機電產(chǎn)品元動作單元建模及關(guān)鍵質(zhì)量特性預(yù)測控制技術(shù)研究.pdf

1、針對我國機電產(chǎn)品質(zhì)量長期存在的精度差、精度壽命短、性能波動大、故障頻出等諸多問題，本文以機電產(chǎn)品為研究對象，以元動作單元（Meta-action Unit,MU）系統(tǒng)定義和全方位建模為基礎(chǔ)，以精度、精度壽命、性能穩(wěn)定性和可靠性（Precision，Accuracy Life,Performance Stablility and Reliability,PAPR）四大關(guān)鍵質(zhì)量特性的預(yù)測控制為核心，采用“分解—分析—綜合”的復(fù)雜大系統(tǒng)研究方

2、法系統(tǒng)地研究了元動作單元的定義及建模、關(guān)鍵質(zhì)量特性形成機理、質(zhì)量特性融合控制機制以及基于元動作單元的整機質(zhì)量特性耦合解耦技術(shù)、預(yù)測控制模型等關(guān)鍵科學(xué)問題，以數(shù)控機床作為典型案例進(jìn)行了理論驗證和應(yīng)用，面向機電產(chǎn)品提出一套基于元動作單元的關(guān)鍵質(zhì)量特性分析與預(yù)測控制方法，為從本質(zhì)上保障機電產(chǎn)品整機質(zhì)量提供理論和技術(shù)支撐。具體研究內(nèi)容主要包括五個部分：
　　①機電產(chǎn)品元動作單元定義及建模。確定了以元動作單元為基礎(chǔ)的機電產(chǎn)品質(zhì)量控制策略；介

3、紹了“功能—運動—動作”（Function-Motion-Action,FMA）結(jié)構(gòu)化分解方法，對機電產(chǎn)品元動作單元進(jìn)行了系統(tǒng)的定義和分類，借助FMA樹對整機質(zhì)量特性向元動作單元質(zhì)量特性進(jìn)行了映射，以某國產(chǎn)加工中心托盤交換架為例進(jìn)行了功能分析和FMA結(jié)構(gòu)化分解，給出了整個加工中心的FMA樹；對元動作單元工作過程和關(guān)鍵零件的性能退化過程進(jìn)行了分析，給出了元動作單元的廣義算子模型和基于質(zhì)量特性退化的可靠性模型，并從運動學(xué)和動力學(xué)的角度對元動

4、作單元進(jìn)行了建模；在分析了不確定性概念和不確定性影響因素的基礎(chǔ)上，對元動作單元具有的“漸進(jìn)不確定性”和“突發(fā)不確定性”這兩類質(zhì)量特性的不確定性進(jìn)行了定義及建模，并對質(zhì)量波動和誤差傳遞進(jìn)行了分析和建模。
　　②動作單元關(guān)鍵質(zhì)量特性形成機理研究。對元動作單元壽命周期質(zhì)量特性表征技術(shù)進(jìn)行了研究，將質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment,QFD）、失效模式及影響分析（Failure Mode,Effects

5、and Criticality Analysis,FMECA）和模糊理論相結(jié)合構(gòu)造出科學(xué)有效的提取模型提取出元動作單元的關(guān)鍵質(zhì)量特性；對元動作單元的精度、精度壽命、性能穩(wěn)定性和可靠性四個關(guān)鍵質(zhì)量特性的形成機理進(jìn)行了深入研究，從運動的角度提取出各個關(guān)鍵質(zhì)量特性的表征指標(biāo)，并分別對元動作單元的幾何精度、運動精度、精度壽命、動態(tài)跟蹤誤差、穩(wěn)態(tài)誤差、信噪比、振動、間隙、可靠度、可靠性儲備系數(shù)等質(zhì)量特性指標(biāo)進(jìn)行了建模分析；采用模糊物元的方法對元動

6、作單元進(jìn)行了數(shù)學(xué)定義，以關(guān)鍵質(zhì)量特性指標(biāo)作為相似條件，通過計算元動作單元間的距離確定元動作單元的相似程度，用實際數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和對比，證明了方法的正確性和可行性，為本文實例分析中的數(shù)據(jù)提供了保障。
　?、墼獎幼鲉卧|(zhì)量特性融合控制機制研究。研究了元動作單元內(nèi)部質(zhì)量特性融合關(guān)系及融合機制，分別對元動作單元質(zhì)量特性結(jié)構(gòu)域形成機制、過程域映射機制和時間域演化機制進(jìn)行了分析；構(gòu)建了元動作單元質(zhì)量波動預(yù)測模型，利用最小二乘支持向量機（Lea

7、st Squares Support Vector Machine，LS-SVM）和質(zhì)量波動傳遞函數(shù)對元動作單元多工序制造過程的質(zhì)量波動進(jìn)行了綜合預(yù)測；分析了元動作單元關(guān)鍵質(zhì)量特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，運用相對熵的方法計算了其相互關(guān)聯(lián)程度，得出了質(zhì)量特性關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣，為進(jìn)行元動作單元質(zhì)量溯源提供了依據(jù)；研究了元動作單元質(zhì)量追蹤溯源技術(shù)，分析了元動作單元質(zhì)量追溯流程，對元動作單元質(zhì)量追溯系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，包括功能模塊設(shè)計和總體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計。

8、>　　④基于元動作單元的整機質(zhì)量特性耦合解耦技術(shù)研究。將機電產(chǎn)品整機質(zhì)量特性的復(fù)雜耦合約束關(guān)系分解為各單元間質(zhì)量特性的耦合約束關(guān)系，基于FMA樹質(zhì)量特性映射圖得到FMA樹質(zhì)量特性耦合關(guān)系圖及其簡化模型，分析了單元質(zhì)量特性之間的相互耦合作用，對單元質(zhì)量特性的同代匹配特性和異代匹配特性進(jìn)行了研究，構(gòu)建了整機質(zhì)量特性耦合約束模型；通過分別計算單元的同代匹配耦合強度、異代匹配耦合強度，最后得出了單元間質(zhì)量特性的綜合耦合強度；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于

9、元動作單元的整機質(zhì)量特性解耦規(guī)劃，將單元質(zhì)量特性綜合耦合強度引入到設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣（Design Structure Matrix,DSM）中，處理后得到基于耦合強度的模糊DSM，再采用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計（Multidisplanary Design Optimization,MDO）的思想對質(zhì)量特性進(jìn)行規(guī)劃，得出了質(zhì)量特性優(yōu)化控制順序。
　?、莼谠獎幼鲉卧恼麢C質(zhì)量特性預(yù)測控制技術(shù)研究。從元動作單元層的質(zhì)量預(yù)測控制入手，通過預(yù)測控制單

10、元級的質(zhì)量實現(xiàn)對機電產(chǎn)品整機質(zhì)量的控制，采用自適應(yīng)變步長BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Adaptive Variable Step Size Back Propagation Network,ABPM）預(yù)測方法通過輸入下層單元質(zhì)量特性對上層單元質(zhì)量特性滿意度進(jìn)行了預(yù)測，構(gòu)建了質(zhì)量特性ABPM預(yù)測模型及預(yù)測流程，利用MATLAB對實例進(jìn)行了分析計算，證明了方法的有效性；對質(zhì)量特性狀態(tài)空間預(yù)測控制的基本原理進(jìn)行了分析，建立了單元質(zhì)量特性狀態(tài)空間模型，以“分