基于精度损失的动态测量系统均匀设计理论与技术基础研究

论文摘要

测量技术水平是一个国家科技发展水平高低的重要评价标准,科学技术的发展是推动精度提高的力量和源泉,仪器设备精度的提高又为现代科学技术发展提供了新的物质条件和研究手段。由于科学技术的日益发展,精密工程的精度要求越来越高,为了可靠地保证精度又实现低成本目标,显然过去采用提高精密工程组成系统装备精度的措施已不能完全适应,必须采取低成本的现代精度保障理论与技术措施。同时,精度理论是指导产品设计、制造、测量的基本理论之一,充分发挥精度理论指导产品的设计制造是创优的基础和捷径,是提高产品档次和竞争力的手段。把精度理论应用到设计、制造、测量之中是科教兴国、科教兴企的具体举措,是保证和提高产品质量的有效方法。测量系统,尤其是带有机械结构的测量系统在实际使用过程中,随着时间的推移,系统的精度会有所损失,测量精度逐渐下降,而且系统内部各结构单元对系统总精度损失的影响是不一致的。本课题研究的最终目的和意义是为产品进行均匀一致性设计提供可依据的理论基础。不遵循均匀一致性设计的产品,会造成较大的浪费,和不必要的维修成本支出。而如果对产品采用均匀一致性设计,就可以做到使产品内的各组成部分能在大致相同的时间内同时失效或损坏,发挥生产资料的最大效率。这显然具有显著科学价值和实际经济意义。本课题来源于高等学校博士学科点专项科研基金项目“基于精度损失的动态测量系统均匀设计理论与技术基础研究(项目编号:20040359011)”和“国家自然科学基金”(50675057)的部分内容。本课题涉及机械、光学、电子学、计量学和现代数学等领域,是跨学科的交叉前沿研究领域。研究的主要内容包括:(1)深化和完善动态测量系统误差分解与溯源的理论研究。在原有全系统动态精度理论模型的基础上,对现代谱分析技术、神经网络理论和小波分析理论相结合等原有的几种误差分解与溯源方法进行分析比较,提出不同方法的特点和实用性,为本课题的研究提供了基础。(2)动态测量系统精度损失研究。对动态测量系统精度损失进行全面分析和精度损失的规律研究,建立了测量系统的精度损失趋势模型。同时对BP神经网络和改进最小二乘支持向量机的建模方法进行分析比较,并利用机械式动态测量系统建立了精度损失模型。为精度损失权函数的建立以及后继的均匀损失设计理论提供了理论依据。(3)动态测量系统均匀设计理论研究。在精度损失建模的基础上,对动态测量系统各个组成单元精度损失进行了非均匀性分析,建立了各个单元的精度损失权以及系统整体精度损失的非均匀性损失程度量。在此基础上,提出了基于精度损失单位权的优化调整方法,并以总精度损失为控制指标,以等效寿命为目标,建立了系统内部各单元寿命相一致的均匀设计理论与方法。(4)动态测量实验系统研制。为了对动态精度损失分解与溯源理论与方法、动态精度损失建模预测模型、动态精度损失非均匀性分析以及均匀一致性设计理论加以实验验证,这里设计了一套机、光、电相结合的动态测量实验系统,以便对测量系统进行精度损失的实验研究,从而实现对上述理论的实验验证。基于精度损失的均匀设计理念可以为企业在产品的设计、加工、制造方面展开实际研究,实现产品的精度均匀性设计,使其更具有市场竞争力,并为社会节约能源,实现生产资料的最佳使用,实现可持续发展的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 精度理论研究的重要性与意义
• 1.2 动态测量概述
• 1.2.1 动态测量的概念
• 1.2.2 动态测量误差
• 1.3 动态测量精度理论研究现状与发展
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 课题来源与研究任务
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 课题的研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 动态测量系统的误差分解理论与方法
• 2.1 全系统动态精度理论建模方法
• 2.1.1 全系统动态精度模型
• 2.1.2 典型系统精度模型
• 2.2 误差分解溯源理论与方法概述
• 2.2.1 动态误差分解与溯源理论的提出
• 2.2.2 动态误差分解与溯源的方法
• 2.3 动态误差分解与溯源的仿真系统研究
• 2.3.1 仿真系统模型
• 2.3.2 小波神经网络的误差分解溯源分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 动态测量系统的精度损失研究
• 3.1 精度损失概述
• 3.1.1 问题的提出
• 3.1.2 精度损失的定义
• 3.2 典型单元精度损失的分析研究
• 3.2.1 典型电子、光电系统的精度损失分析
• 3.2.2 典型机械单元的精度损失分析
• 3.2.3 动态测量系统精度损失的总体趋势
• 3.3 动态测量系统精度损失函数建模与预测
• 3.3.1 BP神经网络建模
• 3.3.2 改进型最小二乘支持向量机建模
• 3.3.3 模型输出精度比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 动态测量系统精度均匀损失设计理论
• 4.1 基本概念
• 4.1.1 非均匀精度损失与精度损失权的概念
• 4.1.2 精度损失单位权的提出
• 4.1.3 均匀损失设计的一般步骤
• 4.2 系统各单元精度损失的非均匀性分析
• 4.2.1 动态测量系统精度损失非均匀性分析的建模
• 4.2.2 非均匀分析与实验验证
• 4.3 动态测量系统精度均匀损失设计理论模型
• 4.3.1 动态测量系统精度均匀损失的设计原则
• 4.3.2 动态测量系统精度均匀损失设计的建模
• 4.4 本章小结
• 第五章 动态测量系统均匀损失设计理论应用
• 5.1 均匀设计原始数据获取
• 5.2 电感测微仪系统的全系统结构误差建模
• 5.3 电感测微仪系统的误差分解与溯源分析
• 5.4 电感测微仪系统的精度损失建模分析
• 5.5 电感测微仪系统的非均匀损失分析和均匀性设计
• 5.5.1 电感测微仪系统的非均匀损失分析
• 5.5.2 电感测微仪系统的精度损失均匀性设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 实验系统研制
• 6.1 实验系统方案
• 6.1.1 总体方案设计
• 6.1.2 技术指标设计
• 6.2 实验系统的结构设计
• 6.2.1 机械部件结构和原理
• 6.2.2 电控部分结构和原理
• 6.2.3 采样和数据处理部分
• 6.3 实验系统的误差分析
• 6.3.1 实验系统的误差传递模型分析
• 6.3.2 位移量发生系统的误差分析
• 6.3.3 标准量系统的误差分析
• 6.4 实验方案
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究总结
• 7.1.1 本课题的主要研究内容、结论
• 7.1.2 本课题的主要创新点
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文