制造系统可靠性

制造系统可靠性

李沁逸

（长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410114）

摘要：本文简单的对制造系统和可靠性进行了介绍，分析了制造系统发展的概况，阐明了制造系统可靠性的概念和其重要性。

关键字：制造系统 可靠性

0 引言

随着科学技术的发展，制造系统日趋复杂。科学技术的进步，对企业的制造系统提出了越来越高的要求。然而制造系统的可靠性就变的越来越重要了，制造企业要在外部环境激烈变动的环境下生存和竞争，就要努力的提高制造系统的可靠性，以保证较快的速度和较低的价格，提供较好的产品和高质量的服务才能满足客户需求的多样化和个性化。

1 制造系统可靠性研究现状及发展趋势

制造系统的可靠性建模技术和制造系统可靠性理论研究是近些年来随机制造系统研究的一个重要方向。随着制造系统规模的不断扩大和结构复杂化，其可靠性问题同益显得重要。可靠性模型是用来描述系统及组成单元之间的故障逻辑关系的数学模型，是进行可靠性评估的必不可少的一个环节。当前制造系统性能建模、性能评价的发展趋势可以概括为以下几点：

? 针对制造系统性能多样性，需要确定制造企业级性能评价指标体系；

? 对制造系统时间、成本、质量等性能建立性能模型，分析各种影响因素，形

成一套参考模型体系；

? 将制造系统的不同目标转化为可以进行计算或比较的量化要素，即通过建立

一定的技术经济模型完成各种性能要素的建模分析，即从制造活动性能到制造过程性能和制造过程性能到制造系统性能的映射，并将这些性能属性用量化的形式表达出来；

? 对制造系统性能实时跟踪，在制造系统的计算机信息系统基础上，管理人员

实时对所要分析和评价的性能进行跟踪监视，使分析和评价能实时进行； ? 定性和定量评价相结合，制造系统内部和制造系统外部性能分析和评价相结

合，并注意制造系统内外部的协调发展；

? 重视对制造系统长期利益和短期利益的性能分析和评价相结合，更重视制造

系统长远发展潜力的分析与评价；

? 反映整个制造系统全过程的运营动态性能分析和评价，而不是仅仅反映单个

活动或过程的运营情况和静态经营结果。反映整个制造系统整体性能分析和评价，同时也注重各节点相互间利益相关性的性能分析和评价，进行制造全

方位的性能建模和性能综合评价。

2 制造系统

2.1制造系统定义

制造系统是一个复杂的、可辨别的动态实体。它由为“把原材料变换成所需的有用产品”这一目的而进行不同特征活动的一些相互关联、相互依赖的子系统所组成。其整体活动(生产活动)能保持稳定性，并能适应市场变化等外界影响。 也可以定义为：制造系统是在制造企业中形成制造生产功能和能力的组织形式，是制造过程及所涉及的硬件、软件和人员组成的一个将制造资源转化为产品的有机整体。

从制造企业的制造功能角度上看制造系统是一个将制造资源(原材料、能源等)转变为产品或半成品的输入输出系统。

从制造企业的制造过程角度上看，制造系统可以看成是制造生产的运行过程，包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、检验出厂、产品销售及售后服务等各个环节的制造全过程。另外，机械加工系统也可以看成是一种制造系统，它由机床、央具、被加工工件、操作人员、加工工艺等组成。机械加工系统输入的是制造资源，经过机械加工过程制成产品或零件输出，这个过程就是制造资源向产品(成品)或零件的转变过程。一个制造产品的生产线、车间乃至整个工厂或制造企业可看作是不同层次的制造系统。 2.2制造系统分类

根据制造系统的基本特征和生产产品类型的特点，制造系统组态布局结构可以分为四大类:多品种小批量生产车间制造系统、项目型生产车间制造系统、单元制造系统和流水线型制造系统。 2.3制造系统性能的基本原理

制造系统存在着一些普遍适用的基本原理，对于系统性能的分析和评价起到指导的作用，具体如下：

? Little定律:在制品数=生产率X通过时间Little。定律揭示了在制品数与

生产率和通过时间之间的关系，显然缩短通过时间可减少在制品数。

? 若子系统或零部件的可靠性是一定的，则参与工作的子系统或零部件越多，

系统可靠性越低。

? 机器设备的性能随时间推移而退化。随着使用时间的延长，设备必然磨损、

老化而使性能下降。

? 系统的复杂性可能随子系统或元件数的增加而呈指数增长。

? 制造系统总是会呈现一定的随机特性，这意味着不可能完全准确地预测系统

的某些性能。

? 系统可靠性越高，其成本也越大 ? 系统的柔性越高，生产率越低

? 系统集成度越高，系统可靠性降低。

上述几个基本原理说明制造系统各方面性能难以兼得，如在通过时间不变的条件下，提高生产率会使在制品数量增加。因此在分析和优化系统的性能时必须

平衡矛盾，根据系统的特征构建系统性能指标体系。 2.4可修系统和不可修系统

不可修系统当元件满足独立一致分布时满足寿命分布，他是通过更新的方式来进行维修，我们可以把他的寿命看做是稳态的，也就是说他的寿命的不变形，不会应为维修不完美而使得寿命比之前的元件短。我们也可以通过虚拟寿命来对其进行定义，更新或者说完美维修的虚拟寿命初始为零。

可修系统的维修一般就不满足独立一致分布了，他是随机的，我们常常把不完美维修看作是非稳态的，即每次寿命会随着时间的推移而改变，一般由于系统的老化变得越来越短。但是当每次的维修程度一样时，我们可以通过条件分布函数通过前面的寿命分布，导出后面的寿命分布。这种不完美维修的初始虚拟寿命大于零。

2.5制造系统运行过程的时间效应

制造系统与其他社会经济系统一样，也具有从规划、设计到退出的整个时间 效应过程，称之为制造系统的生命周期。相关理论研究证明，制造系统的整个生 命周期中，从系统试运行一直到系统状态劣化的过程中，可以分为五个阶段，分 别对系统性能的影响如图所示：

?

?

?

?

?

鸟尾效应，即新系统或者完成重构后的系统开始试运行时，系统实际运行情况偏离设计要求性能的现象，通常，经过细致的试运行和适当的调整和改进，鸟尾效应就会消除。

斜升效应，即通过有效的制造系统性能与绩效诊断与测算技术，迅速找出鸟尾效应产生的原因，采取有效、可靠的技术与措施改进、调整和纠正偏离，使制造系统性能和效率尽快提升至系统规划设计目标。

随机效应，即制造系统运行过程中各种随机因素对制造系统性能造成影响的现象，通常无法消除，但可以通过有效的技术、手段等统计质量控制方法尽可能的控制和降低随机效应的影响。

突变效应，即某些突发因素造成制造系统性能发生突然变化的现象，一般突变效应的影响都是严重甚至无法补救的，其实，尽管突发效应难以避免，但还是可以通过突变分析和建模仿真找出突变规律而加以规避的。

劣化效应，是贯穿制造系统整个生命周期的，主要由于设备的老化、磨损、

失效以及维修不到位等因素造成的使制造系统性能不断下降、最终发生故障或者退役的现象，劣化效应主要通过质量控制、设备保养与维护等措施来延缓或避免。

3 可靠性

3.1可靠性定义

可靠性一直被定义为：单元在给定条件和给定时间内完成规定功能的概率。国际标准化组织的定义略有不同：单元在给定的环境和运行条件和在给定的时间内完成规定功能的能力。

系统的可靠性是一个与时间有密切关系的属性，使用时间越长越不可靠，“规定的时间”是该定义的核心，将可靠性用时间直接或间接地描述出来。“规定的功能”是指系统重要的性能指标和技术要求。在规定的时间内，系统的性能指标和技术要求越高，允许变化的范围越小，其完成“规定功能”的可能性就越小，可靠性水平就越低。当产品不能按规定的功能运行或丧失规定的功能时，称之为故障状态或失效，即不可靠状态。由系统的定义可知，系统是由要素也即元件构成，因此要研究系统可靠性，其系统中元件可靠性是基础。在可靠性研究中，所谓元件，就是一个基本单元在系统运行过程中可靠性特征保持不变，而不意味着再不能从结构上将其分解。元件与系统的概念是相对的，一研究对象在一定研究范围内中可认为是系统，但在更大的研究范围内则可认为是元件，之所以如此它取决于我们研究的目的、研究的精度、研究的概念水平以及研究对象在研究范围内的地位等。 3.2可靠性理论

可靠性理论大致可以分为两部分：即可修系统可靠性理论和不可修系统可靠性理论。但绝大多数系统是可修系统，不可修系统的可靠性分析方法是研究可修系统的基础。不可修系统可靠性理论是传统的可靠性理论，主要针对于生命只有一次的零部件。它只需要应用简单的统计学知识，现已成为一套完整的体系。运用不可修系统可靠性理论的基本条件是：零件的寿命满足独立一致分布（I.I.D），可修系统可靠性理论的形成相对较晚，因此关于这个方面的研究也较少。可修系统的失效也称为失效点过程，相对于不可修系统，可修系统可靠性理论更为复杂。这是因为后面系统的寿命依赖于前一次的维修，即系统的工作环境改变了。 系统的可靠性取决于单元的可靠性以及它们的组织结构形式。为了对系统的可靠性进行分析计算，可以用一种框图来表示系统内各单元之间的的可靠性逻辑关系，叫做可靠性框。在可靠性框图中，用方框代表系统中的各个单元，方框之间的连线表示各单元功能之间的关系。在系统的起点和终点之间只要存在任何一条通道，系统就处于正常工作状态。反之，如果系统起点和终点之间没有任何一条通道，系统就处于故障状态。需要注意的是，可靠性框图表示的是系统各单元功能之间的逻辑关系，而不是各单元之间按实际连接形式。一般情况下，输入和输出单元的位置常列在系统可靠性框图的首尾，而中间其它单元次序可以任意排列。

3.3可靠性问题基本关系

在可靠性的研究中，主要涉及的问题包括可靠性数据、可靠性相关函数、可靠性建模和可靠性预测等。可靠性数据的种类很多，根据其来源，可以分为试验

数据、现场数据、文献数据和专家数据。试验数据根据试验目的分为寿命数据、退化数据和性能数据等；根据试验内容分为完整数据、定时截尾数据和定数截尾数据。现场数据根据观察方式可以分为区间数据、左截尾数据和右截尾数据。常见的可靠性相关函数包括概率密度函数、累积分布函数、可靠度函数以及失效率函数，将在第二部分作详细地介绍。可靠性建模又称为参数估计，主要的方法包括非参法和参数解析法。此外，在模型建立以后，通常都会有一个检验或者模型选择的过程，以确保建立的模型最优。接下来，以最优模型为基础，我们可以对系统进行可靠性预测。各类可靠性问题的基本关系见下图1.1。

可靠性预测可靠性决策可靠性模型模型分析可靠性数据试验设计数据仿真参数估计

图3.1 可靠性问题基本关系

由图可知：如果已知一组可靠性数据，通过参数估计，我们可以得到该数据的可靠性模型，对模型进行分析，进而可以做出一些可靠性预测或者决策；如果已知一个可靠性模型，对模型进行分析，我们得到一些可靠性数据，然后通过实验设计进行数据仿真。由此可见，各种与可靠性相关的问题是紧密相连的。可靠性的研究是一个系统性过程，在这个系统中，可靠性数据和可靠性模型是关键，起到纽带的作用。 3.4可靠性相关函数

可靠性分析中常常会运用到各种函数。主要的函数包括概率密度函数、累积分布函数、可靠度函数、失效率函数、条件分布函数以及累积风险函数等。 3.4.1 概率密度函数

设随机变量t服从一个位置参数为?，尺寸参数为?的正态分布，则正态分

1(t??)2f(t)?exp(?)22?2??布其概率密度函数为：，分布图形如图所示： f(t)adtbt 图3.2 正态分布概率密度图

3.4.2 累积分布函数

累积分布函数是概率密度函数的积分，它是指随机变量t小于或者等于某个数值T的概率，即F(t)?P(t?T)。正态分布的累积分布函数如下图所示：

F(t)1 图3.3 正态分布累积分布图

3.4.3 可靠度函数

产品的可靠度是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。因此，可靠度函数也称为幸存函数。设规定的时间为T，那么可靠度函数R(t)为：

R(t)?P(t?T)。

0t结合上面累积分布函数的定义，我们可以得到，R(t)?F(t)?1。故可靠度函数在数值上为：R(t)?1?F(t)。

3.4.4 条件分布函数

如图所示，假设系统已经幸存到了t，那么总体可以分为两部分：小于或等于t的部分以及大于t的部分。条件分布研究就是大于t的部分。

f(t)xty 图2.4 条件分布分布图 条件分布的累积概率函数和可靠度函数，分别为： Ft(y)?1?R(y)R(y)Rt(y)?R(t)，y?t；R(t)，y?t 条件分布的应用非常广泛。既可以用于在t时刻进行了最小修理的情况，又

可以用于在t时刻仍正常工作的情况。此外，它还有助于失效率函数的推导。 3.4.5 失效率函数

失效率基于条件分布，它的前提条件也为Y?t。失效率函数为x?0时的条件分布密度函数。如图所示：

f(t)tt??t 失效率分分布图 失效率函数：

r(t)?limft(x)?x?0f(t)R(t) 3.4.6 累积风险函数

失效率函数r(t)对于时间t的积分为累积风险函数，记做H(t)：

t

累积风险函数的应用非常广泛。计算修理次数为最常见的一个应用。

0H(t)??r(t)dt4制造系统可靠性

4.1 制造系统可靠性定义 根据系统可靠性的定义，制造系统可靠性定义为：在特定时间段内制造系统完成特定任务并正常工作的概率。该无量纲值可用于描述制造系统在整个制造过程中无重大故障、产品质量也符合要求的能力，二制造系统要素的可靠性则包含了个各，而制造系统的可靠性则包含了要素故障和性能衰退两个反面。多工位制造系统可靠性是各个工位上制造系统要素的集中体现，即体现为制造系统要素的故障和性能衰退带来的可靠性水平降低。

制造系统的可靠性是制造系统性能的核心，是制造企业努力追求的目标。只有具有高可靠性指标产品的企业才能在日益激烈的国际贸易竞争中幸存下来，而高可靠性的制造系统是生产高质量产品的重要保证。今后的竞争焦点是产品可靠性，制造系统可靠性的竞争。 4.2制造系统可靠性分类

制造系统的可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性三方面。固有可靠性是系统在设计和制造时的内在可靠性；使用可靠性是指系统在使用时操作及维护人员对系统可靠性的影响，包括设备的正确使用与精心维护，人为因素等；环境适应性是指系统所处的环境条件对设备可靠性的影响，如环境温度、相对湿度、大气压力、振动、冲击、辐射、介质特性等。系统除了要满足上述三类可靠性要求外，还必须具有良好的设备可维修性。一台质量好的设备，不但要求平均无故障工作时间要长，而且要求平均修复时间要短。可靠性与维修性相结合构成了系统的有效性即广义可靠性，它是衡量系统性能的一个重要方面。通过对该制造系统可靠性的分析和评价，能够帮助企业建立系统质量评价标准，从而组建最为科学、合理的制造系统。通过对可靠性随时间变化的趋势研究，对于企业管理、监控以及维护系统也有一定的辅助作用。

4.3典型系统可靠性分析

典型的可靠性系统一般包括串联系统、并联系统和混联系统。各种系统的可靠性分析如下: 1.串联系统

串联系统是指当组成系统中任一单元失效均导致系统失效，只有当系统中每 个单元都正常工作，系统才能完成规定的功能。由n个独立的单元组成的串联系 统其可靠性逻辑框图如图3. 1为:

设第i各单元的可靠度为Ri?t?且各单元相互独立。则串联系统的可靠度函数为:

R?t???Ri?t?

i?1n即串连系统的可靠度是组成系统各独立单元的可靠度的乘积。随着单元数n的增 加，系统的可靠性降低。

2.并联系统

并联系统指只要有一个单元正常工作系统就能保持正常工作的冗余系统，反之， 仅当系统内所有单元全部失效，系统才失效。其可靠性逻辑框图如图所示:

并联系统的可靠度函数为:

R?t??1-??1-Ri?t??i?1n

由并联系统的可靠度函数可以看出，并联系统的可靠度要高于系统中任一单 元的可靠度，并且随着单元数n的增加，系统的可靠度显著增加。

3.混联系统

混联系统是由许多串联和并联结构再以串联或并联的形式组成的系统。可以 简单的划分为串一并联系统、并一串联系统以及以上两种系统组成的混合系统。 串一并联系统是由一部分单元先串联组成一个子系统，再由这些子系统组成一 个并联系统。串一并联系统可靠性逻辑框图如图3. 5所示:

串一并联系统可靠度为:

?mi?R?t??1-??1-?Rij?t??i?1?j?1?

n

并一串联系统是由一部分单元先并联组成一个子系统，再由这些子系统组成一个串联系统。并一串联系统可靠性框图如图：

并一串联系统可靠度为:

R?t???{1-?1-Rij?t?}j?1i?1nmj??

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