机电产品元动作单元建模及关键质量特性预测控制技术研究

发布时间：2018-12-12 20:32

【摘要】：针对我国机电产品质量长期存在的精度差、精度寿命短、性能波动大、故障频出等诸多问题,本文以机电产品为研究对象,以元动作单元(Meta-action Unit,MU)系统定义和全方位建模为基础,以精度、精度寿命、性能稳定性和可靠性(Precision,Accuracy Life,Performance Stablility and Reliability,PAPR)四大关键质量特性的预测控制为核心,采用“分解—分析—综合”的复杂大系统研究方法系统地研究了元动作单元的定义及建模、关键质量特性形成机理、质量特性融合控制机制以及基于元动作单元的整机质量特性耦合解耦技术、预测控制模型等关键科学问题,以数控机床作为典型案例进行了理论验证和应用,面向机电产品提出一套基于元动作单元的关键质量特性分析与预测控制方法,为从本质上保障机电产品整机质量提供理论和技术支撑。具体研究内容主要包括五个部分:(1)机电产品元动作单元定义及建模。确定了以元动作单元为基础的机电产品质量控制策略;介绍了“功能—运动—动作”(Function-Motion-Action,FMA)结构化分解方法,对机电产品元动作单元进行了系统的定义和分类,借助FMA树对整机质量特性向元动作单元质量特性进行了映射,以某国产加工中心托盘交换架为例进行了功能分析和FMA结构化分解,给出了整个加工中心的FMA树;对元动作单元工作过程和关键零件的性能退化过程进行了分析,给出了元动作单元的广义算子模型和基于质量特性退化的可靠性模型,并从运动学和动力学的角度对元动作单元进行了建模;在分析了不确定性概念和不确定性影响因素的基础上,对元动作单元具有的“渐进不确定性”和“突发不确定性”这两类质量特性的不确定性进行了定义及建模,并对质量波动和误差传递进行了分析和建模。(2)动作单元关键质量特性形成机理研究。对元动作单元寿命周期质量特性表征技术进行了研究,将质量功能展开(Quality Function Deployment,QFD)、失效模式及影响分析(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA)和模糊理论相结合构造出科学有效的提取模型提取出元动作单元的关键质量特性;对元动作单元的精度、精度寿命、性能稳定性和可靠性四个关键质量特性的形成机理进行了深入研究,从运动的角度提取出各个关键质量特性的表征指标,并分别对元动作单元的几何精度、运动精度、精度寿命、动态跟踪误差、稳态误差、信噪比、振动、间隙、可靠度、可靠性储备系数等质量特性指标进行了建模分析;采用模糊物元的方法对元动作单元进行了数学定义,以关键质量特性指标作为相似条件,通过计算元动作单元间的距离确定元动作单元的相似程度,用实际数据进行了分析和对比,证明了方法的正确性和可行性,为本文实例分析中的数据提供了保障。(3)元动作单元质量特性融合控制机制研究。研究了元动作单元内部质量特性融合关系及融合机制,分别对元动作单元质量特性结构域形成机制、过程域映射机制和时间域演化机制进行了分析;构建了元动作单元质量波动预测模型,利用最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine,LS-SVM)和质量波动传递函数对元动作单元多工序制造过程的质量波动进行了综合预测;分析了元动作单元关键质量特性之间的关联关系,运用相对熵的方法计算了其相互关联程度,得出了质量特性关联关系矩阵,为进行元动作单元质量溯源提供了依据;研究了元动作单元质量追踪溯源技术,分析了元动作单元质量追溯流程,对元动作单元质量追溯系统进行了设计,包括功能模块设计和总体结构框架设计。(4)基于元动作单元的整机质量特性耦合解耦技术研究。将机电产品整机质量特性的复杂耦合约束关系分解为各单元间质量特性的耦合约束关系,基于FMA树质量特性映射图得到FMA树质量特性耦合关系图及其简化模型,分析了单元质量特性之间的相互耦合作用,对单元质量特性的同代匹配特性和异代匹配特性进行了研究,构建了整机质量特性耦合约束模型;通过分别计算单元的同代匹配耦合强度、异代匹配耦合强度,最后得出了单元间质量特性的综合耦合强度;在此基础上进行了基于元动作单元的整机质量特性解耦规划,将单元质量特性综合耦合强度引入到设计结构矩阵(Design Structure Matrix,DSM)中,处理后得到基于耦合强度的模糊DSM,再采用多学科优化设计(Multidisplanary Design Optimization,MDO)的思想对质量特性进行规划,得出了质量特性优化控制顺序。(5)基于元动作单元的整机质量特性预测控制技术研究。从元动作单元层的质量预测控制入手,通过预测控制单元级的质量实现对机电产品整机质量的控制,采用自适应变步长BP神经网络(Adaptive Variable Step Size Back Propagation Network,ABPM)预测方法通过输入下层单元质量特性对上层单元质量特性满意度进行了预测,构建了质量特性ABPM预测模型及预测流程,利用MATLAB对实例进行了分析计算,证明了方法的有效性;对质量特性状态空间预测控制的基本原理进行了分析,建立了单元质量特性状态空间模型,以“分解—联合”的方式构建了基于元动作单元的整机大系统多重广义算子模型和整机质量特性多层状态空间模型;设计和开发了基于元动作单元的机电产品故障分析诊断系统,可以对机电产品运行质量特性状态进行监测和评估并对元动作单元故障进行分析诊断,以数控机床为例,给出了系统运行界面,证明了系统的实用性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH-39;TH186

【参考文献】