數(shù)控機床裝配質量建模與診斷技術研究.pdf

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

2、ions-Movement-Action，PFMA）的結構化分解，將機床的功能結構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)控機床的裝配精度、精度壽命及可靠性進行深入研究，建立裝配質量模型，并對裝配質量進行診斷和評估。具體研究內容包括：
　　①建立數(shù)控機床PFMA結構化分解方法。為了滿足結構復雜、加工對象和工況多變、載荷多變、故障模式繁多的數(shù)控機床質量提升的需要，建立了表征機床工作狀態(tài)的譜系（零件

3、譜、工況譜、載荷譜、功能譜、故障譜）結構，以機床的功能和運動為核心，提出 PFMA結構化分解方法，確定其思路與原則，以設計結構矩陣（Design Structure Matrix，DSM）和領域映射矩陣（Domain Mapping Matrix，DMM）作為分解計算模型，通過分解得到最基本的元動作，以元動作為基礎定義元動作裝配單元作為研究裝配質量基本單位。對THM6380加工中心整機進行了結構化分解，采用DMM和DSM計算，通過聚類劃

4、分最后得到元動作92個，并形成了相對應的元動作裝配單元。
　　②研究了元動作裝配單元的裝配精度。從機床元動作裝配單元的裝配誤差源與誤差的傳遞機理分析著手，基于齊次坐標變換構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)學模型，面向元動作裝配單元誤差傳遞及裝配功能表達構建了誤差傳遞鏈接圖和誤差傳遞鏈接網絡來表達誤差的傳遞規(guī)律；并對元動作裝配單元的裝配誤差量進行了統(tǒng)計分析與計算，構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測模型與評價方法。以蝸桿轉動元動作裝配單元的裝配為例對所建立的模型進行了驗證。
　?、垩芯苛嗽獎幼餮b配單元的精度壽命。對機床進給系統(tǒng)（滾珠絲杠副）、導軌副等對機床的精度壽命起關鍵作用的元動作裝配單元進行了 FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）分析，找出裝配過程中引起進給系統(tǒng)精度衰退的主要因素，建立進給系統(tǒng)的精度壽命計算公式。通過裝配完成的伺服進給

6、系統(tǒng)模擬工況試驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)研究進給系統(tǒng)定位精度失效與累積跑合行程的關系，采用兩參數(shù)威布爾分布模型對進給系統(tǒng)的精度壽命進行了分析，通過對進給系統(tǒng)定位精度的測量與離散化處理，證實定位精度在其行程軸內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給系統(tǒng)定位精度壽命預測模型，推導出進給系統(tǒng)定位精度的預測公式；給出了進給系統(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行故障樹分析（Fault Tree Analysis, FTA）基礎上，結合“功能—運動—動作”的映射關系，建立元動作模塊化故障樹模型，利用ITE（If-Then-Else,ITE）結構化分析方法實現(xiàn)從模塊化故障樹到二元決策圖的轉化和優(yōu)化，建立了“元動作”粒度的布爾結構函數(shù)；構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行了計算，驗證了該建模方法的可行性和有效性。
　?、輰φ麢C的裝配質量診斷與評估進行了研究。針對數(shù)控機床裝配質量異常模式和異常原因之間的模糊不確定性，基于模糊關系矩陣與異常模式隸屬度構建了表示裝配質量異常與異常源間的模糊關系方程，采用改進的神經網絡 BP（Error Back-Propagation Algorithm，BP）算法將模糊關系方程的求解轉化為神經網絡問題，建立求解模糊關

9、系方程近似解的神經網絡算法，確定算法的相關參數(shù)；建立了基于模糊關系方程BP求解的裝配質量異常診斷方案，實現(xiàn)了對數(shù)控機床裝配質量異常誘發(fā)異因的詳細診斷。利用對數(shù)線性比例強度模型（Log-linear proportional intensity model，LPIM）評定數(shù)控機床的裝配質量，建立了故障時間的對數(shù)線性比例強度函數(shù)式。用極大似然估計法和Fisher信息矩陣法給出模型參數(shù)的點估計與區(qū)間估計，給出機床可靠性指標的點估計和基于Del