基于元动作分解的数控机床精度映射技术研究

摘要

产品的质量是设计出来的，设计方案直接关系着产品质量的高低。所以，为了使设计中更加准确地满足数控机床的质量要求，需要有一套科学、合理、有效的理论和方法，能将数控机床整机多元关键质量特性准确映射为产品的设计各阶段的设计输入。为此，论文对数控机床的多元关键质量特性耦合解耦技术、精度映射技术进行了比较系统的研究，为其他关键质量特性的映射提供了理论模板，并为建立以可靠性为中心的多质量一体化协同控制理论和方法打下了坚实的基础。本论文主要做了如下几个方面的研究：　　① 分析了进行数控机床性能分解的课题背景及研究意义，简单介绍了元动作基本理论和多元关键质量特性（Key Quality Characteristics，KQCS）的相关知识，论述了国内外对于数控机床精度等关键质量特性的映射技术以及耦合解耦技术的研究现状，并阐述了该研究课题的来源和主要内容，最后给出了论文的总体结构框架。　　② 基于 FMA 分解的数控机床精度瀑布映射链模型。本章提出了瀑布映射的概念，并在数控机床“功能-运动-动作”（Function-Motion-Action，FMA）结构化分解的基础上，建立了整机多元关键质量特性瀑布映射链模型，并以精度为映射对象，分别分析了精度在总功能-分功能（Total Function-Function，TF-F）、分功能-主运动（Function-Primary motion，F-P）、主运动-二级运动（Primary motion-Secondary motion，P-S）和二级运动-元动作（Secondary motion-Meta Action， S-A）的映射原理，并建立了精度瀑布映射链模型。　　③ 基于FDSM的多元关键质量特性耦合解耦技术。本章首先对KQCS之间的耦合关系进行了分析，并对耦合过程进行建模，从而形成KQCS耦合关系设计结构矩阵（Design Structure Matrix，DSM）；定义了耦合强度的概念，通过计算得到耦合强度值，并采用模糊设计结构矩阵（Fuzzy DSM，FDSM）对耦合强度进行模糊化，从而建立了KQCS耦合强度表；最后采用截断重构、聚合重构和规划重构的方法对KQCS之间的耦合关系进行解耦，消除了KQCS之间的相互影响关系。　　④ 基于FAHP和IGST的数控机床精度映射机制的建立。本章首先采用直接传递的方式，将数控机床总功能的设计精度值映射到分功能层，得到分功能层设计精度矩阵，建立了TF-F层精度映射机制；接着考虑各主运动相对于分功能的精度要求和各主运动部件结构的复杂性，采用特征根法（Characteristic Root Method， CRM）得到考虑精度要求的权重向量和考虑结构复杂性的权重向量，并按权重分配的方式得到两种情况下的主运动的定位精度或重复定位精度值，通过比较确定最终的主运动层定位精度或重复定位精度矩阵，建立了 F-P 层精度映射机制；然后考虑二级运动结构的复杂性（即二级运动之间的结构耦合关系）对映射过程的影响，并采用模糊层次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP)和区间灰色系统理论（Interval Grey System Theory，IGST）计算得到映射权重，通过按权分配的方式映射得到二级运动层的定位精度或重复定位精度矩阵，建立了 P-S 层精度映射机制；考虑元动作单元之间是一种链型结构，根据等作用法，采用基于灵敏度的精度映射方式建立S-A层精度映射机制，最后建立了整机的精度映射机制。

目录

1 绪 论

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题研究意义

1.2 元动作理论概述

1.2.1 元动作的定义

1.2.2 FMA结构化分解模型

1.3 多元关键质量特性概述

1.3.1 可靠性

1.3.2 性能稳定性

1.3.3 精度

1.3.4 维修性

1.3.5 可用性

1.4.1 关键质量特性映射技术研究

1.4.2 关键质量特性耦合解耦技术研究

1.5.1 课题来源

1.5.2 主要内容

1.6 论文框架

2 基于FMA分解的数控机床精度瀑布映射链模型

2.1 引言

2.2.1 瀑布映射的概念

2.2.2 整机瀑布映射链模型

2.3 数控机床精度瀑布映射原理分析

2.3.1 TF-F层精度映射原理分析

2.3.2 F-P层精度映射原理分析

2.3.3 P-S层精度映射原理分析

2.3.4 S-A层精度映射原理分析

2.4 实例分析

2.5 本章小结

3 基于FDSM的多元关键质量特性耦合解耦技术

3.1 引言

3.2.1 KQCS耦合关系分析

3.2.2 耦合过程建模

3.3 基于FDSM的耦合强度计算

3.3.1 耦合强度定义

3.3.2 耦合强度表的建立

3.4 解耦与规划方法

3.4.1 截断重构方法

3.4.2 规划重构方法

3.4.3 聚合重构方法

3.5 实例分析

3.5.1 KQCS耦合过程建模

3.5.2 耦合强度表的建立

3.5.3 解耦与规划

3.5.4 结果分析

3.6 本章小结

4 基于FAHP和IGST的数控机床精度映射机制的建立

4.1 引言

4.2 TF-F层精度映射机制的建立

4.3 F-P层精度映射机制的建立

4.3.1 考虑精度要求的映射过程

4.3.2 考虑部件结构复杂性的映射过程

4.4 P-S层精度映射机制的建立

4.4.1 基于FAHP的结构耦合度计算

4.4.2 基于IGST的映射权重计算

4.5 S-A层精度映射机制的建立

4.5.1 二级运动精度映射灵敏度分析

4.5.2 二级运动精度映射

4.6 数控机床整机精度映射机制

4.7 实例分析

4.7.1 精度在TF-F层的映射

4.7.2 精度在F-P层的映射

4.7.3 精度在P-S层的映射

4.7.4精度在S-A层的映射

4.7.5 映射结果对比分析

4.8 本章小结

5 结论和展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 后续研究工作的展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢