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数控机床装配质量建模与诊断技术研究

李冬英  
【摘要】:针对国产数控机床在精度、精度寿命、可靠性(Precision,Accuracy-lifetime,and Reliability,PAR)三个关键质量特性尤其是后两个特性落后于国外机床而导致的高档数控机床严重依赖进口的问题,论文以精密卧式加工中心装配过程为研究对象,以提高机床的PAR水平为目标,在对数控机床服役过程中的谱系进行研究的基础上,自顶向下(Top-Down)化繁为简,进行“谱系-功能-运动-动作”(Pedigree-Functions-Movement-Action,PFMA)的结构化分解,将机床的功能结构分解至最基本的元动作层,定义元动作装配单元,并以元动作装配单元为对象分别对数控机床的装配精度、精度寿命及可靠性进行深入研究,建立装配质量模型,并对装配质量进行诊断和评估。具体研究内容包括: ①建立数控机床PFMA结构化分解方法。为了满足结构复杂、加工对象和工况多变、载荷多变、故障模式繁多的数控机床质量提升的需要,建立了表征机床工作状态的谱系(零件谱、工况谱、载荷谱、功能谱、故障谱)结构,以机床的功能和运动为核心,提出PFMA结构化分解方法,确定其思路与原则,以设计结构矩阵(Design Structure Matrix,DSM)和领域映射矩阵(Domain Mapping Matrix,DMM)作为分解计算模型,通过分解得到最基本的元动作,以元动作为基础定义元动作装配单元作为研究装配质量基本单位。对THM6380加工中心整机进行了结构化分解,采用DMM和DSM计算,通过聚类划分最后得到元动作92个,并形成了相对应的元动作装配单元。 ②研究了元动作装配单元的装配精度。从机床元动作装配单元的装配误差源与误差的传递机理分析着手,基于齐次坐标变换构建了元动作装配单元的零件位置误差、零件形状误差、装配位置误差三类误差的数学模型,面向元动作装配单元误差传递及装配功能表达构建了误差传递链接图和误差传递链接网络来表达误差的传递规律;并对元动作装配单元的装配误差量进行了统计分析与计算,构建了元动作装配单元的单个方向与多个方向装配功能要求的装配精度预测模型与评价方法。以蜗杆转动元动作装配单元的装配为例对所建立的模型进行了验证。 ③研究了元动作装配单元的精度寿命。对机床进给系统(滚珠丝杠副)、导轨副等对机床的精度寿命起关键作用的元动作装配单元进行了FMEA(FailureMode and Effects Analysis,FMEA)分析,找出装配过程中引起进给系统精度衰退的主要因素,建立进给系统的精度寿命计算公式。通过装配完成的伺服进给系统模拟工况试验现场数据研究进给系统定位精度失效与累积跑合行程的关系,采用两参数威布尔分布模型对进给系统的精度寿命进行了分析,通过对进给系统定位精度的测量与离散化处理,证实定位精度在其行程轴内的分布符合威布尔分布的规律;基于AMSAA(Army Materiel System Analysis Activity)幂律模型的非齐次泊松过程建立了进给系统定位精度寿命预测模型,推导出进给系统定位精度的预测公式;给出了进给系统装配过程中提高精度寿命的具体措施。 ④研究了元动作装配单元的装配可靠性。在对元动作装配单元进行故障树分析(Fault Tree Analysis, FTA)基础上,结合“功能—运动—动作”的映射关系,建立元动作模块化故障树模型,利用ITE(If-Then-Else,ITE)结构化分析方法实现从模块化故障树到二元决策图的转化和优化,建立了“元动作”粒度的布尔结构函数;构建了表示元动作与元动作装配单元性能属性的多维动态映射关系的四元组模型。以THM6380托盘交换架为例,对托盘交换架的装配可靠度进行了计算,验证了该建模方法的可行性和有效性。 ⑤对整机的装配质量诊断与评估进行了研究。针对数控机床装配质量异常模式和异常原因之间的模糊不确定性,基于模糊关系矩阵与异常模式隶属度构建了表示装配质量异常与异常源间的模糊关系方程,采用改进的神经网络BP(ErrorBack-Propagation Algorithm,BP)算法将模糊关系方程的求解转化为神经网络问题,建立求解模糊关系方程近似解的神经网络算法,确定算法的相关参数;建立了基于模糊关系方程BP求解的装配质量异常诊断方案,实现了对数控机床装配质量异常诱发异因的详细诊断。利用对数线性比例强度模型(Log-linear proportionalintensity model,LPIM)评定数控机床的装配质量,建立了故障时间的对数线性比例强度函数式。用极大似然估计法和Fisher信息矩阵法给出模型参数的点估计与区间估计,给出机床可靠性指标的点估计和基于Delta法的区间估计,对在可靠性驱动装配工艺下装配完成的4台机床的可靠性进行评估,采用似然比检验方法对时间趋势和修复功效的显著性进行了检评。评估结果表明机床故障强度整体呈下降趋势,其可靠性得到了显著改善与提高。


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