重复定位精度是机床的一个重要性能指标，会直接影响加工产品的质量一致性。现有以直线轴运动方向的位置偏差作为评价指标的一维评价方法已经不适用于精密机床重复定位精度的评价。为了更全面地评价机床直线轴重复定位精度，提出了机床直线轴重复定位精度的三维评价方法，以球概率误差半径作为评价指标，将一维定位评价扩展到三维空间评价。首先，以卧式加工机床为例，通过齐次坐标变换建立了运动件单轴和机床的重复定位精度的数学模型，对现有一维评价方法的局限性进行分析。其次，基于卡方分布的性质，对球概率误差半径的计算过程进行简化。最后，通过简化的球概率误差半径计算方法对机床直线轴重复定位精度进行评价。以精密卧式机床的工作台为研究对象，通过实验对一维评价方法和三维评价方法进行了对比，结果表明，以球概率误差半径为评价指标的三维评价结果与定位点空间分布的离散程度基本一致。采用三维评价方法可以使机床重复定位精度的评价更加全面，可为机床整体性能的提升提供更可靠的理论指导。

为获得三叉杆式万向联轴器的平均传动效率，分析了三叉杆式万向联轴器输入轴上滑块的运动规律。首先，在滑块中心建立辅助坐标系，求出滑块在它与导向槽接触面中心相对导向槽的滑动速度以及滑块中心相对导向槽的滑动速度；其次，利用摩擦功率损失与速度的关系式，推导出三叉杆式万向联轴器的瞬时传动效率；最后，通过积分得出三叉杆式万向联轴器平均传动效率的表达式。通过分析发现：三叉杆式万向联轴器的平均传动效率与摩擦系数、输入轴与输出轴偏转角、叉杆半径和回转半径有关，平均传动效率随着摩擦系数、偏转角、叉杆半径的增大而减小，随着回转半径的增大而增大。该结果可为三叉杆式万向联轴器的设计和应用提供重要理论依据。

针对大小不同、形状各异的物体，机器人多指手的抓取规划和控制问题目前尚未得到完善的解决。为此，提出利用仿人手掌来提高机器人多指手的灵巧度以及扩大其工作空间，以降低抓取规划和控制的难度。首先，分析了人体手掌的运动特点，根据人体手掌的骨骼结构，研发了一种仿人手掌的机器人变掌机构，该变掌机构具有6个自由度，通过构型变换，可使安装于变掌机构的手指改变工作空间以及抓取点位置。其次，通过建立变掌机构的数学模型，分析已知抓取点个数和抓取点位置时变掌机构的6个自由度。然后，利用三维软件对变掌机构进行建模，并对其抓取动作进行仿真。最后，通过实验平台以及实物样机进行抓取实验，分别利用刚性手指、柔性手指对13种不同的物体进行抓取，验证了变掌机构的抓取能力以及适应性。该仿人手掌的机器人变掌机构能够简单快速地实现自适应构型，可以对尺寸、质量、形状差异较大的物体进行抓取，适用于二指、三指、四指的抓取，并且可连接刚性或柔性手指，既提高了机器人多指手的抓取质量以及适应性，又降低了其抓取规划和控制的难度。研究结果可对机器人多指手的普遍应用提供借鉴意义。

航空制造业的迅速发展对球面磨削加工精度提出了更高的要求，国内目前广泛依靠加工者经验选取磨削参数，工件球面轮廓度最高仅为2.2μm。为实现球面高精度加工，针对GCr15材料柱塞零件的展成法球面磨削加工，提出一种可靠的工艺参数优化方法。以砂轮速度、工件转速、进给速度为影响因素，以磨削后球面轮廓度和磨削加工时间为目标函数，设计了正交试验，分析了各磨削参数对球面轮廓度的影响程度。考虑到各磨削参数和球面轮廓度之间关系的复杂性，在正交试验的基础上利用遗传算法优化的BP（back propagation，反向传播）人工神经网络建立了球面轮廓度和各磨削参数之间的非线性映射关系，并进一步利用遗传算法进行极值寻优，得到最优的磨削参数组合。最后，根据最优磨削参数组合进行了多组验证实验。结果表明，使用优化后的磨削参数能够在保证加工效率的前提下将工件球面轮廓度提高到1.4μm，较传统经验法提高了36%。所提出的磨削参数优化方法可靠、有效，可直接应用于实际工程，对实现球面精密加工意义显著。

为延长恶劣工况下某商用车进气系统空气滤清器滤芯的使用寿命，避免频繁更换滤芯，提出了增加旋流扇的高位引气管方案，并通过优化旋流扇夹角来提高进气系统预滤灰尘和液雾的效率，达到降低成本的目的。首先，采用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法，对进气过程中高位引气管的内部流场进行数值模拟，分析了3款高位引气管的速度流线图和速度梯度云图，得到了高位引气管预滤灰尘和液雾的机理，并基于高位引气管速度流场的变化规律，提出了旋流扇夹角优化方向；其次，利用台架试验对优化后的高位引气管进行灰尘和液雾的预滤试验，并计算出灰尘和液雾的预滤效率；最后，对比不同高位引气管预滤灰尘和液雾的效率，根据两预滤效率的变化趋势，选择旋流扇最优夹角为75°。仿真和试验结果表明：旋流扇夹角对进气系统工作过程中高位引气管的流场及预滤效率有重要影响，优化旋流扇夹角有助于提高进气系统的预滤性能，从而减少进入空气滤清器的灰尘和液雾，达到延长空气滤清器滤芯寿命的目的。

在飞行过程中,飞行员需从座舱显示界面获取和处理很多视觉信息，大量的视觉信息会使飞行员脑力负荷过高，从而易导致飞行事故。为降低飞行员在飞行过程中的脑力负荷和提高飞行的安全性，需判断通航飞机座舱显示界面对飞行员脑力负荷的影响，并为通航飞机座舱显示界面优化设计提供依据。以塞斯纳172SP飞机为例，综合应用主观评价法、绩效评估法和生理测量法，对五边飞行过程中飞行员的脑力负荷进行评估。综合主观评分、飞行绩效、脑电（Electroencephalogram, EEG）指标、眼动指标的分析结果，得出了五边飞行不同飞行阶段的脑力负荷大小排序。采用眼动追踪技术对不同飞行阶段飞行员所关注的界面信息进行定位，确定飞机座舱显示界面上对脑力负荷影响较大的注视热区。结果显示飞行员在平飞阶段的脑力负荷较低，降落阶段的脑力负荷较高；显示界面侧滑指示器对脑力负荷的影响最大。综上可知结合脑力负荷测量和眼动指标可以有效地评价通航飞机座舱显示界面的性能。

为了准确地选择虚拟现实人机交互过程中的小目标，避免因手和控制器抖动导致选择精度较低等情况，提出了一种基于Fitts定律的虚拟情境中有效测算小目标交互时间的方法。首先，类比图形用户界面中的移动距离和目标宽度，明确了虚拟情境中Fitts定律的适用性。其次，设计实验并对虚拟情境下的Fitts公式进行回归分析，得到相关系数R²=0.896 3，说明预测时间与真实时间有偏差。接着，利用MATLAB cftool拟合工具箱对不同目标尺寸进行回归分析，结合方差分析发现拟合直线的截距与目标尺寸之间显著相关，结合虚拟情境的Fitts公式建立了虚拟现实小目标选择模型。然后，对新模型进行多元回归分析，确定相关系数R²=0.976 7,说明新模型能够有效预测捕获小目标的时间；分析了运动方向对交互时间的影响，结果表明新模型在不同运动方向下都具有良好的适用性，能够有效指导虚拟情境交互任务中良好目标尺寸的计算。最后，以某VR（virtual reality，虚拟现实）隧道救援体验系统为例进行实验评估。实验结果表明，利用该模型能够在获取虚拟现实小目标时有效减少用户的交互时间，提供更好的用户体验。研究结果能为相关设计开发人员确定虚拟情境下的界面布局提供有效指导，并一定程度上优化用户的交互体验。

随着石油钻井技术的发展，传统钻井液振动筛不能满足现有工程需求，因此提出了一种新型负压钻井液振动筛。气液喷射器是负压钻井液振动筛的核心设备，通过它在筛网下方形成负压区域，使钻井液受振动和负压的复合作用，增大钻井液透过筛网的能力，因此其性能直接影响负压振动筛的处理效率。为了提高负压振动筛的工作效率，需要对气液喷射器的结构和工况进行合理设计。运用流体动量守恒方程，推导出恒定流动状态下气液喷射器混合室的动量方程及其性能计算方程。运用计算流体力学方法对气液喷射器内部复杂的两相流动过程进行数值模拟，并通过对比数值模拟结果与理论计算结果来验证数值模型的合理性。对不同引射流体液体体积分数、工作气体压力、喷嘴距和喷管面积比下气液喷射器的喷射效果进行数值模拟，结果表明气液喷射器的工作参数和结构参数对其喷射系数和真空度有极大的影响。根据模拟结果可知，在引射液体体积分数为30%、工作气体压力为300 kPa、喷嘴距为60 mm、喷管面积比为3.484的情况下，气液喷射器的性能达到最佳。研究结果为负压钻井液振动筛中气液喷射装置的设计和现场应用提供了理论依据。

针对燃气轮机拉杆组合转子可靠性分析的复杂性，研究了基于Kriging代理模型的强度可靠性分析方法。通过拉丁超立方抽样法对代理响应曲面进行采样，得到了拉杆组合转子透平端各零件的应力分布特性；建立拉杆组合转子系统的强度可靠性数学模型，分别从零件与系统的角度研究了拉杆组合转子的强度可靠性；研究不确定性因素和强度退化共同影响下的拉杆组合转子强度可靠性，揭示了拉杆组合转子强度可靠性变化规律。研究结果为燃气轮机机组的可靠性设计、安全稳健性运行及停机检修提供了一定的参考。

边界理想约束条件下，汽车白车身静刚度试验测试系统复杂、成本高，而采用边界全约束条件测试时误差较大，不能满足精度要求。为解决上述问题，建立了某一边界约束条件下某汽车白车身静刚度仿真模型，并对白车身静刚度进行了数值分析，同时利用物理试验验证了该仿真模型的有效性。基于已验证的仿真模型，建立了12种不同边界约束条件下白车身静刚度仿真模型，并对比分析了不同边界约束条件下的白车身静刚度。结果表明，有1~2种边界过约束条件，可替代汽车白车身静刚度仿真分析及试验测试中的边界理想约束条件，其误差在-2%~2%范围以内，这既能降低试验测试费用，又满足了精度要求。研究结果具备较好的推广价值，可以为汽车开发人员提供参考。

机器视觉广泛应用于装配、制造和加工等工业领域，用来保证产品质量，控制生产流程。将图像处理技术应用于自动化装配生产线，对电视机背板质量进行在线检测。为了实现对不同型号和尺寸的电视机背板的抓取，使用图像模板匹配方法确定当前背板的型号和检测当前背板的品质，并开发基于采集图像的视觉伺服自适应控制系统，该控制系统以西门子 PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）作为控制核心，通过串口通信实现PLC与Halcon软件的数据对接。使用Halcon中的工具箱对电视机背板采集图像进行运算以抽取目标的特征，并分析出抓取过程的坐标值，进而根据判别的位置坐标误差结果来控制步进电机调节偏移量以实现自适应抓取过程。针对图像处理后产生的电视机背板位姿累计误差，设计了一种标准模板中心参数值与增量误差值求差的方法，对背板位姿视觉定位误差进行补偿。通过抓取实验验证了视觉伺服自适应控制系统的可靠性较高，能满足自动化装配的工业生产需求。在生产实际中，电视机背板自动检测及抓取平台的应用能极大地提高电视机生产效率、节约人工成本、降低劳动强度和提高生产精度，该平台具有很好的应用前景。

针对传统百叶片手工生产过程中存在的作业效率低、成本高、产品质量不稳定等缺陷以及高自动化、高加工精度的加工需求，研发了一套百叶片定长切料-自动排片控制系统。首先，根据百叶片定长切料-自动排片系统的工作原理和功能要求，以ARM+DSP为核心对其硬件和软件进行模块化设计；其次，为提高送料机构的控制精度，以送料机构的位置偏差及偏差变化率为模糊输入，PID （proportion integration differentiation，比例积分微分）参数的修正量为模糊输出，设计了模糊增益自调整PID控制器，实现定长切料的高精度控制。最后，通过实验验证了该系统的有效性。系统已投入实际生产应用，运行结果表明：百叶片定长切料-自动排片系统性能稳定，运行周期为4 s，切片精度小于0.2 mm；采用模糊增益自调整PID控制器可明显提高送料系统的动态响应性能及定长切料的精度，提高百叶片的加工质量和生产效率，满足企业生产要求，对百叶片成型机控制系统的研发具有指导意义。

导航卫星天线指向驱动机构是实现卫星星间链路天线高精度、长寿命可靠指向的核心部件。根据驱动机构需经历的发射段力学环境，入轨后真空、高低温等约束条件及星间链路天线的高精度、长寿命的特殊要求，提出了在步进电机、谐波减速器、编码器串装和一体化轴系的基础上，提高驱动机构精度和寿命的设计方法。理论分析了驱动机构预紧轴系受力状态及其影响因素，并进行了驱动机构轴系预紧力、启动转矩等效试验和使用寿命试验，分析了所设计驱动机构的负载特性；对驱动机构轴系的锁紧螺母进行结构改进，使驱动机构轴系的受力得到了较好的优化。为验证所设计驱动机构及其改进方法的正确性，在地面开展了不同热环境下精度和寿命等测试试验，最终验证了该导航卫星天线驱动机构能够满足天线在特殊环境下高精度、长寿命在轨稳定运行的要求。机构轴系预紧力的分析和试验验证工作具有一定的工程指导意义。

为改善相控阵天线多热源阵面温度的均匀性，基于植物叶脉优良的传质特性，提出一种用于相控阵多热源阵面的叶脉型微通道热沉。首先，对叶脉型微通道热沉的流动特性和散热特性进行仿真分析，得到热沉的热源温度分布。然后，以热源温度标准差最小化为目标，进一步优化叶脉型微通道结构，得到了非对称叶脉型微通道拓扑结构。最后，采用金属3D打印加工了铝基微通道热沉样件并进行散热性能测试。数值仿真结果表明，相比于传统平行微通道热沉，叶脉型微通道热沉不仅强化了传热，而且使得热源温度更均匀，压力损失更小；实验结果验证了叶脉型微通道热沉优良的散热性能。研究结论可为相控阵多热源阵面的热沉设计提供依据。

为减小超声波振子外接负载时其谐振频率漂移的幅度，使用机电等效电路法和COMSOL Multiphysics 5.3有限元仿真软件设计制造了一种基于性能可调阶梯型变幅杆的超声波振子。对该超声波振子的谐振频率进行有限元仿真和现场测试。以超声清洗机为例，搭建与其原理相似的试验装置，以不同液面高度的水作为变幅杆的外接负载，探究在不同外接负载情况下，调节连接在变幅杆处压电晶堆的调谐电感对解决超声波振子谐振频率漂移问题的有效性。试验结果表明：随着水杯中液面高度的增加，超声波振子的谐振频率整体呈上升趋势；通过在变幅杆的压电晶堆处外接调谐电感，超声波振子的谐振频率会得到一定的补偿，可重新回归到原始设定的谐振频率值附近。研究表明在使用超声波振子进行超声辅助加工时，该超声波振子对减小外接负载引起的谐振频率漂移幅度具有一定作用。研究结果可为超声波振子的调谐提供新思路和新方法。

集沙铲是某款小型铁路轨道除沙车的重要工作部件。集沙铲在实际使用中受到的冲击力大、铲板刃缘变形严重，为改善集沙铲受力状况，对集沙铲集沙过程的受力状况进行研究。应用离散单元法（discrete element method，DEM）与多体动力学，分别对相同工况下直板、15°板和30°板集沙铲的总受力和X、Y、Z三个方向的受力进行比较。同时，利用离散单元法对不同时刻集沙铲切分沙土瞬间的沙土颗粒的速度分布状况进行分析。最后设计并制作了集沙铲试验台，模拟了集沙铲集沙过程，并对直板和30°板集沙铲的工作转矩进行了测量。研究结果表明：增大集沙铲铲板刃缘倾角可以减小集沙铲的冲击受力；随着集沙铲铲板刃缘倾角变化，集沙铲触沙瞬间沙土颗粒的速度分布发生明显变化。研究结果对改善集沙铲冲击受力具有一定指导意义，同时也对利用离散元法研究铲板-沙土相互作用过程具有一定指导意义。