李宇龍 張根保 王勇勤 章小剛 冉琰

摘 ? 要：目前用于機電產品的故障模式及影響分析法實施起來較為繁瑣、費時且容易出錯，同時該方法選取的分析對象也無法反映機電產品“運動決定功能”的特點. 為解決這一問題，首先按照“功能—運動—動作”的分解思路將機電產品的功能分解為最基本的動作——元動作;其次，對元動作的性質進行分析，并探討了將其作為機電產品故障模式及影響分析的研究對象的合理性;再次，以此為基礎提出了一種適用于機電產品的元動作故障模式及影響分析法;最后，在合理性、適用性、簡易性等方面對傳統(tǒng)方法與所提方法進行了對比，凸顯了本文所提方法的優(yōu)勢. 以國內某型號的數控機床為對象進行分析，驗證了所提方法的適用性和有效性，同時也提高了機電產品故障分析的準確性和效率.

關鍵詞：故障;元動作;機床;分解

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Research on FMEA Analysis Technology Based

on Meta-action for Numerical Control Machine Tool

LI Yulong1，ZHANG Genbao1，2，WANG Yongqin1，ZHANG Xiaogang1，Ran Yan1？覮

（1. State Key Laboratory of Mechanical Transmissions，Chongqing University，Chongqing 400044，China;

2. School of Mechanical and Electrical Engineering，Chongqing University of Arts and Sciences，Chongqing 402160，China）

Abstract：At present， the FMEA （Failure Mode and Effect Analysis） for electromechanical products is cumbersome， time-consuming， and error-prone. The analysis objects of this method also cannot reflect the characteristics of “motion determines function” in electromechanical products. In order to address such problems， firstly， according to the decomposition idea of “function-motion-action”，the function of electromechanical products is decomposed into the most basic action （that is， meta-action）; secondly， the characteristics of meta-action are analyzed， and the rationality of taking meta-action as the research object of electromechanical products FMEA is discussed; thirdly， based on those above， a M-FMEA （Meta-action Failure Mode and Effect Analysis） method for electromechanical products is proposed; finally， traditional methods and the proposed method are compared in rationality， applicability and simplicity， which highlights the advantages of the proposed method. A numerical control machine tool made in China is taken as an example， the applicability and effectiveness of the proposed method are verified， and the accuracy and efficiency of failure analysis for electromechanical products are also improved.

Key words：failure;meta-action;machine tool;decomposition

對機電產品進行故障模式及影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）可以有效地找出對該產品影響較大的故障模式及其造成的影響，從而有針對性地制定出相應的改進措施[1]. 同時，對機電產品進行FMEA分析也是實現其可靠性水平的快速增長重要手段[2].但傳統(tǒng)的FMEA分析方法主要面向的是靜態(tài)的電子產品，對于依靠運動實現其功能的機電產品不太適用;且在使用傳統(tǒng)的FMEA法對機電產品進行分析時，工作量過大，效率低下[3];此外，傳統(tǒng)的FMEA分析對故障模式識別和故障影響推理的能力較弱[4];同時，傳統(tǒng)的FMEA分析很難預計機電產品全部潛在的故障模式，且分析過程較為繁瑣、容易出錯[5]. 因此，探尋新的、更加適用于機電產品的FMEA方法就顯得更加迫切和必要. 為此，本文提出了元動作故障模式及影響分析（Meta-action Failure Mode and Effect Analysis，M-FMEA）的概念，相比于傳統(tǒng)的FMEA，在使用M-FMEA進行故障原因追溯時，僅需分析導致該故障產生的元動作單元本身的原因，從而避免了故障原因重復搜尋現象的發(fā)生;同時，相比于常規(guī)FMEA過程的繁瑣，M-FMEA以元動作為分析對象，可以簡化故障模式的分析過程，提升分析效率.

為得到機電產品的元動作，就必須對其進行分解. 目前，國內外學者已對機電產品分解技術做了大量研究[6-9]. 但這些方法都是以機電產品結構或零部件體系為基礎分解，面對的是靜態(tài)對象，忽視了機電產品“功能和運動”的特點，故其無法反映零件之間的相互作用，而零件之間的相互作用正是機電產品不同于電子產品的主要特征所在. 為此，本文研究團隊在大量研究的基礎上提出了一種功能結構分解方法（Function Motion Action，FMA），并取得了一定的進展[10-13]. 為了使得到的元動作更加準確和符合實際，本文對元動作及其相關概念和FMA分解法進行了進一步完善.

本文在元動作最新研究的基礎上，利用FMA法對機床進行了分解，得出了能夠反映機床動態(tài)性能的元動作. 以機床元動作為研究對象，對其進行M-FMEA分析，并提出了相應的改進措施. 以實例驗證本文所提方法的適用性，該方法對其他類型的數控機床同樣適用，為機床可靠性的后續(xù)研究打下了堅實的基礎.

1 ? 元動作分解技術

在對機電產品進行元動作分解前，需對元動作的相關概念進行定義. 元動作和元動作單元的概念最早是由重慶大學的張根保教授團隊提出的[10]，有關元動作及其相關的概念目前仍處于不斷完善的過程中. 這里給出有關元動作及其相關概念的最新研究成果.

1.1 ? 元動作

對機電產品而言，其功能和性能是通過各個部件之間的運動來實現和保障的，而部件運動的實現又離不開其組成零件的動作. 在此給出元動作如下的定義.

定義1 ? 元動作（Meta-action，MA）為機電產品中傳遞運動和動力的最基本的運動形式，它是機電產品中最小的運動.

1.2 ? 動作單元

機電產品中，任何一個單獨的零件都不能自行完成一個動作，即單個零件無法完成其規(guī)定的運動.

定義2 ? 元動作單元（ Meta-action unit，MAU）為能夠保證機電產品的元動作得以正常運行的所有零件按照裝配關系組成的統(tǒng)一整體，且元動作單元在結構上不可再分也無需再分.

由于元動作單元是結構方面的描述，故而其也被稱為元動作結構單元. 由元動作單元的定義可知，每一個元動作單元都能夠很好地反映出機械產品所具有的質量特性——精度、精度壽命、性能穩(wěn)定性、可靠性和可用性（Precision，Accuracy-lifetime，Performance-stability，Reliability and Availability，PAPRA）. 為實現產品的元動作，元動作單元必須具有如表1所示中的幾個基本要素.

表1 ? 元動作單元組成要素

Tab.1 ? Elements of MAU

■

元動作單元作為產品最基本的組成要素，其基本功能就是實現預定的運動要求并傳遞動力，其工作過程示意圖如圖1所示.

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圖1 ? 元動作單元工作過程

Fig.1 ? Working process of MAU

1.3 ? 元動作及元動作單元分類

由機電產品分解得到的元動作大致可以分為兩大類，一類是以實現“移動”這一動作形式的移動元動作，如工作臺的平移和數控轉臺的升降等，其概念示意圖如圖2所示;另一類是以實現“轉動”這一運動形式的轉動元動作，如蝸桿的轉動和蝸輪的轉動等，其概念示意圖如圖3所示. 不管機電產品如何復雜，其功能都可以由這兩種最基本的元動作實現.

■

圖2 ? 移動類元動作

Fig.2 ? Translational MA

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圖3 ? 轉動類元動作

Fig.3 ? Rotational MA

相應地，機電產品的元動作單元也可以分為移動元動作單元和轉動元動作單元，現以典型的移動和轉動元動作單元為例，分別介紹其組成. 圖4為工作臺移動元動作單元，螺母為其動力輸入件，工作臺為動力輸出件，動力輸入件和輸出件之間依靠中間件螺釘進行力和運動的傳遞，動滑塊依靠緊固件（螺栓）固連在工作臺上，靜導軌依靠緊固件（螺釘）固連在支架上，動滑塊、靜導軌和支架對工作臺起支撐作用，共同構成了該元動作單元的支撐件. 為實現一個齒輪軸轉動元動作，就必須有接受動力輸入的零件（齒輪）、動力輸出件（齒輪軸）、中間件（鍵）、支撐件（軸承）和緊固件（螺釘）等，它們一起組成了齒輪軸轉動元動作單元，如圖5所示.

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圖4 ? 工作臺移動元動作單元

Fig.4 ? Workbench translational MAU

■

圖5 ? 蝸輪轉動元動作單元

Fig.5 ? Worm gear rotating MAU

1.4 ? 元動作分解

為得到機電產品的元動作和元動作單元，筆者所在的實驗室團隊提出了一種結構化分解方法[14]，即FMA分解法. 該分解法的基本思路如下：首先根據設計任務或說明書找出產品可以實現的功能，此即為產品的功能層;再根據運動傳遞關系，找出實現產品功能所需的部件運動，此即為運動層;最后根據部件中零件間的相對運動關系繼續(xù)分解，直至找出實現部件運動的最基本的“動作”，此即為產品的元動作，從而得到動作層;以元動作為基礎，從部件圖上拆分出保證該“動作”得以實現的最小結構單元，即為相應的元動作單元.

根據以上分析，可得機電產品的元動作分解示意圖如圖6所示.

■

圖6 ? 元動作FMA分解示意圖

Fig.6 ? FMA decomposition diagram of MA

FMA法可以簡化機電產品的分解過程，得到的結果也更加符合實際，有利于后續(xù)的計算和分析.

2 ? 元動作故障模式及影響分析

故障模式及影響分析是分析產品中所有潛在的故障模式及其對產品所造成的所有可能影響的一種方法[15]，但這種方法對諸如機床這類的大型復雜機電產品來說則顯得過于繁雜，且容易出錯. 為此本文以元動作為分析對象，提出了一種改進的基于元動作的故障模式及影響分析方法.

2.1 ? 元動作故障及故障模式

定義3 ? 元動作故障（Meta-action Fault，M-F）為機電產品的某一元動作不能完成其規(guī)定動作的狀態(tài).

機電產品的元動作包括移動類元動作和轉動類元動作，因此其故障類型也可以分為移動型元動作故障和轉動型元動作故障.

GJB 451A—2005可靠性維修性保障性術語中將故障模式定義為：故障的表現形式[16].更確切地說，故障模式一般是對產品所發(fā)生的、能被觀察或測量到的故障現象的規(guī)范性描述.

定義4 ? 元動作故障模式（Meta-action Fault Modes，M-FM）為元動作發(fā)生故障時，其運動狀態(tài)的表現形式.

故障表現形式一般都與觀察角度息息相關[17]，元動作的動作表現形式是通過元動作單元的動力輸出件體現出來的，故以元動作單元的動力輸出件及其故障表現形式來命名該元動作的故障模式.

2.2 ? M-FMEA的優(yōu)點

M-FMEA相比于傳統(tǒng)的FMEA具有以下優(yōu)點：

1）更適用于像機床這樣的復雜機電產品. 傳統(tǒng)的機床FMEA主要以機床的單個零件為分析對象，未考慮零件之間的運動和動力傳遞關系，但機床功能和性能的實現是依靠其零部件之間的相互作用來實現的，元動作是保證機床正常運行的最小運動，以其為基礎進行FMEA更具合理性.

2）避免重復分析現象的發(fā)生. 對機床進行M-FMEA，在對故障原因進行追溯時，由元動作單元本身具有的獨立性可知，僅需分析導致該故障產生的元動作單元本身的原因即可，避免了元動作故障原因重復搜尋現象的發(fā)生.

3）分析過程化繁為簡. 如機床這類機電產品結構復雜，組成零件成千上萬，每個零件又有很多的故障模式，常規(guī)的機床FMEA過程異常繁瑣. 機床包含的元動作單元相對較少，元動作的故障模式較為簡單，故以機床元動作為對象進行M-FMEA分析，可以大大簡化故障原因追溯的過程，提升分析效率.

2.3 ? M-FMEA實施流程

借鑒傳統(tǒng)電子產品的FMEA內容和流程[17]，M-FMEA的內容及分析步驟如圖7所示.

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圖7 ? 機床M-FMEA流程

Fig.7 ? M-FMEA process of machine tool

根據圖7，對機床M-FMEA流程著重分析如下.

1）元動作約定層次劃分. 基于FMA分解模型制定的有關元動作的約定層次劃分規(guī)則如表2所示.

表2 ? M-FMEA約定層次

Tab.2 ? M-FMEA indenture level

■

2）元動作故障模式及故障原因追溯. 元動作的故障一般都會造成部件的運動故障，最終導致機床的PAPRA出現問題. 可以根據元動作發(fā)生故障時表現形式的不同，對機床產品的元動作故障模式進行分類，并追溯其各自產生的故障原因. 在對元動作故障原因進行追溯時，由元動作單元本身具有的獨立性可知，僅需分析導致該故障產生的元動作單元本身的原因即可，大大簡化了故障原因的分析過程，這也使得基于元動作的故障分析方法要優(yōu)于常規(guī)的機械產品故障分析方法.

根據以上定義和分析，可以將機床產品的元動作故障模式及其產生原因歸納如表3所示.

表3 ? 元動作故障模式及產生原因

Tab.3 ? Failure modes and causes of MA

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續(xù)表3

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續(xù)表3

■

續(xù)表3

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3）元動作故障影響是指元動作的每一個故障模式對其自身所在的約定層次（自身和其緊鄰的下一個元動作）以及產品功能的影響. 據此，可將M-FMEA約定層次的故障影響劃分為局部影響和最終影響，其劃分規(guī)則如表4所示.

表4 ? 按M-FMEA約定層次劃分影響分級表

Tab.4 ? Classification of impacts by

M-FMEA indenture level

■

4）元動作嚴酷度. 在對元動作故障嚴酷度S進行分析時，按照元動作故障模式最終影響的嚴重程度來確定其嚴酷度，其嚴酷度等級的定義如表5

所示.

表5 ? 元動作故障嚴酷度等級定義表

Tab.5 ? Classification definition of MA fault severity

■ ? ? ? ? ? ? ? ?5）元動作故障模式檢測方法. 為了準確確定機電產品元動作某一具體的“動作”失效形式而采取的各種觀測、監(jiān)測或檢測方法即為元動作故障模式檢測方法. 元動作故障模式確定方法一般有如下兩種：目測法，主要用于確定一些“動作”失效形式比較明顯的元動作故障，如無動作和動作不靈活等;儀器監(jiān)測法，主要用于確定一些“動作”失效形式不太明顯、且無法目測的元動作故障，如運動不平穩(wěn)、速度不均勻等. 此外，對于一些暫無檢測方法的元動作故障，也應當在元動作FMEA表中予以說明.

3 ? 應 ? 用

以國內某型號數控機床的不連續(xù)分度數控轉臺為例，進行FMA分解和M-FMEA分析.

3.1 ? 元動作分解

數控轉臺的結構示意圖如圖8所示.

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1-電機;2-聯(lián)軸器;3-蝸桿;4-蝸輪;5-鎖緊油路;6-托架;7-升降油缸;8-蝸輪;9-活塞;10-下齒盤;11-齒輪軸;12-齒輪軸軸承;13-密封罩殼;14-上齒盤;15-托板;16-頂桿螺釘;17-頂桿;18-母錐;19-拉爪;20-拉釘;21-公錐;22-小彈簧;23-活塞;24-大彈簧;25-回轉體;26-活塞;27-心軸;28-升降油路

圖8 ? 數控轉臺結構圖

Fig.8 ? Structure diagram of numerical control turntable

數控轉臺運動是由轉臺分度運動、拉爪松緊運動和頂桿升降運動3個運動組成的，其中轉臺分度運動是由以下動作實現的：首先，轉臺在液壓缸的帶動下完成升降移動;其次，伺服電機通過聯(lián)軸器帶動蝸桿轉動;再次，蝸桿通過嚙合帶動蝸輪旋轉，蝸輪通過平鍵帶動齒輪軸轉動;最后，齒輪軸通過嚙合帶動上齒盤轉動，上齒盤與回轉體固連，進而實現數控轉臺的回轉運動. 當數控轉臺旋轉到制定的位置后，拉爪就會在油壓的作用下向下移動或在大彈簧的作用下向上移動，從而實現拉爪的松緊運動. 拉爪松緊運動結束后，頂桿就會在小彈簧的作用下上升或在重物壓力的作用下下降，完成其規(guī)定的升降運動.

根據數控轉臺的運行原理，其FMA分解樹可表示為圖9所示.

■

圖9 ? 數控轉臺元動作分解樹

Fig.9 ? MA decomposition tree for numerical control turntable

圖9中的橫向箭頭表示2個運動的發(fā)生有時序上的先后順序，豎向箭頭表示2個運動或動作之間有運動和動力的驅動關系. 因本文是以數控轉臺為例進行的FMA分解，沒有涉及到機床的功能層，故FMA分解樹的頂端是以運動層開始的.

3.2 ? 元動作故障模式及影響分析

1）劃分約定層次. 本文的初始約定層次為機床的磨削功能，約定層次為轉臺分度運動、拉爪松緊運動和頂桿升降運動，最低約定層次為轉臺移動、蝸桿轉動、齒輪軸轉動、轉臺轉動、拉爪移動和頂桿移動.

2）根據對數控轉臺的功能與結構分析，填寫M-FMEA表如表6所示.

4 ? 結 ? 論

1）針對現有機床產品分解方法無法反映零件之間的相互作用這一缺陷，給出了有關元動作和元動作單元的最新研究成果，并以此對機床進行了分解，證明了該方法的適用性.

2）針對使用傳統(tǒng)的借鑒于電子產品的FMEA分析法對機床產品分析時工作量過大、效率低下、故障原因探尋容易出錯等現象，提出了基于元動作的M-FMEA分析法，降低了機床產品故障分析的工作量，提高了分析效率，同時避免了故障原因重復分析現象的發(fā)生，使得分析結果更加準確.

3）基于元動作的FMA分解法和M-FMEA分析法為如數控機床這類大型復雜機電產品的分解和故障分析提供了新思路，完善了現有機械產品分解方法和故障分析方法體系，為產品可靠性提高打下了堅實的基礎.

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