設計可靠度分析概述

前言
早期進行機台結構設計時，係透過基於前人經驗法則的安全係數進行設計，這樣的方法導致設計的結果時常過於保守。此外，影響結構特性的因素除了包含負載、結構尺寸、材料特性等以外，同樣的設計條件下也會因加工、組裝的誤差導致結果不一，因此難以用定值的方式呈現其樣態，而定值的安全係數並不適合作為評定結構可靠度的依據。結構可靠度分析主要根據機率統計理論來確認結構設計的可行性，結合材料、負載、零組件特性變化等因素的隨機特性，將結構的特性以隨機變數表示，進而計算其可靠度。
可靠度分析在工具機設計階段之應用
工具機結構可靠度分析整合了工具機與機率統計兩者專業知識，一共分為三個步驟，首先透過設計失效模式與效應分析(DFMEA)進行因素篩選；其二，因素之敏感性分析與建立數學簡化模型；其三，工具機可靠度分析，如有需要則再進行可靠度設計最佳化。另外目前業界普遍使用有限元素分析軟體於工具機的開發設計與評估，在此流程中將藉由有限元素軟體的模擬結果協助建立工具機結構性能的數學模型。圖1為工具機整機可靠度分析流程架構。

圖1 工具機整機可靠度分析流程架構

設計失效模式與效應分析(DFMEA)
設計失效模式與效應分析(DFMEA)是一種預防性的可靠度分析方法，在設計階段評估造成工具機系統失效的原因與影響，並提出建議改進措施。從訂定失效的目標，如靜態變形、精度、振動量、熱變位、故障，並以此目標作為判斷的依據來進行失效模式、失效原因、失效效應及關鍵性指標分析。
所謂的失效就是實際的表現達不到預期的功能或目標設定，當失效的機率愈高則代表可靠度愈差。透過DFMEA的表格，逐一彙整列出整機、系統、次系統、零組件的失效模式與效應，藉以評估相對影響較高的關鍵因素。以工具機的定位精度而言，機台的架構型式、結構剛性、傳動系統的軸承配置、螺帽剛性、環境溫度的變化、進給系統的溫昇等等都是可能造成定位精度失效的因素，由於設計失效模式與效應分析較仰賴專家知識，因此，從設計、組裝、加工、品保檢驗等不同的面向同時去考量，可使分析結果更接近於真實的狀況。