措施)自動(dòng)獲得體系結構如圖2所示5)計算改進(jìn)后的風(fēng)險優(yōu)先數N.提出改進(jìn)])數據庫服務(wù)器通過(guò)數據庫管理系統,管理措施后,按公式(8)計算N,以確定改進(jìn)措施是否全部工藝失效知識以及產(chǎn)品、零件、工藝和資源等有效.如果N大于給定閾值,表示此改進(jìn)措施無(wú)信息.客戶(hù)端軟件通過(guò)數據庫訪(fǎng)問(wèn)接口獲得數據效,返回第4)步提出新的改進(jìn)措施;如果N小于庫服務(wù)器中的數據由于各種軟件系統之間存在給定閾值,表示此改進(jìn)揹施可以減少工藝失效數據異構的問(wèn)題,因此采用網(wǎng)絡(luò )標準語(yǔ)言一XML)文中國煤化工橋梁工藝6)權衡改進(jìn)措施以往的FMEA很少考慮改FMCNMHG牛方式來(lái)描述和傳進(jìn)措施的成本.如果付出過(guò)高的代價(jià)而減少工藝遞結構化的工藝失效知識、產(chǎn)品及工藝數據失效的效果不大,那么不宜采取這種措施因此應2)工藝FMEA系統采用基于MⅤC( Model/該綜合權衡改進(jìn)效果和改進(jìn)成本,以工藝改進(jìn)效View/ Controller)模式的 Struts框架結構系統實(shí)現方數據選擇改進(jìn)措施的依據.7定義為分成4層:數據訪(fǎng)問(wèn)層主要處理與數據庫間的操588北京航空航天大學(xué)學(xué)報2006年網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器結果也只能通過(guò)手工方式修改工藝方案T藝FMEA系統工藝改進(jìn)過(guò)程的集成,如圖3所示.首先是從瀏覽器CAP系統中獲取工藝信息,根據不同的使用人員,分成2種情況:①工藝設計過(guò)程中使用本系統CAD、CAPPPDM等系統控制器AH文件)到時(shí),通過(guò)對CAPP系統進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),可以直接啟動(dòng)瀏覽器,并把I藝信息傳到工藝FMEA系統中數據庫訪(fǎng)間接1Action Action Action(箭頭①②所示);②其它人員協(xié)同1:藝設計時(shí),要求CAPP系統能夠把工藝信息以ⅩML文件格式輸出,工藝FMEA系統讀取XML文件,獲得工藝信產(chǎn)浮1:2失效(公話(huà)Bean)息(箭頭③④所示)然后根據工藝失效知識,獲得知識陣工藝改進(jìn)措施后,以XML文件輸出.CAPP系統獲(實(shí)體Ben得XML文件,經(jīng)過(guò)工藝設計人員確認是否接受改進(jìn)措施,直接修改數據庫中的工藝信息(箭頭⑤⑥圖2系統體系結構所示)作;業(yè)務(wù)邏輯層處理所有與工藝失效分析和改進(jìn)cP系①「測覽②「之RHEA有關(guān)的過(guò)程,并且與數據庫的結構和界面顯示無(wú)關(guān);流程控制層通過(guò) Action類(lèi)來(lái)幫助控制應用程XML文件序的導向;表現層實(shí)現所有用戶(hù)操作界面.采用Struts框架有利于工藝FMEA系統的擴展、維護工藝信總管理等數據庫知識庫3)客戶(hù)端的CAD、CAPP和PDM系統等可以圖3工藝改進(jìn)過(guò)程的集成啟動(dòng)瀏覽器通過(guò)htp服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)工藝FMEA系統,按2.2節過(guò)程進(jìn)行工藝改進(jìn),因此客戶(hù)端不需要經(jīng)過(guò)以上信息集成和工藝改進(jìn)過(guò)程集成,實(shí)現了工藝FMEA系統與CAPP系統的集成安裝和維護工藝FMEA系統,使用方便2.2工藝失效知識與產(chǎn)品和工藝信息的集成3驗證實(shí)例在工藝失效知識模型的基礎上,需要建立它與產(chǎn)品信息模型和工藝信息模型的邏輯聯(lián)系,以針對航空產(chǎn)品零件(某機翼主梁)的工藝方便將工藝失效分析功能集成到 CAD/CAPPICAM案,如圖4所示,CAPP系統止在進(jìn)行機翼主梁的系統中,一個(gè)較理想的工藝FMEA應該是伴隨著(zhù)工藝設計,「序25精銑外形,經(jīng)常發(fā)生“翹曲變產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行,而不是在它之后進(jìn)行.為形”,以此為例驗證基于工藝失效知識的工藝改進(jìn)此提出并建立了工藝失效知識與產(chǎn)品和工藝信方法的有效性,主要步驟如下息的集成模型.一方面,工藝失效知識信息模型通字化制造工藝備系族區系統控自可生嚴性分析工藝設計工藝規程詮計幫斯過(guò)零件類(lèi)型、特征類(lèi)型、質(zhì)量特性等設計要素建立君,恐E凸日⑥③嗒日與產(chǎn)品信息模型的邏輯聯(lián)系;另一方面,通過(guò)加異擊機機丘主方法、設備性能、裝夾方案、刀具性能、走刀路徑切削參數等工藝要素建立與工藝信息模型的邏輯聯(lián)系.工藝失效知識模型的具體內容見(jiàn)文獻[3工藝制5]工藝失效知識信息模型與產(chǎn)品和工藝信息模型建立聯(lián)系,為工藝改進(jìn)過(guò)程集成提供必要條件中國煤化工23工藝改進(jìn)過(guò)程的集成CNMHG實(shí)現丁藝改進(jìn)過(guò)程的集成,才能真正把工藝FMEA系統與CAPP系統集成起來(lái),實(shí)現集成環(huán)境下的工藝改進(jìn).否則,工藝FMEA系統只能作為獨圖4機翼主梁工藝設計界面立隻擂具,手工錄入工藝信息,而工藝描施的第5期魏麗等:基于工藝失效知識的工藝改進(jìn)方法及實(shí)現5891)在工序25上點(diǎn)擊鼠標右鍵,選擇“工藝改根據具體的改進(jìn)參數和改進(jìn)值修改相應數據庫中進(jìn)”菜單,啟動(dòng)工藝FMEA系統,并把工藝信息傳的工藝信息送過(guò)去,如果信息不完整,可交互補充2)根據工藝信息檢索出相似的工藝失效知文神新睡查看的收工RD稱(chēng),+④益⑥個(gè)人G0次識,如圖5所示根據查詢(xún)出的工藝失效知識,按圖1改進(jìn)過(guò)程對工序25進(jìn)行L藝改進(jìn)洋細內容敬H3)表I列出了工藝改進(jìn)的結果.通過(guò)計算各等詩(shī)號:0件名:書(shū)萬(wàn)王=原特江面:獨長(cháng)曲面歷量特性:粒平黑改進(jìn)措施的η值,來(lái)確定釆用某項改進(jìn)措施厘工方:立線(xiàn)失慧極式:粒里;=(144-72)2=3夫影咱,外形面不足,無(wú)安新五安皮(90-36)/4=13.57:=(120-72)16=8m用量閉不合理請的法果過(guò)熱理A,的值最大,首先要采取此措施,其次采54i0取A改進(jìn)措施成4)經(jīng)過(guò)工藝人員的進(jìn)一步確認,選擇某條改圖5工藝失效知識進(jìn)措施,在復選框中打勾,點(diǎn)擊“改進(jìn)”按鈕,系統表1工藝改進(jìn)結果編號失效原因N改進(jìn)措施改進(jìn)方向改進(jìn)參數改進(jìn)值改進(jìn)成本是否采納A,切削用量不合理144更改切削用量切削用量切削速廢進(jìn)給72很低(2)A2冷卻效果不好更換冷卻液冷卻液冷卻液類(lèi)型1·乳化液4川具磨損過(guò)大20監控刀具蘑損丁具性能刀具磨摸<0.2mm72中(6)的工藝性評審.關(guān)于匚藝失效知識的更深入、廣泛4結束語(yǔ)的應用研究有待于進(jìn)一步開(kāi)展本文分析了應用工藝失效知識進(jìn)行工藝改進(jìn)的可行性,提出了一種基于L藝失效知識的工藝參考文獻( References)改進(jìn)方法,具體包括確定潛在失效模式、分析潛在「 i Huang G Q,shiJ. Failure mode and effect analysis(MFA)oer失效原因、計算風(fēng)險優(yōu)先數N、提出改進(jìn)措施、計the wwW IJ], The International Journal of Advanced Manufactur.算改進(jìn)后的風(fēng)險優(yōu)先數N、權衡改進(jìn)措施、采納[2] Johnson K G, Khanb MK. A study into the use of the procrss Jail-改進(jìn)措施和存儲工藝改進(jìn)數據共8個(gè)規范化步ure mode and effects analysis( PFMEA)in the automotive industry驟.以工藝失效知識庫系統(工藝FMEA系統)為the UK [JJ. Joumal of Materials ProcessinG Technology,2003基礎,通過(guò)建立工藝失效知識模型與產(chǎn)品信息模型和工藝信息模型的聯(lián)系,實(shí)現了CAPP系統與[3」魏翮,鄭聯(lián)語(yǔ)。攴持產(chǎn)品發(fā)的工藝失效模式與影響分析工藝FMEA系統的信息和過(guò)程兩個(gè)方面的集成工具[J.計算機集成制遺系統-CMs,2003,9(1):74-79Li, Zheng Lianyu. Process failure mode& effect從而實(shí)現了集成環(huán)境下基于工藝失效知識的工藝upporting product developmcnt [J]. Computer Integrated Mar改進(jìn)方法.通過(guò)某機翼主梁的工藝方案改進(jìn)實(shí)例turing Systems, 2003, 9(1): 74-79( in Chinese)驗證了工藝改進(jìn)方法的有效性本方法為現代產(chǎn)「41 Zheng LY, Chin ks.WoiL. Knowledge- enriched process FMEA品開(kāi)發(fā)中工藝方案的改進(jìn)與優(yōu)化提供了一種有效途徑,也為企業(yè)信息化建設中開(kāi)展制造知識匚程3(1):12-27「5]關(guān)的研究與應用提供了一種參考思路中國煤化工究[D.北京:北京本方法可用于工藝準備過(guò)程中的下述活動(dòng)HNMH①工藝設計中的工序方案優(yōu)化;②關(guān)鍵工序驗證products[D]. Beijing: Sehool of Mechanical Engincering and Auto-與改進(jìn);③工藝更改;④輔助制定生產(chǎn)過(guò)程中的工mation,Beijing Universily of Aeronautics and Astronautics, 2001(in序質(zhì)量控制方案.另外,并行、協(xié)同的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程據效知識及其分析工具還能支持產(chǎn)品(責任編輯:婁嘉)