多源多工序加工系統(tǒng)偏差流建模、診斷和控制系統(tǒng)研究.pdf

1、產(chǎn)品尺寸偏差是直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率和市場(chǎng)響應(yīng)時(shí)間等的最重要因素之一。復(fù)雜產(chǎn)品的加工系統(tǒng)往往是一個(gè)串行與并行相結(jié)合的多源多工序制造系統(tǒng)，最終產(chǎn)品質(zhì)量受到制造過(guò)程中所有工序上多個(gè)偏差源的影響。除了單個(gè)工序上的各種偏差外，不同工序間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，這些尺寸偏差不斷產(chǎn)生、增長(zhǎng)、消減、累積和傳遞，形成了最終產(chǎn)品的尺寸偏差。目前復(fù)雜零件的加工過(guò)程向著高精度、高效率、高可靠性的方向發(fā)展，其重要特征體現(xiàn)為制造過(guò)程的可預(yù)測(cè)性和可控性，制造系統(tǒng)的可

2、維護(hù)性和可診斷性。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在單工序尺寸偏差分析、診斷和控制方面已有大量研究成果，但很少?gòu)南到y(tǒng)層面上對(duì)歷經(jīng)多個(gè)工序尺寸偏差的累積傳遞過(guò)程進(jìn)行全面描述，同時(shí)缺乏有效的偏差源診斷和控制體系，未能實(shí)現(xiàn)尺寸偏差傳遞分析、預(yù)測(cè)、診斷、控制一體化。 本文以復(fù)雜多源多工序加工過(guò)程為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)尺寸偏差流建模、診斷和控制，為加工過(guò)程的質(zhì)量偏差預(yù)示與消減提供共性技術(shù)與方法，確保系統(tǒng)在高質(zhì)量控制模式下運(yùn)行。首先研究了多工序加工系統(tǒng)尺寸偏差流

3、分析與建模方法。通過(guò)將關(guān)鍵特征偏差映射為隨工序延展而不斷變化的狀態(tài)變量，研究如何將各工序之間偏差的影響關(guān)系向數(shù)學(xué)模型進(jìn)行映射，并描述偏差形成與傳遞關(guān)系、動(dòng)態(tài)變化及分析加工過(guò)程中偏差流流動(dòng)線路。然后對(duì)偏差源診斷體系進(jìn)行了研究。推導(dǎo)了多工序制造系統(tǒng)具有完全可診斷性的充分和必要條件；提出了局部可診斷系統(tǒng)可診斷能力的量化評(píng)價(jià)體系，并針對(duì)局部可診斷系統(tǒng)給出具體的提高偏差源診斷能力的措施；研究全面有效的多源多工序加工系統(tǒng)的偏差源診斷方法。最后設(shè)計(jì)了

4、尺寸偏差控制系統(tǒng)，基于產(chǎn)品測(cè)量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)多工序加工系統(tǒng)尺寸偏差控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并使用開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵產(chǎn)品特征數(shù)學(xué)模型，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)情況推導(dǎo)出相應(yīng)的控制法則和控制策略。 基于前人的研究成果和大量實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，本文在多工序加工系統(tǒng)尺寸偏差流建模、診斷和控制的研究中做出了以下具有創(chuàng)造性的研究工作： (1)建立了線性顯式表示的多源多工序加工系統(tǒng)尺寸偏差傳遞狀態(tài)空間模型，并將該模型擴(kuò)展到了串并聯(lián)多個(gè)偏差流加工系統(tǒng)中 在建立關(guān)鍵特

5、征分析的系統(tǒng)流程和算法基礎(chǔ)上，分析了多工序加工過(guò)程中的尺寸偏差傳遞規(guī)律。使用齊次變換方法，建立了關(guān)鍵產(chǎn)品特征狀態(tài)空間模型，并對(duì)狀態(tài)空間的工程含義、狀態(tài)向量、控制向量、觀測(cè)向量以及系統(tǒng)矩陣、控制矩陣和觀測(cè)矩陣進(jìn)行定義；通過(guò)對(duì)關(guān)鍵產(chǎn)品特征偏差、刀具路徑、定位基準(zhǔn)、測(cè)量基準(zhǔn)和夾具幾何關(guān)系的研究，線性顯式表達(dá)了零件的關(guān)鍵產(chǎn)品特征與各種偏差源之間的影響關(guān)系和動(dòng)態(tài)變化，解決了傳統(tǒng)方法難以給出偏差轉(zhuǎn)換與累積關(guān)系的線性和顯式表達(dá)的難題。將串聯(lián)制造系統(tǒng)單

6、個(gè)偏差流狀態(tài)空間模型擴(kuò)展到了串并聯(lián)混合式多個(gè)偏差流狀態(tài)空間模型。在已知零件的初始偏差、各種輸入偏差以及各工序所對(duì)應(yīng)的離散時(shí)間點(diǎn)上的系統(tǒng)矩陣、控制矩陣的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)計(jì)算各個(gè)工序上產(chǎn)品偏差的遞推算法，并給出了模型降維方法。推導(dǎo)出了每一道工序和每一條加工路線上產(chǎn)品偏差的均值和方差的計(jì)算公式。這些模型和方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法不能對(duì)多源多工序加工系統(tǒng)多個(gè)偏差流進(jìn)行有效建模的缺陷，增強(qiáng)了偏差流建模理論和制造系統(tǒng)建模理論。 (2)提出了多工序加工

7、系統(tǒng)可診斷性分析方法和基于狀態(tài)空間模型、估計(jì)理論與假設(shè)檢驗(yàn)的偏差源診斷方法 基于建立的狀態(tài)空間模型，解析出多工序制造系統(tǒng)具有完全可診斷性的充分必要條件，為優(yōu)化制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)和快速診斷出偏差源提供了理論基礎(chǔ)；并建立了局部可診斷系統(tǒng)的量化評(píng)價(jià)體系，解決了對(duì)局部可診斷的多源多工序加工系統(tǒng)進(jìn)行量化描述的問(wèn)題。然后提出了基于狀態(tài)空間模型、估計(jì)理論和先進(jìn)統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的偏差源診斷方法，該方法可以有效地診斷出多源多工序加工系統(tǒng)的偏差源，并為偏差源

8、診斷中大量引入線性控制理論和先進(jìn)統(tǒng)計(jì)學(xué)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 (3)建立了基于狀態(tài)空間模型的尺寸偏差控制系統(tǒng)，推導(dǎo)出了控制法則，建立了具體的控制策略 在引入奇異值分解、值空間、零空間等概念的基礎(chǔ)上，基于線性顯式狀態(tài)空間模型，針對(duì)“不同批次零件之間的控制”和“同一批次內(nèi)零件的控制”兩種生產(chǎn)情況提出了閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。利用奇異值分解理論推導(dǎo)出了多工序加工系統(tǒng)相應(yīng)的控制法則和控制策略，為產(chǎn)品尺寸偏差控制提供了新的理論依據(jù)和實(shí)踐參考