本项目系国家自然科学基金面上项目（批准号：51575070），经4年的研究已按计划完成。项目组针对我国机电产品长期存在的精度差、精度寿命短、性能波动大、故障频出等诸多问题，以机电产品为研究对象，以元动作单元系统定义和全方位建模为基础，以关键质量特性的预测控制为核心，采用“分解—分析—综合”的方法系统地研究了元动作单元的定义及建模、关键质量特性形成机理、质量特性融合控制机制、预测控制模型等关键科学问题，面向机电产品提出一套基于元动作单元的关键质量特性分析与预测控制方法，为从本质上保障机电产品整机质量提供理论和技术支撑。具体研究内容主要包括五个部分： （1）元动作单元全方位建模技术。确定了以元动作单元为基础的机电产品质量控制策略；介绍了“功能—运动—动作”（Function-Motion-Action, FMA）结构化分解方法，对机电产品元动作单元进行了系统的定义和分类，借助FMA树对整机质量特性向元动作单元质量特性进行了映射；对元动作单元工作过程和关键零件的性能退化过程进行了分析；对元动作单元具有的“渐进不确定性”和“突发不确定性”这两类质量特性的不确定性进行了定义及建模，并对质量波动和误差传递进行了分析和建模。（2）元动作单元的关键质量特性耦合机制。构建了元动作单元质量波动预测模型，利用最小二乘支持向量机和质量波动传递函数对元动作单元多工序制造过程的质量波动进行了综合预测；分析了元动作单元关键质量特性之间的关联关系，得出了质量特性关联关系矩阵；研究了元动作单元质量追踪溯源技术，分析了元动作单元质量追溯流程，对元动作单元质量追溯系统进行了设计。（3）整机质量特性的预测模型与预防控制技术研究。从元动作单元层的质量预测控制入手，构建了质量特性ABPM预测模型及预测流程，利用MATLAB对实例进行了分析计算，证明了方法的有效性；对质量特性状态空间预测控制的基本原理进行了分析，建立了单元质量特性状态空间模型。 2100433B

随着社会进步和科技发展，人们对机电产品质量的要求越来越高，而机电产品作为我国第一大类消费和贸易商品，其质量已经上升到了国家战略的高度。针对我国机电产品质量长期存在的精度差、精度寿命短、性能波动大、故障频出等诸多问题，本项目以机电产品为研究对象，以四大关键质量特性的预测控制为核心，以元动作单元的系统定义和全方位建模为基础，系统研究元动作单元的关键质量特性形成机理、综合试验技术、融合控制机制、评估模型和评估方法、以及基于元动作单元的整机质量预测控制技术等关键科学问题，以数控机床作为典型案例进行理论验证和应用，面向机电产品提出一套基于元动作单元的整机关键质量特性分析与预测控制方法，为从本质上保障机电产品整机质量提供理论和技术支撑，最终达到全面提升我国机电产品整体质量水平的目的。

前言

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 数控机床的装配质量

1．2．1 数控机床的装配精度

1．2．2 数控机床的精度寿命

1．2．3 数控机床的装配可靠性

1．3 国内外研究现状

1．3．1 产品装配质量与建模研究进展

1．3．2 产品装配精度研究进展

1．3．3 产品精度寿命研究进展

1．3．4 产品装配可靠性研究进展

1．3．5 产品装配质量诊断技术研究进展

1．3．6 存在的问题与不足

1．4 本文框架

参考文献

第2章 面向元动作的数控机床PFMA分解

2．1 PFMA分解思路和原则

2．1．1 PFMA分解思路

2．1．2 PFMA分解原则

2．2 PFMA分解相关定义

2．2．1 数控机床谱系（pedigree）

2．2．2 数控机床功能（function）

2．2．3 运动（movement）

2．2．4 动作（action）

2．2．5 元动作装配单元

2．3 PFMA分解计算方法

2．3．1 同层次属性DSM计算

2．3．2 不同层次属性DSMF表达

2．3．3 不同属性DMM映射计算

2．4 PFMA分解

2．4．1 PFMA分解流程

2．4．2 谱系研究

2．4．3 P-F映射

2．4．4 功能结构体系

2．4．5 F-M-A映射．

2．5 PFMA分解案例（THM6380分解）

2．5．1 THM6380卧式加工中心简介

2．5．2 THM6380谱系分析

2．5．3 谱系-功能（P-F）映射及功能结构建立

2．5．4 功能-运动-动作（F-M-A）映射

2．6 本章小结

参考文献

第3章 基于元动作装配单元的装配精度研究

3．1 装配精度与误差

3．1．1 装配精度及种类

3．1．2 装配精度主要影响因素

3．1．3 装配误差计算模型

3．2 元动作装配单元误差分析

3．2．1 元动作装配单元误差源种类

3．2．2 零件的几何位置误差模型

3．2．3 零件的几何形状误差模型

3．2．4 零件的装配位置误差模型

3．3 元动作装配单元误差传递

3．3．1 装配误差源传递链接图

3．3．2 配合及误差传递链接图

3．3．3 装配误差传递链接矩阵

3．4 基于D-H的元动作装配单元装配误差量计算

3．4．1 装配过程的配合误差统计量

3．4．2 配合关系与变换矩阵

3．4．3 装配误差统计量的计算

3．4．4 装配精度评价指标

3．5 案例研究

3．5．1 装配过程装配误差量统计

3．5．2 装配过程误差计算与装配精度评价预测

3．6 本章小结

参考文献

第4章 元动作装配单元精度寿命分析

4．1 元动作装配单元失效及精度寿命

4．1．1 伺服进给系统元动作装配单元

4．1．2 伺服进给系统FMEA分析

4．1．3 滚珠丝杠副FMEA分析

4．1．4 滚动导轨副FMEA分析

4．1．5 基于故障形成过程的精度寿命分析

4．2 元动作装配单元精度寿命理论

4．2．1 伺服进给系统精度寿命指标

4．2．2 装配精度失效概率统计模型

4．3 给系统运行数据可靠性分析

4．3．1 威布尔概率图法

4．3．2 基于最小二乘的多元回归法

4．3．3 运行数据Weibull变换

4．3．4 Weibull变换参数值估计

4．4 进给系统定位精度分布规律

4．4．1 进给系统定位精度测量方法

4．4．2 实验测量数据处理

4．5 基于AMSAA的进给系统精度寿命预测模型

4．5．1 数学模型的建立

4．5．2 试验数据预处理

4．5．3 进给系统精度寿命预测模型

4．5．4 进给系统装配过程提高精度寿命措施

4．6 本章小结

参考文献

第5章 基于元动作装配单元的装配可靠性研究

5．1 元动作装配单元装配可靠性

5．1．1 元动作装配单元可靠性影响因素

5．1．2 元动作装配单元可靠性指标

5．2 元动作故障树分析

5．2．1 故障树分析法简介

5．2．2 元动作故障树分析法特点

5．2．3 元动作故障原因溯源

5．2．4 元动作故障树的定量分析

5．3 基于模块化故障树的元动作装配单元可靠性建模

5．3．1 装配可靠性的模块化故障树模型

5．3．2 元动作与元动作装配单元关系模型

5．3．3 基于BDD的故障树优化分析

5．3．4 故障树的可靠性分析与映射研究

5．3．5 可靠性驱动的装配工艺方案

5．3．6 案例研究

5．4 装配质量评估

5．4．1 基于LPIM的故障数据建模

5．4．2 数控机床可靠性指标的估计

5．4．3 时间趋势检验与修复功效检验

5．4．4 实例可靠性评估

5．5 本章小结

参考文献 2100433B

本书是有关数控机床装配质量建模的学术专著，是作者多年来研究工作的总结。本书在吸收前人研究成果的基础上，从实际工程背景出发，以精密卧式加工中心装配过程为研究对象，以提高机床的三个关键质量特性的水平为目标，针对国产数控机床在精度、精度寿命、可靠性三个关键质量特性尤其是后两个特性落后于国外机床而导致的高档数控机床严重依赖进口的问题，对数控机床服役过程中的谱系进行研究的基础上，自顶向下化繁为简，进行“谱系-功能-运动-动作”PFMA的结构化分解，将机床的功能结构分解至最基本的元动作层，定义元动作装配单元，并以元动作装配单元为对象分别对数控机床的装配精度、精度寿命及可靠性进行深入研究，建立装配质量模型，并对装配质量进行评估应用。

分层材质建模与绘制是目前计算机图形领域研究的热点和难点。由于分层材质能够更精确地描述现实世界中的材质，其在图形绘制中的应用可以显著提高绘制结果的物理真实感。本项目将从微面元理论的角度研究分层材质的建模与绘制技术，详细探讨基于微面元理论的材质模型中法向分布、Fresnel反射和微面元间阴影遮挡等在扩展到处理分层材质时的计算方式，着重讨论多次内反射、层内介质散射和吸收对次表面反射效果的影响，并基于adding-doubling方法推广到处理多层分层材质。最后，通过在离线绘制引擎和实时绘制场景中的应用来验证本项目提出的分层材质模型的有效性和高效性。相比于传统的分层材质模型，基于微面元理论的分层材质模型具有高效性、统一性、轻量级以及可扩展性等优势。本项目是材质建模与绘制方面的基础性研究工作，具有重要的学术意义和应用价值。