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多源多工序加工系统偏差流建模、诊断和控制系统研究

作　者: 杜世昌
导　师: 奚立峰
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械工程
关键词: 多工序加工系统质量控制状态空间偏差传递偏差源诊断奇异值分解
分类号: F406
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 453次
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内容摘要

产品尺寸偏差是直接影响产品质量、生产率和市场响应时间等的最重要因素之一。复杂产品的加工系统往往是一个串行与并行相结合的多源多工序制造系统,最终产品质量受到制造过程中所有工序上多个偏差源的影响。除了单个工序上的各种偏差外,不同工序间存在复杂的耦合关系,这些尺寸偏差不断产生、增长、消减、累积和传递,形成了最终产品的尺寸偏差。目前复杂零件的加工过程向着高精度、高效率、高可靠性的方向发展,其重要特征体现为制造过程的可预测性和可控性,制造系统的可维护性和可诊断性。目前国内外学者在单工序尺寸偏差分析、诊断和控制方面已有大量研究成果,但很少从系统层面上对历经多个工序尺寸偏差的累积传递过程进行全面描述,同时缺乏有效的偏差源诊断和控制体系,未能实现尺寸偏差传递分析、预测、诊断、控制一体化。本文以复杂多源多工序加工过程为研究对象,通过对尺寸偏差流建模、诊断和控制,为加工过程的质量偏差预示与消减提供共性技术与方法,确保系统在高质量控制模式下运行。首先研究了多工序加工系统尺寸偏差流分析与建模方法。通过将关键特征偏差映射为随工序延展而不断变化的状态变量,研究如何将各工序之间偏差的影响关系向数学模型进行映射,并描述偏差形成与传递关系、动态变化及分析加工过程中偏差流流动线路。然后对偏差源诊断体系进行了研究。推导了多工序制造系统具有完全可诊断性的充分和必要条件;提出了局部可诊断系统可诊断能力的量化评价体系,并针对局部可诊断系统给出具体的提高偏差源诊断能力的措施;研究全面有效的多源多工序加工系统的偏差源诊断方法。最后设计了尺寸偏差控制系统,基于产品测量数据,设计多工序加工系统尺寸偏差控制系统结构,并使用开发的关键产品特征数学模型,针对实际生产情况推导出相应的控制法则和控制策略。基于前人的研究成果和大量实际的工程经验,本文在多工序加工系统尺寸偏差流建模、诊断和控制的研究中做出了以下具有创造性的研究工作:(1)建立了线性显式表示的多源多工序加工系统尺寸偏差传递状态空间模型,并将该模型扩展到了串并联多个偏差流加工系统中在建立关键特征分析的系统流程和算法基础上,分析了多工序加工过程中的尺寸偏差传递规律。使用齐次变换方法,建立了关键产品特征状态空间模型,并对状态空间的工程含义、状态向量、控制向量、观测向量以及系统矩阵、控制矩阵和观测矩阵进行定义;通过对关键产品特征偏差、刀具路径、定位基准、测量基准和夹具几何关系的研究,线性显式表达了零件的关键产品特征与各种偏差源之间的影响关系和动态变化,解决了传统方法难以给出偏差转换与累积关系的线性和显式表达的难题。将串联制造系统单个偏差流状态空间模型扩展到了串并联混合式多个偏差流状态空间模型。在已知零件的初始偏差、各种输入偏差以及各工序所对应的离散时间点上的系统矩阵、控制矩阵的基础上,推导计算各个工序上产品偏差的递推算法,并给出了模型降维方法。推导出了每一道工序和每一条加工路线上产品偏差的均值和方差的计算公式。这些模型和方法弥补了传统方法不能对多源多工序加工系统多个偏差流进行有效建模的缺陷,增强了偏差流建模理论和制造系统建模理论。(2)提出了多工序加工系统可诊断性分析方法和基于状态空间模型、估计理论与假设检验的偏差源诊断方法基于建立的状态空间模型,解析出多工序制造系统具有完全可诊断性的充分必要条件,为优化制造系统设计和快速诊断出偏差源提供了理论基础;并建立了局部可诊断系统的量化评价体系,解决了对局部可诊断的多源多工序加工系统进行量化描述的问题。然后提出了基于状态空间模型、估计理论和先进统计学相结合的偏差源诊断方法,该方法可以有效地诊断出多源多工序加工系统的偏差源,并为偏差源诊断中大量引入线性控制理论和先进统计学提供了坚实的基础。(3)建立了基于状态空间模型的尺寸偏差控制系统,推导出了控制法则,建立了具体的控制策略在引入奇异值分解、值空间、零空间等概念的基础上,基于线性显式状态空间模型,针对“不同批次零件之间的控制”和“同一批次内零件的控制”两种生产情况提出了闭环控制系统结构。利用奇异值分解理论推导出了多工序加工系统相应的控制法则和控制策略,为产品尺寸偏差控制提供了新的理论依据和实践参考。本文通过提出偏差流离散事件动态系统的多学科建模方法,将偏差源对产品质量作用的定性认识上升为对其行为的定量分析,实现对零件质量的预测和控制。本文的研究可以很好地解决多源多工序加工系统产品质量控制与改进中存在的核心问题,实现建模、分析、预测、诊断和控制一体化,为多源多工序加工系统过程控制、系统设计、偏差源诊断等提供有效的科学指导。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-22
  1.1 课题的研究背景及意义  13-19
    1.1.1 研究背景  13-18
      1.1.1.1 引言  13-14
      1.1.1.2 多源多工序制造过程  14-15
      1.1.1.3 产品偏差控制面临的挑战  15-18
    1.1.2 研究意义  18-19
  1.2 论文的主要内容及贡献  19-21
    1.2.1 本文主要内容  19-20
    1.2.2 本文主要贡献  20-21
  1.3 课题来源  21-22
第二章文献综述  22-39
  2.1 尺寸偏差控制国内外主要研究机构  22-23
  2.2 多源多工序加工系统偏差分析与预测技术研究现状  23-28
    2.2.1 基于统计和时间序列的多工序分析技术  23-24
    2.2.2 基于状态变换的多工序偏差传递模型  24-25
    2.2.3 基于扫掠实体的尺寸偏差分析  25
    2.2.4 基于偏差流理论的多工序偏差传递模型  25-27
    2.2.5 其它的技术和方法  27-28
  2.3 多源多工序加工系统偏差源诊断体系研究现状  28-34
    2.3.1 可诊断性分析  29-31
    2.3.2 偏差源诊断方法  31-34
  2.4 多源多工序制造系统制造偏差控制技术研究  34-35
  2.5 目前方法的主要局限  35-38
    2.5.1 产品偏差建模与分析技术需要解决的问题  35-37
    2.5.2 偏差源诊断体系和控制系统研究需要解决的问题  37-38
  2.6 本章小结  38-39
第三章多源多工序加工过程单个偏差流状态空间模型  39-80
  3.1 引言  39-40
  3.2 关键特征  40-44
    3.2.1 关键产品特征  40-41
    3.2.2 关键控制特征  41-42
    3.2.3 关键特征分析  42-44
  3.3 离散事件动态系统  44-45
    3.3.1 离散事件动态系统基本特性  44
    3.3.2 加工偏差状态变化的DEDS  44-45
  3.4 偏差传递建模方案  45-46
  3.5 坐标系定义  46-47
  3.6 零件模型及偏差定义  47-49
    3.6.1 零件模型  47-48
    3.6.2 偏差定义  48-49
  3.7 齐次变换  49-51
  3.8 偏差传递建模  51-61
    3.8.1 零件安装的齐次变换  51-54
    3.8.2 定位基准偏差对偏差累积的影响  54-55
    3.8.3 夹具偏差对偏差累积的影响  55-56
    3.8.4 加工偏差对尺寸偏差累积的影响  56-57
    3.8.5 状态空间模型  57-61
  3.9 实例研究  61-78
  3.10 本章小结  78-80
第四章单个偏差流状态空间模型的线性化和显式表示  80-101
  4.1 引言  80
  4.2 线性化状态空间模型  80-82
  4.3 线性状态空间模型的显式表示  82-90
    4.3.1 显式表示分析  82-84
    4.3.2 夹具偏差参数的显式表示  84-86
    4.3.3 定位基准偏差参数的显式表示  86-87
    4.3.4 测量基准偏差的影响  87-90
  4.4 线性状态空间模型建模程序  90-92
  4.5 实例研究  92-100
    4.5.1 夹具和定位基准表示  92-93
    4.5.2 夹具偏差  93-97
    4.5.3 定位基准特征偏差  97-98
    4.5.4 测量基准特征偏差  98-100
  4.6 本章小结  100-101
第五章多源多工序加工过程多个偏差流状态空间模型  101-122
  5.1 引言  101
  5.2 多个偏差流状态空间模型  101-107
    5.2.1 串并联混合式加工系统描述  101-102
    5.2.2 偏差传递状态空间方程的一般形式  102-107
  5.3 SPH-MMS模型降维  107-109
  5.4 模型的统计特征值  109-111
  5.5 建模实例  111-121
  5.6 本章小结  121-122
第六章基于KPC-SSM的多源多工序加工系统偏差源诊断  122-137
  6.1 引言  122
  6.2 可诊断性分析  122-125
  6.3 偏差源诊断方法  125-135
    6.3.1 诊断过程的复杂性  125-126
    6.3.2 诊断方法  126-130
    6.3.3 估计算法比较  130-131
    6.3.4 偏差源的估计  131-133
    6.3.5 假设检验  133-135
  6.4 本章小结  135-137
第七章基于KPC-SSM的多工序加工系统尺寸偏差控制  137-150
  7.1 引言  137
  7.2 控制器系统结构设计  137-139
  7.3 奇异值分解理论  139-140
  7.4 不同批次的偏差控制  140-143
    7.4.1 控制法则  140-142
    7.4.2 控制策略  142-143
    7.4.3 可控和不可控子空间  143
  7.5 同一批次内的偏差控制  143-149
    7.5.1 控制法则  143-145
    7.5.2 控制策略  145-149
  7.6 本章小结  149-150
第八章尺寸偏差传递建模和偏差源诊断与控制实例  150-183
  8.1 引言  150
  8.2 发动机缸盖KPC  150-152
  8.3 实验平台  152-154
  8.4 状态空间建模  154-168
    8.4.1 坐标系定义和零件模型  154
    8.4.2 零件定位方案  154-155
    8.4.3 状态空间模型  155-166
    8.4.4 实验结果  166-168
  8.5 偏差源诊断  168-173
  8.6 偏差控制  173-182
    8.6.1 “不同批次之间”偏差控制策略  173-175
    8.6.2 “同批次内”偏差控制策略  175-177
    8.6.3 映射运算  177-182
  8.7 本章小结  182-183
第九章总结与展望  183-187
  9.1 主要研究内容  183-184
  9.2 本文的创新点  184-185
  9.3 将来的研究工作  185-187
附录I  187-191
参考文献  191-198
攻读博士学位期间已发表或录用的论文  198-200
攻读博士学位期间参与的科研项目  200-201
致谢  201-203

多源多工序加工系统偏差流建模、诊断和控制系统研究

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