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面向多工序加工系统的加工尺寸偏差建模与控制

作　者: 李斯克
导　师: 苗瑞
学　校: 上海交通大学
专　业: 工业工程
关键词: 多工序加工系统状态空间模型指数加权移动平均多元指数加权移动平均数据挖掘进化算法
分类号: TH162
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

复杂的零件加工系统往往是一个多源多工序加工系统,最终加工形成的零件质量受到加工过程中所有工序上多个偏差源的影响。而零件的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。零件的尺寸偏差受到加工过程中多种因素的影响,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,这些尺寸偏差经过不断的传递,形成了最终产品的尺寸偏差。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批量零件加工过程的零件尺寸偏差的建模与控制进行描述,同时缺乏有效的面向偏差源的控制体系,未能实现批量零件加工过程的尺寸偏差传递分析、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和控制,为加工过程的质量偏差控制提供方法,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。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。提出了统计控制批量零件加工过程中的尺寸偏差的方法。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)建立了针对单个零件的多源多工序加工系统尺寸偏差传递状态空间模型,并提出了零件加工过程中零件尺寸偏差与偏差源间一一对应的关系,并进一步定义了偏差源向量,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。这些模型和方法增强了偏差流建模理论和加工系统建模理论,为批量零件加工过程零件尺寸偏差的统计控制提供了理论依据。(2)提出了多工序加工系统批量加工零件尺寸偏差动态统计控制的分析方法和基于状态空间模型、估计理论与假设检验的EWMA统计控制方法,提出了针对多工序加工系统零件尺寸偏差的控制思路。并建立了局部可诊断系统的量化评价体系,解决了对多源多工序加工系统批量零件加工过程的统计控制问题。为了验证基于EWMA统计控制方法的批量加工过程零件尺寸偏差控制的有效性,分别比较在不同EWMA设计参数条件下以及不同偏差变化模式下EWMA统计控制方法的表现与休哈特统计控制方法的区别。(3)建立了基于针对多工序加工系统批量加工过程偏差源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MEWMA统计控制方法的基础上,基于单个零件状态空间模型中偏差源与偏差间的空间关系,提出基于MEWMA统计控制方法的批量加工过程零件尺寸偏差控制方法。在面向三个偏差源的统计控制方法研究的基础上,比较基于MEWMA统计控制方法与基于休哈特统计控制方法的批量加工过程零件尺寸偏差控制的区别,验证了基于MEWMA统计控制方法更符合面向过程控制的零件尺寸偏差控制发展趋势。(4)研究了面向多工位加工系统偏差源监测的传感器布置优化问题。针对最大化多工位加工系统偏差源监测能力的传感器布置优化问题,研究量化描述系统偏差源监测能力的方差监测敏感度系数。将数据挖掘算法与进化算法相结合,提出了传感器布置的优化方法。本文通过提出单个零件加工过程尺寸偏差与偏差源间空间关系,分别论证了应用EWMA统计控制方法控制零件尺寸偏差与应用MEWMA统计控制方法控制偏差源的有效性,并且对两种控制方法进行了比较,为面向偏差源的统计控制方法提供了依据,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。本文的研究可以很好地解决多源多工序加工系统批量零件生产的尺寸偏差统计控制问题,为多源多工序加工系统过程控制、系统设计等提供有效的科学指导。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-12
第一章绪论  12-27
  1.1 研究背景、意义及课题来源  12-16
    1.1.1 研究背景  12-15
    1.1.2 研究意义  15-16
    1.1.3 课题来源  16
  1.2 零件尺寸偏差建模与控制的研究现状  16-24
    1.2.1 零件尺寸偏差建模研究现状  16-20
    1.2.2 动态统计控制法在偏差建模中的研究现状  20-23
    1.2.3 多工序加工系统尺寸偏差建模及应用研究中尚待解决的问题  23-24
  1.3 论文的主要内容与体系框架  24-27
    1.3.1 研究内容  24-25
    1.3.2 论文的体系框架  25-27
第二章多工序加工系统的单个零件尺寸偏差建模  27-45
  2.1 引言  27-29
  2.2 零件模型定义  29-30
  2.3 多工序加工系统坐标系定义  30-31
  2.4 单个零件多工序加工系统加工尺寸偏差建模  31-44
    2.4.1 多工序加工系统偏差源定义  31-33
    2.4.2 坐标系转换  33-36
    2.4.3 装载过程建模  36-38
    2.4.4 切削过程建模  38-39
    2.4.5 偏差源对坐标转换影响  39-41
    2.4.6 单个零件加工尺寸偏差建模  41-42
    2.4.7 测量等式  42-44
  2.5 小结  44-45
第三章应用EWMA 统计控制解决批量加工尺寸偏差控制  45-71
  3.1 引言  45
  3.2 控制图的质量统计控制  45-48
  3.3 EWMA 统计控制  48-52
  3.4 零件批量生产的尺寸偏差EWMA 统计控制  52-53
  3.5 EWMA 统计控制法有效性分析  53-54
  3.6 EWMA 控制与休哈特控制对批量生产中的偏差控制比较  54-69
    3.6.1 偏差源随机模式不同EWMA 参数比较  57-60
    3.6.2 不同偏差变化模式下EWMA 与休哈特控制比较分析  60-69
  3.7 小结  69-71
第四章应用MEWMA 统计控制偏差源控制零件尺寸偏差  71-93
  4.1 引言  71
  4.2 多元统计法控制批量加工零件质量  71-72
  4.3 MEWMA 统计控制  72-76
  4.4 针对偏差源的多工位加工系统尺寸偏差MEWMA 统计控制  76-79
  4.5 不同偏差模式偏差源的MEWMA 与偏差的休哈特统计控制比较  79-88
    4.5.1 偏差源阶跃型异常模式  82-84
    4.5.2 偏差源奇异值型异常模式  84-85
    4.5.3 偏差源趋势型异常模式  85-87
    4.5.4 偏差源脉冲型异常模式  87-88
  4.6 不同产量偏差源的MEWMA 与偏差的休哈特统计控制比较  88-92
  4.7 小结  92-93
第五章面向多工位加工系统偏差源监测的传感器布置优化  93-103
  5.1 引言  93
  5.2 偏差源与传感器测量值空间关系建模  93-95
  5.3 传感器布置优化算法  95-100
    5.3.1 传感器布置优化目标函数  96-97
    5.3.2 结合数据挖掘的进化算法  97-100
  5.4 算法有效性验证  100-102
  5.5 小结  102-103
第六章总结与展望  103-107
  6.1 主要研究内容  103-104
  6.2 本文的创新点  104-105
  6.3 将来的研究工作  105-107
参考文献  107-114
论文录用情况  114-115
致谢  115-117

面向多工序加工系统的加工尺寸偏差建模与控制

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