基于元動作單元的機電產(chǎn)品分析與應(yīng)用淺析

1、 基于元動作單元的機電產(chǎn)品分析與應(yīng)用淺析 李琦Summary：評估復(fù)雜結(jié)構(gòu)下機電系統(tǒng)的有效性，切實可行的對策是對機電系統(tǒng)構(gòu)建一個元動作單元的模型，然后對內(nèi)部的能量進行綜合性仿真，在此基礎(chǔ)之上組建出系統(tǒng)性的分析模型。這種方法可以全面考慮在某個機電系統(tǒng)中存在的所有的交聯(lián)耦合作用，能夠提早的發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的缺陷，能夠不斷的更新與優(yōu)化設(shè)計方案，使得機電系統(tǒng)具備穩(wěn)定的特性和輸出。Key：機電產(chǎn)品;模型優(yōu)化;元動作單元1 元動作單元工作過程分析1.1 元動作單元工作過程從運動的層面來講，機電產(chǎn)品可以接收某種動力源所發(fā)出的動力然后通過內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，將初始輸入的動力轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苓\動。在機電系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的構(gòu)成要

2、素就是元動作單元，其核心的功能就是以既定的運動來傳遞動力。只有元動作單元的輸出符合了相關(guān)的質(zhì)量特征，那么系統(tǒng)就可以順利的實現(xiàn)即定任務(wù)。元動作單元在實際輸出時會存在諸多的因素對其產(chǎn)生干擾，這就會導(dǎo)致其實際的質(zhì)量特性無法達到理想值。所以要充分的掌握元動作單元本身所具備的質(zhì)量特性，只有在這個基礎(chǔ)之上才可以采取相應(yīng)的管控措施最終使得元動作單元實際輸出的質(zhì)量特性會無限接近于理想狀態(tài)。1.2 元動作單元耗損過程在元動作單元的損耗過程中，可以看到元動作單元在完成既定的功能時，存在零部件之間的摩擦、內(nèi)部與外部環(huán)境的變化等等干擾因素，這些干擾因素會改變元動作單元的內(nèi)部狀態(tài)，進而使其質(zhì)量特性的相關(guān)參數(shù)會產(chǎn)生退化，

3、一旦參數(shù)退化到一個最低值時，此時元動作單元徹底失效，也就意味著出現(xiàn)了故障。一個獨立的元動作單元會涵蓋諸多質(zhì)量特性方面的參數(shù)，而且當元動作單元在進行實際的運動時，這些參數(shù)會存在退化的可能性，一旦某一個質(zhì)量特性的參數(shù)退化到了最低閥值時，那么元動作單元就意味著完全喪失了功能。在試驗元動作單元具備何種程度可靠性的試驗中，將其中與質(zhì)量特性參數(shù)相關(guān)的一系列退化數(shù)據(jù)進行采集，然后對其進行擬合運算或者以預(yù)測，來最終制定失效閥值。在一個時刻t內(nèi)，假設(shè)此時存在于元動作單元中的與質(zhì)量特性參數(shù)相關(guān)的退化量的實際個數(shù)為m個，那么有，相應(yīng)的失效閾，元動作單元擁有的可靠程度為：2 元動作單元運動模型構(gòu)建可以將元動作單元整個

4、工作過程看作是一個運動的過程，然后對其建立一個數(shù)學(xué)模型，最終所設(shè)計的函數(shù)是探究在多元隨機變量的干擾下，元動作單元運動的具體情況。其運動學(xué)方程如下：在移動狀態(tài)下，在動力學(xué)領(lǐng)域中元動作單元的方程式所表達的是位移與速度兩者關(guān)系。這個方程將元動作單元在運動狀態(tài)下所具備的特性參數(shù)給予了表述，這個函數(shù)可以針對運動特性進行精確的定義。3 元動作單元質(zhì)量波動傳遞如果存在干擾因素影響了某一個元動作單元的輸出質(zhì)量，使其產(chǎn)生了質(zhì)量波動，那么存在于這個系統(tǒng)中其余同層次的元動作單元的輸出也會受其影響出現(xiàn)質(zhì)量波動，這些質(zhì)量波動會以逐層的方式來進行傳遞，最終使得整個機電系統(tǒng)產(chǎn)生質(zhì)量波動。所以可以得出單元中存在的質(zhì)量波動會按

5、照層層遞進的傳遞方式（同層、異層）最終使得整機的質(zhì)量出現(xiàn)波動。機電系統(tǒng)中諸多動作單元相互協(xié)作才能夠?qū)崿F(xiàn)機電產(chǎn)品的功能，因此在管控機電產(chǎn)品質(zhì)量方面所制定的政策也是以此為基礎(chǔ)的。將機電產(chǎn)品本身具備的功能運動進行分解，最終分解到元動作單元也就是最小的運動單元，以設(shè)計與裝配的層面為出發(fā)點，定義與分類了機電產(chǎn)品中的元動作單元，基于FMA樹進行了質(zhì)量特性層次映射。偶發(fā)與異常兩種因素會造成元動作單元產(chǎn)生質(zhì)量波動，參考分析不確定性狀態(tài)下的概念及其影響因素，然后針對元動作單元所存在的兩種類型的質(zhì)量不確定性進行了實際的定義，即：漸進與突發(fā)。最終為其構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，此外還詳細的分析了質(zhì)量波動的整個傳遞過程并且構(gòu)建了

6、數(shù)學(xué)模型，為管控元動作單元的質(zhì)量特性明確了具體的目標。在采用FMA結(jié)構(gòu)化的方法針對機電產(chǎn)品進行了分解，最終將其分為具備既定的功能，然后又可以自主的完成既定的操作（運動）這樣一類最基本的元動作單元。元動作單元較之于其余分解單元，它更加適合用于可靠性及其質(zhì)量方面的分析。由于元動作單元會存在穩(wěn)定性、可靠性、實際壽命等等，這就導(dǎo)致了產(chǎn)品擁有極為復(fù)雜的質(zhì)量特性。所以要更深層次的探究每一個質(zhì)量特性它在形成方面的機理。機電產(chǎn)品所擁有的質(zhì)量特性非常之多，諸如：有功能符合性、精度保持性、安全保障性、技術(shù)領(lǐng)先性、應(yīng)用可靠性、成本經(jīng)濟性、維修方便性、造型美觀性、性能穩(wěn)定性、服務(wù)及時性、特征獨有性、感知滿意性等，也可

7、以使元動作單元擁有多種多樣化的質(zhì)量特性。部分核心質(zhì)量特性是需要基于用戶的需要及其故障在哪些層面進行分布這兩種情況來進行探究的。機電產(chǎn)品的最小分解單元就是運動單元，元動作單元所擁有的質(zhì)量特性中還存在著動態(tài)的特征，因此要更深層次的來研究其形成的原理。每一個核心質(zhì)量特性在表征方面所形成的指標是以運動學(xué)為基礎(chǔ)的，然后組建模型，利用該模型來評判元動作單元存在的相似性。4 實例分析分解特定的機電產(chǎn)品，選擇最終垂直或者回轉(zhuǎn)運動的兩種分解結(jié)果，然后獲取元動作單元中核心質(zhì)量特性。針對具體機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中的兩個單元（轉(zhuǎn)動元動作及其運動）進行結(jié)構(gòu)分析，具體的掌握在回轉(zhuǎn)與托架兩個具體單元中所包含的零部件。結(jié)合元動作單元

8、理論，現(xiàn)實中可以結(jié)合很多產(chǎn)品進行印證。圖2所示為自調(diào)式裝配工裝系統(tǒng)，借助三個維度的裝配支架能夠完成產(chǎn)品的運送、在線裝配、下線等流程工藝的操作。根據(jù)精度、精度壽命、可靠性、性能穩(wěn)定性和其它質(zhì)量特性的分類，初步確定了托架轉(zhuǎn)動元動作單元的相對關(guān)鍵的質(zhì)量特性指標。 以企業(yè)為搜集源點，分析故障數(shù)據(jù)中存在的質(zhì)量流動特性。以質(zhì)量約束的RPN值進行參考，在元動作單元核心質(zhì)量特性中，將故障修正系數(shù)和用戶的實際需求的比例設(shè)定為10：1（k=0，p=10），然后就可以將元動作單元中存在的故障修正系數(shù)進行準確的計算。以采集到的用戶實際需求為基礎(chǔ)構(gòu)建質(zhì)量分析表，將質(zhì)量需求轉(zhuǎn)化為零件元動作單元質(zhì)量特性的權(quán)重，然后集成兩個

9、存在對應(yīng)關(guān)系的故障修正系數(shù)、元動作單元質(zhì)量特性，進一步的修正質(zhì)量特性權(quán)重。分析修訂、改正之后的質(zhì)量特性權(quán)重所產(chǎn)生的結(jié)果，從中找到元動作單元核心的質(zhì)量特性，為深入分析與管控零件動單元打下基礎(chǔ)。在整個的針對核心質(zhì)量特性進行提取的過程中得知，在元動作單元及其機電產(chǎn)品中核心的質(zhì)量特性有四種：精度、壽命、性能穩(wěn)定性和可靠性。前文闡述了評估質(zhì)量的綜合特性及其元動作單元兩方面的內(nèi)容，以此為基礎(chǔ)使用故障診斷及其狀態(tài)監(jiān)測兩種方法，然后將新興技術(shù)（數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等）融合其中，以元動作單元為基礎(chǔ)設(shè)計與開發(fā)用于分析、診斷機電產(chǎn)品存在故障的一個系統(tǒng)，它可以針對機電產(chǎn)品的工作過程進行持續(xù)性的檢測、分析與記錄，然后評估元動作

10、單元存在的質(zhì)量特性在每個時間段的狀態(tài)，最終降低故障發(fā)生的概率，提升機電產(chǎn)品的質(zhì)量。圖3為系統(tǒng)運行的原理圖。5 總結(jié)本篇論文深入的探究了機電產(chǎn)品元動作單元和核心質(zhì)量特征的形成機制，分析了在具體的設(shè)計與制造流程中，以下四種特性：性能的穩(wěn)定程度、精度壽命、可靠性、精度，是怎樣形成并且傳遞的，之后就可以很順利的針對元動作單元進行建模、分析與管控。以分析與管控元動作單元所擁有的核心質(zhì)量特性為根本，然后以元動作單元中存在的質(zhì)量特性為基礎(chǔ)組建的耦合約束模型進行探究，將同代與異代的存在的匹配關(guān)系進行分析，參考各類的耦合關(guān)系來核算耦合的強度，在解耦規(guī)劃上采用了MDO的方法：FMA的分解樹可以在“分解-綜合”的思想中映射為關(guān)聯(lián)的關(guān)系樹，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建評估模型，從而對機電產(chǎn)品整機關(guān)鍵質(zhì)量特性進行預(yù)測和控制，同時設(shè)計和開發(fā)出基于元動作單元的機電產(chǎn)品故障分析診斷系統(tǒng)，最終保證機電產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量特性符合預(yù)期要求。Reference：1姜帆，楊振宇，何佳兵.自動化裝配設(shè)備的總體設(shè)計J.機電工程技術(shù)，2011，40（7）：131-133.2劉建剛，王寧生，葉明.基于遺傳算法與DSM的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解聚類方法J.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，38（4）：454-458.3高飛，肖