制造系統(tǒng)運行可靠性分析與維修保障策略研究.pdf

1、隨著現代化制造系統(tǒng)日益朝著大型化、自動化、柔性化、高效化和精密化方向發(fā)展,其組成設備單元的種類與數量迅速增加,結構也更為復雜,再加上復雜多變的使用工況與運行環(huán)境,使其發(fā)生故障的幾率也會明顯增加,因此如何保證制造系統(tǒng)的運行可靠性已成為用戶制造企業(yè)面臨的重大問題?，F代化制造系統(tǒng)在運行過程中多樣化的需求、動態(tài)不確定的制造環(huán)境以及異常復雜的內在退化機理使得傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)可靠性研究方法過于局限和單薄。針對現有研究工作中存在的不足之處,本文以制造系

2、統(tǒng)服役階段由各種廣義外在環(huán)境隨機事件與各組成設備內在退化機理引起的性能狀態(tài)退化為切入點,將脆性理論和多狀態(tài)系統(tǒng)理論引入制造系統(tǒng)運行可靠性分析與維修保障策略的研究中,研究了制造系統(tǒng)脆性效應的累積與傳播機理,建立起基于“R-E”體系的制造系統(tǒng)運行可靠性分析技術框架與性能狀態(tài)演變的預測模型,提出了考慮脆性效應的改進區(qū)間通用生成函數可靠性評估方法,在此基礎上分析并制訂了動態(tài)預測維修策略以保障制造系統(tǒng)的運行可靠性,并從維修相關性的角度以服役階段效

3、益產出最大為目標對該維修策略進行優(yōu)化。本文提出的理論方法體系從微觀和宏觀兩個方面對制造系統(tǒng)的運行可靠性進行評估,從定性和定量兩個方面對制造系統(tǒng)維修策略進行分析,在一定程度上克服了傳統(tǒng)制造系統(tǒng)可靠性分析方法與維修策略在用戶實際應用中的困難與缺陷,并為制造系統(tǒng)運行可靠性分析與維修策略制訂提供了一條新的思路。本文具體內容包括以下幾個方面:
　　(1)介紹了制造系統(tǒng)及其運行可靠性的相關理論知識,論述了制造系統(tǒng)可靠性與維修策略的發(fā)展歷程及國

4、內外的研究現狀,說明了本論文的課題來源、主要研究內容及總體結構。針對制造系統(tǒng)層次結構復雜、故障源多、制造任務多變、狀態(tài)多變等特點,論文將多狀態(tài)可靠性理論、復雜系統(tǒng)脆性理論以及“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)工程學引入制造系統(tǒng)服役階段的運行過程中,探討了制造系統(tǒng)多態(tài)性的形成機理,描述了制造系統(tǒng)故障演化與傳遞機理,分析了制造系統(tǒng)運行過程中的廣義外在環(huán)境,并提出了基于“R-E”體系的制造系統(tǒng)運行可靠性分析技術框架,為制造系統(tǒng)運行可靠性的評估與維修保障策略

5、的制訂提供了理論支撐。
　　(2)研究了廣義外在環(huán)境下制造系統(tǒng)脆性效應的累積與傳播模型。首先引入因素空間理論來描述廣義外在環(huán)境中動態(tài)因素的物理脆性激發(fā)作用,構建了制造系統(tǒng)脆性效應與各動態(tài)外在因素之間的映射模型。然后引入脆性度指標來量化脆性激發(fā)因素直接與間接對制造系統(tǒng)性能狀態(tài)退化程度的綜合影響,并系統(tǒng)分析了脆性激發(fā)因素風險度與耦合度的計算流程。最后根據制造系統(tǒng)物理脆性的激發(fā)與過程脆性的激發(fā)兩類脆性激發(fā)機制建立起制造系統(tǒng)設備單元層與制

6、造系統(tǒng)層的脆性效應傳播模型,并采用改進蟻群算法去搜尋給定制造任務下的制造系統(tǒng)最大脆性激發(fā)路徑,為制造系統(tǒng)具體故障演化與傳遞機理的分析提供了一種新的思路。
　　(3)研究了基于脆性效應的制造系統(tǒng)運行可靠性評估方法。首先引入狀態(tài)空間模型,描述了脆性激發(fā)因素作用下制造系統(tǒng)的狀態(tài)演變過程,建立起制造系統(tǒng)性能狀態(tài)演變的預測模型。然后提出一種考慮脆性效應的改進通用生成函數法對制造系統(tǒng)運行可靠性進行分析,在此基礎上借鑒區(qū)間分析理論以及仿射算術的

7、思想對改進通用生成函數法進行區(qū)間擴展,對制造系統(tǒng)區(qū)間運行可靠性進行評估,不僅體現了不同制造任務下制造系統(tǒng)異質性與動態(tài)不確定性的存在,同時也使得運行可靠性評估結果更加準確可靠。
　　(4)研究了廣義外在環(huán)境下制造系統(tǒng)維修保障策略的選擇算法。首先對制造系統(tǒng)維修保障及維修策略的基本知識進行了概述。其次針對廣義外在環(huán)境下制造系統(tǒng)及其設備單元存在的異質性以及動態(tài)不確定性,給出了制造系統(tǒng)的主要維修決策屬性,并歸納了制造系統(tǒng)最佳維修策略的選擇流

8、程。然后應用模糊層次分析主觀賦權類方法和信息熵客觀賦權類方法分別對制造系統(tǒng)維修策略進行排序選擇,并采用模糊Borda法綜合以上兩種方法進行綜合提取,有效地克服傳統(tǒng)單一方法計算過程存在的主觀性和模糊性問題,提高了維修策略排序選擇的準確性和合理性。最后運用該方法得到制造系統(tǒng)關鍵設備單元——加工中心的最佳維修保障策略應為預測維修。
　　(5)研究了因素驅動的制造系統(tǒng)動態(tài)預測維修策略。首先針對傳統(tǒng)制造系統(tǒng)維修保障策略研究中未全面考慮動態(tài)環(huán)

9、境事件影響制造系統(tǒng)性能狀態(tài)退化的問題,并基于制造系統(tǒng)脆性效應的理論分析以及性能狀態(tài)演變預測模型的建立,分析了廣義外在環(huán)境下制造系統(tǒng)的預測維修策略,給出了維修策略的成本效益評價模型。然后在給定動態(tài)維修決策閾值、有限緩沖區(qū)容量以及維修資源等維修相關性約束條件下,以服役階段效益產出最大為目標建立了基于遺傳算法的制造系統(tǒng)維修策略尋優(yōu)流程。最后以國內某制造企業(yè)的一套制造系統(tǒng)為例,通過對比分析證明了本文提出的動態(tài)預測維修策略的可用性與有效性,對于提