一种考虑制造质量偏差数据的产品早期故障率估算方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供了一种考虑制造质量偏差数据的产品早期故障率估算方法，属于可靠 性建模与分析技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着全系统，全寿命，全特性质量意识的不断深化，可靠性管理作为质量控制的重 要补充，愈来愈受到企业的重视并成为学者研究的重点。面向制造产品，可靠性理论和方法 往往集中关注产品本身的寿命特征，分析产品的不同失效模式和失效率函数的变化特点， 进而根据失效率变化的不同模式指导企业设计和制造的同时，助力顾客更好的展开针对性 的后期维修和保养。
[0003] 由制造系统可靠性（Reliability，R)、制造过程质量（Quality，Q)和产品可靠性 (Reliability，R)组成的QR扩展链即RQR链被认为是保证并进一步优化产品可靠性的客 观制造环境。系统层面，RQR链的高质量传输，一方面实现了产品由最初原材料，经工艺加 工、装配，到最终具有性能和功能综合集成的成品的从无到有，另一方面保证了产品设计阶 段质量和可靠性指标的无损传递和继承。设计一定时，立足上游，RQR链认为产品可靠性取 决于制造系统可靠性和制造过程质量的高低；立足下游，不同的使用或试验环境、操作习惯 甚至测量方法都会对产品可靠性产生重大影响。制造末端直接输出的产品在投入使用的初 期阶段，常常是顾客感知产品品质优劣并形成消费信任的关键阶段。早期故障阶段，产品逐 渐暴露出由设计因素、制造因素、材料因素等系列问题引发的缺陷，呈现较高的故障率，并 具有迅速下降的趋势特征，可靠性水平不断逼近设计可靠性目标，对正常使用阶段的故障 率影响重大。如何实现产品早期故障率的估算及有效的早期故障率的控制与优化成为国际 可靠性工程领域公认的科学难题。
[0004] 现阶段早期故障率的研究更多的关注可靠性寿命试验数据、用户使用或维修记录 的故障数据，进而估算浴盆曲线早期故障率分布以确定和完善相关维修策略。针对已有研 究思路并不能从使用前端消除质量缺陷于萌芽状态以控制早期故障率水平的局限性，本专 利通过关注浴盆曲线中与制造质量与可靠性水平密切相关的早期故障阶段的失效率曲线， 挖掘在制造阶段积累的质量数据，分析制造质量偏差对制造缺陷的影响关系，进而结合制 造阶段的质量管控措施尽量减少并控制制造缺陷以达到事前预防早期故障率到可接受的 可靠性水平，从根本上弥补传统意义上通过产品使用前磨合和筛选暴露缺陷使得产品故 障率降低到正常状态的事后补救的不足。面向产品全寿命周期的失效特点，顾客对早期失 效的敏感性，决定了开展传统浴盆曲线中早期故障阶段失效机理和规律研究及早期故障率 估算的重要性和迫切性。为此，本发明给出了一种考虑制造质量偏差数据的产品早期故障 率估算方法，用于评估制造过程质量偏差效应对产品早期故障率的影响。
【发明内容】
[0005] (1)本发明的目的：针对以往基于可靠性试验或使用故障数据的早期故障率曲线 研究仅关注于确定和完善产品的维修政策，本发明提供一种新的产品早期故障率估算方 法一一一种考虑制造质量偏差数据的产品早期故障率估算方法。以缺陷和故障的事前预防 为视角，充分考虑并重视制造过程质量偏差信息与传统可靠性数据的信息融合，通过量化 控制过程质量来控制浴盆曲线早期失效阶的故障率水平。在RQR链的背景下，建立起定量 描述制造过程质量偏差影响产品早期故障率的机理模型，讨论各级偏差对早期故障率变化 的影响效应，从而明晰制造过程偏差影响产品可靠性的机理，为优化过高的早期故障率明 确了改进及控制的方向。本发明充分重视制造过程质量波动的偏差累积效应，弥补了传统 早期故障率评估对根源性缺陷的预防性监控空缺，能够避免产品早期故障率被乐观估算、 导致过高的客户投诉率的问题。
[0006] (2)技术方案：
[0007] 本发明是一种考虑制造质量偏差数据的产品早期故障率估算方法，提出的基本假 设如下：
[0008] 假设1经典的5M1E(人、机、料、法、环、测）质量波动源无法展开系统的定量性监 控。
[0009] 假设2由零件级偏差，组件级偏差和系统级偏差组成的制造过程三层级质量偏差 结构模型是合理有效的。
[0010] 假设3最底层零件级偏差可选用零件含非致命性缺陷加以表征。
[0011] 假设4中间层组件级偏差可用组件不合格刻画。
[0012] 假设5最顶层系统级偏差可定位到多工位系统中最为关键的装配误差上。
[0013] 假设6结构偏差模型的层级间存在正相关关系，可用二元Gumbel Copula函数对 各关系层级的相关结构进行建模。
[0014] 假设7产品早期故障率变化综合模型的参数分析主要基于两参数Weibull分布展 开。
[0015] 基于上述假设，本发明一种考虑制造质量偏差数据的产品早期故障率估算方法， 其具体步骤如下：
[0016] 步骤1构建三层级质量偏差表达模型；
[0017] 步骤2量化考虑了零件含非致命性缺陷的被制造产品的固有可靠度水平；
[0018] 步骤3建立零件级质量偏差相关的可靠度函数；
[0019] 步骤4量化考虑了层级间正相关关系的含不合格组件的产品固有可靠度水平；
[0020] 步骤5建立组件级质量偏差相关的可靠度函数；
[0021] 步骤6量化考虑了层级间正相关关系的含装配误差的产品固有可靠度水平；
[0022] 步骤7建立系统级质量偏差相关的可靠度函数；
[0023] 步骤8集成化构建考虑偏差综合效应的产品早期故障率变化综合模型。
[0024] 其中，步骤1中所述的构建三层级质量偏差表达模型，是指从系统论角度自下而 上将制造质量偏差划分为零件级偏差，组件级偏差和系统级偏差三个层次。其中，最底层零 件级偏差选用零件含非致命性缺陷表征，中间层组件级偏差以组件不合格刻画，最顶层系 统级偏差则定位到多工位系统中最为关键的装配误差上。考虑不同类别偏差对产品固有可 靠性作用机理的差异，各层级的偏差效应以各自的发生概率P，q和s分别加以量化。
[0025] 其中，步骤2中所述的量化考虑了零件含非致命性缺陷的被制造产品的固有可靠 度水平Rp (t) = I-P⑴是指，在所有致命性缺陷被剔除且非致命性缺陷的个数为Nncinfatal = m的前提下，非致命性缺陷在时间t前不会被激发的概率，BP
[0026]
[0027] 这里，N表示面积为A且缺陷密度为D的零件上，过程质量偏差所导致的制造缺陷 总数；Θ表示缺陷为致命性缺陷的可能性大小；仏表示时间t前，非致命性缺陷被激发产生 故障的可能性大小。一般的，制造缺陷总数N服从参数为λ的泊松分布，而 Pt通常被假定 为Pt= Ι-e \基于此，被制造产品的可靠性RP(t)被表示为&⑷
[0028] 其中，步骤3中所述的建立零件级质量偏差相关的可靠度函数R1U)为R1U)= (l-p)R〇(t)+pRp(t)。这里，p(0 < p < 1)为零件含非致命性缺陷的发生概率，RQ(t)为给定 的设计&使用相关的产品固有可靠度分布。
[0029] 其中，步骤4中所述的量化考虑了层级间正相关关系的含不合格 组件的产品固有可靠度水平是指考虑来自零件级偏差与组件级偏差的正相 关 关系， 选用 Farlie-Gumbel-Morgenstern bivariate distribution 函 数对组件级质量偏差相关的失效分布C(t)进行修正，得到联合失效分布
，对应组件级质量偏差相关的可靠 度函数为A =卜C (/;叫）
[0030] 其中，步骤5中建立的组件级质量偏差相关的可靠度函 数R2(t)与考虑零件级偏差的可靠度函数R 1U)具有类似的混合形式为
。这里，q(〇彡q彡1)为组件级 质量偏差的发生概率。
[0031] 其中，步骤6的量化考虑了层级间正相关关系的含装配误差的产品固有 可靠度水平是指再次利用 Farlie-Gumbel-Morgenstern bivariate distribution 函数对系统级质量偏差相关的失效分布S(t)进行修正，得到联合失效分布
，对应系统级质量偏差相关的可靠 度函数为
。
[0032] 其中，步骤7中建立系统级质量偏差相关的可靠度函数以竞争风险的模式存在， 表现为
1这里，s (〇 < s < 1)为系统级质量偏差发生的 概率。
[0033] 其中，步骤8中，在集成化构建考虑偏差综合效应的产品早期故障率变化综 合模型即集成了偏差效应中的混合机制和竞争风险机制后，考虑偏差综合效应的产 品早期故障率变化综合模型R 4⑴为R4 (t) = {(1-q) [ (1-p) R。(t) +pRP (t) ] +qRc⑴} a-sRs(t))。进一步的，考虑制造质量偏差效应的早期故障率λ4α)可被量化为
[0034] (3)本发明所述的一种考虑制造质量偏差数据的产品早期故障率估算方法，其使 用方法如下：
[0035] 步骤1对产品的设计&使用相关的失效分布匕⑴，组件级质量偏差相关 的失效分布C(t)及系统级质量偏差相关的失效分布S(t)进行寿命分布的判定，常 选用可靠性分析中最常用的两参数Weibull分布，零件级质量偏差相关的失效分布
3.
[0036] 这里，设计&使用相关的失效分布Fjt ; α。，β。)，对应尺度参数α。> 〇,形状参数 β。> 1，表示理想状态下失效率随时间递增；组件级偏差相关的失效分布C(t ; a i，β J对 应尺度参数〇 < α α。即特征寿命低于设计标准，形状参数则有β 1彡β。> I ;系统级 偏差相关的失效分布S(t;a2, β2)同样对应尺度参数〇< α2< α。，而形状参数〇< <1表明失效率随时间递减。
[0037] 步骤2给定偏差间关联程度的大小，基于双变量Farlie-Gumbel-Morgenstern分 布得到修正组件级偏差相关的失效分布C (t ; a i，β D。
[0038] 步骤3基于步骤2确定的Cda1, P1),同样基于双变量 Farlie-Gumbel-Morgenstern分布得到修正系统级偏差相关的失效分布S (t ; a 2，β 2)。
[0039] 步骤4建立通用的偏差综合效应可靠度模型。
[0040] 步骤5基于所建立可靠度模型与失效率的函数关系，建立早期故障率变化综合模 型。
[0041] 步骤6讨论所估算的早期故障率曲线。
[0042] (4)优点和功效：
[0043] 本发明是一种考虑制造质量偏差数据的产品早期故障率估算方法，其优点是：
[0044] i.本发明提出的三层级制造质量偏差