理性公差设计驱动的智能制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种理性公差设计驱动的智能制造方法，包括如下步骤：针对制造的目标产品，确定能够有效反映相关所述产品质量的关键物理参数，并建立相应的优化模型；对优化模型进行校验；确定影响产品质量的关键尺寸和非关键尺寸；建立多学科优化问题，对关键尺寸和非关键尺寸分别进行优化，并生成优化结果；根据所述优化结果，对关键尺寸和非关键尺寸的制造过程进行调整。本发明中首先建立产品质量与尺寸的关系模型，通过确定影响产品质量的关键尺寸和非关键尺寸，可以有效确定影响产品质量的关键因素和非关键因素，从而有的放矢地对产品质量和成本进行控制。
【专利说明】
理性公差设计驱动的智能制造方法
技术领域
[0001] 本发明涉及产品制造，具体地，涉及一种理性公差设计驱动的智能制造方法。
【背景技术】
[0002] 在产品制造过程中，产品的制造质量和制造成本都极其关键。产品质量直接影响 产品品牌;产品制造成本是产品竞争的关键，直接影响产品效益。而产品的制造质量与制造 成本是一对难以调和的矛盾。
[0003] 以往制造体系中，由于缺少对影响产品质量的关键因素的分析，往往通过全面提 高制造精度保证产品质量，这样会大大增加制造成本。另一方面，由于缺少对影响产品质量 的非关键因素的分析，为降低制造成本，不得不全面降低制造精度，导致产品质量大大降 低。如何解决制造质量和制造成本之间的矛盾缺少系统的方法。
[0004] 本专利以批量制造过程中提高产品质量，降低产品制造成本为目标，首先分析产 品质量一致性、可靠性和耐久性特性，确定影响产品质量特性的物理参数，建立尺寸公差与 上述物理参数之间的数学模型。其次依据建立的数学模型确定影响产品质量的关键尺寸和 非关键尺寸。对关键尺寸公差严格控制从而提高产品质量，对非关键尺寸公差进行放宽处 理，从而降低生产成本。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种理性公差设计驱动的智能制造 方法。在批量制造过程中，将对产品质量影响较大的关键尺寸公差进行严格控制，从而保证 产品质量，将对产品质量影响较小的非关键尺寸公差进行放宽处理，可以有效解决提高制 造质量与降低制造成本之间的矛盾。
[0006] 根据本发明提供的理性公差设计驱动的智能制造方法，包括如下步骤：
[0007]步骤S1:针对制造的目标广品，确定能够有效反映相关所述广品质量的关键物理 参数，并建立相应的优化模型；
[0008] 步骤S2:对优化模型进行校验；
[0009] 步骤S3:确定影响产品质量的关键尺寸和非关键尺寸；
[0010]步骤S4:建立多学科优化问题，对关键尺寸和非关键尺寸分别进行优化，并生成优 化结果；
[0011] 步骤S5:根据所述优化结果，对关键尺寸和非关键尺寸的制造过程进行调整。
[0012] 优选地，所述步骤S1包括如下步骤：
[0013] 步骤S101:确定所述目标产品为发动机的单缸；
[0014] 步骤S102:确定所述发动机的单缸的压缩比的表达式为：
[0016]其中，V。为气缸工作最小容积;VS为气缸工作容积;Vi为活塞燃烧室容积;V2为缸盖 燃烧室容积;v3为缸垫孔容积;V4为缸体燃烧室容积;V5为配缸间隙容积；
[0017] 步骤S103:根据乂^^^^^上的尺寸参数省到压缩比与尺寸参数关系的 数学模型；
[0018] 步骤S104:确定影响摩擦功的三个摩擦副:活塞、主轴承、连杆轴承，并建立所述三 个摩擦副的仿真模型。
[0019] 优选地，所述步骤S2包括如下步骤：
[0020] 步骤S201:校验所述压缩比与尺寸参数关系的数学模型，具体为，利用实验测量真 实值与所述压缩比与尺寸关系的数学模型计算值对比进行验证；
[0021] 步骤S202:校验所述三个摩擦副的仿真模型，利用实验测量数据与三个摩擦副的 仿真模型得到的结果进行对比验证。
[0022]优选地，所述步骤S3包括如下步骤：
[0023]步骤S301:首先对所述压缩比与尺寸参数关系的数学模型，利用灵敏度分析方法， 将各个尺寸参数在公差范围内变动时对压缩比的数值影响进行计算，根据数值影响将树尺 寸参数分为第一关键尺寸参数和第一非关键尺寸参数；
[0024]步骤S302:其次对三个摩擦副的仿真模型进行分析，确定影响各自摩擦功变动的 第二关键尺寸参数和第二非关键尺寸参数；
[0025]步骤S303:将所述三个摩擦副的仿真模型通过高斯建模的方法统一建模，最终得 到摩擦功与第二关键尺寸参数的统一摩擦功分析模型。
[0026] 优选地，所述步骤S4包括如下步骤：
[0027]步骤S401:建立多学科优化问题，具体表达式为： min SX gn = max|A￡|< 0.2 g2l = max|Ai^X| < 2.8
[0028] ^： = J,-(Q;,;,,"-0.00Sx：2) = 0 where j，丨=0.0025+0.0025.u〇.0〇4j;19 e[l，1.5]，f=7,8,9 x2，[CU，1,01，./ = 1;2，.3
[0029] 其中，Xll~X16为影响压缩比的第一关键尺寸参数对应的公差优化参数;X17~X19为 影响压缩比的第一非关键尺寸参数对应的公差优化参数; X21~X23为影响摩擦功的第二关 键尺寸对应的公差优化参数，其中xn~x19i^ X21~X23有耦合关系；f jPf 2分别为优化目标， gn，g12和g22分别为约束条件；AFL为摩擦功的波动范围，C mianB为主轴承的配合间隙，| A e 为压缩比的波动范围；
[0030] 步骤S402:利用多学科优化方法求解所述多学科优化问题，从而得到Pareto解集； [0031]步骤S403:对所述Pareto解集中的第一关键尺寸参数和第二关键尺寸参数优化后 公差进行压缩;对第一非关键尺寸参数和第二非关键尺寸参数优化后公差进行扩大。
[0032] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0033] 1、本发明中首先建立产品质量与尺寸的关系模型，通过确定影响产品质量的关键 尺寸和非关键尺寸，可以有效确定影响广品质量的关键因素和非关键因素，从而有的放矢 地对产品质量和成本进行控制；
[0034] 2、本发明中对关键尺寸公差严格控制，同时对非关键尺寸公差做放宽处理，可以 在有效保证产品质量的前提下降低产品制造成本。
【附图说明】
[0035]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0036] 图1为本发明的流程不意图；
[0037] 图2为本发明中发动机的单缸的结构示意图；
[0038] 图3为本发明中多学科优化问题的示意图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0040] 本发明提供的理性公差设计驱动的智能制造方法的工作原理为：
[0041] 在步骤一中，首先针对设计制造的产品，以其质量特性为分析对象，如产品一致 性、产品可靠性和产品耐久性等，确定可以有效反映相关产品质量的关键物理参数。对这些 相关物理参数，分别建立可以体现其与产品尺寸相关的模型，可以是物理模型，数学模型， 分析模型等，从而获得产品质量与产品尺寸的关系模型。
[0042] 在步骤二中，在使用各模型以前，需要对各模型进行验证和校正，以保证所建模型 可以真实准确的反应相关物理参数与产品尺寸的关系。
[0043] 在步骤三中，对校正后的各模型，通过一定的数学手段，常用方法如灵敏度分析 等，确定影响产品质量关键尺寸和非关键尺寸。在目前已有的公差范围内，研究相关尺寸在 公差范围内变动时对产品质量产生的最大影响，即尺寸的变动导致的最大产品质量的变 动。根据尺寸对产品质量影响的大小进行排序，影响较大的尺寸即定义为关键尺寸，影响相 对较小的尺寸即定义为非关键尺寸。
[0044]在步骤四中，对所建立的各物理模型，考虑到各模型间的相互影响或相互耦合关 系等，将各物理模型联合建立多学科模型。对各模型的关键尺寸，可以根据目前生产统计如 尺寸波动范围或次品率等，确定尺寸公差带可被压缩的范围；对各模型的非关键尺寸，确定 尺寸公差带可被放宽的范围。在可压缩和放宽的范围内，利用多学科优化方法，分别对关键 尺寸和非关键尺寸的公差进行优化。
[0045]在步骤五中，在实际批量制造过程中，根据优化结果，通过在线测量，反馈控制等 方法，实时监测并严格控制关键尺寸公差，从而整体提高产品质量;对非关键尺寸，则降低 制造要求，从而达到降低成本的目的。以此通过理性公差设计指导制造过程，通过对影响产 品质量的关键尺寸进行控制可以提高产品质量，对影响产品质量的非关键尺寸适当放松可 以降低制造成本，从而满足成本低、质量高的产品设计需求。
[0046]以发动机为例，压缩比和摩擦功是影响发动机性能的两个重要指标，本案例从这 两个子系统着手分析。
[0047]步骤一，针对设计制造的广品，确定可以有效反映相关广品质量的关键物理参数， 并建立相关模型。
[0048] 首先对压缩比进行建模分析。
[0049] 对应得到压缩比的定义如下表达式：
[0051 ]式中，Vc为气缸工作最小容积;Vs为气缸工作容积;Vi为活塞燃烧室容积;V2为缸盖 燃烧室容积;V3为缸垫孔容积;V4为缸体燃烧室容积(活塞运行到上止点时活塞边缸体上表 面组成的空间）；V 5为配缸间隙容积。
[0052]各个容积可以用相关物理尺寸参数进行计算，如此就得到压缩比与尺寸关系的数 学模型。
[0053]其次对摩擦功进行建模分析。影响摩擦功的主要有三个摩擦副：活塞，主轴承和连 杆轴承。分别用AVL Excite Piston&Rings和Power Unit建立以上三个摩擦副的仿真模型。 [0054]步骤二，对步骤一中的各模型进行校验。
[0055] 首先对压缩比，利用实验测量真实值与公式计算值对比进行验证，发现公式计算 得到的压缩比与实验测量得到的压缩比吻合很好。
[0056] 其次对摩擦功，利用实验测量数据与仿真模型得到的结果进行对比验证，调整仿 真参数，使仿真结果和实验结果可以吻合。
[0057]步骤二，确定影响广品质量的关键尺寸和非关键尺寸。
[0058] 首先对压缩比，利用灵敏度分析的方法，将各个尺寸在公差范围内变动时对压缩 比的影响进行计算，依据影响大小进行排序，挑出六个影响较大的作为关键尺寸，其余的为 非关键尺寸。
[0059] 其次对摩擦功，分别对三个仿真模型进行分析，得到影响各自摩擦功变动的关键 尺寸，其余定义为非关键尺寸。由于摩擦功的三个仿真模型相互独立，不利于接下来的优化 计算，因此利用高斯建模的方法，将三个仿真模型统一建模，最终得到摩擦功与关键尺寸的 分析模型。
[0060] 步骤四，建立多学科优化问题，对关键尺寸和非关键尺寸分别采用不同策略进行 优化。
[0061] 观察发现，影响摩擦功的关键尺寸中有一部分是影响压缩比的非关键尺寸，因此 两个子系统直接存在耦合关系。两个子系统的关系具体如图3所示。
[0062]优化问题定义如下公式所示： _n /i=- min fi=-Y^xlj s.tr g.n = max|Ag|<0,2 g；, = max|AFX| < 2.8：
[0063] ^2=^-(^,"；1!/;-0.008.^) = 0 where j, =0,0025xr.-h0,0025x,, n-0.004x|l} xj; e|"0.3,0,8：1，：/ = 1,2, %, e[l,L5],f = 758,9 e [0.2,1.0]，二 1，2,3
[0064]其中，xn~x16为影响压缩比的关键尺寸对应的公差优化参数，xn~x19为影响压缩 比的非关键尺寸对应的公差优化参数，X21~X23为影响摩擦功的关键尺寸对应的公差优化 参数，其中X17~X19与X21~X23有親合关系。
[0065]利用多学科优化方法可以得到Pareto解，挑出其中三组列表如下：
[0066]表 1 部分 Pareto 解
[0068] 从表中可以看出，对关键尺寸，优化后公差适当压缩，从而可以有效提高系统性 能，减少系统不稳定性，对非关键尺寸，优化后公差适当扩大，从而可以降低相应尺寸生产 制造的成本。
[0069] 根据工厂实际需求，可以从中决策一组作为最优解应用到生产实践中。
[0070] 步骤五，根据优化结果，在实际生产中对关键尺寸和非关键尺寸的制造过程进行 调整。
[0071]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种理性公差设计驱动的智能制造方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤SI:针对制造的目标产品，确定能够有效反映相关所述产品质量的关键物理参数， 并建立相应的优化模型； 步骤S2:对优化模型进行校验； 步骤S3:确定影响产品质量的关键尺寸和非关键尺寸； 步骤S4:建立多学科优化问题，对关键尺寸和非关键尺寸分别进行优化，并生成优化结 果； 步骤S5:根据所述优化结果，对关键尺寸和非关键尺寸的制造过程进行调整。2. 根据权利要求1所述的理性公差设计驱动的智能制造方法，其特征在于，所述步骤Sl 包括如下步骤： 步骤SlOl:确定所述目标产品为发动机的单缸； 步骤S102:确定所述发动化的单缸的压缩比的表试式为：其中，V。为气缸工作最小容积;Vs为气缸工作容积;Vi为活塞燃烧室容积;V2为缸盖燃烧 室容积;V3为缸垫孔容积;V4为缸体燃烧室容积;Vs为配缸间隙容积； 步骤S103:根据心￥3、心￥2、￥3、￥4、￥5的尺寸参数，得到压缩比与尺寸参数关系的数学模 型； 步骤S104:确定影响摩擦功的=个摩擦副:活塞、主轴承、连杆轴承，并建立所述=个摩 擦副的仿真模型。3. 根据权利要求2所述的理性公差设计驱动的智能制造方法，其特征在于，所述步骤S2 包括如下步骤： 步骤S201:校验所述压缩比与尺寸参数关系的数学模型，具体为，利用实验测量真实值 与所述压缩比与尺寸关系的数学模型计算值对比进行验证； 步骤S202:校验所述=个摩擦副的仿真模型，利用实验测量数据与=个摩擦副的仿真 模型得到的结果进行对比验证。4. 根据权利要求3所述的理性公差设计驱动的智能制造方法，其特征在于，所述步骤S3 包括如下步骤： 步骤S301:首先对所述压缩比与尺寸参数关系的数学模型，利用灵敏度分析方法，将各 个尺寸参数在公差范围内变动时对压缩比的数值影响进行计算，根据数值影响将树尺寸参 数分为第一关键尺寸参数和第一非关键尺寸参数； 步骤S302:其次对=个摩擦副的仿真模型进行分析，确定影响各自摩擦功变动的第二 关键尺寸参数和第二非关键尺寸参数； 步骤S303:将所述=个摩擦副的仿真模型通过高斯建模的方法统一建模，最终得到摩 擦功与第二关键尺寸参数的统一摩擦功分析模型。5. 根据权利要求4所述的理性公差设计驱动的智能制造方法，其特征在于，所述步骤S4 包括如下步骤： 步骤S401:建立多学科优化问题，具体表达式为：s.t.gii=max| A e I《0.2 g2i=max| AFLI ^2.8 邑22 = yI- ( CmainB-O . 008X22 ) = 0 where yi = 0.0025x17+0.0025x18+0.004x19 xiiG[0.3,0.8],i = l,2,...,6 xii' G [1, 1.5] ,i ' =7,8,9 X2jG[0.2,1.0], j = l,2,3 其中，Xll~X16为影响压缩比的第一关键尺寸参数对应的公差优化参数;X17~X19为影响 压缩比的第一非关键尺寸参数对应的公差优化参数;X21~X23为影响摩擦功的第二关键尺 寸对应的公差优化参数，其中Xl7~Xl9与~x23有禪合关系；fi和f2分别为优化目标， gll，gl2和g22分别为约束条件；A化为摩擦功的波动范围，CmianB为主轴承的配合间隙，I A e 为压缩比的波动范围； 步骤S402:利用多学科优化方法求解所述多学科优化问题，从而得到ParetO解集； 步骤S403:对所述化reto解集中的第一关键尺寸参数和第二关键尺寸参数优化后公差 进行压缩;对第一非关键尺寸参数和第二非关键尺寸参数优化后公差进行扩大。
【文档编号】G06F17/50GK105912778SQ201610221864
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】许敏, 袁志远, 徐宏昌, 周建华
【申请人】上海交通大学