CN107392424A - 一种建立产品制造过程中质量波动源解释结构模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建立产品制造过程中质量波动源解释结构模型的方法，该方法基于对产品制造过程波动传递和累积模式、波动影响因素之间关系的分析，运用图论方法将制造过程影响关系拓扑结构简化为有向图和邻接矩阵，基于布尔代数方法编程计算可达矩阵，建立解释结构模型开展产品制造过程质量波动源的分层分类，确定改进优先次序，可以弥补经典SPC技术在波动控制过程中只能报警、不能诊断的不足，以及因果图、故障树等传统分析工具在诊断质量问题原因时缺乏量化模型和算法支撑的不足。本发明关于“复杂拓扑结构→有向图→邻接矩阵→可达矩阵→解释结构模型→工程应用”的建模方法和思路，适用于解决复杂系统的波动溯源问题，形成的工程应用案例具有一定的推广价值。

Description

一种建立产品制造过程中质量波动源解释结构模型的方法

技术领域

本发明涉及一种建立产品制造过程中质量波动源解释结构模型的方 法，属于质量与可靠性工程领域。

背景技术

波动是质量的大敌。传统的产品质量波动管理方法是运用SPC技术 判定过程输出质量特性的波动是否异常，然后利用因果图、故障树等质 量工具和图表，对“5M1E(人、机、料、法、环、测)”等导致质量波 动的因素进行分析，形成波动源S_i(i＝1,2,…，n)清单并加以改进。但对 于如何将众多的波动源放在一起考虑，确定影响关系和改进优先次序， 学术界和企业一直缺乏可量化的数学模型和计算方法支撑，结果是，虽 然波动源分类(因果图)和逻辑关系(故障树)很清楚，但改进优先次 序的选择和波动源间的层级关系很混乱。

产品制造过程的波动源分析可从四个层面开展：(1)供应链层面的 波动，如政治、法律、经济、产业环境等的波动；(2)企业层面的波 动，如资金、成本、人才等的波动；(3)产品层面的波动，如产品准 时交付率(OTD)、产品质量特性(如产品的功能特性、可靠性、维修性、安全性、测试性、环境适应性、保障性、经济性、舒适性、环保性 等)的波动；(4)制造过程层面的波动，如过程输入参数(如标准、 图纸、原材料等)、操作输入和输出参数(如5M1E、进刀量、主轴转 速、定位基准、测量系统、温湿度、加工尺寸等)的波动。

有关文献对前三个层面的波动进行了一些研究，例如，周荣辅等分 析供应链质量形成的潜在影响因素和相互作用关系，提出供应链质量管 理改进的建议。谢刚等基于解释结构模型分析区域、自然资源、人均财 政收入等29个梯度因素，构建五级递阶结构区域经济梯度理论模型， 研究区域差异化。李卫红研究制造型企业品牌竞争力的17个影响因素的关系，建立多级递阶结构模型，分析各层级关系和影响因素对品牌竞 争力的作用。王凤山等基于工程装备质量影响因素,构建多层递阶的质 量评价体系解释结构模型。陈亚青等^[5]建立航空事故的解释结构模型， 将航空事故的12种原因分为4个层次的要素并分析其关联影响；林维 等将零件图中几何要素的尺寸及位置关系转换为要素矩阵，研究零件定位基准的选择问题；丁力平等基于解析结构模型,对产品综合关联关系 进行分解,构建和优化产品初始模块；张雷等基于复杂产品零部件连接 关系构建解释结构模型，研究零部件结构层次与拆卸序列规划方法。

对于第四个层面，即制造过程层面的波动源分析，学术界主要集中 在统计过程控制(SPC)、偏差流(SOV)理论等方向，研究数据驱动 的分析技术；生产现场则大多采用因果图等定性工具来辅助分析波动原 因，但由于没有形成波动原因诊断和影响因素间层级关系的多层递阶解 释结构，改进优先次序选择决策的量化支撑不够。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术的状况而设计提供了一种建立产品制 造过程中质量波动源解释结构模型的方法，该方法基于对产品制造过程 波动传递和累积模式、波动影响因素之间关系的分析，运用图论方法将 制造过程影响关系拓扑结构简化为有向图和邻接矩阵，基于布尔代数方 法编程计算可达矩阵，建立解释结构模型开展产品制造过程质量波动源 的分层分类，确定改进优先次序，以弥补经典SPC技术在波动控制过 程中只能报警、不能诊断的不足，以及因果图、故障树等传统分析工具 在诊断质量问题原因时缺乏量化模型和算法支撑的不足。

本发明关于“复杂拓扑结构→有向图→邻接矩阵→可达矩阵→解释结构 模型→工程应用”的建模方法和思路，适用于解决复杂系统的波动溯源问 题，形成的工程应用案例具有一定的推广价值。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种建立产品制造过程中质量波动源解释结构模型的方法，其特征 在于：该方法的步骤如下：

步骤一：基于产品的结构、特性类型、装配方式，建立质量波动沿 着产品结构树，依照“系统-分系统-组件-部件-零件”的路径进行分解传递 的流程和积累方式；

所述的特性类型包括产品的计量特性、计数特性、单一特性和多元 特性；

以飞机制造过程波动沿产品结构树传递和积累的为例，图1是飞机 制造过程的质量波动沿产品结构树传递和积累的示意。产品的波动沿着 “系统-分系统-子系统-组件-部件-零件”的路径分解传递，在这个简化路 线图，各级产品的波动具有不同的特征，对应产品关键特性的不同指 标，例如分系统级以上的波动的表征往往是可靠性指标、性能指标等； 部件和组件级的波动表现为可用性、可装配性等；零件级的波动表现为 零件的尺寸、形状和公差配合性等；导致零件波动的波动源不外乎 “5M1E”，零件波动构成部(组)件的波动源，并沿着波动分解路径反 向累积，直至产生系统级的波动；

步骤二：基于对工艺要素、工艺过程、工艺输出参数、产品性能参 数和产品可靠性5个维度，建立多参数、多工序的工艺系统的质量波动 影响关系的拓扑结构模型；

所述工艺要素包括5M1E，即人、机、料、法、环、测要素；

所述工艺过程包括机械加工、化学过程、胶接、表面处理、装配过 程；

所述工艺输出参数包括几何尺寸、形位公差、表面质量、残余应 力、强度、金相组织参数；

所述产品性能参数包括抗腐蚀性、疲劳强度、互换性、耐磨性参数

所述产品可靠性的衡量指标包括产品寿命、平均故障间隔时间 MTBF、平均维修时间MMT指标；

制造过程层面的波动原因和影响关系非常复杂，如图2所示。产品 制造过程中的工艺要素(5M1E)、工艺过程、工艺输出参数、产品性能 参数、产品可靠性等涉及的要素、指标之间的影响关系构成了一个复杂 的拓扑结构。该结构中任意一条链路，例如“方法(工艺要素)-装配 (工艺过程)-表面质量(工艺输出参数)-疲劳强度(产品性能参数)- 平均故障间隔时间MTBF(产品可靠性)”，既是规划和实现产品质量 形成过程的工作链路，又是发现和持续改进产品质量与可靠性的工作链 路，在分析波动源时，可以简化为有向图、因素集,而经典图论中有向 图又与邻接矩阵一一对应，因此可以运用代数的方法操作和运算，建立波动源分析的解释结构模型进行量化分析，支撑质量改进决策；

步骤三：基于质量波动影响关系的拓扑结构模型，利用因果图、故 障树结构化质量工具建立有向图，进一步建立质量波动源邻接矩阵A；

所述的波动源邻接矩阵A，其元素a_ij对应不考虑循环的有向图节点 之间的关系，定义如下：如果i＝j，则a_ij＝0；如果i≠j，则

式中，S_i,S_j∈因素集S＝{S₁,S₂,…,S_n}，a_ij表示波动因素Si (i＝1,2,…,n)与Sj(j＝1,2,…,n)两两之间的关系；

步骤四，基于波动源邻接矩阵A，利用布尔代数运算规则，建立质 量波动源可达矩阵；

所述的布尔代数运算规则包括：布尔加：0+0＝0，1+1＝1，1+0＝1， 0+1＝1；布尔乘：0×0＝0，l×1＝1，1×0＝0，0×1＝0；

所述的波动源邻接矩阵的求解过程如下：

令A₁＝(A+I)，这里，A为波动源邻接矩阵、I为单位矩阵；

计算A₂＝A₁ ²；以此类推，直到得到：A₁≠A₂≠…≠A_r-1＝A_r,r≤n-1，这 里n为矩阵A的阶数，则A_r-1＝(A+I)＝R，矩阵R是一个n阶的0-1 矩阵，称为波动源可达矩阵，其元素r_ij非0即1，是有向图可达路径的 代数表征；

步骤五，基于波动因素S_i的可达集R(S_i)、前因集A(S_i)，求出多级 递阶结构各层级的最高级要素集(L₀,L₁,L₂,L₃,…)，按照级间划分依次 排列各要素，绘制有向图，建立波动源的解释结构模型；

所述的可达集R(S_i)＝{可达矩阵R的S_i行中所有r_ij＝1的列对应的要 素，j＝1,2,…,n}；

所述的前因集A(S_i)＝{可达矩阵R的S_i列中所有r_ij＝1的行对应的要 素，j＝1,2,…,n}；

所述的最高要素集：如果则R(S_i)为多级递阶结构的 最高级要素集；

所述的多级递阶结构各层级的最高级要素集的求解步骤如下：

对于任一波动因素Sj的最高要素集L₀，将L₀各要素对应的行、列 从可达矩阵R中删除，在剩下的可达矩阵中重新求得各要素的可达 集、前因集、最高要素集(L₁)；依次类推，求得各层级(L₂,L₃,…) 所包含的要素集。

本发明技术方案的优点是：

(1)本发明基于复杂产品制造过程波动传递流程和影响因素分析， 建立解释结构模型开展产品制造过程质量波动源的分层分类，可用来确 定改进优先次序。

(2)本发明可以弥补经典SPC技术在波动控制过程中只能报警、 不能诊断的不足，以及因果图、故障树等传统分析工具在诊断质量问题 原因时缺乏量化模型和算法支撑的不足。

(3)本发明关于“复杂拓扑结构→有向图→邻接矩阵→可达矩阵→解 释结构模型→工程应用”的建模方法和思路，适用于解决复杂系统的波动 溯源问题，形成的工程应用案例具有一定的推广价值。

附图说明

图1飞机制造波动沿产品结构树传递和积累示意

图2产品制造过程的波动原因和影响关系

图3铁轭制造过程因果图

图4波动源解释结构和层次关系

具体实施方式

下面对本发明的具体实施步骤进行进一步说明：

建立某型号配套产品雨刷器的质量波动的解释结构模型

步骤一：基于雨刷器的结构、特性类型、装配方式，建立质量波动 沿着雨刷器结构树的传递流程和积累方式；

某集团第一继电器厂是XX型号配套产品雨刷器的主要供应商。近 来用户抱怨雨刷不能正常工作。经认真仔细的分析，发现原因主要在第 一继电器厂提供的J-200型继电器上。工厂迅速作出响应，组建由质量 总师亲自负责的项目小组，分析查找原因。小组运用经典SPC技术， 发现问题主要归因于继电器关键部件——铁轭的尺寸波动大。因此雨刷 器的质量波动分解传递流程为“雨刷器-J-200型继电器-铁轭”，质量波动 的积累方式为沿着路径“雨刷器-J-200型继电器-铁轭”反向积累。

步骤二：建立继电器关键部件——铁轭的质量波动影响关系的拓扑 结构模型；

为了进一步找到铁轭尺寸波动的原因，绘制铁轭制造过程因果图 (图3)。为了找出铁轭尺寸波动的深层次原因，确定改进优先次序， 将上述因果图中的结果因素“铁轭尺寸波动大”及其“5M1E”6个方面的 19个影响因素，建立因素集如下：

S＝{S1＝铁轭尺寸波动大；S2＝下料不合理；S3＝热处理不当；S4＝ 零件定位销与零件孔配合过大；S5＝模具校正方法不当；S6＝滑行块形 程过大；S7＝材料变形；S8＝材料厚度不均匀；S9＝材料批次差异大； S10＝材料硬度不均匀；S11＝量具精度不够；S12＝测量方法不当； S13＝技术水平不稳定；S14＝未执行工艺规程；S15＝设备振动过大； S16＝维护不良；S17＝仪表指示不准；S18＝模具间隙大；S19＝电压不 稳定；S20＝工作气源不稳定}

步骤三：基于质量波动影响关系的拓扑结构模型，建立质量波动源 邻接矩阵；

接下来，质量总师带领工作小组通过对这些因素两两之间的关系进 行分析，确定波动因素Si(i＝1,2,…,n)与Sj(j＝1,2,…,n)两两之间的 关系，建立波动源邻接矩阵A，其元素aij对应不考虑循环的有向图节 点之间的关系，定义如下：如果i＝j，则aij＝0；如果i≠j,则

建立邻接矩阵A如下：

步骤四，基于波动源邻接矩阵A，利用布尔代数运算规则，建立质 量波动源可达矩阵；

运用MATLAB软件，按照布尔代数运算规则，编程计算波动源可 达矩阵R如下：

根据所求得的可达矩阵，逐项建立要素Si的可达集R(Si)、前因集 A(Si)。

步骤五，基于波动因素S_i的可达集R(S_i)、前因集A(S_i)，求出多级 递阶结构各层级的最高级要素集(L₀,L₁,L₂,L₃,…)，按照级间划分依次 排列各要素，绘制有向图，建立波动源的结构模型；

基于建立的要素S_i的可达集R(S_i)和前因集A(S_i)，将波动因素进 行级间划分，得到最高要素集L₀＝{S1}，第一级要素集L₁＝{S4；S6； S7；S8；S9；S10；S13；S15；S17}，第二级要素集L2＝{S2；S3； S18；S20}，第三级要素集L3＝{S5；S11；S12；S19}，第四级要素 集L4＝{S16}，第五级要素集L5＝{S14}。

根据上述可达矩阵的级间划分，建立质量波动源解释结构和层次关 系如图4所示。图4实为有向图，导致铁轭尺寸波动大的波动源分为 5个层次：第一层次的原因包括：S4＝零件定位销与零件孔配合过大、 S6＝滑行块形程过大、S7＝材料变形、S8＝材料厚度不均匀、S9＝材料 批次差异大、S10＝材料硬度不均匀、S13＝技术水平不稳定、S15＝设 备振动过大、S17＝仪表指示不准；第二层次的原因包括：S2＝下料不 合理、S3＝热处理不当、S18＝模具间隙大、S20＝工作气源不稳定；第 三层次的原因包括：S5＝模具校正方法不当、S11＝量具精度不够、 S12＝测量方法不当、S19＝电压不稳定；第四层次的原因为：S16＝维护不良；第五层次的原因为：S14＝未执行工艺规程。

根据波动源解释结构模型和层次关系，确定改进优先次序，抓关 键：首先，从设备维护和工艺纪律抓起，因为这两个因素对其他因 素，以及最终结果“铁轭尺寸波动”影响较大，属根本原因；其次，改进 第三层的波动源，包括模具校正方法不当、量具精度不够、测量方法 不当、电压不稳定这一层次的原因主要是测量、计量有关的因素，改 进起来较快，符合六西格玛管理等查找问题的思路，即眼睛向内，“结 果”不好时先看看测量系统好不好，必要时实施测量系统分析 (MSA)；第三，改进第二层次的波动源，包括：下料不合理、热处理不当、模具间隙大、工作气源不稳定等，这些波动导致材料相关波 动，并对最终结果由较大影响；最后，改进第一层次的波动源，包 括：零件定位销与零件孔配合过大、滑行块形程过大、材料变形、材 料厚度不均匀、材料批次差异大、材料硬度不均匀、技术水平不稳 定、设备振动过大、仪表指示不准，这一层次的波动源对最终结果有 直接影响，例如，通过实施防差错装置解决零件定位销与零件孔配合 过大、滑行块形程过大等问题；应用实验设计(DOE)、田口方法、 响应曲面分析、稳健性设计等方法解决材料变形、材料厚度不均匀、 材料批次差异大、材料硬度不均匀等问题；通过技术改造和波动管理 等方法，解决技术水平不稳定、设备振动过大、仪表指示不准等问 题。

Claims (1)

1.一种建立产品制造过程中质量波动源解释结构模型的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一：基于产品的结构、特性类型、装配方式，建立质量波动沿着产品结构树，依照“系统-分系统-组件-部件-零件”的路径进行分解传递的流程和积累方式；

所述的特性类型包括产品的计量特性、计数特性、单一特性和多元特性；

步骤二：基于对工艺要素、工艺过程、工艺输出参数、产品性能参数和产品可靠性5个维度，建立多参数、多工序的工艺系统的质量波动影响关系的拓扑结构模型；

所述工艺要素包括5M1E，即人、机、料、法、环、测要素；

所述工艺过程包括机械加工、化学过程、胶接、表面处理、装配过程；

所述工艺输出参数包括几何尺寸、形位公差、表面质量、残余应力、强度、金相组织参数；

所述产品性能参数包括抗腐蚀性、疲劳强度、互换性、耐磨性参数

所述产品可靠性的衡量指标包括产品寿命、平均故障间隔时间MTBF、平均维修时间MMT指标；

步骤三：基于质量波动影响关系的拓扑结构模型，利用因果图、故障树结构化质量工具建立有向图，进一步建立质量波动源邻接矩阵A；

所述的波动源邻接矩阵A，其元素a_ij对应不考虑循环的有向图节点之间的关系，定义如下：如果i＝j，则a_ij＝0；如果i≠j，则

式中，S_i,S_j∈因素集S＝{S₁,S₂,…,S_n}，a_ij表示波动因素Si(i＝1,2,…,n)与Sj(j＝1,2,…,n)两两之间的关系；

步骤四，基于波动源邻接矩阵A，利用布尔代数运算规则，建立质量波动源可达矩阵；

所述的布尔代数运算规则包括：布尔加：0+0＝0，1+1＝1，1+0＝1，0+1＝1；布尔乘：0×0＝0，l×1＝1，1×0＝0，0×1＝0；

所述的波动源邻接矩阵的求解过程如下：

令A₁＝(A+I)，这里，A为波动源邻接矩阵、I为单位矩阵；

计算A₂＝A₁ ²；以此类推，直到得到：A₁≠A₂≠…≠A_r-1＝A_r,r≤n-1，这里n为矩阵A的阶数，则A_r-1＝(A+I)＝R，矩阵R是一个n阶的0-1矩阵，称为波动源可达矩阵，其元素r_ij非0即1，是有向图可达路径的代数表征；

步骤五，基于波动因素S_i的可达集R(S_i)、前因集A(S_i)，求出多级递阶结构各层级的最高级要素集(L₀,L₁,L₂,L₃,…)，按照级间划分依次排列各要素，绘制有向图，建立波动源的结构模型；

所述的可达集R(S_i)＝{可达矩阵R的S_i行中所有r_ij＝1的列对应的要素，j＝1,2,…,n}；

所述的前因集A(S_i)＝{可达矩阵R的S_i列中所有r_ij＝1的行对应的要素，j＝1,2,…,n}；

所述的最高要素集：如果则R(S_i)为多级递阶结构的最高级要素集；

所述的多级递阶结构各层级的最高级要素集的求解步骤如下：

对于任一波动因素Sj的最高要素集L₀，将L₀各要素对应的行、列从可达矩阵R中删除，在剩下的可达矩阵中重新求得各要素的可达集、前因集、最高要素集(L₁)；依次类推，求得各层级(L₂,L₃,…)所包含的要素集。