數(shù)控機(jī)床裝配質(zhì)量建模與診斷技術(shù)研究.pdf

1、針對國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在精度、精度壽命、可靠性（Precision，Accuracy-lifetime，and Reliability，PAR）三個關(guān)鍵質(zhì)量特性尤其是后兩個特性落后于國外機(jī)床而導(dǎo)致的高檔數(shù)控機(jī)床嚴(yán)重依賴進(jìn)口的問題，論文以精密臥式加工中心裝配過程為研究對象，以提高機(jī)床的PAR水平為目標(biāo)，在對數(shù)控機(jī)床服役過程中的譜系進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，自頂向下（Top-Down）化繁為簡，進(jìn)行“譜系-功能-運(yùn)動-動作”（Pedigree-Funct

2、ions-Movement-Action，PFMA）的結(jié)構(gòu)化分解，將機(jī)床的功能結(jié)構(gòu)分解至最基本的元動作層，定義元動作裝配單元，并以元動作裝配單元為對象分別對數(shù)控機(jī)床的裝配精度、精度壽命及可靠性進(jìn)行深入研究，建立裝配質(zhì)量模型，并對裝配質(zhì)量進(jìn)行診斷和評估。具體研究內(nèi)容包括：
　?、俳?shù)控機(jī)床PFMA結(jié)構(gòu)化分解方法。為了滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工對象和工況多變、載荷多變、故障模式繁多的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量提升的需要，建立了表征機(jī)床工作狀態(tài)的譜系（零件

3、譜、工況譜、載荷譜、功能譜、故障譜）結(jié)構(gòu)，以機(jī)床的功能和運(yùn)動為核心，提出 PFMA結(jié)構(gòu)化分解方法，確定其思路與原則，以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣（Design Structure Matrix，DSM）和領(lǐng)域映射矩陣（Domain Mapping Matrix，DMM）作為分解計(jì)算模型，通過分解得到最基本的元動作，以元動作為基礎(chǔ)定義元動作裝配單元作為研究裝配質(zhì)量基本單位。對THM6380加工中心整機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化分解，采用DMM和DSM計(jì)算，通過聚類劃

4、分最后得到元動作92個，并形成了相對應(yīng)的元動作裝配單元。
　?、谘芯苛嗽獎幼餮b配單元的裝配精度。從機(jī)床元動作裝配單元的裝配誤差源與誤差的傳遞機(jī)理分析著手，基于齊次坐標(biāo)變換構(gòu)建了元動作裝配單元的零件位置誤差、零件形狀誤差、裝配位置誤差三類誤差的數(shù)學(xué)模型，面向元動作裝配單元誤差傳遞及裝配功能表達(dá)構(gòu)建了誤差傳遞鏈接圖和誤差傳遞鏈接網(wǎng)絡(luò)來表達(dá)誤差的傳遞規(guī)律；并對元動作裝配單元的裝配誤差量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析與計(jì)算，構(gòu)建了元動作裝配單元的單個方向

5、與多個方向裝配功能要求的裝配精度預(yù)測模型與評價(jià)方法。以蝸桿轉(zhuǎn)動元動作裝配單元的裝配為例對所建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
　?、垩芯苛嗽獎幼餮b配單元的精度壽命。對機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)（滾珠絲杠副）、導(dǎo)軌副等對機(jī)床的精度壽命起關(guān)鍵作用的元動作裝配單元進(jìn)行了 FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）分析，找出裝配過程中引起進(jìn)給系統(tǒng)精度衰退的主要因素，建立進(jìn)給系統(tǒng)的精度壽命計(jì)算公式。通過裝配完成的伺服進(jìn)給

6、系統(tǒng)模擬工況試驗(yàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)研究進(jìn)給系統(tǒng)定位精度失效與累積跑合行程的關(guān)系，采用兩參數(shù)威布爾分布模型對進(jìn)給系統(tǒng)的精度壽命進(jìn)行了分析，通過對進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的測量與離散化處理，證實(shí)定位精度在其行程軸內(nèi)的分布符合威布爾分布的規(guī)律；基于AMSAA（Army Materiel System Analysis Activity）冪律模型的非齊次泊松過程建立了進(jìn)給系統(tǒng)定位精度壽命預(yù)測模型，推導(dǎo)出進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的預(yù)測公式；給出了進(jìn)給系統(tǒng)裝配過程中提高精度

7、壽命的具體措施。
　?、苎芯苛嗽獎幼餮b配單元的裝配可靠性。在對元動作裝配單元進(jìn)行故障樹分析（Fault Tree Analysis, FTA）基礎(chǔ)上，結(jié)合“功能—運(yùn)動—動作”的映射關(guān)系，建立元動作模塊化故障樹模型，利用ITE（If-Then-Else,ITE）結(jié)構(gòu)化分析方法實(shí)現(xiàn)從模塊化故障樹到二元決策圖的轉(zhuǎn)化和優(yōu)化，建立了“元動作”粒度的布爾結(jié)構(gòu)函數(shù)；構(gòu)建了表示元動作與元動作裝配單元性能屬性的多維動態(tài)映射關(guān)系的四元組模型。以THM

8、6380托盤交換架為例，對托盤交換架的裝配可靠度進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了該建模方法的可行性和有效性。
　?、輰φ麢C(jī)的裝配質(zhì)量診斷與評估進(jìn)行了研究。針對數(shù)控機(jī)床裝配質(zhì)量異常模式和異常原因之間的模糊不確定性，基于模糊關(guān)系矩陣與異常模式隸屬度構(gòu)建了表示裝配質(zhì)量異常與異常源間的模糊關(guān)系方程，采用改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) BP（Error Back-Propagation Algorithm，BP）算法將模糊關(guān)系方程的求解轉(zhuǎn)化為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)問題，建立求解模糊關(guān)

9、系方程近似解的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，確定算法的相關(guān)參數(shù)；建立了基于模糊關(guān)系方程BP求解的裝配質(zhì)量異常診斷方案，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)控機(jī)床裝配質(zhì)量異常誘發(fā)異因的詳細(xì)診斷。利用對數(shù)線性比例強(qiáng)度模型（Log-linear proportional intensity model，LPIM）評定數(shù)控機(jī)床的裝配質(zhì)量，建立了故障時間的對數(shù)線性比例強(qiáng)度函數(shù)式。用極大似然估計(jì)法和Fisher信息矩陣法給出模型參數(shù)的點(diǎn)估計(jì)與區(qū)間估計(jì)，給出機(jī)床可靠性指標(biāo)的點(diǎn)估計(jì)和基于Del