国营武昌造船厂三维小车样机研制QC小组--潜艇三维电动液压小车样机研制教材

1、潜艇三维电动液压小车样机研制 武昌造船厂三维小车样机研制 QC 小组 一、小组概况三维小车样机研制 QC 小组成立于 2005 年 3 月。 本题活动的课题是潜艇三维电动液压小车样机研制，属 于创新型课题，活动时间 2005 年 3月至 2005 年 12月，出勤率达到 96，姓名性别部门组内职务职务组内分工黄小勇男生产管理部组长副主任技术管理决策黄晓黎女工艺设计所副组长工艺员组织协调记录胡宏杰男企业策划部组员副厂长技术管理胡三明男工艺设计所组员主任技术管理戴毅男三车间组员钳工实施张凯男设备计理部组员电气员实施、选定课题（一）潜艇制造模式转变：整体建造模式转变为总段对接的模式总段对接模式见图

2、1：、选题理由的简易图表三、课题简介本次课题研究的三维小车，是为适应潜艇总段拼装焊接 的工艺要求而开发的一种专用设备。小车由机械传动系统、 液压系统和电控系统三大部分组成，用来实现船体六个自由 度方向的运动，从而改变船体姿态，完成对接。 对接原理：四、设定着力点和目标为了有效的完成课题， 首先明确具体的主攻点即 “着力点”。我们运用了 “课题分解、分析表 ”这一工具课题分解、分析表把握现状着力点目标通过设计保证，受 经济精度控制主 缸、付缸 的移动精 度主缸、 付缸的移 动精度 0.05通过工艺保证，受 工厂设备影响五个自由度方 向的运动精度采用有效可靠的电 控方案不同步性会导致小 车的破坏控

3、制车 组行走 同步性实现车 组行走 同步率 趋近于 100选择恰当的传动方 式提高液压缸的制造精度采取断电数据保护措施采取有效的用电防范措施通过 “课题分解、分析表 ”这一工具，我们找出了本次课题的两个着力点，并针对这两个着力点设定了两个目标值。控制主缸、付 缸的移动精度控制行走机构 的同步性其中为了量化行走机构同步性，引入同步率的概念五、方案设计目标一：主缸、付缸的移动精度 0.05mm 的方案设计：我们从分析船体对接的工作流程入手，通过分析工作流程的每一个环节，提出了相应的实现目标的方案。开始测量相对位置将数据读入工控机液压机构和行 走机构先后动作N是否达到对接精度结束通过对流程图的分析我

4、们发现有四个环节对主、付缸的移动精度有影响：1、测量的误差2、工控机计算误差3、发布指令的误差，即通讯误差4、液压机构（即主、付缸）执行指令的动作误差 那么我们要控制主、付缸的移动精度就要消除这四个环 节的误差。初步方案：方案选择：方案 1：控制测量的误差分析： 测量的误差直接导致主、付缸运动与目标值的偏差， 是源头误差，其不仅影响主、付缸移动的精度，而且影响对 接的效率，小组成员一直认为应该采用此方案。结论： 方案 1 选择通过方案 2、消除工控机计算的误差分析： 工控机如果计算错误将会导致对接的失败，但是，通 常只要系统稳定，算法正确，就可以杜绝计算错误这种情况 的发生，没有必要专门针对这

5、一问题采取措施。结论： 方案 2 被淘汰 方案 3、消除通讯的误差 分析： 由于考虑到船台工作现场有大量电焊机和气刨机共电 源工作会发出电磁干扰，可能会造成通讯不畅，我们做了一 个模拟试验：向多个目标发出通讯信号，人为地发出电磁干 扰，检测各目标收到的数据一致性。我们发现：电磁干扰造 成各目标之间接受到的数据值存在偏差，干扰严重时还会造 成数据失真。结论： 方案 3 选择通过方案 4： 液压机构设置反馈装置分析： 小组成员从有效性、可行性和经济性三个方面进行分 析：分析结论有效性反馈装置使发布指令和机构动作形成闭环控制，随时调制机构动作精度，是最有效地提高移动精度的方法。可行性主缸有效行程 1

6、50mm，付缸有效行程 50mm， 设置反馈装置简单 易行。现有技术成熟。经济性反馈装置制造成本与被监控机构行程有关， 由于主、 付缸行程短， 其设置反馈装置经济性好。结论： 方案 4 选择通过最终方案： 最终方案通过对初步方案的进一步设计，我们确定了最终方案：目标二：行走机构车组同步率趋近于 100 整个三维小车系统在设计完毕后要实现 30 台小车同时 工作，而每一台小车都有其单独的驱动机构，要实现同步动 作是一个难题。为了找到恰当的控制车组同步性的方案，小 组成员运用头脑风暴法， 集思广益， 进行了初步方案的设计。行走中速度一致通讯时间无误差行走的距离一致首先要实现驱动机构输 出的速度一致

7、， 同时要克 服行走过程中所受的阻 力对速度的影响在单位时间行走 距 离一致的情况下， 必 须各小车接受到 指 令的时间一致在速度一致的情况下，要 实现行走的距离一致必须 实现车轮的直径一致。但 同时要考虑经济性。设置反馈装置是最有效 的解决这一问题的方法消除通讯的时间 误 差控制车轮直径的制造精度初步方案：方案选择：方案 2、方案 3 小组成员一致选择通过。方案 1、 行走机构设置反馈装置分析： 我们从有效性、可行性和经济性三个方面进行分析分析结论有效性通过反馈装置使发布指令和机构动作形成闭环控制，随时调整行 走速度使其与指令保持一致，是最有效地提高同步性的方法。可行性行走机构有效行程长达

8、30 米，设置反馈装置不易于实现经济性反馈装置制造成本与被监控机构行程有关，由于行走机构行程台长短，其设置反馈装置不具备经济性。结论： 方案 1 被淘汰。BUT ：通过分析我们发现， 目标二的三个方案属于 AND 手段， 必须同时选用才能达到控制同步性的目的，下面我们运用价 值工程分析法，来寻找 “设置反馈装置 ”的替代方案。 价值工程分析法：首先进行功能整理：手段通过设置反馈装置实现实辅时监助控，功及时能调目的单位时间小车装运行置距这离一一致辅单位时间伺服电功能机成的运本转过圈数高一，致我们将工脉作冲控制重点放在改善辅助功能上（即：寻找其它实现车组同步动作的手段）达到降低成本，提高价值的目的

9、。目的手段目的手段目的手段（F表示功能， C表示成本 ）通过脉冲控制实现了与设置反馈装置同样的功能，同时节省了设置反馈机构的费用。使价值系数提高。替代方案： 实现脉冲控制的电控方案 最终方案设计： 最终方案 通过对初步方案的进一步设计，我们确定了最终方案：走构组行机车实现脉冲控制的电控方案率 近 10 控制通讯时间误差控制车轮直径制造精度设计能够克服时间差的的通讯方案在经济精度的范围内尽量提高精度六、制定对策： 我们运用探求对策表进行制定对策，并对其进行评价， 详见探求对策表（目标一） 、探求对策表（目标二） 。小组将制定的对策进行整理并制定责任人及完成时间，详见对策表：序 号问题对策目标措施

10、时间负责 人选用市场调查市场上现有的选择高现有的高测量精度精技术成熟的高精度1精度测精度测量确到微米测量仪，然后进行选2005.5黄小勇量仪仪型。提高系制定电控屏蔽现场的净化电源， 采用抗干2005.62统抗干系统抗干电磁干扰扰能力强的的控制张凯扰能力扰方案器液压系制定反馈实现动态反统设置主、付缸位置采用闭3反馈装装置设计馈和及时调环控制2005.6胡宏杰方案整置设计能制定详细够克服的通讯方使车组同时主从应答和系统广4时间差案启动，同时播相结合地通讯方2005.6黄晓黎的通讯停止式方式在经济详细设计在经济的范精度的重点控制车轮尺寸5范围内行走机构围内将误差精度2005.6胡三明尺寸精度降到最小

11、尽量提高行走机构精度6实现脉冲控制的方法制定脉冲控制方法的方案实现在502000 mm/min 范 围无级变速通过改变单位时间内的脉冲数量， 达到对速度的调整2005.6张凯探求对策（系统图）选择高精度测量仪探求对策表（目标一）控制 主缸 、付 缸的 移动 精度提高系统抗干扰能力选用抗干扰能力强的控制器，同时屏蔽外界干扰液压系统设 置反馈装置期望效果预想到的问题具体对策内容评价综 合 评 价经济 性实现 性高精度且可 靠性高测量仪不能适应船体的 恶劣工作环境选用可靠性高的高精度测 量仪选 择高精度且可 靠性高设计成本过高，且周期 过长专门针对船体的恶劣工作 环境设计满足要求的高精 度测量仪淘

12、汰系统不受干 扰抗干扰效果不佳通过净化电源等屏蔽外界 干扰淘 汰系统不受干 扰选用抗干扰能力强的控制 器，并采取措施屏蔽外界 干扰选 择实现实时监 控通过监控元件实现对主、 付缸的闭环控制选 择选用市场现有技术成熟的高精度测量仪专门设计三维小车系 统适用高精度测量仪在不改变控制硬件的条件下 采取相应措施屏蔽外界干扰在发布指令与机构动 作之间增设反馈装置探求对策（系统图）通讯电缆采用并行连接方式，克服通讯时间差探求对策表（目标二）期望效果 预想到的问题小车数量多，前后拉实现车组同时 开距离远，并行连接启动同时停止 方式难以实现，成本高评价具体对策内容通讯电缆并行连接综合评价控制 行走 机构 同步

13、 性实现车组同时 启动同时停止通讯方案较复杂仍然采用串行连接， 采 用系统广播方式实现 同时启动和同时停止设计能够克 服时间差的 通讯方式采用主从应答和系统广播相结合的通讯方式制造误差对同 步性影响很小实现50-2000mm/min 用脉冲控制实现无级 范 围 内 的 无 级变速是难点变速进行详细设计并进行验证通过改变单位时间内 的脉冲数量， 达到对速 度的调整七、对策实施：实施一、选择高精度测量仪SCR3923光栅尺通过市场选型，最终选用 SCR3923 光栅尺系统的高可 靠性使它即使在恶劣的条件下也能保证正确工作。 特制的防 护用来防止任何故障。不用维护，减少维修。 （特别适合船 台的工作

14、环境） ，其测量的精度达到 10.5 m。 制定电控系统抗干扰方案，屏蔽现场的电磁干扰小车控制柜直径名义尺寸：B C D E0.05mmLmax t* *Dmax*n选定公差范围：F GLmin t*Dmin*n通过实现脉冲控制我们不但降低了因为电流比例放大控制方式 带来的控制精度误差，同时还解决了因为行走时所受的阻力不同而带来的误 差。小车序号副列小车主列小车小车编号理论调整 距离实际调整 距离小车编号理论调整 距离实际调整 距离1510.0010.01110.009.972610.0010.02210.0010.043710.0010.00310.009.984810.009.99410.

15、009.99实验结果 评价移动精度满足 0.05mm，达到目标值。副列小车主列小车小车编号理论调整 距离实际调整 距离小车编号理论调整 距离实际调整 距离15-5.00-0.50215.005.0126-5.00-0.49925.005.0037-5.00-0.50135.005.0448-5.00-0.50345.004.98实验结果 评价移动精度满足 0.05mm，达到目标值小车序号副列小车主列小车小车编号理论调整 距离实际调整 距离小车编号理论调整 距离实际调整 距离1510.009.9510.000.002610.0010.0020.000.003710.009.9930.000.00

16、4810.009.9740.000.00实验结果 评价移动精度满足 0.05mm，达到目标值备注主列不移动，付列发生垂直位移小车序号副列小车主列小车小车编号理论调整 距离实际调整 距离小车编号理论调整 距离实际调整 距离156.006.0216.005.992612.0012.00212.0011.993718.0017.99318.0017.974824.0023.95424.0023.99实验结果 评价移动精度满足 0.05mm，达到目标值小车序号副列小车主列小车小车编号理论调整 距离实际调整 距离小车编号理论调整 距离实际调整 距离156.006.021-6.00-6.012612.0012.012-12.00-12.003718.0017.993-18.00-18.