基于工艺失效知识的工艺改进方法及实现

2006年5月北京航空航天大学学报X06第32卷第5期Journal of Beijing University of Aeronautics and AstronauticsVol 32 No 5基于工艺失效知识的工艺改进方法及实现魏丽郑联语刘日晖〈北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100083)摘要:工艺设计是一个不断改进与优化的过程,而反面工艺知识即工艺失效知识对工艺改进与优化往往十分有效,提出了一种基于工艺失效知识的改进方法,包括8个步骤确定潜在失效模式,分析潜在失效原因,计算风险优先数N,提岀改进措施,计算改进后的凤险优先数N’,杈衡改进措施,釆纳改进措施和存储工艺改进数据.在基于We的工艺失效知识库管理系统—工艺FMFA( ailure Mode and Effect Analysis)的基础上,通过建立工艺失效知识与产品和工艺信息的关联,实现工艺FMEA系统与CAPP( Computer Aided Process Planning)系统的信息集成和过程集成,从而达到工艺改进的目的给出某飞机结构件(主梁)利用工艺失效知识进行工艺改进的验证实例,为在工艺设计阶段主动预防地改进工艺方案提供了一种有效手段关键词:工艺设计;工艺改进;工艺失效知识;工艺失效模式与影响分析中图分类号:TH164文献标识码:A文章编号: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中国煤化工CNMHG稿日期:200505-18基金项目:“十五”国防预研项日(41318124)j作藏据魏丽(1978-),女内蒙古通辽人,博士生, candywei@ buaa,du,cm北京航空航天大学学报2006工艺设计是优化配置工艺资源,选择合理的问题加工方法和工艺参数,编排合理的加工顺序的过工艺失效原因C用2元组表示程,为了获得合理的工艺方案,需要综合运用各种(3)改进与优化方法.工艺改进与优化方法可以分成其屮,C1为失效原因类型;CD为详细原因两类:基于数学模型和基于知识模型.大多数情况工艺失效影响E用5元组表示下工艺改进与优化问题难于通过有效的数学模型E=(En, SR, O, DR, N)求解,必须依赖工艺知识和经验.工艺知识包括正其中,En为失效影响描述;Sa为工艺失效产生影面知识和反面知识两大类反面知识是指在产品响的严重程度;On为工艺失效发生的频率;D研制、试制过程以及生产过程中出现工艺质量间为工艺失效发现的难易程度;N为风险优先数题时,采取的工艺改进措施和对策的经验知识TIs工艺人员往往对这种反面的知识(教训)印象工艺改进措施A用4元组表示深刻,这对工艺改进十分有效.工艺失效模式与影A =(Ac, Ap, Ap, Ay)响分析就是利用“主动预防”和“逆向思维”的思其中,A为改进措施的描述;An为改进方向,即想,指导工艺人员进行工艺设计与改进的有效方工艺要素,A={切削条件,走刀路径,刀具性能,法装夹方案,加工方法,机床性能…6;A,为改进本文在集成的工艺失效知识表示模型和工艺失效知识库系统(简称工艺FMEA系统)的基参数,个工艺要素有多个参数,例如切削条件包础上进一步研究了基于工艺失效知识的工艺改括切削速度、切削深度、进给量等;Ay为具体的改进过程与方法,并实现了工艺FMEA( Failure Mod进参数值改进结果R用5元组表示and Fffect Analysis)系统与CAPP( Computer AidedProcess Planning)系统的信息和过程集成,并通过R=(SR, OR, DR, N,Rc)某航空产品零件(机翼主梁)的工艺设计验证了上其中,SB′为改进后的工艺失效产生影响的严重程述改进方法的有效性和集成应用效果度;On为改进后的工艺失效发生的频率;D为改进后的工艺失效发现的难易程度;N为改进后基于工艺失效知识的改进过程的风险优先数;Rc为获得此改进结果所花费的成针对当前数字化工艺设计的特点与要求,提12工艺改进过程出了基于工艺失效知识的艺改进过程基于工艺失效知识的工艺改进方法能够再利1.1工艺失效知识的表示用工艺失效知识,并在工艺设计过程中改进工艺工艺失效信息,包括发生什么样的失效,为方案,而不是等到实际生产中发生问题以后,再进什么会发生失效,以及如何改进和实际的改进结行改进基于工艺失效知识的工艺改进过程包括果等,形成了工艺失效知识实际上,所有企业都以下8个步骤,如图1所示会针对生产中的工艺失效问题进行分析,改进工1)确定潜在失效模式.实践中大量实例表艺方案,但却不重视对这些生产数据进行收集整明,大部分缺陷(约占60%)都在类似范围内出理和再利用通过对工艺失效知识进行形式化的现,而且改进措施也具有相似性,因此采用基于相描述,可以方便地利用关系数据库来表示,建立工似度的推理算法获得工艺失效知识.从工艺艺失效知识库T艺失效知识用5元组形式表示设计系统中获得某工序的工艺信息,与工艺失效K=(Q, C,E,A, R)(1)知识中的工艺失效问题Q之间进行相似度计算其中,K为工艺失效知识;Q为工艺失效间题;C检索出工艺失效知识,由此确定此工序潜在的工为工艺失效版因E为工艺失效影响:A为工艺改艺失Ⅵ中国煤化工进措施;R为改进结果CNMHG失效原因是指引工艺失效问题Q用5元组表示起失效可能的原因,例如由于切削参数不合理造Q=(P1,Q4,F,M,F)(2)成零件变形、设备能力不足等原因利用各种质量其中,Pr为零件类型;Qc为质量特性;Fr为特征工具,例如设计实验、因果分析以及以往的经验等面片毅攜工方法;F.为失效模式,即工艺质量进行失效原因分析并归纳出最主要的失数原因第5期魏丽等:基于工艺失效知识的工艺改进方法及实现587AN N-N工艺设计}确定潜在失效模式效问题8式中,△N为改进效果值大表示效果明显;△C为分析潜在失效原内改进成本,值越大,说明单位成本内的改进效益计算风险优先数N越大.△C可以根据改进措施的类型定性佔计,例T艺改进施大效分析如修改切削参数、走刀路径等成本要低于更换新加T方法给定阈值刀具或夹具,而购买新设备的成本最高,或者根据机抹性能装火方案成本模型计算获得刀具性能提山改进措施7)采纳改进措施确定采纳某项改进措施走路径生产验证切削条什计算改进后的则将工艺失效分析结果反馈到工艺设计系统,工风险优先数N艺没计人员接受改进措施后,修改原工艺方案8)存储工艺改进数据.工艺改进过程中的所有数据都保存到数据库中,包括产品信息、工序信杈衝改进措工艺失效息、失效模式、失效原因、改进措施以及改进效果能接受采纳改进措施这些数据通过生产验证后,收集到知识库中,可以不断地丰富和更新工艺失效知识库另外,根据这图1基于工艺失效知识的T艺改进过程些数据也可以按传统的FMEA表格形式输出,供工艺人员和有关技术人员参考3)按公式(7)计算风险优先数N.S8,On和经过以上步骤,虽然工艺设计阶段的工艺改D一般分为10个等级,根据统计分析、实验结进已经结束,但必须在实际生产中跟踪每项工艺果、相似产品的数据和工程师的经验来确定改进措施,并把实际的改进效果录入到数据库中N=Sg×Og×DR(7)这样才完成了整个基于工艺失效知识的工艺改进N值越大,风险越大,工艺质量问题越严重.过程如果N值超过给定阈值(一般根据产品类型、艺特点企业技术状况和经验确定),需要针对此2工艺改进方法的实现失效釆取工艺改进措施如果小于给定阈值,表示通过集成工艺FMEA和CAPP系统,使二者风险很小,不需要改进能够互操作实现基于工艺失效知识的工艺改进4)提出改进措施根据N值确定哪些失效问2.1系统的体系结构题需要改进,改进措施着重于降低发生失效的频系统由客户端的工程设计与管理应用系统率(即降低On值),而不是通过提高检验方法或(本文仅用CAPP系统)、网络服务器端的工艺手段以便更容易地发现失效模式(即降低FMEA系统,以及数据服务器上的产品、工艺数据值)因此改进措施主要集中在改进工艺方案,这库、工艺失效知识库与XML( Extensible Markup些措施可通过第1)步检索出的工艺失效知识(含 Language,可扩展标记语言)文件三大部分组成其解决此失效的改进措施)自动获得体系结构如图2所示5)计算改进后的风险优先数N.提出改进])数据库服务器通过数据库管理系统,管理措施后,按公式(8)计算N,以确定改进措施是否全部工艺失效知识以及产品、零件、工艺和资源等有效.如果N大于给定阈值,表示此改进措施无信息.客户端软件通过数据库访问接口获得数据效,返回第4)步提出新的改进措施;如果N小于库服务器中的数据由于各种软件系统之间存在给定阈值,表示此改进揹施可以减少工艺失效数据异构的问题,因此采用网络标准语言一XML)文中国煤化工桥梁工艺6)权衡改进措施以往的FMEA很少考虑改FMCNMHG牛方式来描述和传进措施的成本.如果付出过高的代价而减少工艺递结构化的工艺失效知识、产品及工艺数据失效的效果不大,那么不宜采取这种措施因此应2)工艺FMEA系统采用基于MⅤC( Model/该综合权衡改进效果和改进成本,以工艺改进效View/ Controller)模式的 Struts框架结构系统实现方数据选择改进措施的依据.7定义为分成4层:数据访问层主要处理与数据库间的操588北京航空航天大学学报2006年网络服务器结果也只能通过手工方式修改工艺方案T艺FMEA系统工艺改进过程的集成,如图3所示.首先是从浏览器CAP系统中获取工艺信息,根据不同的使用人员,分成2种情况:①工艺设计过程中使用本系统CAD、CAPPPDM等系统控制器AH文件)到时,通过对CAPP系统进行二次开发,可以直接启动浏览器,并把I艺信息传到工艺FMEA系统中数据库访间接1Action Action Action(箭头①②所示);②其它人员协同1:艺设计时,要求CAPP系统能够把工艺信息以ⅩML文件格式输出,工艺FMEA系统读取XML文件,获得工艺信产浮1:2失效(公话Bean)息(箭头③④所示)然后根据工艺失效知识,获得知识阵工艺改进措施后,以XML文件输出.CAPP系统获(实体Ben得XML文件,经过工艺设计人员确认是否接受改进措施,直接修改数据库中的工艺信息(箭头⑤⑥图2系统体系结构所示)作;业务逻辑层处理所有与工艺失效分析和改进cP系①「测览②「之RHEA有关的过程,并且与数据库的结构和界面显示无关;流程控制层通过 Action类来帮助控制应用程XML文件序的导向;表现层实现所有用户操作界面.采用Struts框架有利于工艺FMEA系统的扩展、维护工艺信总管理等数据库知识库3)客户端的CAD、CAPP和PDM系统等可以图3工艺改进过程的集成启动浏览器通过htp服务访问工艺FMEA系统,按2.2节过程进行工艺改进,因此客户端不需要经过以上信息集成和工艺改进过程集成,实现了工艺FMEA系统与CAPP系统的集成安装和维护工艺FMEA系统,使用方便2.2工艺失效知识与产品和工艺信息的集成3验证实例在工艺失效知识模型的基础上,需要建立它与产品信息模型和工艺信息模型的逻辑联系,以针对航空产品零件(某机翼主梁)的工艺方便将工艺失效分析功能集成到 CAD/CAPPICAM案,如图4所示,CAPP系统止在进行机翼主梁的系统中,一个较理想的工艺FMEA应该是伴随着工艺设计,「序25精铣外形,经常发生“翘曲变产品的开发过程进行,而不是在它之后进行.为形”,以此为例验证基于工艺失效知识的工艺改进此提出并建立了工艺失效知识与产品和工艺信方法的有效性,主要步骤如下息的集成模型.一方面,工艺失效知识信息模型通字化制造工艺备系族区系统控自可生严性分析工艺设计工艺规程诠计帮斯过零件类型、特征类型、质量特性等设计要素建立君,恐E凸日⑥③嗒日与产品信息模型的逻辑联系;另一方面,通过加异击机机丘主方法、设备性能、装夹方案、刀具性能、走刀路径切削参数等工艺要素建立与工艺信息模型的逻辑联系.工艺失效知识模型的具体内容见文献[3工艺制5]工艺失效知识信息模型与产品和工艺信息模型建立联系,为工艺改进过程集成提供必要条件中国煤化工23工艺改进过程的集成CNMHG实现丁艺改进过程的集成,才能真正把工艺FMEA系统与CAPP系统集成起来,实现集成环境下的工艺改进.否则,工艺FMEA系统只能作为独图4机翼主梁工艺设计界面立隻擂具,手工录入工艺信息,而工艺描施的第5期魏丽等:基于工艺失效知识的工艺改进方法及实现5891)在工序25上点击鼠标右键,选择“工艺改根据具体的改进参数和改进值修改相应数据库中进”菜单,启动工艺FMEA系统,并把工艺信息传的工艺信息送过去,如果信息不完整,可交互补充2)根据工艺信息检索出相似的工艺失效知文神新睡查看的收工RD称,+④益⑥个人G0次识,如图5所示根据查询出的工艺失效知识,按图1改进过程对工序25进行L艺改进洋细内容敬H3)表I列出了工艺改进的结果.通过计算各等诗号:0件名:书萬王=原特江面:独长曲面历量特性:粒平黑改进措施的η值,来确定釆用某项改进措施厘工方:立线失慧极式:粒里;=(144-72)2=3夫影咱,外形面不足,无安新五安皮(90-36)/4=13.57:=(120-72)16=8m用量闭不合理请的法果过热理A,的值最大,首先要采取此措施,其次采54i0取A改进措施成4)经过工艺人员的进一步确认,选择某条改图5工艺失效知识进措施,在复选框中打勾,点击“改进”按钮,系统表1工艺改进结果编号失效原因N改进措施改进方向改进参数改进值改进成本是否采纳A,切削用量不合理144更改切削用量切削用量切削速废进给72很低(2)A2冷却效果不好更换冷却液冷却液冷却液类型1·乳化液4川具磨损过大20监控刀具蘑损丁具性能刀具磨摸<0.2mm72中(6)的工艺性评审.关于匚艺失效知识的更深入、广泛4结束语的应用研究有待于进一步开展本文分析了应用工艺失效知识进行工艺改进的可行性,提出了一种基于L艺失效知识的工艺参考文献( References)改进方法,具体包括确定潜在失效模式、分析潜在「 i Huang G Q,shiJ. Failure mode and effect analysis(MFA)oer失效原因、计算风险优先数N、提出改进措施、计the wwW IJ], The International Journal of Advanced Manufactur.算改进后的风险优先数N、权衡改进措施、采纳[2] Johnson K G, Khanb MK. A study into the use of the procrss Jail-改进措施和存储工艺改进数据共8个规范化步ure mode and effects analysis( PFMEA)in the automotive industry骤.以工艺失效知识库系统(工艺FMEA系统)为the UK [JJ. Joumal of Materials ProcessinG Technology,2003基础,通过建立工艺失效知识模型与产品信息模型和工艺信息模型的联系,实现了CAPP系统与[3」魏翮,郑联语。攴持产品发的工艺失效模式与影响分析工艺FMEA系统的信息和过程两个方面的集成工具[J.计算机集成制遗系统-CMs,2003,9(1):74-79Li, Zheng Lianyu. Process failure mode& effect从而实现了集成环境下基于工艺失效知识的工艺upporting product developmcnt [J]. Computer Integrated Mar改进方法.通过某机翼主梁的工艺方案改进实例turing Systems, 2003, 9(1): 74-79( in Chinese)验证了工艺改进方法的有效性本方法为现代产「41 Zheng LY, Chin ks.WoiL. Knowledge- enriched process FMEA品开发中工艺方案的改进与优化提供了一种有效途径,也为企业信息化建设中开展制造知识匚程3(1):12-27「5]关的研究与应用提供了一种参考思路中国煤化工究[D.北京:北京本方法可用于工艺准备过程中的下述活动HNMH①工艺设计中的工序方案优化;②关键工序验证products[D]. Beijing: Sehool of Mechanical Engincering and Auto-与改进;③工艺更改;④辅助制定生产过程中的工mation,Beijing Universily of Aeronautics and Astronautics, 2001(in序质量控制方案.另外,并行、协同的产品开发过程据效知识及其分析工具还能支持产品(责任编辑:娄嘉)