基於模糊穩健設計的工具機動態精度分析與反演方法研究

《基於模糊穩健設計的工具機動態精度分析與反演方法研究》是依託北京工業大學，由程強擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於模糊穩健設計的工具機動態精度分析與反演方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：程強
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

加工精度是數控工具機追求的最終精度，是衡量數控工具機工作性能非常重要的指標，如何經濟合理地將數控工具機的加工精度控制在所追求的目標範圍內，是提升我國高檔高精度數控工具機的技術水平與性能質量的一個難題。本項目研究工具機在可控因素幾何誤差和不可控因素動態熱誤差綜合影響下動態精度的正向遞推分析與反演優配問題；基於模糊穩健設計方法，建立工具機動態精度的模糊機率分析一般模型，探討工具機動態精度對單項不確定性誤差源的靈敏度分析方法及其反向影響規律，建立工具機動態精度的模糊穩健優配一般模型，並最終系統形成工具機動態精度的模糊穩健分析與反演的理論與方法；開發支持工具機動態精度模糊穩健設計與反演的軟體工具，並結合具體的產品進行實驗驗證。項目的研究為高檔精密數控工具機的精度設計與精度反演及優配、合理確定數控工具機各環節的精度等級提供理論與方法支持，對我國高檔精密數控工具機自主研發與技術創新具有重要的理論與實際意義。

結題摘要

加工精度是數控工具機追求的最終精度，如何經濟地使數控工具機加工精度控制在所追求的目標範圍內，是提升我國高速高精度數控工具機的技術水平、性能和質量所面臨的關鍵性難題。本項目基於穩健設計理念，主要開展了工具機在可控因素幾何誤差影響下精度的正向建模分析與反演優配問題。針對由於缺乏實驗條件和先驗數據而無法套用傳統穩健設計的情況，基於公理設計獨立公理、泰勒級數展開近似以及矩陣微分預算和數理統計理論提出了一種分析性穩健設計方法及最佳化方案評價機制。通過對工具機的幾何誤差多點次檢測與辨識，基於數理統計理論得到各幾何誤差源基本分布規律，建立了工具機空間加工誤差的機率分布特徵分析模型，以對工件合理裝卡以利用工具機有效加工區域及工具機電氣聯調提供指導與借鑑。針對如何確定零部件幾何誤差對加工精度的影響程度從而經濟合理地分配工具機零部件的幾何精度這一難題，建立了多軸數控工具機誤差敏感度分析的數學模型，以有效識別出影響工具機空間加工精度的關鍵性幾何誤差源。建立了基於製造-質量損失成本的工具機零部件尺寸公差最佳化分配模型和基於零部件精度參數和工具機空間誤差關係的最佳化模型，提出了多軸工具機幾何誤差反演與優配方法，為實現工具機幾何精度與製造成本的最佳化平衡探索了一種新方法。針對重型工具機橫樑等工作部件承受載荷大、變形大、載荷誤差占比高的特點，提出了一種載荷誤差的辨識及橫樑預變形起拱曲線最佳化方法，並基於粒子群算法實現了橫樑起拱曲線最佳化設計。初步進行了重型龍門五軸聯動工具機（B/C擺角）數控加工指令修正的研究，提出了平移數控加工指令及迴轉數控加工指令修正疊代求解算法，使加工軌跡在理想軌跡附近，以提高重型龍門五軸聯動工具機的加工精度。在理論研究的基礎上，基於Visual C++開發了多軸工具機精度穩健性分析與優配軟體工具，並結合精密工具機和重型工具機產品進行了分析驗證。通過項目研究，發表SCI學術論文5篇、EI論文17篇、ISTP論文1篇，申請國家發明專利5項（其中授權1項），獲批軟體著作權1項，培養研究生9名。項目的研究不僅為工具機的創新精度設計，更為現有數控工具機的改造以提高其精度提供關鍵的解決途徑，對於提升我國高檔數控工具機的加工性能，提高製造科學的研究水平，具有重要的理論與實際意義。