（机械制造及其自动化专业论文）数控机床装配故障率建模与控制技术研究.pdf

中文摘要 摘要 高精度、高速、高可靠、高效率已成为数控机床重要的发展方向，其中，数 控机床的可靠性不仅影响机床的正常工作，影响产品的市场占有率，甚至会影响 我国工业技术的发展。由于数控机床的结构特点，装配过程引起的故障占了数控 机床整个寿命周期故障的大部分，同时国内高档数控机床制造厂商即使购买国外 高质量零部件，尽管这些零部件本身可靠性水平较高，但装配完成后的产品可靠 性却还是达不到国外水平。可见装配过程中对故障进行控制，或对可靠性进行分 析与控制对提高产品整机可靠性具有非常重要的作用。 论文结合国家重大专项项目，以国产某系列加工中心为研究对象，对数控机 床装配故障率的建模和控制技术进行了系统的研究。主要内容如下： 为了对数控机床装配故障率的基础理论进行研究，从数控机床生产模式的 特点出发，分析了产品寿命周期故障率的分类以及数控机床装配故障率的特点； 以故障率与相关可靠性指标的关系分析为基础，对装配故障率与装配可靠性的相 互关系进行了讨论；在装配可靠性评价方法( a s s e m b l yr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d a r e m ) 对装配故障率的属性分析基础上，利用5 m 1 e 对数控机床装配故障率的全 属性进行了分析，获得的全属性能够实现装配故障率的定性定量研究；最后建立 了数控机床装配故障率的研究框架，为数控机床装配故障率或装配可靠性的进一 步研究提供了理论基础。 为了对数控机床装配故障率进行属性提取和建模分析，首先通过德尔菲法 对数控机床装配故障率的全属性进行定量研究，并利用三角模糊数对结果进行模 糊处理；接着采用粗糙集和灰色关联度结合的算法对数控机床装配故障率的关键 属性进行提取，提取的关键属性不仅能够为数控机床装配故障的进一步控制提供 对象，而且通过数学模型能够验证该提取方法的有效性；然后通过最小二乘支持 向量机( l e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，l s s v m ) 对数控机床装配故障率的 属性进行建模，并利用遗传算法对模型进行优化；最后以某国产卧式加工中心为 例对装配故障率的属性提取和建模技术进行了分析，提取出了关键属性，并建立 了具有最优参数的l s s 模型。 为了验证上述建模技术和提取算法的有效性，建立了关键属性的b p 神经网 络模型，通过不同模型不同输入的预测误差对比分析建模技术和提取算法的优越 性，并以加工中心的数据为实例对该建模技术和提取算法进行了验证。将验证后 的关键属性作为数控机床装配故障改进的重点，为了保证装配故障的有效改进和 控制，在6 s 设计方法( d e s i g nf o rs i xs i g m a ，d f s s ) 分析流程的基础上，结合数控机 重庆大学硕士学位论文 床装配故障率的研究特点，对d f s s 分析流程进行了改进，将f m e a 故障分析作 为整个流程的分析基础，并利用设计阶段和装配现场结合的分析控制对数控机床 装配故障进行有效改进；最后以加工中心为例对装配故障的具体控制和改进进行 了详细分析，验证了该分析流程与控制技术的有效性。 关键词：数控机床，装配故障率，最小二乘支持向量机，粗糙集，6 s 设计 a b s t r a c t t h er e s e a r c h i n go f h i g h - p r e c i s i o n ，h i g h - s p e e d ，h i g hr e l i a b i l i t y , h i 曲e f f i c i e n c yh a s b e c o m et h ei m p o r t a n td i r e c t i o no fc n c m a c h i n et o o l s t h er e l i a b i l i t yo fc n cm a c h i n e t o o l sn o to n l yh a se f f e c to nt h ew o r k i n gs t a t u s ，b u ta l s oa f f e c t st h ep r o d u c tm a r k e t i n g s h a r ea n dt h ed e v e l o p i n go fo u r c o u n t r yi n d u s t r yt e c h n o l o g y d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i co f c n cm a c h i n et o o l s ，t h ea s s e m b l yf a u l ta c c o u n t e df o rm o s tp a r to ft h ee n t i r el i f e c y c l e o fc n cm a c h i n et o o l s ，a n de v e ni ft h ed o m e s t i cc n cm a c h i n et o o l sm a n u f a c t u r e r sb u v f o r e i g nh i g h q u a l i t yc o m p o n e n t sw h i c hh a v et h eh i g h e rr e l i a b i l i t y , t h er e l i a b i l i t yo f p r o d u c ta s s e m b l e db yt h o s ec o m p o n e n t si s s t i l ln o tr e a c ht h el e v e lo ff o r e i g n t h e r e f o r e ， t h ef a u l to rr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi na s s e m b l yp r o c e s sp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fp r o d u c t b a s e do nt h es u p p o r to fn a t i o n a lm a j o rs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a l s p e c i a l p r o je e t ，m a k et h ed o m e s t i cm a c h i n i n gc e n t e rf o rt h es t u d y , t h em o d e l i n ga n dc o n t r o l t e c h n o l o g i e so fc n cm a c h i n et o o l sw e r er e s e a r c h e d t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w e d ： r e s e a r c h e do nt h eb a s i ct h e o r yo fa s s e m b l yf a u l tr a t eo fc n cm a c h i n et o o l s ： s t a r t e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fc n cm a c h i n et o o l sp r o d u c t i o n t h ec l a s s i f i c a t i o no ft h e f a u l tr a t eb a s e do np r o d u c tl i f ec y c l ea n dt h es t u d yc h a r a c t e r i s t i co fa s s e m b l yf a u l tr a t e o fc n cm a c h i n et o o l sw e r ea n a l y z e d ；t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e na s s e m b l yf a u l tr a t ea n d a s s e m b l yr e l i a b i l i t yw e r ed i s c u s s e db a s e dt h er e l a t i o n sb e t w e e nf a u l tr a t ea n do t h e r r e l i a b i l i t yi n d e x ；t h e5 m 1em e t h o dw a sa p p l i e dt ot h ea t t r i b u t e sa n a l y s i so fa s s e m b l y f a u l tr a t eo fc n cm a c h i n et o o l sb a s e do nt h ea t t r i b u t e sa n a l y s i so fa s s e m b l y r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nm e t h o d ( a r e m ) ；a tl a s tt h er e s e a r c hs t r u c t u r eo fa s s e m b l yf a u l tr a t eo fc n c m a c h i n et o o l sw a se s t a b l i s h e d ，h e n c et h o s es t u d yp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r f u r t h e rr e s e a r c ho fc n cm a c h i n et o o l sa s s e m b l yf a u l tr a t eo ra s s e m b l y r e l i a b i l i t y r e s e a r c h e do nt h ee x t r a c t i n ga n dm o d e l i n go fa t t r i b u t e so fc n cm a c h i n et o o l s a s s e m b l yf a u l tr a t e ：f i r s t ，t h ed e l p h im e t h o dw a su s e dt oq u a n t i t a t i v e l yr e s e a r c hf o rt h e c o m p l e t ea t t r i b u t e so fa s s e m b l yf a u l tr a t e ，a n dt r i a n g u l a rf u z z yn u m b e r sw a sa p p l i e dt o t h ef u z z yo p t i m i z a t i o nf o rt h er e s u l t s ；t h e nt h ea l g o r i t h mo fr o u g hs e t sc o m b i n e dw i t h g r e yr e l a t i o na n a l y s i sw a sa p p l i e dt ot h ee x t r a c t i o no fm a i na t t r i b u t e so fc n cm a c h i n e t o o l sa s s e m b l yf a u l tr a t e ，t h ee x t r a c t e dm a i na t t r i b u t e sn o to n l yp r o v i d et h ei m p r o v e d o b j e c t sf o rf u r t h e rr e s e a r c h ，b u ta l s oc a nv e r i f yt h em e t h o do fm o d e l i n ga n de x t r a c t i o n b y t h ep r e d i c t i o ne r r o ra n a l y s i s ；a n dt h e nl e a s ts q u a r es u p p o r t v e c t o rm a c h i n e s ( l s s v m ) i i i 重庆大学硕士学位论文 w a si n t r o d u t e dt om o d e lt h ea t t r i b u t e so fc n cm a c h i n et o o l sa s s e m b l yf a u l tr a t e ，a n d t h eg e n e t i ca l g o r i t h mw a su s e df o rt h eo p t i m i z a t i o nf o rt h em o d e l ；a tl a s ts o m ed o m e s t i c h o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e rw a st a k e na sa l le x a m p l et ov 舐匆t h ee f f e c t i v e n e s so ft h e m o d e la n da n a l y s i sm e t h o d ( 查) r e s e a r c h e do nt h ev e r i f y i n g ，a n a l y s i sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h ea t t r i b u t e so f c n cm a c h i n et o o l sa s s e m b l yf a u l tr a t e ：t h eb pn e u r a ln e t w o r km o d e lo fm a i na t t r i b u t e s w a sf i r s t l ye s t a b l i s h e df o rv e r i f y i n gt h em o d e l i n ga n de x t r a c t i n gm e t h o d ，a n dt h e p r e d i c t i o ne r r o r so fd i f f e r e n ti n p u t so fd i f f e r e n tm o d e l sw e r ec o m p a r e d ，t h em o d e l i n g a n de x t r a c t i n gm e t h o dw a sp r o v e db yt h ed a t ao ft h em a c h i n i n gc e n t e r t h e n ，t h e a s s e m b l yf a u l ti m p r o v e m e n to fc n cm a c h i n et o o l sw a sf o c u s e do nt h ev e r i f i e dm a i n a t t r i b u t e s t og r a n t e et h ee f f e c t i v e l yi m p r o v e m e n to fa s s e m b l yf a u l t ，t h e p r o c e s so f d e s i g nf o rs i xs i g m a ( d f s s ) w a si m p r o v e dc o m b i n e d 谢mt h er e s e a r c hc h a r a c t e r i s t i co f a s s e m b l yf a u l tr a t eo fc n cm a c h i n et o o l s ，t h ef a i l u r em o d e sa n de f f e c t sa n a l y s i s ( f m e a ) h a dp r o v i d e dt h eb a s e sf o rt h ew h o l ea n a l y s i sp r o c e s s ，a n dt h e nt h em e t h o do f d e s i g ns t a g ei m p r o v i n gc o m b i n e da s s e m b l yp r o c e s ss t a g ec o n t r o l l i n gw a sa p p l i e dt ot h e e f f e c t i v e l yi m p r o v i n go fa s s e m b l yf a u l to fc n c ，a tl a s t ，t h ec o n t r o l l i n ga n di m p r o v i n g o ft h em a c h i n i n gc e n t e rw e r ee x p l a i n e di nd e t a i lf o rv e r i f y i n gt h ei m p r o v e da n a l y s i s p r o c e s sa n dt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：c n cm a c h i n et o o l s ，a s s e m b l yf a u l tr a t e ，l e a s ts q u a r es u p p o r tv e c t o r m a c h i n e s ，r o u g hs e t s ，d e s i g nf o rs i xs i g m a i v 1 绪论 1 绪论 数控机床作为制造业的核心装备，特别是国防工业的关重设备，其技术水平的 高低成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。数控机床是一种复杂机电产 品，也是制造业中极其重要的工作母机，其质量与可靠性不仅影响零部件的加工 精度和生产效率，影响国人对国产数控机床的信心，而且还严重影响我国数控机 床与国外数控机床的竞争力和市场占有率。 经过几十年的发展和努力，我国数控机床制造企业通过一系列关键技术攻关， 基本掌握了先进的设计方法和装备制造技术，使得我国数控机床的整体水平与国 外水平的差距正在逐渐缩小，然而我们应该清醒得认识到，在高精度、高速、高 可靠、高效率等方面，我国数控机床与国外产品还是存在很大的差距。据统计， 在我国国防、军工、汽车等重点行业8 0 以上的高速、精密数控机床均为国外进 口机床，造成这种现象的主要原因在于国产数控机床在高精度、高速等方面与国 外机床差距比较明显，无法满足重点行业对加工的精度、精度保持性及可靠性等 方面的需求，一旦出现故障，将造成重大报废或停产，会给企业带来不可估量的 损失，因而可靠性己成为影响我国机床竞争力的一项最为关键的技术。 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 长期以来，我国设计和生产的数控机床主要局限于中低端产品方面，高档数控 机床产品基本上依赖进口。数控机床是集机、电、液、气、光等多学科技术于一 身的现代化工作母机，为了实现数控机床的有效研究，需要各学科深入集中而多 学科全面综合的分析。目前国内数控机床的研究，主要集中在高速、精密和多轴 联动复合加工等方面，对可靠性的研究重视不够。尽管装配对产品可靠性的影响 非常显著，但国内的研究人员和机床制造企业的技术人员对装配工作普遍不够重 视，对装配技术的研究非常少，多将注意力放在产品研发技术和零部件加工技术 的研究上。这就造成国内产品的零部件质量尽管很高，但装配出来的产品性能和 可靠性却比较低的现状，极大地影响了我国数控机床的市场竞争力。 经过项目组长期的企业调研，发现数控机床在装配阶段造成的故障问题频出， 占了产品寿命周期故障的大部分，如图1 1 所示，并且这些故障问题始终得不到有 效的控制；同时，国内机床制造厂家( 特别是高档数控机床制造商) 为了提高产 品可靠性，通常通过购买国外高质量零部件，尽管这些零部件本身可靠性水平较 高，但装配完成后的产品可靠性却远远达不到国外水平，由此可见在装配阶段对 重庆大学硕士学位论文 故障或可靠性的研究对于提高产品整体可靠性水平具有重要作用。 图1 1 某数控机床的故障原因统计图 f i g 1 1t h ec h a r t so ff a i l u r ec a u s e so fs o m ec n c m a c h i n et o o l 对装配阶段造成的故障或可靠性进行研究可以概括为装配可靠性的研究，目前 有部分学者对装配可靠性进行了相关研究，但对于作为衡量装配可靠性重要指标 的装配故障率却少有研究，然而装配故障率的分析是装配可靠性研究的理论基础。 因此本文以数控机床装配故障率的基础理论研究为出发点，重点分析了装配故障 率的属性建模与优化技术，通过属性提取与属性分析实现数控机床装配故障率的 控制，达到改进数控机床装配故障率，提高可靠性的目的，可以为数控机床装配 可靠性的进一步研究提供基础，并通过国内某机床厂的加工中心为例对该建模和 控制技术进行了验证。 1 1 2 研究意义 由于数控机床的加工精度与可靠性极大地影响了产品的质量，一旦出现事故将 造成重大事故和损失，因此对于此类机电装备的可靠性研究具有重要意义。由于 装配过程不当会带来很多的故障隐患，因此对装配过程的故障率进行研究分析对 于提高产品整机可靠性具有重要作用。 通过数控机床装配故障率的属性分析对装配故障率的属性进行建模，可以为数 控机床装配故障率控制对象的择优和有效控制提供数学模型基础，对装配故障控 制技术的研究具有重要意义。 以数控机床装配故障的预防性控制和装配现场控制为出发点，对装配故障率属 性的分析控制技术进行研究，为装配故障有效改进提供了较好的分析基础和手段， 2 1 绪论 对于数控机床装配工艺的规范完善和综合装配质量的提高具有重要作用。 因此，针对目前数控机床装配过程的故障研究工作相对薄弱的特点，以装配故 障率的基础理论为出发点，重点对装配故障率的建模和控制技术进行讨论，能够 实现数控机床装配故障的有效改进和控制，对于数控机床整机可靠性的提高也具 有深远意义。 1 2 装配故障率概述 1 2 1 故障率的定义 根据g j b 4 5 1 1 9 9 0 可知故障率的定义为：在规定的条件下和规定的时间内，产 品的故障总数与寿命单位总数之比。一般记为a ，它也是时间t 的函数，故也记为 a 例，称为故障率函数，也称为失效率函数或风险函数。常见的故障率有两种：平 均故障率和瞬时故障率。 平均故障率万( f ) 已工作到时刻t 的产品，在时刻t 后平均单位时间内发生的故障数，称之为平 均故障率。用数学符号表示为： 孔) ：尘坐l( 1 1 ) i s ( t ) a t 式中 a r ( t ) 在 f ，升a t 的时间& 里发生故障的产品数； 。( f ) 残存产品数，即到t 时刻尚未故障的产品数。 瞬时故障率a 例 已工作到时刻t 的产品，在时刻t 之后的瞬时平均单位时间内发生故障的产品 数，称之为产品在时刻t 的瞬时故障率。用数学符号表示为： a ：盟 ( 1 2 ) u s ( t ) d t 式中咖( f ) t 时刻后，出时间内故障的产品数； 。( f ) 残存产品数，即到t 时刻尚未故障的产品数。 1 2 2 故障率曲线 产品在全寿命周期中发生故障的规律，可用故障率曲线表示。并且很多产品的 故障率曲线呈现出两头高、中间低的特点，由于形似浴盆所以叫做浴盆曲线，如 图1 2 所示，它是一种典型的故障率曲线。产品的故障率随时间的变化大致可以分 为三个阶段： 早期故障期 在产品投入使用的初期，产品的故障率较高，且存在迅速下降的特征。主要由 3 重庆大学硕士学位论文 设计、制造、使用、运输等形成的缺陷，以及跑合、调试、起动不当等人为因素 所造成的。 偶然故障期 在产品投入使用一段时间后，产品的故障率可降到一个较低的水平，且基本处 于平稳状态，可以近似认为产品的故障率为常数。这一阶段产品的故障主要是由 偶然因素引起的。 损耗故障期 在产品投入使用相当长的时间后，进入产品的耗损故障期，其特点是产品的故 障率迅速上升，出现大批量的产品故障或报废。这一阶段产品的故障主要是由老 化、疲劳、磨损、腐蚀等耗损性因素引起的。 致力。 i 早期故障期 偶然故障期损耗故障期 o t 1 t 22 图1 2 故障率曲线 f i g 1 。2t h ec u r v eo ff a u l tr a t e 1 2 3 装配故障率 装配是根据规定的技术要求，将零部件进行配合和连接，使之成为半成品或成 品的过程。装配过程包括装配方法或工艺规程，装配工具或工装，测量仪器，装 配环境以及装配人员自身等因素，这些因素对于产品的装配精度、装配质量和装 配可靠性等特性都具有重要影响。 结合本文1 2 1 节故障率的定义，可以将装配故障率定义为“在规定的条件下和 规定的时间内，将零部件进行配合和连接的过程中，直接或间接产生的故障总数 与寿命单位总数之比”。因此，装配故障率是衡量产品装配过程的重要指标，也是 一种产品的可靠性评价指标。装配故障率作为故障率的一种，也具有故障率相应 的特点。由定义可知它也是时间的函数，也具有平均装配故障率和瞬时装配故障 4 1 绪论 率，计算式如( 1 1 ) 和( 1 2 ) 所示。通过对装配故障率的分析，不仅能够实现产 品装配过程的定量研究，还能为产品装配过程的进一步研究提供基础。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 装配精度与装配质量的研究与发展 装配过程对于产品的综合质量具有重要影响，并且产品的装配直接影响到产品 的最终精度，因此国内外学者对装配精度和装配质量进行了系统的研究。 装配精度的研究 在误差分析方面，c h on 1 】利用统计矩阵对二维装配中圆形配合零件的定位误 差进行分析，并通过m o n t ec a r l o 对定位误差进行定量仿真，为装配精度的提高提 供了一种新的方法。j i o n g h u aj i n 【2 】在综合考虑产品特征与装配过程对装配误差影 响的基础上，利用状态空间模型描述整个装配过程，通过构建状态方程与观测方 程分析装配误差与测量误差，对装配精度进行有效控制。 在尺寸链方面，w a n gn 【3 j 提出了一种基于特征的装配模型的尺寸链生成算法， 通过装配关系图描述装配体配合关系，最后通过搜索配合关系图中匹配特征生成 尺寸链。王恒【4 j 从定义装配性能特征入手，利用图论理论对装配体中的装配约束关 系、尺寸及形状等信息的传递过程进行表达，通过c a d 模型自动生成三维装配尺 寸链。 在公差优化方面，k u m a rm s 【5 j 首先对大量装配零件满足装配规范要求的最大 数目进行统计，然后利用遗传算法对装配工艺进行择优从而实现制造过程的公差 优化。l e ew j 【6 j 以加工成本为优化目标，将装配和设计要求转化为多元约束条件， 通过引入可靠度指标法求出在给定公差值和尺寸分布规律条件下满足设计与装配 要求的概率，并利用分支估界算法来处理离散公差的优化计算。 随着制造技术和仪器水平的提高，产品装配精度取得了比较多的成果，然而由 于精度寿命的重要性，精度保持性可能会成为装配精度研究的新趋势。 装配质量的研究 在设计方面，k u r ta b e i t e r 【7 j 利用装配质量方法( a s s e m b l yq u a l i t ym e t h o d o l o g y , a q m ) 对多国资源生产形式下的产品潜在装配方式从设计阶段进行了分析，利用 a q m 和面向装配的设计( d e s i g nf o ra s s e m b l y ，d f a ) 方法对产品装配质量进行 了评价，从而实现设计阶段装配质量的改进。李雅青【8 分析了产品装配质量的影响 因素，利用面向装配的设计技术从设计阶段提高产品的装配质量。l i t 9 】对钣金件的 装配利用有限元进行分析，并通过遗传算法对有限元的建模过程进行优化，通过 一个工程应用的例子证明了该方法能够在设计阶段提高钣金件的装配质量。 在装配过程与工艺方面，m i l b e r gj e l 0 】对装配产品和装配工艺过程进行了噪音分 5 重庆大学硕士学位论文 析，利用噪音频谱图对装配产品的装配质量进行控制和监控，通过某三相电机的 装配质量保证实例证明了该方法的可行性。国内的林忠钦【1 1 】针对汽车车身装配的 特点，利用经验贝叶斯理论，对小样本检测的车身装配尺寸质量进行评价，实现 了装配质量的有效控制与提高。韩卫军 1 2 】利用t h o r 网对机器人装配系统装配质 量的预测进行了研究，通过装配质量的模块化建模实现了机器人装配系统装配质 量的综合评价和控制。 对于装配质量的研究一直是国内外产品质量控制方面的热点，在装配过程与工 艺方面的研究也取得了一定的成就，然而对装配一致性对于装配质量影响的研究 还是比较缺乏。 1 3 2 装配故障与装配可靠性的研究与发展 对装配过程的传统研究往往关注于装配过程的精度与质量控制，忽略了装配过 程中可靠性控制的重要性，然而由于近年来可靠性问题的凸显，对装配过程中的 可靠性研究也越来越受到重视。 装配故障的研究 c h u m a k o vr 【”】利用一个两层动态e l m a n 神经网络对螺纹自成形螺丝的装配力 矩进行研究，实现了螺丝装配故障的有效诊断和控制。d e l e e c h i os 1 4 利用信号处 理工具对柴油机引擎的装配故障进行分析，并通过振动信号对引擎的装配故障进 行动态监控，最后对监控信号进行连续小波变换实现故障信号的有效分析。国内 对于产品装配故障的研究主要集中在控制方法和措施的制定上 1 5 , 1 6 ，主要是定性 方面的研究。余锋杰 1 7 n 用指标权重的合理配置、故障风险评价对飞机大部件自 动化对接装配系统的装配故障进行了定量分析，并通过灰色聚类方法对装配故障 进行有效的维修决策，实现了装配系统稳定性和装配故障的有效控制。张根保【l 8 】 对装配故障率的建模技术和分析方法进行了一定的探索。 由此可见，对于产品装配故障的研究主要集中在定性方面的分析，对于装配故 障的定量研究却很少见，而且很少涉及到装配故障率的研究，为了更好的对装配 故障进行控制，应该同时关注装配故障率的定性和定量研究。 装配可靠性的研究 s u z u k it 1 9 , 2 0 针对装配车间运行的可靠性状况，提出了装配可靠性评价方法 ( a s s e m b l yr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d ，a r e m ) ，通过设计因素和车间因素对装 配故障率进行定量研究，并对相应影响因子从设计上进行改进，从而提高车间的 装配可靠性水平。范觉超【2 l 】利用轴径一孔径干涉理论对装配过程的轴孔配合进行 分析，运用该理论对航空发动机装配的可靠性进行了评价，并利用蒙特卡洛进行 了装配的仿真。张根保2 2 ，2 3 提出了可靠性驱动的装配过程与技术，采用多色集合 和动态贝叶斯网络对该过程和技术进行了建模，对影响装配过程可靠性的主要因 6 1 绪论 素分析了相应的控制措施，为产品装配可靠性的提高提供了依据。 对装配可靠性的研究国内外都比较少，由于装配过程对于产品可靠性的影响重 大，装配可靠性的研究可能会成为可靠性研究的一个重要方向。 1 4 课题来源与主要研究内容 1 4 1 课题来源 课题来源于国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项“高性能加工中 心可靠性倍增技术研究”( 项目号：2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 1 6 ) ；“精密卧式加工中心”( 项 目号：2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 0 1 3 ) ；“高速卧式加工中心”( 项目号：2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 0 2 3 ) ： 国家自然科学基金“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”( 项目号：5 1 1 7 5 5 2 7 ) 。 1 4 2 主要研究内容 数控机床装配故障率的基础理论研究 装配故障率是衡量装配可靠性的最重要指标之一，根据数控机床的相关特点， 提出数控机床装配故障率的基础理论。分析数控机床生产模式的特点与装配故障 率的研究特点，接着讨论故障率与相关可靠性评价指标的关系，建立装配故障率 与装配可靠性的相互关系。并对数控机床的全属性进行有效分析，最后形成了数 控机床装配故障率分析的理论框架。 数控机床装配故障率的属性提取和建模技术 在5 m 1 e 对数控机床装配故障率全属性分析的基础上，利用德尔菲法和三角模 糊数对数控机床全属性进行定量研究；然后综合分析粗糙集和灰色关联度的优势， 采用两者结合的算法对数控机床装配故障率的关键属性进行提取，提取的关键属 性可以作为下一步装配故障控制的对象；接着采用最小二乘支持向量机对数控机 床装配故障率的属性进行建模，并利用遗传算法对模型参数进行优化；最后以某 加工中心为例对装配故障率的属性提取和建模技术进行了分析，证明了上述技术 的有效性。 数控机床装配故障的分析与控制技术研究 对于提取的关键属性，首先利用模型仿真进行验证，并采用b p 神经网络对关 键属性进行建模，通过模型的预测误差分析进行对比验证；然后对验证后的关键 属性利用6 s 设计方法( d e s i g nf o rs i xs i g m a ，d f s s ) 进行分析，结合数控机床装配故 障率的特点对d f s s 分析流程进行改进，首先利用f m e a 对潜在故障或已发生故 障进行分析，制定控制措施，然后利用设计阶段改进结合装配现场的控制实现数 控机床装配故障的有效改善；最后以该加工中心为例对属性提取算法和建模技术， 通过预测误差进行了验证，并通过实例分析对改进的d f s s 分析流程进行了例证， 7 重庆大学硕士学位论文 保证了加工中心装配故障的全面持续改进。 1 5 文章整体结构与创新之处 文章整体结构如图1 3 所示 第1 章绪论 第2 章数控机床装配故障 率研究相关基础及系统框 架 第3 章数控机床装配故障率 属性提取与建模技术 第4 章数控机床装配故障分 析与控制技术 第5 章结论与展望 课题背景，研究现状与意 义，主要内容和创新点 分析数控机床装配故障率 研究特点，讨论装配故障 率与装配可靠性的相互关 系，建立装配故障率的理 论框架 对数控机床装配故障率的 全属性定量研究，利用粗 糙集和灰色关联度结合的 算法提取关键属性，建立 装配故障率的最小二乘支 持向量机模型 通过模型验证提取算法和 建模技术的有效性，利用 改进的6o 设计方法分析流 程对提取的关键属性分析 与控制，实现装配故障的 持续改进 主要工作总结和展望 图1 3 文章整体结构 f i g 1 3t h ew h o l es t r u c t u r eo f t h ep a p e r 本文工作的创新之处 在本文的研究过程中，初步取得了以下主要创新成果： 1 ) 提出了数控机床装配故障率的研究理论 数控机床的装配过程不同于传统电子产品，对数控机床装配故障率和装配可靠 性的研究到目前还缺乏相应的理论支持。本文通过对数控机床生产模式的讨论， 分析数控机床装配故障率的研究特点；并讨论故障率与其他可靠性指标的关系， 通过装配故障率与装配可靠性的相互关系可知，装配故障率的研究不仅是装配可 数控机床装配故障率建模与控制技术研究 1 绪论 靠性的基础，还能实现产品整体可靠性的提高；最后建立了数控机床装配故障率 分析的理论框架。该理论研究为装配故障率或装配可靠性的进一步研究提供了依 据，具有鲜明的创新性。 2 ) 提出并实现数控机床装配故障率的全属性分析与建模方法 为了对装配故障率进行有效的改进与控制，需要对装配故障率的影响属性进行 分析。本文在a r e m 分析方法基础上，利用5 m 1 e 对数控机床装配故障率进行全 属性分析；并通过粗糙集与灰色关联度结合的算法对装配故障率进行属性提取， 提取的关键属性可以通过模型进行验证，同时提取的关键属性为相应的改进与控 制提供了基础；并采用最小二乘支持向量机对装配故障率的属性进行建模，通过 遗传算法对模型进行优化。该方法不仅在属性分析上对现有装配故障率属性分析 进行了创新，而且还在最小二乘支持向量机的关键属性验证上进行了创新。 3 ) 提出并实现数控机床装配故障率关键属性的控制方法 对于提取的关键属性，传统的方法往往是直接进行可靠性控制，本文提出利用 6 s 设计方法对数控机床装配故障率关键属性进行有效分析，从设计阶段就贯穿6 s 的理念，通过源头的改进实现关键属性的预防控制；同时结合f m e a 、装配现场 的控制分析方法，对关键属性建立有效的控制措施和持续改进。该方法对装配故 障的有效改进和控制进行了创新。 9 2 数控机床装配故障率研究相关基础及系统框架 2 数控机床装配故障率研究相关基础及系统框架 2 1 引言 为了对数控机床装配故障率进行研究，需要了解数控机床装配故障率的特点以 及数控机床装配故障率的相关基础理论。数控机床的生产模式决定了数控机床装 配故障率的研究特点。然而数控机床的生产模式不同于电子产品的生产模式，因 此数控机床装配故障率的研究特点也不同于电子产品，在电子产品中常用的研究 方法在数控机床中或许就不再适用。同时，装配故障率是衡量装配可靠性的重要 指标之一，通过装配故障率的分析可以实现装配可靠性的进一步研究。为了对装 配故障率迸一步研究，需要对装配故障率的属性进行分析。装配可靠性评价方法 ( a s s e m b l yr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d ，a r e m ) 从车间和零件特点角度出发， 对装配故障率的属性进行了分析，然而影响数控机床装配故障率不止车间和零件 两方面，同时a r e m 分析的属性缺乏对装配故障率的定性研究。为了对数控机床 装配故障率进行有效的属性建模和控制研究，本章以数控机床装配故障率的基础 理论为重点，从数控机床生产模式的特点分析入手讨论数控机床装配故障率的研 究特点，通过故障率与可靠性相应指标的关系分析装配故障率与装配可靠性的相 互联系，并从5 m 1 e 角度对数控机床装配故障率的全属性进行分析，建立数控机 床装配故障率分析的理论框架，为数控机床装配故障率的建模和控制提供科学依 据。 2 2 数控机床装配故障率概述 2 2 1 数控机床的生产模式及特点 按照生产中使用的物质形态，制造业可以分为离散制造业和流程制造业。装备 制造业属于离散制造业【2 4 1 。 按照每种产品每次投入生产的数量不同，制造业的生产模式大致可以分为：按 订单设计的单件小批量生产，多品种小批量生产，中批量生产，大批量的流水线 生产和多种模式混合的生产等方式。 数控机床的生产作为典型的装备制造业，属于多品种小批量生产模式，并且我 国制造行业9 5 的企业都属于多品种小批量生产模式 2 5 1 。多品种小批量生产模式 的主要特点体现为：产品种类繁杂多样，按需制造；生产过程确定性低，变动和 调整频繁；生产技术准备周期长；采购技术难度大；对操作者的自身素质和能力 依赖程度高。这些特点使得数控机床的可靠性控制在标准化、规范化、稳定性、 低成本、一致性上存在较大困难，具体如下【2 6 j ： 重庆大学硕士学位论文 批量小，统计技术无法应用； 品种多变，过程不稳定； 管理标准和技术标准不健全； 低成本战略影响质量控制投入； 刮研装配，人的因素影响大； 精度文化，缺乏可靠性装配工艺； 制造设备落后，零部件的一致性差； 供应商普遍缺乏质量保障意识和能力； 基本没有配套件质量控制规范； 设计主要是模仿画图，不做实质性分析； 缺乏实验技术和手段，没有数据积累； 用户维护保养极差。 因此，数控机床多品种小批量生产模式的特点决定了数控机床在故障和可靠性 控制方面的困难，为了较好的对数控机床装配故障率进行分析与控制，首先应该 考虑上述特点，在分析上述特点的基础上制定有效的分析方法和控制手段。 2 2 2 产品寿命周期的故障率分类 产品寿命周期 一 产品全寿命周期，也称产品全生命周期，是指产品从进入市场到退出市场所经 历的全过程，分为导入期、成长期、成熟期和衰退期共四个阶段。并行工程首次 将产品寿命周期的概念从经济管理领域扩展到了工程领域，将产品寿命周期的范 围从市场阶段扩展到了研制阶段，真正提出了覆盖从产品需求分析、概念设计、 详细设计、制造、销售、售后服务，直到产品报废回收全过程的产品寿命周期的 概念【2 7 】。 基于产品寿命周期的故障率分类 按照故障的性质、原因、严重程度或者规律可以将故障分为许多不同种类【2 8 1 。 为了对故障率进行有效的研究也需要对故障率进行分类，然而数控机床的可靠性 研究涉及到产品寿命周期的设计、制造、装配、供应和售后服务等阶段。按照数 控机床寿命周期的不同阶段，数控机床故障具有不同的含义。将故障率按照产品 寿命周期进行分类不仅可以通过命名直接看出故障所处的阶段，而且故障率在不 同阶段具有不同的研究特点，对不同类型的故障率可以进行单独的研究，将整体 故障率分散到各个阶段研究，体现了由总体到局部的思想；同时通过在不同阶段 对故障率进行分析研究，利用产品寿命周期对故障率进行综合考虑，从而实现产 品整体故障率的改进，有利于故障率的研究。