面向多质量特性一体化控制的数控机床装配过程建模理论研究

随着科技的飞速发展，用户对高档数控机床的要求越来越高，在衡量数控机床质量水平的诸多特性中，用户最关注的是精度、精度寿命和可靠性三个质量特性。由于与国外产品的差距太大，这三个质量特性已成为制约我国数控机床技术水平和竞争力提升的关键要素。高档数控机床装配过程对质量的影响很大，但目前对装配和质量的关系研究还很不够，对通过控制装配过程保证产品质量还缺乏一套系统的理论和方法。本项目以高档数控机床为研究对象，以装配过程建模为主线，以提高产品精度、精度寿命和可靠性三个关键质量特性水平为目标，以数控机床"谱系"的建立为切入点，以"谱系-功能-运动-动作"的结构化分解为手段，系统研究数控机床装配过程的质量保证原理，探索保证产品多关键质量特性的"一体化"协同控制机制，提出一套保障装配质量的结构化建模技术、求解算法和工艺保障方法，为提高我国高档数控机床及复杂机电产品的综合装配质量提供理论和使能技术支撑。

本项目系国家自然科学基金面上项目（批准号：51175527），经4年的研究已按计划完成。项目组针对国产数控机床在精度、精度寿命、可靠性（Precision，Accuracy-lifetime，and Reliability，PAR）三个关键质量特性尤其是后两个特性落后于国外机床而导致的高档数控机床严重依赖进口的问题，以提高机床的PAR水平为目标，在对数控机床谱系进行研究的基础上，自顶向下（Top-Down）化繁为简，进行“谱系-功能-运动-动作”（Pedigree-Functions-Movement-Action，PFMA）的结构化分解，将机床的功能结构分解至最基本的元动作层，并以元动作装配单元为对象分别对数控机床的装配精度、精度寿命及可靠性进行深入研究，建立了装配质量模型，最后由下至上对整机装配质量进行诊断和控制，并构建了有针对性的在线动态装配过程质量监控系统，制订了可靠性驱动的装配工艺方案，并成功应用于机床企业。具体研究内容包括：.① 建立数控机床PFMA结构化分解方法。建立了表征机床工作状态的谱系（零件谱、工况谱、载荷谱、功能谱、故障谱）结构，提出PFMA结构化分解方法，以设计结构矩阵（Design Structure Matrix，DSM）和领域映射矩阵（Domain Mapping Matrix，DMM）作为分解计算模型，对THM6380加工中心整机进行了结构化分解，通过聚类划分最后得到元动作92个，并形成了相对应的元动作装配单元。.② 研究了元动作装配单元的装配精度、精度寿命、可靠性。构建了误差传递链接图和误差传递链接网络来表达误差的传递规律；并对元动作装配单元的装配误差量进行了统计分析与计算；基于AMSAA（Army Materiel System Analysis Activity）幂律模型的非齐次泊松过程建立了进给系统定位精度寿命预测模型，推导出进给系统定位精度的预测公式；给出了装配过程中提高精度寿命的具体措施。.③建立了装配质量异常诊断方案，实现了对数控机床装配质量的详细诊断。基于模糊贝叶斯网络对整机装配质量进行“BOTTOM—UP”可靠性控制技术研究，并有针对性地构建了装配过程动态工序质量监控系统，制订了可靠性驱动的装配工艺方案，并成功应用于机床企业。为提高我国高档数控机床及复杂机电产品的综合装配质量提供了理论和技术支撑。