金属板料冲压过程中,产生的毛刺将随着凸模回程反向倒挂,此带料过程将严重影响冲孔质量。为减少毛刺的产生,借助ABAQUS有限元仿真结合Johnson-Cook动态本构模型(J-C模型)建立了金属板料冲孔过程的数值仿真模型。通过模拟430不锈钢的冲裁过程,对冲孔后的断裂分离行为进行了分析,实验结果验证了仿真模型的准确性和可靠性。进一步对比了平头凹模平刃、平头凹模斜刃、沉头凹模平刃及沉头凹模斜刃等不同冲孔模型的冲裁效果,探究了刃口形状、模具结构对冲裁件表面质量的影响。结果表明,斜刃凸模结构可显著延缓冲裁力的快速上升,沉头凹模结构可大幅降低毛刺的生成,二者的优化结合可兼顾凸模寿命和毛刺产生。冲裁仿真优化为实际金属板料冲裁加工提供了理论支持和技术指导,可极大减少研发周期和提高加工质量。

针对往复泵液阀故障预警准确率低、实时性差等问题,提出一种基于格兰杰因果关系的预警方法。首先对正常工况下液阀原始振动信号按角域进行特征提取,构建特征矩阵,将其划分为基准数据和训练数据,对基准数据进行格兰杰因果关系检验后作为基准因果关系矩阵。针对训练数据,选择合适的滑动窗口和步长进行格兰杰因果关系检验,得到格兰杰因果关系矩阵;然后与基准因果关系矩阵做对比计算差异,选取差异的最大值作为阈值,利用实时数据计算得到的因果关系矩阵与其基准因果关系矩阵做对比求差异,若差异大于阈值,则实现对往复泵液阀故障的预警;最后,在往复泵试验平台开展所提方法GC、LSTM方法、MSET方法及DBN方法的对比实验。实验结果表明,所提方法GC的预警准确率比LSTM方法、MSET方法、DBN方法分别提高了7.34 %、3.67 %、9.34 %,实时性比LSTM方法、MSET方法、DBN方法分别减少了18.72 s、2.86 s、10.38 s。

模块化集成建造(Modular Integrated Construction,MIC)是一种新兴的建造模式,目前被广泛运用于建筑构件的生产制造。由于构件产品个性化需求日益突出,且建造车间生产环境复杂多变,因此亟需设计先进实时调度方法应对新的生产模式以及响应动态事件。基于此,针对模块化集成建造车间调度问题,提出了一种基于深度强化学习(Deep Reinforcement Learning,DRL)的实时调度方法。首先,分析模块化集成建造车间的生产流程与特性,将其抽象为一个具有混流生产特性的生产车间并完成相关数学模型的构建;其次,通过定义生产时间序列中的调度节点,将调度问题建模为马尔可夫决策过程(Markov Decision Process,MDP);随后,依次设计具有21个生产特征的通用状态空间、8个基于遗传规划(Genetic Programming,GP)复合规则的动作空间和奖励函数,基于此,提出一种基于双记忆池的近端策略优化(Proximal Policy Optimization with Dual Memory Pools,PPO-DMP)算法来训练调度智能体,以实现生产状态与调度规则间的高效映射,从而实现调度目标的有效优化;最后,通过对比实验证明所提出的实时调度方法相较于传统方法具有良好的调度性与动态性,尤其是在应对新订单插入的场景中,其优势更加显著。

随着3D打印技术向多材料方向的发展,衍生出材料转换与构建平台二维空间优化的双重约束,显著增加了生产调度的复杂性。为应对这一挑战,以最小化所有零件总延迟时间为优化目标,结合多材料及二维装箱约束条件建立数学模型,并提出一种改进的遗传算法进行求解。其中,新设计了相应的编码和初始化方法,以支持在复杂约束下生成高质量的可行解;在左下启发式算法中考虑零件的水平旋转,以探讨二维装箱子问题;集成精英主义选择和玻尔兹曼选择设计了新的混合选择策略。此外,还设计了新的交叉和变异策略,以平衡算法的探索和开发能力。最后,试验结果表明,所提算法在不同规模的试验中均能有效且稳健地获得高质量的解,并且与其他遗传算法相比较也展现出卓越的性能。

四足机器人在高速动态运动时,其单腿系统面临强耦合非线性扰动,导致传统比例-微分(Proportional Derivative,PD)控制存在显著的跟踪误差,制约了机器人整体动态性能的发挥。为提升单腿在高速动态工况下的运动精度,提出并实现了一种基于动力学参数辨识的前馈-反馈复合控制方法。首先,基于拉格朗日方程建立包含关节摩擦的三自由度单腿动力学模型,并通过SymPyBotics库进行符号分析,以剔除冗余项,从而提取出系统的最小惯性参数集;其次,设计有限傅里叶级数形式的激励轨迹,以满足持续激励条件,采用融合参数先验信息的正则化加权最小二乘法离线辨识关键动力学参数;然后,基于辨识获得的动力学模型与期望运动状态,实时计算前馈力矩,主动补偿由科氏力、离心力、重力及关节摩擦引起的非线性扰动;同时,结合PD反馈控制器抑制模型不确定性及外部干扰,构建前馈预测与反馈修正协同作用的复合控制架构。为验证该方法的有效性,在单腿实验平台上开展对比实验,分别测试传统PD控制与复合控制的跟踪性能。在单腿实验平台上的对比实验结果表明,所辨识的动力学模型能准确预测关节力矩,验证轨迹下的力矩预测均方根误差较低;相较于传统PD控制,该复合控制方法使足端三维空间轨迹跟踪误差平均降低超过35 %,关节角度跟踪误差最大降低率为50.34 %。研究证实,所提出的复合控制方法能有效补偿高速运动中的非线性扰动,显著提高四足机器人单腿动态轨迹跟踪的精度。

轮式移动机器人在物流、智能制造和巡检等领域应用广泛。由于轮组对复杂地面的适应性不足,现有轮式移动机器人在复杂地形上的运动精度不高,提出一种新型可实现高度调节的轮组缓冲机构,可实现多个轮组配合协同工作,达到整机姿态调整的目的。建立了轮式移动机器人整机位姿解析模型;以对角轮组支撑力为总支撑力的一半作为约束,推导了支撑力模型;以理想气体方程为基础获得了缓冲机构充放气模型,提出了基于多轮组协调的姿态调整策略,并通过Simulink软件进行仿真验证。仿真结果证明了所提主动姿态调整方法的有效性,为复杂地面环境轮式移动机器人的高精度姿态调整提供了新型解决方案。

全向移动机器人可实现原地自转,并可向任意方向做平移运动,具有转弯半径小、适应性强的优点,适合窄巷道等特殊物流场景作业。然而现有全向移动机器人通常采用多轮轮系结构,存在成本较高、安装空间需求大的缺点,同时现有单轮轮系结构不具备全向行驶功能。为此,设计了一种单轮驱动的全向移动机器人轮系结构,由1个舵轮和3个转向轮组成,通过理论分析研究了该轮系结构在直线运动、平移运动和自转运动3种模式下的运动方程,并通过Adams软件对3种运动模式进行了动力学仿真分析,仿真结果显示,该结构可实现全向移动。最后,通过实验验证了该轮系结构的可行性,测量得到实验样机的定位精度≤±15 mm,重复定位精度≤±10 mm,自转角度偏差≤±0.6°,自转半径≤925 mm。

共振会显著放大汽车尾门的振动与噪声,严重影响乘坐舒适性,并加速结构疲劳与部件损坏,降低车辆的安全性和可靠性。针对某型运动型多用途汽车(Sport Uticity Vehicle,SUV)尾门存在的共振问题,首先,建立汽车尾门有限元模型,并进行模态分析,定位易引发共振的敏感阶次;其次通过灵敏度分析,得到对汽车尾门第7阶模态频率影响显著的钣金件;然后将钣金件厚度作为设计变量,采用哈默斯雷(Hammersley)采样法进行试验设计(Design Of Experiments,DOE),根据DOE采样数据,采用最小二乘回归和径向基函数拟合得到汽车尾门总质量和第7阶模态频率的响应面模型;最后,以汽车尾门的第7阶模态频率最大和总质量最小为优化目标,采用多目标遗传算法进行优化。结果显示,优化后汽车尾门的一阶扭转频率由33.8 Hz提升至36.2 Hz,避开了与白车身的共振频率,汽车尾门总质量降低了5.4 %,将优化后得到的设计变量参数在汽车尾门有限元模型中进行了3种典型工况的验证,结果表明优化目标满足设计要求。

轮径差对地铁车辆运行性能的影响较大,钢轨波磨的存在使轮轨接触特性和地铁车辆动力学性能变得愈发复杂。基于地铁B型车实测数据建立了地铁车辆-轨道耦合动力学模型,设置波长为100 mm、波深为0.03 mm的钢轨波磨和5种轮径差,研究半径分别为300、400、500和600 m这4种曲线工况下,轮径差在-1~1 mm范围内变化时轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、磨耗指数和轮轨蠕滑力的变化规律,并将其与标准钢轨型面工况下的动力学性能指标进行比较。采用熵权逼近理想解排序(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)法建立多目标优化模型,分析存在钢轨波磨时不同半径曲线所对应的最佳轮径差。研究发现:当轮径差相同时,轮轨垂向力最大值、脱轨系数最大值、轮重减载率、磨耗指数和轮轨横向蠕滑力最大值均随着曲线半径的增加而减小,左轮轮轨横向力最大值逐渐增大、右轮轮轨横向力最大值逐渐减小;当曲线半径相同时,轮径差在-1~1 mm变化时,左右轮轮轨横向力最大值、轮轨垂向力最大值、左右轮脱轨系数、左右轮磨耗指数和轮重减载率均增大,而左右轮纵向蠕滑力最大值和横向蠕滑力最大值均逐渐减小;与无波磨钢轨相比,钢轨波磨下的地铁车辆动力学指标变化规律相同,但变化幅度更大;曲线半径为300 m时对应的最佳轮径差范围为-0.5~0 mm,曲线半径分别为400、500和600 m时对应的最佳轮径差范围均为-1~0 mm,且4种半径曲线对应的最佳轮径差均为-0.5 mm。

为提高车辆转向工况下的行驶稳定性与主动安全性,研究提出了一种基于质心侧偏角动态观测的主动前轮转向控制策略。首先,基于车辆运动学模型和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)算法,设计了用于质心侧偏角实时估计的动态观测器,便于主动前轮转向控制器的设计;然后,以固定横摆角速度增益为基础,设计了自适应变传动比控制方法,并针对传统滑模存在的响应速度、稳定性同系统抖振相矛盾的问题,设计了一种改进滑模控制(Improved Sliding Mode Control,ISMC)的主动前轮转向控制器;最后,基于Simulink-CarSim软件搭建的联合仿真平台进行验证,仿真结果表明,提出的主动前轮转向控制策略相较于比例、积分、微分(Proportional、Integral Derivative,PID)控制与滑模控制(Sliding Mode Control,SMC),可以更为有效地补偿前轮转角,提高了车辆的行驶稳定性,实现了车辆的主动转向功能。

为了提高不锈钢板电火花线切割加工的切割速度和表面加工质量,并进一步降低电极丝损耗,提出了一种基于串联供液的不锈钢板多层叠加电火花线切割新工艺。该工艺较采用常规供液加工的切割速度提高了24.70 %,表面粗糙度值降低了32.11 %,电极丝损耗降低了83.88 %。研究表明,串联供液技术通过将极间压差流与剪切流进行同向复合,显著提升了极间流体的流速与流量,从而增强了排屑能力并扩大了放电间隙。该技术有效地改善了极间放电条件,抑制了局部放电现象,显著提高了放电稳定性,为电火花加工工艺的优化提供了重要支持。

航空航天、新能源汽车及轨道交通等高端制造领域对整体式复杂构件的高效高精度加工需求快速增长。为满足新能源汽车后地板等整体式复杂构件的高效率加工需求,研制了三主轴五轴联动卧式加工中心,提出了双主轴并排布置且与第三主轴对侧布置的整体布局方案,创新设计了偏心结构主轴双摆头,并基于ANSYS Workbench软件对主轴摆头进行变形分析,以提高设计精度。采用Siemens RMVM软件构建机床-工件-刀具一体化虚拟仿真模型,对运动规划进行仿真分析,并通过实验验证。结果表明,三主轴加工中心加工效率相比于双主轴设备加工效率提升41.9 %,主轴同步率达到96.5 %,可为大型整体式复杂构件的高精度、高效率加工提供可行方案。

GH4169高温合金是一种难加工材料,因其卓越的抗高温性能和耐腐蚀性而广泛应用于航空航天和能源领域。研究了不同切削进给量下GH4169高温合金的切削加工过程。通过仿真分析切削温度,并结合切削试验探讨了涂层刀具的磨损行为,以及材料的表面粗糙度、硬度和残余应力。结果表明,随着进给量的增加,切削温度逐渐升高,刀具磨损加剧,且表面粗糙度呈现上升趋势。同时,加工表面的残余压应力和硬度均呈现出先增大后减小的趋势。在进给量为0.10 mm/r时,最大残余压应力值为269.33 MPa,硬度最大值达到292.64HV。综上所述,当进给量超过0.10 mm/r时,高切削温度可能导致刀具磨损加剧以及被加工工件表面完整性的恶化。

为研究滚磨光整加工中滚抛磨块的材质与尺寸对沟槽类零件加工效果的影响,选用8种材质分别为红色G3P、白色G3P、黑色G3P、红陶瓷、白陶瓷、棕陶瓷的不同尺寸滚抛磨块,对沟槽类零件进行加工。研究了不同材质与尺寸的滚抛磨块对沟槽类零件棱边及表面的微观形貌、表面轮廓与表面粗糙度的影响,同时对滚抛磨块的磨耗情况进行分析。结果表明,以黑色G3P磨块加工后的试件棱边倒圆均匀,表面划痕基本去除,表面轮廓平整,表面粗糙度降至0.19 μm,表面粗糙度下降率达到51 %,加工效果较优;以白色G3P磨块加工后的试件棱边倒圆较小且表面仍存在划痕;以红色G3P磨块加工的效果介于前两种G3P磨块之间;棕陶瓷磨块在加工中出现脱粉现象,试件表面加工效果较差;以白陶瓷磨块加工后,试件棱边未完成倒圆,表面仍有明显划痕;以红陶瓷磨块加工后,试件棱边倒圆明显,表面基本无划痕;2.0 mm黑色G3P磨块加工后试件的表面形貌较其他尺寸的黑色G3P磨块更好。

针对薄壁异形无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)盖板在数控三轴加工中出现装夹困难、易变形和装夹效率低的问题,提出了一种基于有限元仿真的多工位工装-工艺协同优化与加工变形抑制方法,利用UG/NX软件进行有限元分析,识别盖板变形敏感区域,结合盖板切削参数优化工艺方案,设计模块化多工位工装。经实践证明,多工位工装-工艺协同优化后盖板变形得到抑制,每件换装时间缩短至9.5 min,生产效率提升了35.2 %;该方法已应用于中国兵器装备集团某型号无人机盖板批量生产,为薄壁异形件高效精密加工提供了理论支撑。

涡轮导向叶片是航空发动机中承受高温和热冲击的主要零件,通常整盘装配在发动机中,相邻叶片缘板侧面间采用封严片密封连接,以减少导向叶片侧面间的冷气损失。安装封严片的叶片缘板封严槽一般采用电火花加工方式,但存在封严槽结构多样以及叶片毛坯基准精度不高等问题,导致电火花加工难度较大且效率不高;为此,通过分析涡轮导向叶片封严槽结构与电火花加工特点,对精密高效加工封严槽的电火花夹具、电极和电极夹头等工装的设计技术进行研究,提出了涡轮导向叶片封严槽电火花加工工装方案,保证了封严槽形状和位置精度,实现了涡轮导向叶片封严槽电火花的高效加工。

β型钛合金TB11在生物医疗、航空航天等领域具有广阔的应用前景。射流电解铣削在钛合金等难切削材料微小型构件的高效、高品质以及低成本加工中极具原理优势。为了实现TB11钛合金腔体结构的高效和高质量加工,基于8 % NaCl+2 % NaNO₃混合水溶液,提出了射流电解铣削加工TB11钛合金腔体结构的扫描路径方案,试验探索了加工电压、扫描速度、电极跨距、进给深度以及进给次数对加工效率和成形精度的影响。最终,在加工电压为40 V、扫描速度为3 mm/min、电极跨距为1.575 mm、进给深度为0.3 mm、进给次数为4次的参数下,加工出了尺寸为11 078.4 μm×11 039.8 μm×1 316.5 μm且表面平整程度较好的腔体结构。

针对B-Rep模型中因复杂加工特征交错嵌套、边界模糊,导致零件特征难以有效分割与分类的问题,提出了一种融合规则驱动与痕迹识别的零件特征分割方法。该方法以加工特征中的凸边作为相交特征的通用痕迹,不依赖具体特征类型,根据这一特性设立一系列规则。首先,通过识别并去除圆角、倒角等过渡特征,简化模型拓扑结构并提取初始特征面组。然后,基于凸边检测识别相交特征,并结合凹邻接关系对特征面进行初步分类;针对具有多重归属可能的面,引入几何相似度度量机制,实现最优分类归属;对于多个特征共用1个面的情况,结合融合面类型及凸边所处位置,共分为3种情况,分别设立3种分割规则,实现不同融合结构的有效分割。最后,通过相似性集合的合并与孤立面归并策略,进一步提升特征分割的完整性与稳定性。以典型复杂结构零件为对象的实验验证表明,所提方法在处理高耦合特征分割方面具有良好的通用性与工程适用性。

针对双电机轨道制导小车(Rail Guided Vehicle,RGV)运动系统中存在的电机间速度差问题,提出了一种针对偏差耦合控制结构的终端滑模速度补偿器,并通过多策略改进了一种沙猫群优化算法对上述补偿器进行离线参数优化,最后形成完整的速度同步控制系统。通过多个实验将该方案与传统PID速度补偿器方案对比,验证其优越性。实验结果表明,在设定速度曲线最高值分别为0.7、0.8和1.0 m/s,运行距离均为6 m时,该方案将双电机轨道制导小车的电机间速度差的均方误差分别降低了17.9 %、34.7 %和35.4 %,速度差控制效果得到明显优化。

目前,广泛应用于金属板材精密折弯作业的折弯机送料系统普遍采用比例、积分、微分(Proportional、Integral、Differential,PID)控制,该方法存在参数调节困难和适应能力差等问题。针对此类问题,设计一种双模态粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法,首先分别与标准PSO算法、线性递减PSO算法进行对比,其收敛速度分别提升了43.7 %、19 %;然后将双模态PSO算法与PID控制结合,通过迭代寻优优化的PID参数,有效解决了PID控制的参数调节难题。在MATLAB/Simulink软件中对优化前后算法进行仿真分析,结果表明:双模态PSO优化PID参数的方法相比于优化前PID具有响应速度快、超调量小的优点,提高了折弯机送料系统适应系统状态变化的能力。