基于动力学原理的大型数控机床工艺可靠性建模及增长方法研究

国产数控机床可靠性与国外相比存在较大差距，严重制约了我国数控机床行业的发展。本项目以大型数控机床为研究对象，综合应用可靠性工程原理、动力学理论、数控技术、智能方法及计算机仿真技术，针对性地提出基于动力学理论的工艺可靠性建模新方法和工艺可靠性增长新方法：建立加工过程的非线性动力学模型，揭示动力学参数与数控机床动态特性之间的关系；建立基于动态特性的多维聚合健康状态劣化模型，揭示动态特性参数的演化规律以及动态特性与工艺可靠性之间的关系；基于统计学习理论，提出小样本条件下工艺可靠性评估算法；采用基于混合粒子群智能遗传算法的加工工艺参数优化方法和基于自适应迭代反馈整定算法的控制器参数优化方法，提出一种新的定量地工艺可靠性增长方法。本课题的研究为大型数控机床可靠性问题的解决提供新的理论方法和实用工具，对于提高大型数控机床使用可靠性具有重要意义。

本项目以大型数控机床为研究对象，综合应用可靠性工程原理、动力学原理、数控技术、智能方法及计算机仿真技术等，提出基于动力学理论工艺可靠性建模新方法和工艺可靠性增长新方法。1）建立大型数控机床加工过程的非线性动力学模型，揭示动力学参数与数控机床工艺参数之间的关系。以数控双龙门移动镗铣床为对象，首先进行综合刚度实验，经过调整计算，获取数控机床的模态参数（或动力学参数）W（固有频率），K（刚度系数），C（阻尼比）；接着进行切削加工实验，通过测量切削时的力来获得切削模型的参数D与μ；由此建立数控机床加工过程的非线性动力学模型，通过这个模型就可以获得在机床刚度不同的位置上选择不同工艺参数进行加工所产生的加工表面特征。2）建立基于多性能的大型数控机床健康状态劣化模型，包括基于时间序列法的性能劣化模型和基于回归支持向量机的性能劣化模型。采用非平稳自回归积分滑动平均模型（ARIMA）对某一数控机床输出的性能特征参数进行拟合与预测，揭示数控机床的性能劣化时变性规律，以欧泰OTM-650数控铣床为研究对象，模拟数控机床因反向间隙而引起的圆运动精度劣化，分析数控机床性能劣化规律。采用回归支持向量机模型，拟合多台机床的多性能劣化轨迹，以描述数控机床性能劣化规律。3）建立基于非线性动力学模型的大型数控机床的工艺可靠性模型，并提出基于统计学习理论的工艺可靠性评估方法，以揭示数控机床动态特性、加工精度与工艺可靠性之间的关系。由数控机床结构模态参数、加工工艺参数以及加工性能指标等带入工艺可靠性模型，仿真得到加工精度，这些精度数据经无因次化处理后利用支持向量机拟合计算，得到最优的非线性回归函数。然后，结合机床在规定时间和规定条件下各种影响因素的概率分布函数，计算出机床工艺可靠性。4）提出两种定量的工艺可靠性增长方法，包括基于混合智能算法的加工工艺参数优化算法，基于模糊理论的控制参数优化算法，以提高加工稳定性和工艺可靠性。5）开发了大型机床故障诊断与可靠性分析系统，基于数控机床、故障诊断、可靠性工程与智能算法的基本理论和方法，以分析机床故障原因及评价机床可靠性水平为目标，软件的运行结果能够为机床维护人员提供综合决策依据。本课题的研究提供大型数控机床可靠性的理论方法和实用工具，对于提高大型数控机床服役可靠性具有重要意义。