基于元动作单元建模的机电产品质量预测控制技术研究

Along with social progress and development of science and technology, the requirement for the quality of electromechanical product is higher and higher. Since electromechanical product is the first major category of consumption and trade goods of China, its quality has already been brought into national strategy. Aiming at the long-term issues of electromechanical product quality, such as poor precision, short precision life, large fluctuation in performance, frequent failures, etc., in the project with the electromechanical product setting as the research object, the prediction and control of four key quality characteristics as the core, based on the system definition and comprehensive modeling of meta-action unit, the key quality characteristic formation mechanism, comprehensive test technology, fusion control mechanism, evaluation model and evaluation method of meta-action unit, the whole machine key quality characteristics prediction and control technology based on meta-action unit, and other scientific problems are studied, while CNC machine tool is used as a typical case to verify the theory and application. The new method of whole machine key quality characteristics analysis, prediction and control for electromechanical product based on meta-action unit is proposed to provide theoretical and technical support for guaranteeing the electromechanical product quality essentially, and finally improve the quality level of electromechanical product in China.

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。

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。