考虑工件加工需要夹具固定以及夹具切换所产生的设置时间,以最小化最大完工时间为优化目标构建考虑夹具的双资源约束柔性作业车间调度模型,并提出了一种自适应大邻域搜索遗传算法求解该问题。为提高算法的进化起点,设计了一种两阶段初始化策略,提高初始种群的质量,加快算法的收敛速度。考虑夹具的频繁切换,设计多种邻域结构进行局部搜索,减少夹具切换的设置时间,从而减小最大完工时间。为了减少冗余计算,设计自适应大邻域搜索策略,针对性地选取邻域结构,提高算法的进化效率,加快算法的收敛速度。通过消融实验验证改进策略的有效性,与4种类似问题的算法在测试算例中进行对比,验证该算法的优越性。

针对存在设备无关延迟约束的柔性综合调度问题,提出一种基于全局设备选择初始化的遗传算法。首先,将设备无关延迟时间转换为顺序约束的虚拟工序进而实现将该问题转化成具有两类不同设备资源约束的柔性综合调度问题。然后,针对转化后问题的特点,设计了新的编码以及保证生成原问题主动调度解的解码方法。同时,考虑到染色体中工序顺序对设备选择的影响,提出一种基于工序顺序链的全局设备选择初始化方法,与随机设备选择初始化方法相结合,既能保证初始化种群的质量又能增强多样性,且有利于提高算法的求解效率与质量。最后,通过几个典型算例验证了全局设备选择初始化方法以及所提算法的有效性和优越性。

连续碳纤维复合材料具有高轴向强度、高模量以及各向异性的特点,为充分发挥纤维在轴向上对成形件的增强效果,同时结合3D打印技术能够成形任意复杂模型的优势,提出了基于应力适应的曲面层优化及路径规划方法,并针对拉压复合应力状态下的工况进行了研究。同时,对规划纤维路径进行优化处理以提高连续性及可制造性,并考虑共挤出工艺,实现三轴打印机变厚曲面切片打印。通过3D打印性能增强实验验证,所提方法相比传统路径规划方法最大载荷和压缩刚度分别至少提升了26.89 %和51.45 %,具有明显增强效果。

目前3D打印技术受限于缓慢的打印速度和冗长的制造时间,只能实现微观尺度的打印。为了实现该技术的尺度跨越,提出了一种新型的多喷嘴3D打印方式,设计制造含有多喷嘴阵列的喷头,对喷头内部流道进行仿真分析,确定每个喷嘴的浆料能够同时沉积到基底上。首先,以硅胶弹性体泡沫SE1700作为打印材料,通过工艺参数中挤出气压和打印速度的协同调控,确定挤出气压为110 kPa和打印速度为10 mm/s时打印600 μm的出丝线宽;然后,通过对线宽打印一致性的探究确定喷嘴制造的高度差为±10 μm、内径差为±5 μm;最后,对打印样品进行了力学一致性探究,结果表明采用该喷头与普通单喷嘴打印样品的力学性能差异在5 %以内。

针对液压机械臂数字孪生技术研究中存在的建模领域单一以及孪生模型更新困难等问题,基于数字孪生五维模型理论,提出了一种液压机械臂数字孪生建模方法。构建了包含物理实体、虚拟模型、孪生数据、应用服务与连接等模块的数字孪生模型总体框架,重点研究了基于面向对象、多领域统一和增量式建模思想的虚拟模型建模方法,实现了多领域耦合、孪生模型动态更新的功能。实验结果表明,液压机械臂数字孪生建模方法具有较高的实时性和可更新性,为液压机械臂数字孪生建模提供了新思路。

针对永磁同步电机驱动的关节机器人轨迹跟踪控制中响应速度和准确性无法兼顾的问题,提出了一种基于扰动观测器的能量变换与信号处理相结合的协同控制策略。首先,能量变换控制器采用时变阻尼无源性控制的方法,通过引入时变阻尼注入策略来改善系统存在的高频振荡,以提高系统的稳态控制精度。其次,信号处理控制器采用全局快速终端滑模控制的方法,以提高系统的动态跟踪速度。优化符号函数能有效地降低系统的高频振荡。在此基础上,通过对高斯函数、双曲正切函数、反正切函数和复合分式函数进行综合对比分析,选择高斯函数作为协同函数,并将其应用到协同控制策略中。最后,采用非线性扰动观测器估计系统的集总扰动并用于补偿控制,以提高系统的抗干扰能力。实验对比结果表明,时变阻尼无源性控制能有效降低系统的稳态误差,基于优化符号函数的全局快速终端滑模控制能实现系统的快速响应,协同控制策略能够在降低稳态误差和高频振荡的同时保证关节位置的动态快速跟踪,并且具有良好的抗干扰性和鲁棒性。

现有爬楼机器人的爬楼机构多数为轮式、腿式、履带式以及复合式,这些机构各有优缺点;因此,期望设计一种结构简洁、控制简单和体积小的新型爬楼机构。将具有结构紧凑、尺寸小巧和工作空间大等优点的折展机构作为新型爬楼机构。以具有建筑规范的学校楼梯作为折展式爬楼机构的工作场景,以0.2 kg作为最大额外载重需求,对折展式爬楼机构整体进行结构设计与爬楼原理分析后,根据爬越通过性与平衡角度的计算,使折展机构具有理论可行性。以ADAMS软件验证爬楼机构的理论可行性,最后通过样机实验验证了折展式爬楼机构的实际可行性。

针对当外界扰动存在时,非完整约束下轮式移动机器人系统的轨迹跟踪控制问题,提出了一种自适应命令滤波反步渐近跟踪控制方案,将命令滤波反步法与轮式移动机器人系统误差模型相结合,利用命令滤波器来避免传统反步中对虚拟控制信号的微分计算,并建立误差补偿机制来补偿滤波误差。通过引入时变参数,使跟踪误差渐近收敛到0,保证了系统的收敛性。同时设计自适应律来处理外部干扰,提高了轮式移动机器人的抗干扰能力。最后,通过仿真和实验验证了所提控制律的有效性。

针对传统运动规划算法中交通参与者的轨迹预测不适用于复杂行驶场景且未能与后续运动规划有效结合,以实现障碍物位置信息充分利用的问题,提出了一种基于多模型障碍物轨迹融合预测的自动驾驶横纵向联合运动规划算法。首先,通过选择恒定加速度(Constant Acceleration,CA)模型与恒定转弯率和速度(Constant Turn Rate and Velocity,CTRV)模型分别作为长期预测模型和短期预测模型,进行交通参与者的轨迹预测,通过基于卡尔曼滤波器的方法将预测结果融合处理;其次,预测时域内的时空占用情况被栅格化,借助融合预测得到的障碍物轨迹,执行动态规划算法,以获取新的可行边界;然后,通过建立线性时变(Linear Time-Varying,LTV)车辆动力学模型,并对自车全局轨迹进行参数化表示,构建了经典的模型预测控制问题,借助二次规划实现横纵向联合运动规划,以得到符合预期的自车无碰撞运动;最后,使用基于CarSim软件和Simulink软件的验证平台进行了联合仿真,搭建了三车道行驶场景,结果表明,基于多模型障碍物轨迹融合预测的自动驾驶横纵向联合运动规划算法可以有效整合障碍物车辆的轨迹预测以及自车的横纵向联合运动生成任务,其中融合预测算法在处理连续变道场景时表现出更为快速的响应和更小的预测误差,为研究自动驾驶车辆在动态障碍物环境下的运动规划问题提供了参考。

针对传统的车辆空气悬架高压空气供给系统存在结构复杂、动力传动效率低等问题,提出了一体化结构的滑片式电动空气泵技术,将驱动电机与滑片式空气泵集成设计,实现电能与气压能的直接转换,形成一种高效、紧凑的新型电动空气泵。通过ADAMS软件平台对铰接滑片的牵连运动进行建模和运动特性分析,结果表明,铰接滑片质心径向位移呈现简谐运动变化趋势,铰接滑片质心的运动轨迹为椭圆形,铰接滑片质心的速度和加速度均呈现出正弦变化趋势,特别是在初始阶段出现了明显的波动。对铰接滑片球头尺寸和铰接滑片球头与泵外转子中心距离进行优化。当电机处于稳定状态,铰接滑片球头半径为1.7 mm时的泵内转子角加速度比半径为1.6 mm时降低60.00 %;铰接滑片球头半径为1.8 mm时的泵内转子角加速度比半径为1.6 mm时降低99.97 %,铰接滑片在可选择范围内的铰接滑片球头越大,牵连运动系统越稳定。铰接滑片球头与泵外转子中心之间的距离在其取值范围内取值越大越利于运动的稳定。

在数控车床上加工椭圆、双曲线与抛物线等圆锥曲线时,手工编程仅凭基本指令无法实现,一般只能采用宏程序完成编程。目前圆锥曲线宏程序编制多针对某一类圆锥曲线进行分析,缺少一种三类圆锥曲线通用的编程模式,当曲线类型发生转变后,需重新建模编程;因此以HNC-21T数控系统为例,利用圆锥曲线的统一极坐标方程,对三类圆锥曲线构建了一个通用的宏程序编制模版。该模版程序结构简单,可方便地进行三类圆锥曲线转换,使圆锥曲线宏程序编程难度降低,从而提高编程效率。

在重型液力自动变速器的研究中,现有的三参数自动换挡策略难以满足实际车辆在复杂工况下的换挡需求,尤其是在载重和坡度变化时,其自适应性不足。基于此,提出了一种利用Simulink软件搭建 AMEsim整车模型中的电子控制单元(ECU)的联合仿真技术。首先,将BP的工作原理应用于某型自动变速箱的换挡过程,并在MATLAB/Simulink中搭建整车模型,从该模型的数据中获取数据样本用于训练BP;然后,在AMEsim中搭建整车模型,其中变速器控制单元(TCU)用神经网络拟合工具箱训练出来的Simulink模型替代,实现联合仿真;最后,通过对比三参数换挡和智能换挡策略在动力性和经济性方面的表现,结果表明智能换挡比三参数自动换挡具有更高的精度和自适应能力。为自动变速器的智能控制提供了理论基础和技术支持。

在刀具前刀面制备特定形状的微织构能有效减小切削力,降低切削温度,提升刀具的切削性能,延长刀具的使用寿命。微织构尺寸和几何形状显著影响刀具的切削性能。然而目前微织构刀具的设计以简单的、复合的或仿生学的几何图案为主,其切削性能有待进一步提升;因此,基于分形理论设计了一种Sierpinski方毯分形图案的微织构刀具,并进行Sierpinski方毯分形微织构刀具(Fractal-Textured Tool,FTT)正交切削AISI4340合金钢仿真研究,将其切削性能与规则方块微织构刀具(Micro-Textured Tool,MTT)、无微织构刀具(Non-Textured Tool,NTT)对比。仿真结果表明,与MTT和NTT相比,FTT更能有效减小刀-屑实际接触面积,调节切削过程中切屑流动,使前刀面上的法向接触应力分布更加均匀,避免了应力集中,从而降低了前刀面上的最大应力;FTT显著降低了切削过程中的切削力,尤其是在高进给量下切削性能更优异,其平均主切削力和平均进给抗力降幅最大,分别降低了16.3 %和14.3 %;FTT前刀面上温度分布更均匀,避免了高温积聚,从而使其降温性能得以提升,且在进给量均匀增长的条件下,FTT切削刃处平均温度增幅仅为7.5 %,均低于其他刀具。

目前,铝卷端面封焊主要采用人工钨极氩弧焊。针对人工焊接效率低、焊接时易损害焊接人员健康等问题,设计开发了高纯铝卷封焊智能焊接机器人系统;基于机器视觉技术进行封焊点识别,获取铝卷封焊点位置信息。对系统的手眼标定精度进行试验验证,手眼标定最大误差不超过0.486 mm,对封焊点识别精度进行试验验证,封焊点识别精度为1.5 mm;以层厚为6.2 mm的铝卷为焊接对象,设计正交试验并进行极差分析和方差分析,探究铝卷下线温度、焊接电流和焊接时长对焊缝余高和咬边程度的影响规律。结果表明,各因素对焊接质量的影响主次排序为焊接电流-铝卷温度-焊接时长,其中焊接电流对焊接质量的影响最为显著且与焊缝余高和咬边程度呈现正相关性;当铝卷温度为240 ℃时,焊接电流应为162.5 A,焊接时长应为2.5 s,此时焊缝余高和咬边程度较为理想。通过现场调试,验证了该高纯铝卷封焊智能焊接机器人系统实现了封焊点自动识别与焊接,并且可实现高纯铝焊接工艺参数实时监控与调整。

针对现有电机轴承故障诊断方法依赖单一特征转换技术和基本数据融合策略导致诊断准确度低的问题,提出一种基于双流自适应网络的电机轴承故障诊断方法。该方法集成一种双光谱特征转换策略,通过多尺度特征提取对振动信号的全局和局部特征进行高维重构,采用离散的双通道结构学习这2种特征,利用生成对抗训练模式实现数据增强和特征全面分析。然后,设计一种自适应位置纠正策略,融合2个通道的特征信息,促进训练过程中故障识别的自我校正和优化。试验结果表明,所提方法能够有效提取电机轴承运行数据的关键特征,在多类别电机轴承故障数据集上准确率达到98.3 %,优于其他5种主流故障诊断方法。

为进一步提升超越离合器在极端工况下的承载能力并延长其使用寿命,设计了一种结构简单、低副替代高副的新型螺旋超越离合器。考虑自锁及解楔、最小弹簧预紧力、耐磨性和强度等约束条件,对螺旋超越离合器进行了结构设计。进一步,针对实际工况建立了离合器动力学仿真模型,对启动接合和差速接合2种工况进行了仿真分析,对比分析了内外环与中介环摩擦系数及螺纹升角等关键参数对离合器差速接合性能的影响。研究结果表明,所设计的螺旋超越离合器具有较好的接合性能;差速接合时冲击扭矩较启动接合时大(约2倍的额定扭矩),实际使用中可优先选用启动接合;螺纹升角对螺旋超越离合器差速接合冲击扭矩影响较大,内外环与中介环摩擦系数大小对离合器接合时间影响较大,为螺旋超越离合器的应用提供了一种可行的技术方案。

针对卷材包装企业提高翻转负载、简化包装打捆生产线,以及与卷材运输车接口适配的实际需求,设计一种卷材翻转装置,具有自动取卷、翻转90°和辊道输送等功能。通过SolidWorks软件建立三维模型,完成卷材翻转装置的机械结构总体设计。采用ABAQUS软件进行网格独立性验证,并分别对4种工位进行应力和应变分析,验证结构的强度和刚度。结果表明,卷材位于待卷工位时为危险工况,改进设计后最大应力、最大变形量分别减少了31.57 %、10.84 %;根据Johnson公式对立腿进行中长柱弹塑性屈曲稳定性分析,安全系数为12.93;试验样机运行平稳,可实现30 t卷材在55 s内由卧式转为立式的90°位姿变化,并运输至下一工位。卷材翻转装置整体强度和刚度均满足设计要求。

随着我国对智能制造及两化融合战略的推进,机器人虚拟仿真技术的应用显得愈加重要。基于FANUC机器人Roboguide软件内置的iRVision虚拟视觉模块搭建了管板孔开槽机器人加工系统,论述了加工系统相机标定、视觉处理程序设置及仿真运行方法,模拟真实相机实现了机器人从图像获取、图像处理、位置补偿和运动控制的全流程仿真,减少了搭建真实机器人视觉系统的过程,节省了实体相机、工控机及机器人等硬件成本,简化了视觉识别算法及硬件通信的二次开发过程,使机器人视觉系统相关项目的可行性验证更加方便快捷。通过布局优化及视觉仿真验证了管板孔开槽机器人加工系统的可行性,该系统可推广应用于管板孔胀接、焊接等加工工艺,为通用机械装备生产制造工艺的自动化及智能化升级提供了重要参考。