制造信息学应用——机械加工精度的自组织研究

中国机械工程第１３卷第４期２００２年２月下半月　文章编号：１００４—１　３２　ｘ（２００２）Ｏ４　０３４４　０４　制造信息学应用　机械加工精度的自组织研究　张伯　鹏　摘要：制造目标是他确定的。组织实施他确定的制造目标的方法有他组织　和自组织２种　讨论了一种制造目标…机械加工精度的他组织物化特点　着　重阐述了机械加工精度的自组织物化原理．并给出了应用案例。　关键词：制造目标；他组织；自组织　中图分类号：ＴＨｌ　６ｌ　文封　、ｌ，、玛：Ａ　张伯鹏教授　制造是需求和效益驱动的社会性产出活动，一　精度的理论基础：文献［３］指出了制造目标自组织　切制造活动都是有目标的．问题是制造目标信息是　的信息特点：文献［４，５：是有关非制造领域自组织　怎么确定的，又是怎样组织实施达标（组织）的　的阐述。　制造目标是按照需求和效益由非制造确定即　在比较不同组织方式的基础上，研究了机械加　他确定的。　工精度自组织的原理及其应用　组织实施他确定的制造目标的方式却不止一　种。除了熟知的通过受控的制造过程，将制造目标　１　机械加工精度目标信息的他确定　逐步传递给制造对象（简称他组织方式）外，还有另　最经济方式满足要求是确定机械加工精度　外一种自行组织实施达到制造目标的方式（简称自　目标信息的主要依据　例如曲轴轴颈部分的机械加　组织方式），见表１。　工精度和表面粗糙度就是主要由轴承工作要求和　表ｌ制造目标的确定和组织方盏　加工成本决定的。　亍为方式　制造目标确定方式　制造目标组织疗式　由用户和供货企业共同确定的产品的功能和　他行　他确定　他组织　性能需求（ＦＲ）是产品设计的原始依据。设计者的　自行　自组织　首要任务是通过合理的质量功能配置．将ＦＲ转换　本文仅针对特定的制造目标，即某些机械加工　为物理的设计参数（ＤＰ）ｎ一，再由产品设计及工艺　精度目标，阐述其自组织达标问题　几十年来国内　设计者依据ＤＰ共同确定产品组成零件的具体机　外发表有关机械加工精度的著述众多．主要都是在　械加工精度目标（ＭＯ），包括机械加工公差和表面　精度他确定、他组织的基础上阐述误差的产生、分　粗糙度等。ＭＯ和其它机械加工目标一起是零件制　析和精度保证等问题　文献：ｌ　是早期有关机械加　造工艺设计的依据。工艺设计要选择达到ＭＯ的　工精度科学基础的专著；文献［２　阐述了机械加工　合理过程，包括确定工序、工步、工位，选择制造设　备，准备工艺装备，并确定工艺参数及其检验标准　崆穑日期：２∞１—１０　３０　基盘项目：国家自然科学基金资助重大项Ｉ；１（５９￣９０４７０　等。　参考文献：　［ｊ］　陈世友，宾鸿赞，欧阳玲湘墼杠运动误差的用环选　［１］宾鸿赞．加工过程数控武汉：华中理工太学Ｈ｜咂杜，　代自学习控制中国机械工程，２０ｇｇ，¨（８）：￥７４～　１９９９：２２０～３０６　８７７　［２］ＢＩＮ　Ｈｏｎｇｚａｎ，Ｙａｍａｚａｋｉ　Ｋ、Ｉ）￣Ｖｒｉｅｓ　Ｍ　Ｆ．Ａ　［６］陈ｌ　友．广义运动误差大回路控制的研究：［博士学　Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｃ０　ｔｈｅ　Ｍ　Ｍｒ　ａｎｄ　Ａｎａｌ　位论文：、武汉：华中科技大学，２００１　ｙｓｉ　ｓ　ｏｆ　Ｌｅａｄｓｃ　ｒｅｗ　Ｄｒｉｖｅ　Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ　Ｅｒｒｏｒｓ　Ｓｔａｔ［ｓ　（编辑华恒）　ｔｉｃｓ　ｉｎ　Ｍ￣ｒｌｌｌ［ａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＳＭＥ　ＰＥＤ，１９８３、ｇ　４　～５０　［３］　陈卓宁、宾鸿赞．离散勒让德多项式序列预报控制原　作者简介：宾商量、男．１　９４ｏ年生　华中科拄大学（武汉市　理与算法机械工程学报、１９９０、２６（６　Ｊ：４１～５ｌ　４　２ｏｏ７　４）机槭科学与ｌＴ程学院教授、博ｔ研究生导师。研究方向为　：４］束洪涛，王永业，宾鸿赞．　磨削过程卡　及其在丝杠　机械制造丑自动化。获国家级数研ｌ嘘　二等奖１项，部省级科拄进　磨削过程控制中的作用中国机械［程、１　９９７，８（学　步奖５项．省级自然科学奖１项　培养博士２４人，出版著作ｊ部，　刊）：２３～２５　其中．都级优秀教材一等奖１部　发表论文１　ｏｏ泉篇。　・３４４・　维普资讯 http://www.cqvip.com

制造信息学应用　一机械加工精度的自组织研究～张怕鸱　综上．机械加工精度作为一种制造目标信息　是由制造以外的环境确定．而不是由制造自己确　定的．可以说机械加工精度目标对制造而言是他　确定的。　２　机械加工精度目标信息的他组织物化　大多数机械加工精度目标信息在他确定后．　都是用他组织方式物化达标的。加工对象的精度　信息由精度信息源通过精度信息传递环节和工艺　环节，面对不可避免的各种误差干扰．他组织有序　地将精度目标信息传递给加工对象．见围１。他组　织的精度传递方式有开环和闭环２种。　误差干扰　／－＼、　ｌＩ　丽丽『＿／．・・　＼蒋　面　。————　——’。—‘——　——　ｌ＿．．　磊Ｉ　—Ｔ　，　］＿Ｉ一　一（三至　一≤三三　（　三　固ｌ　机械加工精度目标信息的他组鳃有序传递　２．Ｊ开环精度传递　这时，精度目标信息以开环形式，自精度信息　源经精度信息传递环节和工艺环节传递给加工对　象。由于在这一过程的任何阶段都没有信包反馈．　各阶段的误差干扰也将传递给加工对象。ｉ通道　的精度目标信息的开环传递示意见图２　误差干　周２　单一通道精度目标信息的开环传递　以数控车床光轴外圆半精车工步为例说明如　下：　（１）精度信息潦　包括数控车床几何精度．　横向、纵向进给编程精度等。　（２）精度信息源误差干扰　主要来自数控车　床几何误差、本工步编程分辨率等。　（３）精度信息传递环节　包括开环驱动系统、　滚动丝杠、工作台导轨、主轴系统、刀具系统等　（４）精度信息传递环节误差干扰　在精度的　开环传递方式中．传递环节的误差于扰是主要的　误差源．包括开环驱动系统的稳态转角误差和动　态转角误差、滚动丝杠螺距误差、各轴导轨运动误　差、主轴径向跳动误差和轴向跳动误差等。　（５）Ｉ艺环节　包括车削、工件定位夹持、刀　具整备、加工尺寸检测等　（６）工艺环节误差干扰　主要来自车削振　动、工件定位央紧、刀具整备误差、刀具磨损、机　床　夹具～刀具　工件系统热变位及受力变位　等　这些误差对加工对象精度有直接影响　在开环精度传递方式中，各精度信息源按顺　序将有关精度目标信息伴随着误差干扰一起传递　给加工对象。　值得指出的是各个信息源先后传递给加工对　象的精度目标信息，在同一加工部位上一般并没　有累加关系．前一精度目标信息常是为后一精度　目标信息提供保证的。例如粗车精度目标信息是　为保证半精车精度目标信息的实现服务的，而半　精车信息又是为精车服务的，最终只有精车精度　目标信息和误差干扰一起物化在加工对象上．其　它前置精度信息都只是在某种程度上　间接形式　体现在加工对象上的（如复印误差）。　在开环精度传递方式中，常用前馈方式改进　精度传递的质量，方法是事先测量有关误差，如行　程误差、进给反向误差等．再于作业过程中进行前　馈型软件补偿或硬件补偿　这种误差补偿主要用　于精度信息传递环节的误差补偿，见图３。　误差干扰　一——衲　—百　一］　一二二ｊ二—　＿Ｉ　；　竺兰　兰！！Ｊ　误差干扰　国３开环持度信息传递中的误差干扰的前馈补偿　２．２　闭环精度传递　为了提高精度目标信息的传递质量．可以在　传递环节和工艺环节中殴置反馈信息通道，以闭　环方式传递精度，如数控机床的各种闭环位移伺　服系统、车削外圆尺寸的主动检测系统等．见图　４　厂—藉　瓦—　］一一一书｝差干扰　『　．　．．．，．　．．．．　一　ｒ＿Ｉ…Ｉ　误差干扰＜　ｆ　检测　＿－－　＜重雯至＞…＜　三塑）　图４精度目标信息的闭环传递　３　机械加工精度目标信息的自组织物化　在机械加工精度目标信息的他组织物化方式　・３４５・　维普资讯 http://www.cqvip.com

中，精度目标信息自加工对象外，受控地（即他组　织地）、有序地物化到加工对象Ｌ，见图５。　ｒ＿－　卜　图５精度目标信息的他组织物化　与图５不同，机械加工精度目标信息的自组　织物化系统中，并不存在加工对象外的精度信息　源，加工对象的精度目标是通过多重反馈通道自　组织达到的　图６是机械加工精度目标信息的自组织原理　图　图中有２个相互的反馈通道，其输出分别　为“（　）和ｖ（ｔ）。　目标精度ｚ　！ｎ　Ｊ　图６　目标精度信息的自组织原理图　参照图６可有　ｒ　Ｚ（ｔ）＝Ｋ　“【¨…－（，）］ｄｔ　（１　式中．　为功放／积分环节的增益　达到稳态后有　Ｚ（ｔ】　常数　（２）　由式（１），满足式（２）的条件是　“（ｆ）一　）＿－０　（３　Ｊ　依式（３）可以求算Ｚ（ｔ）的稳态值ｚ　若有　“　】　一Ｋ１Ｚ＋Ｅ．　ｆ　１　Ｋ　Ｚ　Ｌ４）　式中，Ｋ　、Ｋ　、￡均为正常数。　将式（　ｉ）代人式（３）得　Ｚ　一Ｅ／（ＫＩ＋Ｋ　）　式中．　．为由白组织系统本身参数决定　而　；由系统外目　标决定　对应图６的他组织原理图示意见图７，将其目　标精度的输入端和ｚ端联接＋是将他组织系统转　变为自组织系统的必要条件。　隰　瓣卜　—Ｌ一＼　ｌ　一　日标　精度ｚ　——　亚　一　图７　目标精度信息的他组织原理图　比较图６和图７可以得到以下结论：　ｃ１）精度他组织系统通过　内与外”相比较．　利用闭环控制达到目标精度，　（２）精度自组织系统通过“内与内”相比较，　利用闭环控制达到目标精度　（３）建立精度自组织系统的必要条件是具有　・３４　６・　中国机械：ｌ程第ｌ３卷第１期２∞２年２月下半月　Ⅳ条柏互的反馈信息通道．且Ⅳ≥２。　综上所述有以下定理：　定理一　任一由比较环节、功放／积分环节　和对象组成的无指令输人的闭环控制系统，其输　出变量能自组织达到稳态值的必要条件是系统具　有Ⅳ条相互的反馈通道，且Ⅳ≥２。　证明：系统无指令输人．但有输出变量。系统　输出变量具有稳态值的必要条件是这时功放／积　分环节的输入（即比较环节的输出）为零值，并且　是稳定的零值。　设比较环节前共有Ⅳ条相互的信息通　道．相应Ⅳ个均不为零的输人进人到比较环节的　变量为ｘ　，ｘ　，…，ｘ　，且要求　（　１．　？，…，Ｘ　）一０　【ｄ　Ｊ　特定情况下，是代数求和　有　Ｉ—　十…　Ｘ　＝ｏ　（５）　式巾．Ｎ＝ｌ时，由于ｘ　≠０．不能满足式（５）要　求；Ｎ一２时，尽管ｘ．，ｘ　均不为０，但当ｘ，一一　时，可以满足式（５）要求：Ｎ＞２时，满足式（５）　要求的　，变量蛆台不止一种，所以系统能自组织　达到稳态值的必要条件是Ｎ≥２。得证［式（ｊ）零　值为稳定的证明从略］。　４　机械加工精度目标信息自组织物化原　理的应用　制造工业中有些高精度机槭产品，如基准平　板、精密多齿分度台等，它们在机械加工后，一般　都要通过互研来达到目标精度，其特点如下：　参与互研的工件的几何形状相同．至少其互研部　分的几何形状相同。＠参与互研的工件数目Ⅳ≥　２（基准平板Ｎ＝３，多齿分度台Ｎ＝２）。＠互研　对象（基准平板）或互研部位（多齿分度台）具有　自组织能力，能按误差收敛的规则不断更换，反复　互研、多次循环至达到目标精度为止　４　１　基准平板平面目标精度的自组织物化　基准平板是通过３块基准平板交替互研并铲　刮达到　Ｆ面目标精度的。　定理：　３块基准平板．通过交替互研并铲　刮．当任２平板均达到全贴台（以单位面积内的相　对接触点数目表示）时，即可得到基准平板的平　面目标精度　证明：２块基准平板，经过反复作适当范围的　准随机相对运动互研并铲刮，而能全贴合（达到　Ｆ　面目标精度）的可能面型　有２种：　：面型均为　平而　②ｌ面型为外球面，另１面型为内球面．二　者半径的绝对值相等　维普资讯 http://www.cqvip.com

制造信息学应用　～机械加工精度ｆｌ勺自鲥织研究…张伯哦　若３块基准平板通过交替　研并铲　，任２　块问部达到全贴台，这时３块基准平板的而型只　能都是具有平面目标精度的平面　得证　推理：为了获得基准平板的平面目标精度，必　要和充分的基准平板数目是Ⅳ一３。　证明：Ⅳ块基准平板，若　≤２则不可能通过　交替互研并铲刮得到平面日标精度；Ⅳ＝３则可　以通过交替互研并铲刮得到平面Ｉｑ标精度；Ⅳ≥　４则是不必要的。得证。　上述基准平板的平面１３标精度，显然是通过　自组织而不是他组织获得的，这一平面目标精度　自组织系统符台定理～，即Ⅳ≥２。　图８是用３块基准平板，通过交替互研获得　平面目标精度的自组织原理图　当然，为丁徘证误　差收敛以获得平面目标精度，需要合理选择３块　基准平板互研并铲刮的顺序和每次的铲刮量，　及其它些工艺问题。　Ｌｒ王蔓■盏　一　＃　ｆ　、一　一　Ｉ　Ｉ互矸平｝－平板　一则选择ｌ——一下、　（　一　１　Ｙ　　Ｉ一｝而　ｊ　周８基准平板的平面目标精度自组织原理囤　以上用自组织观点，阐述了３块基准平板交　替互研得到平面目标精度的传统工艺，用自组织　原理解释了平面目标精度的目组织物化机制。　４．２　多齿分度台分度目标精度的自组织物化机　制　多齿分度台是制造业常用的种秒级或监秒　级的精密分度装置。～般分度精度的多齿分度台　在精确机械加：Ｉ二后即可使用，高分度精度（亚秒　级）的多齿分度台在机械加工后，还需要通过互　研来达到目标分度精度。　多齿分度台由具有相同齿型的上下齿盘组　成．齿数从数１０个左右到１０００多个不等　由于存　在机械加工误差，上下齿盘在节平面上的齿距并　不全等，尽管由于多齿啮合对齿距误差有均化作　用．但仍不免导致分度误差。上下齿盘互研的日的　是减小上下齿盘的齿距误差　为此．需要保证上下　齿盘每一个分度齿位在互研过程中部能得到大致　相同数目的互研。图９是多齿分度台目标分度精　度的自组织原理图。　按上述原理进行ｒ多齿分度台目标分度精度　的自组织过程仿真．所得到的结果和工业生产实　践一致。　是否选到目一　标分腰精　照。　，　国９多齿分度台目标分度精度的Ｉｇｌ组织原理图　以上２个案例说明了自组织物化的几个特　点：①实现精度目标自组织物化的必要条件除Ⅳ　≥２外，还需要有保证误差收敛的自组织策略（互　研平板选择、互研部位的换位策略）和是否达标　环节。＠自组织物化的关键是最终目标的自组织　形成，而非由外部给定，有人、无人参与自组织过　程均可。⑧自组织物化是个过程，需要多次循环　才能达到目标　５　讨论　本文在比较的基础上．阐述了制造领域的自组　织原理　指出了制造目标自组织的特点．并通过典　型案例说明了机械ｂｕｓ－精度目标的自组织过程。　自组织原理和系统在极造（如纳米制造）　中，由于他组织达标常存在难度，而有重要的实用　价值　参考文献：　一ｌ　５　Ｍ　Ａ¨．１ｌ　ｍ（）ｃ¨　Ⅲ．＇　、　ｎｌｎ　Ｉ１１＿『『Ｉ　Ｊｃ　－ｃ　ｌ、１。ｃ㈨ａ，Ｍａｔｔ．’…．１　９５５　２５１～０　７　［０］机械制造工艺理　仑基础编写组机械制造工岂理沧　基础上海：上海科技出版｛Ｌ．１　ｇＳ０：１～‘７　Ｚ３］ＺＨＡＮＧ　ｌ　Ｐ，ＷＡＮＧ　Ｊ　Ｓ．ＺｔＲ）Ｕ　Ｋ　］ｎｖｅｓｔｉｇａ　ｔｉｏｎ　ＯＩ］］ｏａ］ｅｓｔａｇｌｉｓｈｉｎｇ．Ｏｄｅ　ｒｂｕｉｌｄｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｋｉｌｌ　Ｔｒａ【】　ｆｅｒ　１　ｅｓ　ｉｎ　Ｍａｎｕｌａｃ￣ｕｒｉｎｇ　Ｉ　ｒｏｃ　Ｉｍｌ　Ｗｏ　ｒｋｓｈｏｐ　Ｏｎ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｍａ［１ｌＪｆｃＩ　１ｕｎｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｓｃｉ　Ａｎｄ　Ｆｅｃｈ．１＿１１ｃ　ｒ．Ｐｕｂ．Ｈ０ｕ。ｅ．１　９９６：２１～２５　４：ＦＡＮＧ　Ｆ　Ｋ．ＳｕｎｇＪｉｅｒ　Ｍ．（’Ｉ￣ｍｐＪｅｘｉｌｙ　ａｎｒｔ　Ｓｅｌｆ—Ｏ１＂・　ｇａｎｉｚａｌｉＯｎ　ｌ『ｌ　Ｓｏｃｉａｌ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｎｄｅ　Ｓｙ　ｓｔｅｍｓ—　Ｓｐ　ｒｉｎｇｅ　ｒ～Ｖｅ　ｒｌａｇｅ・１　９９７：４３～７０　：５　许国志系统科学．１　悔：上海科技教茸出版社．　２０００ｔ１　７３～２０２　ｄ—Ｓｕｂ　Ｎ　Ｉ　．Ｉ｝ｅｌｌ　Ａ　Ｃ（）ｎ　ｎ　Ａｘｌｏｍａｄｃ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔ。　Ｍａｎｕｆ　ｃＬ　ｃ１ｕｎｎｇ　ａｎｄ　ＭａＩｌｕｆａｃ１ｕ　ｒＩｎｇ　Ｓｙｓｔｅｔｎｓ．　ｊ　０ＩＥｎｇ　ｆｏｒ　Ｉｎｄ、１９７８　１　００　１　２７～１　３０　【编辑华恒）　作者简介张袖焉　男．１　９３２年生　清华　学　北京市　１　０００８４）机　械工程学院精密机械与仅器系教授、博士研究生导师　斫究方　为击ｊ造科学　制造信息、制造系统、机器＾学　智能控制与智能机　器　・３４７・