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可靠性驱动的装配工艺（上） 数控机床是由若干部件、组件、合件和零件组装而成的。生产中总是预先将部分零件装配成合件、组件或部件后，再与其他零件一起装配成产品。按照规定的技术要求，将零件、合件、组件或部件进行配合和连接、使之成为半成品或成品的过程称为装配;把零件组合成合件、组件、部件的过程称为部件装配(部装);把零件、合件、组件或部件组合成最终产品的过程称为总装配(总装)。装配是机电产品制造的重要环节，不仅对产品的交货期和成本影响很大，同时对产品的质量(包括精度和可靠性)具有决定性的影响。据统计，产品生产周期中60%的时间花在装配上，产品质量问题的40%以上是由于装配环节决定的。长期以来，国内机床生产厂家对产品的设计非常重视，但往往忽略了对装配工艺的改进和优化，造成的结果是：采用相同的零件和功能部件，组装出来的产品质量与国外产品有巨大的差距，表现在精度差、精度寿命短、故障频出。这充分说明了装配过程是影响产品质量的重要环节。为了提高国产机床的可靠性，就必须高度重视装配过程，通过将可靠性和其他质量控制措施落实在装配工艺中，才能从根本上提高机床的可靠性。 1?可靠性驱动的装配工艺相关概念 根据国家标准GB/T 3187-1994的规定，可靠性的定义为“产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力”。根据定义可知，当产品发生故障即不能完成规定功能时，可靠性便不能满足要求。 传统装配工艺方案的制定依据主要是精度要求，分析依据是产品的工作原理和机械结构，一般是自下而上考虑产品的装配过程，对可靠性要求考虑得非常少，导致装配完成后的产品故障频出。为了提高产品的可靠性，在制定装配工艺时，除了考虑产品的精度要求外，还必须将可靠性要求作为重要因素来考虑，本文称为可靠性驱动的装配工艺(assembly process driven by reliability，APDR)。 可靠性驱动的装配工艺是指在装配工艺方案的制定时加入对可靠性的控制措施，在功能结构分析和故障原因分析的基础上，找出可靠性控制点，制定可靠性控制措施，并将其融入到传统的以精度为主的装配工艺方案中，形成更合理的装配工艺方案。需要注意的是，可靠性驱动的装配工艺并不是不考虑精度要求，而是将精度和可靠性放在同等重要的地位，使得装配出来的产品既能满足精度要求，也具有很高的可靠性。另外，与传统的装配工艺一样，可靠性驱动的装配工艺制定是一个不断完善和改进的过程。 可靠性驱动的装配工艺的制定依据是产品的精度和可靠性要求，分析依据是产品的功能结构、故障模式和故障原因，由下而上地考虑产品的装配过程，在装配工艺中采取预防性控制措施。可靠性驱动的装配工艺的目的在于在保证产品精度的同时提高产品的可靠性，主要从功能分析出发，对可能的故障原因和精度缺陷进行控制。 2?APDR的制定流程 APDR的制定是以元动作装配单元为基础，主要包括产品功能和结构分析、结构化分解、元动作装配单元划分、故障树分析、控制点的提取、控制措施的制定以及装配工艺方案的制定等7个环节，流程如图1所示。 从图1可知，APDR是从产品功能和结构分析出发，了解产品的功能、结构和性能要求，然后从功能出发将产品按照“谱系(pedigree,P)-功能(function,F)-运动(motion,M)-动作(action,A)”的PFMA结构化分解思路，分解的最低层次是“元动作(meta-action,MA)”及“元动作装配单元(meta-action assembly unit,MAAU)”，然后对元动作装配单元进行故障分析，得到可能的故障模式和故障原因，找出影响精度和可靠性的控制点，针对控制点制定相应的控制措施，并将控制措施落实到装配工艺中，得到精度和可靠性一体化控制的装配工艺。 3?APDR的制定 (1)产品结构和功能分析 根据产品的设计图纸，明确产品的结构组成，分析产品各组成部分在整体功能实现中所起的作用，并画出产品功能层次与结构层次对应图，为后续故障原因分析、故障影响分析等工作做准备。图2为某加工中心连续分度转台功能层次与结构层次对应图。 (2)结构化分解 产品的整体功能是由各功能部件的运动来实现的，功能部件的运动是由组成部件的零件的基本动作来实现的。零件的基本动作称为元动作，例如零件的转动、移动。要想保证功能部件和整体功能的可靠性，必须保证元动作的可靠性。元动作的可靠性通过装配过程来保证，因此这就要引出“元动作装配单元”的概念(元动作装配单元的概念和划分原则见节(3))。可靠性驱动的装配过程实现原理就是在对整机运动功能分解的基础上，得到零部件的元动作，针对元动作，进行元动作装配单元的划分，并对元动作装配单元进行可靠性分析，得到元动作装配单元的故障模式和故障原因，提出可靠性控制措施，并将这些可靠性控制措施融入到装配工艺中。产品的结构化分解思路如图3所示。 在产品结构化分解的过程中，首先分析产品整机的功能谱系，划分为第一层;其次将功能部件的功能划分为第二层;然后将各功能部件的功能进行分解，得到各组件的运动(根据运动的包含关系，可以分为一级运动、二级运动等)，最后将运动继续分解，得到的零部件基本动作，划分为最底层，即元动作层。图4为连续数控转台结构化分解图。 (3)元动作装配单元划分 元动作装配单元的概念： 在装配过程中，由一个实现元动作的基准件为装配基础，可以独立组装达到规定的尺寸链与元动作技术要求，并能够实现该元动作的一组零件组成的独立组件称为该元动作的装配单元。图5为连续分度转台蜗杆转动装配单元图。 元动作装配单元是以元动作为基础的。先将加工中心分解成若干元动作，然后以元动作为基础，以能够正确完成该元动作为目标，对加工中心组成构件进行元动作装配单元的划分。具体划分原则如下：①元动作装配单元可以进行独立组装并达到规定的尺寸链与元动作技术要求;②元动作装配单元必须包含除动力源(驱动元动作基础件的外部零件)外能够正确实现该元动作的所有零件;③元动作装配单元在加上动力源之后可以进行独立的试验及其他分析工作;④元动作装配单元之间应相对独立，与其他元动作装配单元联系尽可能少;⑤不同元动作装配单元可以共用一个或几个构件。 (4)故障树分析 GB/T 7828-1987中规定“故障树分析(fault tree analysis，FTA)是通过对可能造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素进行分析，画出故障树，从而确定产品故障原因的各种可能组合方式和其发生概率的一种分析技术”。故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。 通过对元动作装配单元的分析，得到可能影响该装配单元正常工作的潜在故障，对影响产品功能程度较高的故障进行重点控制。 产品的维修记录是FTA分析的重要依据，通过综合设计人员和加工人员的经验，尽可能全面地分析故障模式和故障原因。对元动作装配单元进行FTA分析，得到潜在的故障模式和故障原因，并针对这些故障找到相应的控制点，采取相应的控制措施。这些可靠性控制措施为可靠性驱动的装配工艺的制定提供依据。作为一种可靠性分析方法，为保证其实施的有效性，需要以一套合理的分析流程为指导。FTA分析流程如图6所示。
作者：张根保 赵洪乐 杨兴勇
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