[发明专利]基于耦合运行因素的多工序制造系统功能健康状态建模方法

说明书

本发明提供一种基于耦合运行因素的多工序制造系统功能健康状态建模方法，具体步骤是：一、分析制造系统的耦合运行机理及对功能健康的影响；二、识别用户需求并确定关键质量特征；三、建立工件持续磨损下的机器可靠性模型；四、分析机器的任务执行状态并计算工件输出合格率；五、分析机器的加工能力与工序子需求的关系；六、基于机器故障分析加工能力状态的概率分布；七、估算工序的各级别子任务需求的概率分布；八、计算各道工序的功能健康状态；九、构建多工序制造系统的功能健康动态量化模型。该方法能够更全面、综合地评价多工位制造系统的复杂退化机制，在制造系统的生产调度和预测性维修方面具有良好的使用价值。

技术领域

本发明提供了一种基于耦合运行因素的多工序制造系统功能健康状态建模方法，属于系统健康状态分析与建模技术领域。

背景技术

随着大数据和数字化建模技术的成熟，德国工业4.0等一系列规划相继被提出，为制造业的高速发展注入了活力。智能化的提升使制造系统的复杂性日益提高，现代制造系统是一个典型多态多工序的复杂系统，持续稳定的产出高可靠的产品是其核心任务及功能。因此，评估制造系统的健康状态不再以制造设备的故障诊断为核心，而是将实现用户价值作为整体运行的焦点。这意味着需要从功能实现的角度展开，将内部的一系列耦合运行因素纳入整体预测的范畴。严格的质量与可靠性分析已经成为制造系统设计、运行及维护管理所必须考虑的一项重要工作。但传统的状态建模技术受限于从单一的维度进行考虑，导致对其运行过程中功能健康状态的分析能力有限，不能科学、准确地满足当今对复杂系统整体的故障预测与健康管理的运维需求。

多工序制造系统是指在规定的任务下，通过多道加工工序对输入物料进行加工的动态系统。换言之，多工序制造系统是生产任务、加工机器和输出工件的有机整体。从构成要素上看，一个制造系统在运行过程中会表现出一种明显的功能退化和失效特征。由于预防、维修技术的高速发展，大部分导致停机的设备故障已经可以避免。所以，输出产品作为衡量制造系统效能最直观的反馈，是评估系统级功能实现的可靠载体。但在以往的研究中大多只考虑物理层面的故障与退化，或将产品的评估指标定义为“合格”与“不合格”的二元状态。本发明将制造系统的功能健康状态定义为在规定的条件和时间内，以输出高质量的产品为前提，完成用户规定的生产任务的能力。功能健康状态是可靠性概念的延伸，聚焦于一方面产出用户需要的产品数量，另一方面是要保障产品的出厂质量。

加工机器作为制造系统的基本物理单元，经常受到外部磨损和老化等影响，加之以故障模式的多样性，导致机器的性能和批量生产能力往往呈现出多态性退化特征。而在现今小批量、定制化为主的宏观背景下，不同的生产周期中往往具有不同层次的任务标准，在特定的任务下对制造系统进行分析的理念逐渐流行。尽管机器性能时刻处于退化状态，但在动态的任务需求中可靠性水平也会随之波动。高质量的产品是所有企业所追求的目标。工件作为产品的中间形式，会在工序流的加工和装配过程中不断传递，工件的合格标准由工序对应的关键质量特征决定。当加工机器退化到无法达到关键质量特征所要求的尺寸或精度时，即使机器仍然能够运行并执行预设的加工动作，但其综合的健康水平显然已降低到规范阈值以下。一台机器除本身老化和环境噪声影响外，来自上游的关键质量特征意外偏差也会加剧该机器的磨损。换句话说，关键质量特征的合格程度直接决定了工件的质量，并间接影响每道工序的任务执行状态。

上述的复杂耦合效应是鲜有研究全面考虑到的，但却是真实生产过程中客观存在的现象。针对此问题，本专利开发了一种针对耦合运行过程因素的多工序制造系统功能健康状态建模方法。旨在从制造系统的耦合运行机制为出发点，以功能保障为核心，重新定义多工序制造系统健康状态的新内涵；深入分析制造系统的设备性能退化、任务执行状态与工件质量缺陷间的交互关系，并尝试量化这种耦合效应以及建立一个集成模型来预测多工序制造系统的功能健康状态。本发明适用于多工序制造系统的功能健康状态退化过程预测，对制造企业的预防维修决策与健康管理具有指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于耦合运行因素的多工序制造系统功能健康状态建模方法；