CN111506998B - 一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法 - Google Patents
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Abstract
一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,属于制造过程建模与诊断技术领域,包括如下步骤:结合制造过程建立机电产品虚拟样机模型,并将关键制造过程参数注入虚拟样机模型;基于试验设计技术和虚拟样机模型,建立制造过程参数‑产品性能参数快速计算模型;针对具体制造过程参数确定其均值或方差可能出现故障,通过蒙特卡洛方法虚拟出对应批次制造过程参数数据,并带入快速计算模型得到对应批次产品性能参数数据,对数据进行统计和特征提取,存入数据库中,建立制造过程参数均值或方差漂移故障特征样本库。本发明的故障特征样本库应用于机电产品制造过程故障诊断中,极大降低了故障诊断方法的复杂度,具有良好的推广应用前景。
Description
技术领域
本发明属于制造过程建模与诊断技术领域,具体涉及一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法。
背景技术
制造过程是产品全生命周期中一个重要的环节,面对日益复杂和多样的离散制造过程,如何利用其中的信息进行过程诊断和优化,以提高产品质量和企业的核心竞争力,逐渐成为研究热点。机电产品零部件众多,其制造过程包括热处理、焊接、电镀、装配、调试、封装等多个阶段,工艺和结构的繁杂势必导致产品个体间的差异性,进而导致批次产品的合格率和可靠性处于较低水平,生产过程中的不确定性为保证机电产品的质量和可靠性带来极大挑战。
在好的设计的前提下,制造过程参数在容差范围内的正常波动并不会导致最终产品性能参数超差和失效。由于异常原因,如刀具磨损,材料性能退化,机器设备故障,手工调试偏差、人工干预等,而导致的制造过程参数异常波动将会导致批次产品输出特性的漂移,为企业带来巨大损失。于是如何诊断出制造过程中的异常工序从而对制造过程进行管理和改进,显得极其重要。
随着机电产品向小批量、定制化的生产方向发展,机电产品制造过程数据的获取更加困难,特别是失效批次的制造过程数据。由于缺少实际数据,无法对故障诊断模型进行充分的训练,从而导致目前较为普遍的基于数据的复杂过程故障诊断方法难以实现。同时机电产品制造过程的复杂性导致需要涉及的材料种类、零件种类和装配调试环节特别多,考虑的制造过程参数特别多,需要诊断的模型参数特别多。于是如何全面的考虑机电产品制造过程影响因素,同时获得拥有足够多数据的制造过程参数故障数据库,是进行机电产品制造过程参数均值或方差漂移故障诊断时所面临的紧要问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决在进行机电产品制造过程参数漂移故障诊断时,无法全面考虑所有材料种类、零件种类和装配调试环节并获得拥有足够多数据的制造过程参数故障数据库这一问题,提出了一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,包括以下步骤:
步骤一:根据机电产品制造流程确定n个关键制造过程参数的集合X={x1,x2,…,xi,…,xn}和m个关键输出性能参数集合Y={y1,y2,…,yi,…,ym},其中xi服从N(μi,σi);
步骤二:根据图纸建立机电产品虚拟样机仿真模型,将步骤一中确定的关键制造过程参数X和关键输出性能参数Y注入仿真模型;
步骤三:利用试验设计技术,得到k组关键制造过程参数样本点集合XT={x1,x2,…,xj,…,xk},其中xj={x1j,x2j,…,xij,…,xnj},xij表示参数xi的某个取值,将XT输入步骤二中建立的虚拟样机仿真模型仿真得到k组关键输出性能参数集合YT={y1,y2,…,yj,…,yk},其中yj={y1j,y2j,…,yij,…,ymj},yij表示参数yi的对应值;
步骤四:利用快速计算建模方法,基于步骤三中得到的仿真样本点{XT,YT},得到关键制造过程参数X和关键输出性能参数Y的快速计算模型,并对快速计算模型精度进行评估;
步骤五:根据实际确定关键制造过程参数xi的均值μi或者方差σi可能出现的故障模式,在相应的故障模式选取一定量的样本点,并利用蒙特卡洛方法构建批次产品关键制造过程参数数据XP;
步骤六:将步骤五中批次产品关键制造过程参数数据XP代入步骤四中建立的快速计算模型,得到批次产品对应的关键输出性能参数YP;
步骤七:对步骤六中得到的批次产品关键输出性能参数YP进行分布拟合与数据统计,并提取相应的分布特征参量,作为对应故障模式下某个样本点对应的故障特征参量;
步骤八:将提取的故障特征与故障模式一一对应作为样本信息存入数据库中,构建完成机电产品制造过程参数均值或方差漂移故障特征样本库。
本发明相对于现有技术的有益效果是:本发明基于虚拟样机技术、制造过程影响因素注入方法、快速建模方法和蒙特卡洛方法建立了一种用于机电产品制造过程异常诊断的故障特征样本库,该样本库针对特定的机电产品复杂制造过程,通过建立机电产品虚拟样机模型、机电产品制造过程影响因素注入、建立输出性能参数快速计算模型等方法获得批次产品输出性能参数与制造过程参数之间的关系模型,材料属性影响因素包括关键永磁材料属性参数、关键软磁材料属性参数、关键弹性材料属性参数三类,装调参数影响因素包括装配参数跟调试参数,通过蒙特卡洛技术结合对实际制造过程调研确定的制造过程参数可能出现的故障模式来虚拟出批次产品制造过程参数故障数据,故障模式包括均值的变大、变小和方差的变大,通过快速计算模型得到对应批次产品的输出性能参数,对参数的分布特性进行拟合并进行数据统计,提取相应的分布特性参量,存入数据库中。本发明的故障特征样本库综合考虑了制造过程中大部分制造过程参数影响因素,样本齐全,并且利用虚拟样机与快速建模技术大大的缩短了批次产品故障特征的数据获取时间,同样解决了传统故障库构建方法在小批量、定制化机电产品制造过程情况下对实际故障数据过于依赖的问题,可大幅提高故障的检测识别、分类诊断与排除优化的速度,具有良好的推广前景。
附图说明
图1为本发明中一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法的流程图;
图2为本发明的构建机电产品材料属性参数漂移故障特征样本库的方法的流程图;
图3为本发明的构建机电产品零件尺寸参数漂移故障特征样本库的方法的流程图;
图4为本发明的构建机电产品装调参数漂移故障特征样本库的方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一:
下面结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式披露了一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,所述制造过程参数为材料属性参数,所述方法具体包括以下步骤:
步骤一:根据机电产品制造流程确定n个关键材料属性参数的集合X={x1,x2,…,xi,…,xn}和m个关键输出性能参数集合Y={y1,y2,…,yi,…,ym},其中xi服从N(μi,σi);
步骤二:根据图纸建立机电产品虚拟样机仿真模型,将步骤一中确定的关键材料属性参数X和关键输出性能参数Y注入仿真模型;
步骤三:利用试验设计技术,得到k组关键材料属性参数样本点集合XT={x1,x2,…,xj,…,xk},其中xj={x1j,x2j,…,xij,…,xnj},xij表示参数xi的某个取值,将XT输入步骤二中建立的虚拟样机仿真模型仿真得到k组关键输出性能参数集合YT={y1,y2,…,yj,…,yk},其中yj={y1j,y2j,…,yij,…,ymj},yij表示参数yi的对应值;
步骤四:利用快速计算建模方法,基于步骤三中得到的仿真样本点{XT,YT},得到关键材料属性参数X和关键输出性能参数Y的快速计算模型,并对快速计算模型精度进行评估;
步骤五:根据实际确定关键材料属性参数xi的均值μi或者方差σi可能出现的故障模式,在相应的故障模式选取一定量的样本点,并利用蒙特卡洛方法构建批次产品关键材料属性参数数据XP;所述样本点的数量跟参数个数有关,参数越多,需要的样本点的数量越大;
步骤六:将步骤五中批次产品关键材料属性参数数据XP代入步骤四中建立的快速计算模型,得到批次产品对应的关键输出性能参数YP;
步骤七:对步骤六中得到的批次产品关键输出性能参数YP进行分布拟合与数据统计,并提取相应的分布特征参量,作为对应故障模式下某个样本点对应的故障特征参量;
步骤八:将提取的故障特征与故障模式一一对应作为样本信息存入数据库中,构建完成机电产品材料属性参数漂移故障特征样本库。
具体实施方式二:
下面结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明。本实施方式的应用对象为电磁继电器制造过程。
在步骤一中,所述的继电器制造过程关键材料属性参数X和关键输出性能参数Y如表1中所示。所述材料属性参数包括关键永磁材料属性参数、关键软磁材料属性参数、关键弹性材料属性参数三类。
表1继电器制造过程关键材料属性参数和关键输出性能参数
在步骤二中,根据步骤一所确定的关键输出性能参数,需要利用ANSYS软件建立继电器静态电磁特性求解模型,利用ADAMS软件建立静态反力特性求解模型,同时利用参数化建模技术将关键材料属性参数注入到仿真模型之中,最后通过MATLAB软件进行动态特性联合仿真,得到产品的吸合电压、释放电压、吸合时间、释放时间。
在步骤三中,利用拉丁超立方抽样方法抽取6维90组关键材料属性参数组合XT,并利用步骤二中建立的虚拟样机仿真模型仿真得到关键输出性能参数组合YT。
在步骤四中,利用Kriging快速计算建模方法得到X与Y之间的快速计算模型,另外抽取10组样本点,将仿真模型结果与快速计算结果进行比较,计算RMSE值,评价快速计算模型精度。RMSE公式:
式中,ntest代表选取的测试样本个数,即为10,s表示测试样本点编号,yis表示测试样本点的实际响应值,既仿真值,表示快速计算模型的预测值,RMSE值越小表示模型精度越高。可见快速计算模型精度较高,能够有效的替代仿真模型并进行快速计算。
在步骤五中,结合实际工艺调研情况,确定具体材料属性参数可能出现的故障模式,如表2中所示。然后应用蒙特卡洛方法,在对应的材料属性参数故障模式下模拟得到1000组参数值XP。
表2具体材料属性参数对应故障模式
在步骤六中,将所述1000组参数值XP分别代入步骤四输出特性快速计算模型中,计算得到1000组关键输出性能参数YP。
在步骤七中,对步骤六中得到的批次产品关键输出性能参数YP进行分布拟合与数据统计,并提取分布特征参量均值、分布特征参量方差、分布特征参量最大值、分布特征参量最小值和批次产品合格率,作为对应故障模式下某个样本点对应的故障特征参量。
在步骤八中,将步骤七中提取的故障特征与故障模式一一对应作为样本信息存入数据库中,构建完成机电产品材料属性参数漂移故障特征样本库。
具体实施方式三:
下面结合图1和图3说明本实施方式,本实施方式披露了一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,所述制造过程参数为零件尺寸参数,所述方法包括以下步骤:
步骤一:根据机电产品制造流程确定n个关键零件尺寸参数的集合X={x1,x2,…,xi,…,xn}和m个关键输出性能参数集合Y={y1,y2,…,yi,…,ym},其中xi服从N(μi,σi);
步骤二:根据图纸建立机电产品虚拟样机仿真模型,将步骤一中确定的关键零件尺寸参数X和关键输出性能参数Y注入仿真模型;
步骤三:利用试验设计技术,得到k组关键零件尺寸参数样本点集合XT={x1,x2,…,xj,…,xk},其中xj={x1j,x2j,…,xij,…,xnj},xij表示参数xi的某个取值,将XT输入步骤二中建立的虚拟样机仿真模型仿真得到k组关键输出性能参数集合YT={y1,y2,…,yj,…,yk},其中yj={y1j,y2j,…,yij,…,ymj},yij表示参数yi的对应值;
步骤四:利用快速计算建模方法,基于步骤三中得到的仿真样本点{XT,YT},得到关键零件尺寸参数X和关键输出性能参数Y的快速计算模型,并对快速计算模型精度进行评估;
步骤五:根据实际确定关键零件尺寸参数xi的均值μi或者方差σi可能出现的故障模式,在相应的故障模式选取一定量的样本点,并利用蒙特卡洛方法构建批次产品关键零件尺寸参数数据XP;所述样本点的数量跟参数个数有关,参数越多,需要的样本点的数量越大;
步骤六:将步骤五中批次产品关键零件尺寸参数数据XP代入步骤四中建立的快速计算模型,得到批次产品对应的关键输出性能参数YP;
步骤七:对步骤六中得到的批次产品关键输出性能参数YP进行分布拟合与数据统计,并提取相应的分布特征参量,作为对应故障模式下某个样本点对应的故障特征参量;
步骤八:将提取的故障特征与故障模式一一对应作为样本信息存入数据库中,构建完成机电产品零件尺寸参数漂移故障特征样本库。
具体实施方式四:
下面结合图1和图3说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步说明。本实施方式的应用对象为电磁继电器制造过程。
在步骤一中,所述的继电器制造过程关键零件尺寸参数X和关键输出性能参数Y如表3中所示。
表3继电器制造过程关键零件尺寸参数和关键输出性能参数
在步骤二中,根据步骤一所确定的关键输出性能参数,需要利用ANSYS软件建立继电器静态电磁特性求解模型,利用ADAMS软件建立静态反力特性求解模型,同时利用参数化建模技术将关键零件尺寸参数注入到仿真模型之中,最后通过MATLAB软件进行动态特性联合仿真,得到产品的吸合电压、释放电压、吸合时间、释放时间。
在步骤三中,利用拉丁超立方抽样方法抽取6维90组关键零件尺寸参数组合XT,并利用步骤二中建立的虚拟样机仿真模型仿真得到关键输出性能参数组合YT。
在步骤四中,利用Kriging快速计算建模方法得到X与Y之间的快速计算模型,另外抽取10组样本点,将仿真模型结果与快速计算结果进行比较,计算RMSE值,评价快速计算模型精度。RMSE公式:
式中,ntest代表选取的测试样本个数,即为10,s表示测试样本点编号,yis表示测试样本点的实际响应值,既仿真值,表示快速计算模型的预测值,RMSE值越小表示模型精度越高。可见快速计算模型精度较高,能够有效的替代仿真模型并进行快速计算。
在步骤五中,结合实际工艺调研情况,确定具体零件尺寸参数可能出现的故障模式,如表4中所示。然后应用蒙特卡洛方法,在对应的零件尺寸参数故障模式下模拟得到1000组参数值XP。
表4具体零件尺寸参数对应故障模式
在步骤六中,将所述1000组参数值分别代入步骤四输出特性快速计算模型中,计算得到1000组关键输出性能参数YP。
在步骤七中,对步骤六中得到的批次产品关键输出性能参数YP进行分布拟合与数据统计,并提取分布特征参量均值、分布特征参量方差、分布特征参量最大值、分布特征参量最小值和批次产品合格率,作为对应故障模式下某个样本点对应的故障特征参量。
在步骤八中,将步骤七中提取的故障特征与故障模式一一对应作为样本信息存入数据库中,构建完成构建机电产品零件尺寸参数漂移故障特征样本库。
具体实施方式五:
下面结合图1和图4说明本实施方式,本实施方式披露了一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,所述制造过程参数为装调参数,所述方法包括以下步骤:
步骤一:根据机电产品制造流程确定n个关键装调参数的集合X={x1,x2,…,xi,…,xn}和m个关键输出性能参数集合Y={y1,y2,…,yi,…,ym},其中xi服从N(μi,σi);
步骤二:根据图纸建立机电产品虚拟样机仿真模型,将步骤一中确定的关键装调参数X和关键输出性能参数Y注入仿真模型;
步骤三:利用试验设计技术,得到k组关键装调参数样本点集合XT={x1,x2,…,xj,…,xk},其中xj={x1j,x2j,…,xij,…,xnj},xij表示参数xi的某个取值,将XT输入步骤二中建立的虚拟样机仿真模型仿真得到k组关键输出性能参数集合YT={y1,y2,…,yj,…,yk},其中yj={y1j,y2j,…,yij,…,ymj},yij表示参数yi的对应值;
步骤四:利用快速计算建模方法,基于步骤三中得到的仿真样本点{XT,YT},得到关键装调参数X和关键输出性能参数Y的快速计算模型,并对快速计算模型精度进行评估;
步骤五:根据实际确定关键装调参数xi的均值μi或者方差σi可能出现的故障模式,在相应的故障模式选取一定量的样本点,并利用蒙特卡洛方法构建批次产品关键装调参数数据XP;所述样本点的数量跟参数个数有关,参数越多,需要的样本点的数量越大;
步骤六:将步骤五中批次产品关键装调参数数据XP代入步骤四中建立的快速计算模型,得到批次产品对应的关键输出性能参数YP;
步骤七:对步骤六中得到的批次产品关键输出性能参数YP进行分布拟合与数据统计,并提取相应的分布特征参量,作为对应故障模式下某个样本点对应的故障特征参量;
步骤八:将提取的故障特征与故障模式一一对应作为样本信息存入数据库中,构建完成机电产品装调参数漂移故障特征样本库。
具体实施方式六:
下面结合图1和图4说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式五作出的进一步说明。本实施方式的应用对象为电磁继电器制造过程。
在步骤一中,所述的继电器制造过程关键装调参数X和关键输出性能参数Y如表5中所示。所述关键装调参数包括关键装配参数和关键调试参数。
表5继电器制造过程关键装调参数和关键输出性能参数
在步骤二中,根据步骤一所确定的关键输出性能参数,需要利用ANSYS软件建立继电器静态电磁特性求解模型,利用ADAMS软件建立静态反力特性求解模型,同时利用参数化建模技术将关键装调参数注入到仿真模型之中,最后通过MATLAB软件进行动态特性联合仿真,得到产品的吸合电压、释放电压、吸合时间、释放时间。
在步骤三中,利用拉丁超立方抽样方法抽取6维90组关键装调参数组合XT,并利用步骤二中建立的虚拟样机仿真模型仿真得到关键输出性能参数组合YT。
在步骤四中,利用Kriging快速计算建模方法得到X与Y之间的快速计算模型,另外抽取10组样本点,将仿真模型结果与快速计算结果进行比较,计算RMSE值,评价快速计算模型精度。RMSE公式:
式中,ntest代表选取的测试样本个数,即为10,s表示测试样本点编号,yis表示测试样本点的实际响应值,既仿真值,表示快速计算模型的预测值,RMSE值越小表示模型精度越高。可见快速计算模型精度较高,能够有效的替代仿真模型并进行快速计算。
在步骤五中,结合实际工艺调研情况,确定具体装调参数可能出现的故障模式,如表6中所示。然后应用蒙特卡洛方法,在对应的装调参数故障模式下模拟得到1000组参数值XP。
表6具体装调参数对应故障模式
在步骤六中,将所述1000组参数值分别代入步骤四输出特性快速计算模型中,计算得到1000组关键输出性能参数YP。
在步骤七中,对步骤六中得到的批次产品关键输出性能参数YP进行分布拟合与数据统计,并提取分布特征参量均值、分布特征参量方差、分布特征参量最大值、分布特征参量最小值和批次产品合格率,作为对应故障模式下某个样本点对应的故障特征参量。
在步骤八中,将步骤七中提取的故障特征与故障模式一一对应作为样本信息存入数据库中,构建完成构建机电产品装调参数漂移故障特征样本库。
Claims (10)
1.一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤一:根据机电产品制造流程确定n个关键制造过程参数的集合X={x1,x2,…,xi,…,xn}和m个关键输出性能参数集合Y={y1,y2,…,yi,…,ym},其中xi服从N(μi,σi);
步骤二:根据图纸建立机电产品虚拟样机仿真模型,将步骤一中确定的关键制造过程参数X和关键输出性能参数Y注入仿真模型;
步骤三:利用试验设计技术,得到k组关键制造过程参数样本点集合XT={x1,x2,…,xj,…,xk},其中xj={x1j,x2j,…,xij,…,xnj},xij表示参数xi的某个取值,将XT输入步骤二中建立的虚拟样机仿真模型仿真得到k组关键输出性能参数集合YT={y1,y2,…,yj,…,yk},其中yj={y1j,y2j,…,yij,…,ymj},yij表示参数yi的对应值;
步骤四:利用快速计算建模方法,基于步骤三中得到的仿真样本点{XT,YT},得到关键制造过程参数X和关键输出性能参数Y的快速计算模型,并对快速计算模型精度进行评估;
步骤五:根据实际确定关键制造过程参数xi的均值μi或者方差σi可能出现的故障模式,在相应的故障模式选取一定量的样本点,并利用蒙特卡洛方法构建批次产品关键制造过程参数数据XP;
步骤六:将步骤五中批次产品关键制造过程参数数据XP代入步骤四中建立的快速计算模型,得到批次产品对应的关键输出性能参数YP;
步骤七:对步骤六中得到的批次产品关键输出性能参数YP进行分布拟合与数据统计,并提取相应的分布特征参量,作为对应故障模式下某个样本点对应的故障特征参量;
步骤八:将提取的故障特征与故障模式一一对应作为样本信息存入数据库中,构建完成机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库。
2.根据权利要求1所述的一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,其特征在于,步骤一中,所述关键制造过程参数包括关键材料属性参数、关键零件尺寸参数或关键装调参数。
3.根据权利要求1所述的一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,其特征在于:步骤一中,关键输出性能参数指机电产品实际使用中所关心的吸合释放时间、吸合释放电压相应性能指标。
4.根据权利要求1所述的一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,其特征在于:步骤二中将关键制造过程参数注入仿真模型是通过对仿真模型中相应制造过程参量进行更改、参数化建模或尺寸链构建的方式实现。
5.根据权利要求1所述的一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,其特征在于:步骤二中将关键输出性能参数注入仿真模型是通过建立相应的静态特性仿真模型或者动态特性联合仿真模型的方式实现。
6.根据权利要求1所述的一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,其特征在于:步骤三中所述试验设计技术是指拉丁超立方抽样方法。
7.根据权利要求1所述的一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,其特征在于:步骤四中所述快速计算建模方法是指Kriging快速计算建模方法。
9.根据权利要求1所述的一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,其特征在于:步骤五中所述关键制造过程参数可能出现的故障模式包括均值变大、均值变小、方差变大三种。
10.根据权利要求1所述的一种构建机电产品制造过程参数漂移故障特征样本库的方法,其特征在于:步骤七中所述故障特征参量包括批次产品关键输出性能参数的分布特征参量均值、分布特征参量方差、分布特征参量最大值、分布特征参量最小值和批次产品合格率。
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