本發(fā)明涉及一種精密配合偶件的同步加工方法，它可以利用精密偶件加工過程中的振動信號特征量建立控制圖，并根據(jù)控制圖結(jié)果在線監(jiān)控精密偶件的配合質(zhì)量，實現(xiàn)精密偶件配作的同步加工。屬于并適用于精密偶件配作加工方法設(shè)計、配作加工方法優(yōu)化等技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

配作加工過程是制造過程中的典型加工過程，根據(jù)實際生產(chǎn)要求主要有兩類配作過程：一類是針對可互換產(chǎn)品的配作過程，這類過程不要求高精度，對匹配特性的公差要求較低，比如槍支各部件的配作加工；另一類是針對具有唯一匹配特性產(chǎn)品的過程，這類過程對精度要求極高，強調(diào)零部件的一一對應(yīng)關(guān)系，往往表現(xiàn)為自組織的配作加工，如伺服閥滑閥-套筒的配磨過程、齒輪的咬合過程等。

目前對于第一類配作過程的研究較多，而缺乏對高精度自組織配作加工過程的優(yōu)化研究。這類配作加工過程就是將兩個需要互相配合的零件通過匹配后精加工達(dá)到最終的配合要求，具有形狀復(fù)雜、加工精度高、體積小、配合公差嚴(yán)格等特點，其結(jié)構(gòu)和精度對整體性能有著重大影響，偶件各自的加工精度和表面質(zhì)量會影響偶件的配合性能，加工過程質(zhì)量控制是配合加工的重點也是難點。

因此對直觀簡單、結(jié)果精確的精密偶件配合質(zhì)量在線監(jiān)控方法的探索具有十分重要的意義，有必要針對偶件加工過程質(zhì)量進(jìn)行研究，本發(fā)明提供了一種精密配合偶件的同步加工方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明給出了一種精密配合偶件的同步加工方法。以產(chǎn)品的配合尺寸數(shù)據(jù)為媒介，通過聚類分析，對配合尺寸波動范圍進(jìn)行優(yōu)劣判別；提取配磨過程振動數(shù)據(jù)的敏感特征分量，使得通過監(jiān)控這些振動信號特征量分量，可以有效地辨別出高低配合質(zhì)量類別，并且這些特征分量的監(jiān)測質(zhì)量應(yīng)滿足誤報和漏報的比例較小。利用提取的振動信號特征量建立控制圖進(jìn)行配合質(zhì)量的在線監(jiān)控，實現(xiàn)精密配合偶件的同步加工。

(1)發(fā)明目的

在實際的生產(chǎn)制造過程中主要是通過計量室的反復(fù)檢驗、現(xiàn)場的反復(fù)手工精研的方式來保證配合精度，但由于線下的檢測設(shè)備不具備實時檢測的能力，因此每次加工后需要花大量時間送檢，造成生產(chǎn)效率低且加工質(zhì)量無法保障。同時，檢測人員和現(xiàn)場操作人員的測量精度不同，常造成誤返修甚至是無效返修?；诖吮景l(fā)明提供了一種精密配合偶件的同步加工方法，它利用控制圖理論，是一種直觀簡便、操作性強的配合質(zhì)量在線監(jiān)控的同步加工方法。

(2)技術(shù)方案

本發(fā)明一種精密配合偶件的同步加工方法。通過聚類分析產(chǎn)品的配合尺寸數(shù)據(jù)，判斷配合尺寸波動范圍的好壞，相應(yīng)提取配磨過程的振動信號特征量，建立控制圖，實現(xiàn)在線監(jiān)控配合質(zhì)量達(dá)到同步加工的目的。具體的設(shè)計流程如圖1所示。

假設(shè)有n組待配合偶件作為訓(xùn)練樣本搭建控制圖模型，通過測量每件產(chǎn)品每次配磨后的配合尺寸數(shù)據(jù)對配合尺寸波動范圍進(jìn)行優(yōu)劣判別，同時提取配磨過程中振動數(shù)據(jù)中，選取誤報和漏報比例較小的敏感特征分量，建立控制圖，通過已搭建的模型對配磨后的配合尺寸數(shù)據(jù)未知的偶件進(jìn)行配合質(zhì)量的在線監(jiān)控，實現(xiàn)精密偶件配合的同步加工。

本發(fā)明一種精密配合偶件的同步加工方法，具體步驟如下：

步驟一：采用非接觸的基于超聲波的配合尺寸測量方法，沿偶件的軸向位置設(shè)置一系列測量點(測點i＝1，2，...，lk)，測得偶件的配合尺寸uk(i)，簡化的配偶件如圖2所示；精密偶件配合尺寸uk(i)可表示為：

uk(i)＝[uk(1)，uk(2)，...，uk(lk)]i＝1，2，...，lk(1)

其中，uk(i)表示第k對偶件在測量截面i所對應(yīng)的配合間隙值，lk表示沿著配合偶件軸向所選取的測量截面數(shù)目，lk受偶件軸向尺寸長度的影響，對于不同型號的產(chǎn)品其測量數(shù)據(jù)維度不同；{uk(i)，i＝1，2，...，lk}表示配合尺寸沿著偶件軸向的變化范圍；

步驟二：基于配合尺寸提出質(zhì)量指數(shù)qk

qk＝up/2，k-u1-p/2，k(2)

pr(u1-p/2，k＜uk(i)＜up/2，k，i＝1，2，...，lk)＝1-p(3)

其中，u1-p/2，k和up/2，k分別代表了配合間隙{uk(i)，i＝2，...，lk}的第(p/2)百分位和第(1-p/2)百分位，up/2，k＞u1-p/2，k，p的取值可參照具體的工藝要求來確定，當(dāng)工藝要求較嚴(yán)格時，可賦予較小的p值；采用機器學(xué)習(xí)中的層次聚類算法對配合尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行分類；經(jīng)過聚類過程，可以得到高配合質(zhì)量類偶件和低配合質(zhì)量類偶件；通過ward最小方差法和歐式距離獲得的分層聚類樹形圖如圖3所示；

步驟三：采用快速傅里葉變化(fft)對配合加工階段的振動信號進(jìn)行頻譜分析，頻率特征記為fi(hz)，頻率間隔設(shè)定為δf＝0.3151，因此fi＝δf·i，i＝1,2,…,160；其中i表示頻率標(biāo)號，一共分為160個頻率特征；通過基于集合覆蓋問題的貪心尋優(yōu)算法來尋找敏感的監(jiān)測特征；

步驟四：基于hotellingt²控制圖對所選擇的每個敏感特征頻率區(qū)間φr(r＝1，2，...，r)建立相應(yīng)的控制圖；對于每一個特征頻率區(qū)間φr(r＝1，2，...，r)，用xr，k表示第k對偶件在特征頻率區(qū)間φr內(nèi)對應(yīng)于所選的敏感頻率的幅值，因此xr，k在形式上應(yīng)該是一個多維的矩陣；和分別表示為高配合質(zhì)量類偶件ωo在對應(yīng)的頻率φr下樣本均值向量和樣本協(xié)方差向量，通過控制圖進(jìn)行監(jiān)測；

步驟五：如果控制圖能夠滿足監(jiān)測低配合質(zhì)量的要求，則可用于生產(chǎn)加工過程的質(zhì)量控制，若不滿足要求，即不能有效區(qū)分低配合質(zhì)量和高配合質(zhì)量類，則需要對模型作進(jìn)一步修正；可以通過調(diào)整用于聚類分析的p值，修正特征提取過程中的k值，調(diào)整建立控制圖當(dāng)中的顯著性水平α來修正；

步驟六：對配磨后配合尺寸數(shù)據(jù)未知的偶件通過上述步驟搭建的模型在線監(jiān)測加工振動信號的敏感特征量，計算偶件在特征頻率區(qū)間φr下的hotellingt²統(tǒng)計量，判斷加工中的精密偶件在控制圖中是否滿足配合質(zhì)量要求。

其中，在步驟二中所述的“采用機器學(xué)習(xí)中的層次聚類算法對配合尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行分類”，層次聚類算法是本技術(shù)領(lǐng)域的常用算法，不予贅述。

其中，在步驟三中所述的“基于集合覆蓋問題的貪心尋優(yōu)算法來尋找敏感的監(jiān)測特征”，該貪心尋優(yōu)算法的計算方法如下：

頻率特征fi，其振幅為yi，k有一個臨界值hi＝μi+k·σi，其中μi可以通過估計樣本均值得到，σi可通過估計量為的平均值；k為常數(shù)系數(shù)，通常取3；如果偶件k的某一振動幅值有yi，k≥hi，該頻率特征fi就將偶件k診斷為低配合質(zhì)量類；在一批數(shù)量為n的偶件中，頻率特征fi的監(jiān)測性能可以描述為：

s0(fi)＝{k|yi，k≥hi，k，k∈ω0}(4)

s1(fi)＝{k|yi，k≥hi，k，k∈ω1}(5)

集合s0(fi)表示高配合質(zhì)量類偶件被特征頻率fi錯誤的診斷為低配合質(zhì)量的情況，而集合s1(fi)則表示低配合質(zhì)量類偶件被正確的診斷出情況；定義用于過程監(jiān)測的最優(yōu)特征集合φ，因此，約束條件為集合φ能夠診斷出ω1中所有的低配合質(zhì)量類偶件，記為同時，要求誤診斷的情況較少，并且集合φ是盡可能精簡的，因此，目標(biāo)問題可以表示為：

其中，表示誤報的數(shù)量，w是權(quán)重參數(shù)，λ為所提取的頻率特征數(shù)量。貪心尋優(yōu)算法推演過程如下

u1←ω1

u0←ω0

whiledo:

u1←u1\((s1(fi))∩u1)

u0←u0\(s0(fi))∩u0)

ω←ω∪{fi}(7)

在一定有界條件：h(maxi＝1，2，...，160|s1(fi)|)下保證找到可行解，其中目標(biāo)函數(shù)的輸出值可以表示為當(dāng)目標(biāo)函數(shù)輸出值不大于h(maxi＝1，2，...，160|s1(fi)|)時，可行解能夠滿足要求。

其中，在步驟四中所述的“hotellingt²控制圖”，其計算方法為：

當(dāng)加工一批偶件的配合質(zhì)量類數(shù)目為no時，即|ωo|＝no，并且在φr特征頻率區(qū)間內(nèi)有個根據(jù)敏感頻率特征，則關(guān)于hotellingt²控制圖的兩階段控制限可以表示為：

階段i：

階段ii：

其中，α為顯著性水平，通常設(shè)置為0.05或者0.1等；

將第k對偶件在特征頻率區(qū)間φr下的hotellingt²統(tǒng)計量表示為：

式中，xr，k表示第k對偶件在特征頻率區(qū)間φr內(nèi)對應(yīng)于所選的敏感頻率的幅值，是一個多維的矩陣；和分別表示為高配合質(zhì)量類偶件ωo在對應(yīng)的頻率φr下樣本均值向量和樣本協(xié)方差向量；

由所選取的特征頻率區(qū)間數(shù)目決定的控制圖數(shù)量，依據(jù)統(tǒng)計量與控制限繪制控制圖。

其中，在步驟六中所述的“計算偶件在特征頻率區(qū)間φr下的hotellingt²統(tǒng)計量，判斷加工中的精密偶件在控制圖中是否滿足配合質(zhì)量要求”，其作法如下：

將第k對偶件在特征頻率區(qū)間φr下的hotellingt²統(tǒng)計量表示為：

式中，xr，k表示第k對偶件在特征頻率區(qū)間φr內(nèi)對應(yīng)于所選的敏感頻率的幅值，是一個多維的矩陣；和分別表示為高配合質(zhì)量類偶件ωo在對應(yīng)的頻率φr下樣本均值向量和樣本協(xié)方差向量，依據(jù)統(tǒng)計量與控制限繪制控制圖，依據(jù)在控制圖中的位置得出精密偶件的質(zhì)量狀況。

通過以上步驟，將配合加工的過程數(shù)據(jù)結(jié)合到配合質(zhì)量控制的模型中，達(dá)到了同步監(jiān)控偶件配合質(zhì)量的效果，在兼顧經(jīng)濟(jì)性與時效性的同時，解決了傳統(tǒng)配磨加工質(zhì)量控制效果不佳的實際問題，提高了加工效率與配合加工質(zhì)量。

(3)本發(fā)明的優(yōu)點

i.本發(fā)明針對傳統(tǒng)配磨加工質(zhì)量控制效果不佳，提出了一種精密配合偶件的同步加工方法，該方法通過利用配合加工過程數(shù)據(jù)，建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的配合質(zhì)量在線控制模型。實現(xiàn)精密偶件的同步加工。

ii.本發(fā)明提出的精密配合偶件的同步加工方法可以在兼顧經(jīng)濟(jì)性和時效性的同時，滿足質(zhì)量控制要求，在提高加工效率的同時能夠保證配合加工質(zhì)量。

附圖說明

圖1本發(fā)明精密配合偶件的同步加工方法設(shè)計流程圖。

圖2本發(fā)明簡化配偶件示意圖。

圖3本發(fā)明分層聚類樹形圖。

圖4訓(xùn)練組每組數(shù)據(jù)的的配合質(zhì)量指數(shù)。

圖5訓(xùn)練組偶件分層聚類樹形圖。

圖6訓(xùn)練組階段it²控制圖。

圖7b組偶件配合質(zhì)量分類結(jié)果。

圖8階段ii控制圖。

圖9配磨后配合尺寸數(shù)據(jù)未知的偶件加工配合質(zhì)量控制圖。

圖中序號、符號、代號說明如下：

lk：沿著配合偶件軸向所選取的測量截面數(shù)目(見圖1)

uk(i)：第k對偶件在測量截面i所對應(yīng)的配合間隙值(見圖1、圖2)

d：閥套內(nèi)徑(見圖2)

d：閥套內(nèi)徑(見圖2)

□：高配合質(zhì)量偶件組(見圖3、圖5)

○：每組配合尺寸數(shù)據(jù)對應(yīng)的配合質(zhì)量指數(shù)值(見圖4)

●：高低配合質(zhì)量指數(shù)值分界值(見圖4)

—：高低配合質(zhì)量分界線(見圖6、圖8、圖9)

·：超過控制圖上限的低配合質(zhì)量類偶件(見圖6、圖8、圖9)

△：受控的數(shù)據(jù)點(見圖6、圖8)

о：誤報的情況(見圖8)

具體實施方式

見圖1—圖9，本發(fā)明的一個實施例中，提供了一種精密配合偶件的同步加工方法。已知伺服閥滑閥-套筒的配作加工是一個配磨過程，在滑閥外徑d和套筒內(nèi)徑d分別加工到一定精度后以滑閥為基準(zhǔn)選擇配套的套筒進(jìn)行研磨，直到達(dá)到配合工藝要求?，F(xiàn)有20套內(nèi)徑尺寸要求為的偶件，根據(jù)閥套內(nèi)孔尺寸配磨閥芯，配磨間隙要求0.02—0.06mm，偶件的簡化配合性能檢測依據(jù)如表1所示。

表1簡化偶件配合性能檢測依據(jù)

試計算該配磨過程的配合質(zhì)量在線監(jiān)測模型并驗證準(zhǔn)確性。給定一組配磨后配合尺寸數(shù)據(jù)未知的偶件，配合加工振動信號在敏感頻率的幅值如表2所示，依據(jù)加工過程的振動信號和已搭建的監(jiān)測模型，試計算該組偶件配磨加工后的配合質(zhì)量情況。

表2配合加工振動信號在敏感頻率的幅值

解：

本發(fā)明一種精密配合偶件的同步加工方法，其具體步驟如下：

步驟一：對偶件反復(fù)配磨，測量配合尺寸，獲得66組數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3配合加工過程

其中兩個是廢品，因此有效數(shù)據(jù)為64組，其中高質(zhì)量類數(shù)據(jù)(配合性能滿足要求)為18組，低質(zhì)量類數(shù)據(jù)(配磨過程性能不滿足要求)為46組，獲得的第一組偶件第一次配磨后的配合尺寸數(shù)據(jù)如表4所示。

表4第一組偶件第一次配磨后的配合尺寸數(shù)據(jù)

因此，將64組數(shù)據(jù)均勻的隨機分為a、b兩組，每組數(shù)據(jù)都包含了9組高質(zhì)量類數(shù)據(jù)和23組低質(zhì)量類數(shù)據(jù)，其中a組數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練控制模型，b組數(shù)據(jù)用于模型驗證與修正。

步驟二：訓(xùn)練組每對偶件按照p＝0.05確定的配合質(zhì)量指數(shù)q5％，k，具體公式為：

q5％，k＝u0.025，k-u0.975，k

將兩組數(shù)據(jù)中的每一對偶件的配合尺寸數(shù)據(jù)分為高配合質(zhì)量類ωo和低配合質(zhì)量類ω1，如表5所示，

表5質(zhì)量分類結(jié)果

圖4為訓(xùn)練組每組數(shù)據(jù)的的配合質(zhì)量指數(shù)，圖5為訓(xùn)練組分層聚類樹形圖，從圖中可以清楚得將低配合質(zhì)量偶件和高配合質(zhì)量偶件區(qū)分開，其中第3,10,11,14,15,18,24,25,30號偶件為高配合質(zhì)量，其余的為低配合質(zhì)量。

步驟三：針對每一對偶件配磨加工中的振動信號，提取敏感特征信號。利用貪心算法尋找敏感特征頻率集φ，貪心算法選取特征頻率的步驟如表6所示。

表6訓(xùn)練組監(jiān)測特征頻率選擇過程及結(jié)果

因此，可以得到需要監(jiān)測的敏感頻率為φ＝{f51，f53，f58，f92，f99，f115，f120，f145，f147}，此時的目標(biāo)函數(shù)經(jīng)過計算可得數(shù)值小于h(maxi＝1，2，...，160|s0(fi)|)＝h(4)＝2.0，滿足尋優(yōu)要求。

因為在不產(chǎn)生虛警情況下即各特征頻率及其對應(yīng)的集合s1(fi)如表7所示。

表7訓(xùn)練組頻率特征

步驟四：根據(jù)選取的敏感特征頻率集合φ，確定t²控制圖的數(shù)量為r＝4，即選取4個連續(xù)的特征頻率區(qū)間：

φ1＝{f51，f52，f53，f54，f55，f56，f57，f58}

φ2＝{f92，f93，f94，f95，f96，f97，f98，f99}

φ3＝{f115，f116，f117，f118，f119，f120，f121，f122}

φ4＝{f145，f146，f147，f148，f149，f150，f151，f152}

每個區(qū)間包含了8份連續(xù)的頻率，覆蓋約2.5赫茲的振動頻率范圍。計算相應(yīng)的t²控制限，在階段i中，置信水平α＝0.01，控制圖見圖6。

步驟五：利用b組作為階段ii的數(shù)據(jù)對上述所建立的控制模型進(jìn)行驗證。將b組偶件配合質(zhì)量計算并進(jìn)行分類，分類結(jié)果如圖7所示。根據(jù)所提取的四個特征頻率區(qū)間建立相應(yīng)的t²控制圖，如圖8所示，對比圖7的分類結(jié)果，檢測情況在可容許存在一定條件下的誤報的情況下與實際情況相符。因此該控制模型可用來對配磨階段偶件配合質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)控。

步驟六：對待檢測的配磨后配合尺寸數(shù)據(jù)未知的偶件通過上述步驟搭建的模型在線監(jiān)測加工振動信號的敏感特征量，計算偶件在特征頻率區(qū)間φr下的hotellingt²統(tǒng)計量得：

y1＝29.2801

y2＝65.2011

y3＝51.7252

y4＝28.1485

則該偶件在控制圖中的配合質(zhì)量情況如圖9所示。則該偶件為低質(zhì)量配合偶件。