螺旋锥齿轮形性协同制造的六西格玛设计方法技术

本发明专利技术提供一种螺旋锥齿轮形性协同制造的六西格玛设计方法，包括以下阶段：(S1)定义阶段：完善和扩展客户意见(VOC)，采用质量功能展开(QFD)逐层扩展VOC，建立质量屋(HOQ)，提取出关键质量(CTQs)，确定性能评价项；(S2)测量阶段：基于多目标优化(MOO)加工参数反调方法，建立参数驱动的输入输出模型；(S3)分析阶段：建立加工参数与性能评价项的参数驱动的函数关系，确定加工参数反调模型；(S4)设计阶段：设计MOO加工参数反调方案；(S5)验证阶段：验证阶段(S4)方案的实用性。将DFFS的DMADV框架引入螺旋锥齿轮的设计与制造中，提出基于MOO加工参数反调的DFFS设计流程，实现了复杂齿面的精确优化设计。

【技术实现步骤摘要】
螺旋锥齿轮形性协同制造的六西格玛设计方法
本专利技术属于机械加工
，尤其涉及一种螺旋锥齿轮形性协同制造的六西格玛设计方法，针对螺旋锥齿轮复杂的双曲面特性，基于兼顾齿面几何和物理性能的多目标优化加工参数反调方法进行复杂齿面的精确优化设计，并提供准确的加工参数来指导实际的齿轮加工。
技术介绍
对于现代制造企业而言，应用先进的设计和工艺来处理产品特性和制造工艺，以达到高质量和低成本效益，是他们追求优化目标及有效提高竞争力的方法。然而，产品的许多性能和质量是由早期的设计以及在产品设计周期早期进行的设计选择决定的。先进制造业最高级别的最新质量理念是与所有过程以及最低水平的质量评估相关的六西格玛方法。随着二十世纪八十年代以来的六西格玛方法的出现，它被广泛认为是一个严格的，系统的，以客户为中心和利润驱动的战略业务改进计划。六西格玛设计(DFSS)，将六西格玛的定义和理念与产品结构可靠性和性能稳健设计相结合，可以反映稳健的产品优化过程。为了准确理解和把握客户的需求，一个新产品或新工艺的稳健可靠的设计被执行，以实现低成本，高效率和低缺陷的六西格玛质量水平。DFSS的力量在于产品设计和结果的改进。一个基于分析工具的建立的数据驱动系统，为用户提供了预防和预测产品，服务或流程设计缺陷的能力，比缺乏DFSS结构的类似方法取得更好的成功。DFSS中使用的工具和方法非常重视确定并满足客户的需求和期望，能在产品开发早期阶段尽早的发现并规避设计风险，减少交货时间和开发成本，提高产品或服务的有效性。在过去几十年间，DFSS一直被广泛应用于世界上大大小小的公司企业中，获得了显著的效益和迅猛的发展。其中，DMADV模式作为一种改进的DFSS，已被广泛用于各个行业，是质量改进的最佳系统化和数据驱动问题解决方法。螺旋锥齿轮是一种复杂的传动部件，由于复杂几何结构及高使役性能要求，螺旋锥齿轮协同制造一直充满挑战。尽管DMADV模式已被广泛用于各个行业，但是因螺旋锥齿轮产品及加工的特殊性，尚未见有DFSS设计理念引入到螺旋锥齿轮的产品开发中。
技术实现思路
鉴于上述状况，本专利技术通过对先进设计理念、鲁棒数值算法、有效评估策略和全局优化运算的综合分析，基于多目标优化(MOO)加工参数反调方法，开发了一种基螺旋锥齿轮形性协同制造的六西格玛设计方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种螺旋锥齿轮形性协同制造的六西格玛设计方法，采用DMADV模式的DFSS框架，包括以下阶段：(S1)定义阶段：完善和扩展客户意见(VOC)，采用质量功能展开(QFD)逐层扩展VOC，建立质量屋(HOQ)，提取出关键质量(CTQs)，确定性能评价项；(S2)测量阶段：基于多目标优化(MOO)加工参数反调方法，建立参数驱动的输入输出模型，以便进行加工参数修正；(S3)分析阶段：建立加工参数与性能评价项的参数驱动的函数关系，确定加工参数反调模型；(S4)设计阶段：设计MOO加工参数反调方案；(S5)验证阶段：验证阶段(S4)所提出的设计方案的实用性。优选的，性能评价项包括几何和物理性能评价项，其中，几何性能评价项为残余ease-off的均方根误差(RMSE)hRSME，物理性能评价项为最大齿面接触应力CPMAX、最大负载传递误差LTEMAX、重合度CR和机械效率η。进一步，设计因子X的多目标函数被表示为：式中，κi(i＝1,2,...,N)表示权重因子，一般设为±1。所述输入输出模型如式(3)所示：式中，M-输入信号，y-响应，X-设计因子，Z-噪声因子，包括安装误差和机床空间几何误差。优选的，基于含误差的齿面接触分析(eTCA)，构建齿面接触性能项与安装误差项之间的函数关系，有：式中，P表示小轮轴向位移偏差；G表示大轮轴向位移偏差；E表示大小轮轴线垂直距离偏差；α表示大小轴线之间的角度偏差；机床空间几何误差(SGEs)与加工参数之间的函数关系如式(5)所示。优选的，设计变量还包括载荷。进一步，对于LTEMAX、CPMAX和CR，采用载荷齿面接触分析(LTCA)方法，通过数值拟合方法分别获取加工参数与评价项的函数关系；对于评价项η，据与载荷条件相关的输入转速ωG及转矩来判定。优选的，所述阶段(S4)通过以下过程实现：(i)给定噪声因子的优化处理；(ii)由MOO确定含优化物理性能的目标齿面；(iii)考虑几何性能的加工参数反调。优选的，所述阶段(S5)中，验证方法包括数值算例和试验设计(DOE)。进一步，DOE以实际加工-通用测量-优化反调的3-M全闭环自动反馈控制系统为主体，在反调部分考虑参数驱动控制的直接加工参数反调，在测量部分考虑预设ease-off的CMM通用测量、考虑机床空间几何误差(SGEs)和制造安装误差的测量。本专利技术的有益效果：本专利技术首次将DFFS的DMADV框架引入螺旋锥齿轮的设计与制造中，构建包括输入信号、输出响应、设计因素和噪声因子在内的智能参数驱动模型，进而提出基于MOO加工参数反调的DFFS设计流程，将实际制造过程中噪声因素的协同制造系统转换成多目标优化问题，实现复杂齿面的精确优化设计。采用基于DFSS的形性协同制造智能参数驱动决策与优化过程实现MOO加工参数反调，并通过算例验证和DOE验证证实，本专利技术能满足实际制造的高精度加工要求，具有很好的实用性。附图说明图1是螺旋锥齿轮形性协同系统的DFSS基本框架。图2是螺旋锥齿轮产品设计的简化HOQ。图3是测评协同制造过程所建立的基本参数驱动模型。图4是MOO修改模型的建立过程。图5是优化加工参数Ra的比例反调方案。图6是MOO加工参数反调方案的基本流程。图7是螺旋锥齿轮MOO加工参数反调模型。图8是DOE验证流程。图9是基于DFSS的形性协同制造智能参数驱动决策与优化流程。图10表示安装误差对齿面接触性能的影响。图11表示机床A轴NC补偿前后的定位精度。图12是螺旋锥齿轮齿面误差测量结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细的说明。本专利技术针对螺旋锥齿轮形性协同制造系统，提出了基于工程设计和管理知识的协同多学科数据驱动优化理论法及方法。通过对先进设计理念、鲁棒数值算法、有效评估策略和全局优化运算的综合分析，基于多目标优化(MOO)加工参数反调方法，开发了基于DFSS的螺旋锥齿轮形性协同制造系统。概括地说，需要执行以下具体任务来实现这一目标：(T1)结合DFSS的定义-测量-分析-设计-控制(DMADV)框架，根据包括输入信号、输出响应、设计因素和噪声因子在内的智能参数驱动模型，提出基于MOO加工参数反调的DFFS设计流程。(T2)通过建立源于质量功能展开(QFD)的质量屋(HOQ)，将客户意见(VOC)转换为关键质量(CTQs)，最终的几何和物理性能要求被设置为五个子目标，即的残余ease-off的均方根误差(RMSE)hRSME、最大接触压力CPMAX、最大载荷传递误差LTEMAX、接触比CR和机械效率η。(T3)为了建立协同优化的参数驱动关系，使用改进的加工参数反调模型来确定通用加工参数与几何性能之间的函数关系，此外，采用基于有限元方真模拟的载荷齿面接触分析(LTCA)方法来进行数据提取与处理以识别加工参数与物理性能的函数关系。(T4)为了满足CTQs，考虑实际制造过程中噪声本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺旋锥齿轮形性协同制造的六西格玛设计方法，其特征在于，采用DMADV模式的DFSS框架，包括以下阶段：(S1)定义阶段：完善和扩展客户意见(VOC)，采用质量功能展开(QFD)逐层扩展VOC，建立质量屋(HOQ)，提取出关键质量(CTQs)，确定性能评价项；(S2)测量阶段：基于多目标优化(MOO)加工参数反调方法，建立参数驱动的输入输出模型，以便进行加工参数修正；(S3)分析阶段：建立加工参数与性能评价项的参数驱动的函数关系，确定加工参数反调模型；(S4)设计阶段：设计MOO加工参数反调方案；(S5)验证阶段：验证阶段(S4)所提出的设计方案的实用性。

【技术特征摘要】
1.一种螺旋锥齿轮形性协同制造的六西格玛设计方法，其特征在于，采用DMADV模式的DFSS框架，包括以下阶段：(S1)定义阶段：完善和扩展客户意见(VOC)，采用质量功能展开(QFD)逐层扩展VOC，建立质量屋(HOQ)，提取出关键质量(CTQs)，确定性能评价项；(S2)测量阶段：基于多目标优化(MOO)加工参数反调方法，建立参数驱动的输入输出模型，以便进行加工参数修正；(S3)分析阶段：建立加工参数与性能评价项的参数驱动的函数关系，确定加工参数反调模型；(S4)设计阶段：设计MOO加工参数反调方案；(S5)验证阶段：验证阶段(S4)所提出的设计方案的实用性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，性能评价项包括几何和物理性能评价项，其中，几何性能评价项为残余ease-off的(RMSE)hRSME，物理性能评价项为最大齿...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐进元，丁撼，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43