复杂制造过程异源误差流耦合机理与控制方法研究

For the phenomenon of process parameters coupling and heterogeneous variations stream in the complex manufacturing processes,the research object has been turned from the single working procedure to the whole process,from the product quality characteristic to the process parameters, from the single parameter to the parameter coupling. In addition, the optimal design, error tracing and quality control for the complex manufacturing process have been discussed by the geometry model method, the theory of system control and the math analysis methods. The mainly problems have been considered as follows: 1) the expression of key quality characteristics and mainly variation; 2) the Specific structures of system matrix which express the relations of each working procedures, input matrix which express the influence of variation to quality characteristics and observation matrix which includes sensor deployment information; 3) establishing the evaluate indexs that reflect the performance of process plan and improving process plan; 4) studying the variations coupling mechanism, separating,tracing and forecasting the haterogeneous variations; 5) improving the quality by rough theory. Then, based on theory research, the quality analysis & control softwrae for the whole manufacturing process will be developed to assure the stability of complex manufacturing process and product quality.

针对复杂制造过程中过程参数相互耦合和误差异源现象，将研究对象从单个工序转向整个过程、从产品质量特性转向过程参数、从独立参数转向多参数耦合，综合运用几何建模方法、系统控制理论、数学分析方法实现复杂制造过程设计优化、误差溯源和质量分析控制。主要解决的关键问题包括：1）产品关键质量特性及主要误差源的表达形式；2）反映工序之间关系的系统矩阵、输入误差对产品质量特性影响的输入矩阵及传感器测量的观测矩阵结构形式构建；3）复杂制造过程工艺方案性能优劣的评价指标建立和方案优化；4）研究误差耦合机理，进行异源误差分离、溯源和预测；5）基于粗集理论的质量改进方法。在理论研究的基础上构建面向事前、事中和事后的质量分析控制系统，保证复杂制造过程稳定性，提高产品质量。

在科学技术迅速发展和顾客需求多样化的今天，制造过程日趋复杂。项目围绕多参数耦合复杂制造过程，尤其针对数控机床加工过程，开展了异源误差流分析及质量控制方法研究，实现制造过程多参数耦合质量问题分析、控制与溯源。具体内容及成果如下。. 1. 针对多工序复杂制造过程，建立了加工和装配过程的三维误差传递模型；提出衡量质量稳定性优劣的指标—稳定度；对多工序制造过程工艺方案设计中的内容进行了研究，包括面向过程的公差优化分配和过程参数敏感度分析；得到了多工序制造过程中测量方案优化的具体方法；应用模式识别和匹配方法判断存在问题的过程参数。. 2. 以五轴数控机床为对象，进行了数控机床空间误差的快速测量方法研究和热误差测量系统及温度布点优化研究，给出了基于激光干涉仪的直线轴几何误差测量方案；基于多体系统理论和函数变分法的基本理论，得出数控机床的几何误差模型；构建了机床的灵敏度模型，并对影响机床加工误差的主要误差项进行了溯源。. 3. 针对传统数控滚齿机传动元件多而复杂导致其存在传动误差无法保证加工精度的情况，以YS3118型数控滚齿机传动系统为研究对象，提出运用状态空间模型描述此传动系统的误差流传递的方法；针对目前非圆齿轮滚齿加工难以精确控制的问题，提出了一种基于时间驱动的非圆齿轮滚齿加工数学模型，解决了极角驱动模型中极角在线难测量、测量不准确的问题。. 4. 根据不同种类齿轮轮廓展成加工成型的运动规律，以及齿轮展成加工误差形成的规律，优化了数控系统的运动控制结构。运用“电子复合差动”，通过位置控制和误差补偿单元的控制，实现了机床范成分齿运动误差、齿向误差、刀具磨损等的在线实时补偿，并拓展了非圆齿轮、轴向修形齿轮等的滚切加工功能。. 项目取得的成果有助于解决复杂制造过程的优化设计、控制、管理等问题,对定量分析大型复杂制造过程的性质、动态变化规律等有重要的科学价值。