75Cr1材质夹层圆锯片在高速切削中因大径厚比易产生强烈振动。为提升其动刚度并降低加工振动,在响应曲面法框架下构建了夹层阻尼结构参数(夹层厚度、层数、直径)与圆锯片动刚度之间的预测模型,并据此实现结构参数优化。通过模态试验验证了圆锯片动态特性有限元分析模型的准确性,采用谐响应分析方法揭示了夹层阻尼结构对锯片振动特性的抑制效果。结果表明,夹层阻尼结构使振动主峰幅值降低45 %。研究发现,夹层阻尼结构参数对动刚度的影响顺序依次为夹层直径>夹层厚度>夹层层数,优化后夹层阻尼结构参数(直径为392 mm、厚度为1.2 mm、层数为3层)的动刚度达17 211 N/mm,且模型预测值与仿真验证值的误差均小于5 %。根据优化结果制备了75Cr1材质的夹层圆锯片,锯切实验表明优化锯片能够有效地降低噪声约7.8 dB,较现有夹层锯片提升降噪效果41.8 %。

随着工业4.0和智能制造的推进,工业流程信息物理系统(CPS)逐渐成为现代制造业的核心技术之一。边缘智能体作为CPS的重要组成部分,通过在现场设备和控制系统之间架设低延迟的计算层,有效提升了生产效率和系统的响应速度。针对工业自动化中的异构设备接入、网络带宽瓶颈及设备实时控制的挑战,提出了一种新型的边缘智能体物理架构并成功研发新型边缘智能体PAG系列控制器。该架构不仅支持多种工业协议的融合接入,还引入了语义识别技术,以优化设备间的数据交换与协同工作。所提架构已成功应用于某公司金属阀栓压力测试系统,通过CPS改造,提升了生产流程的智能化和信息化水平。系统通过边缘智能体对生产数据进行实时采集、分析和处理,实现了设备自动监控、数据记录与质量控制,极大提高了生产效率和检测精度。试验结果表明,改造后的系统使得工期缩短了36 %左右,并且提升了系统的稳定性。研究表明,所提新型边缘智能体的物理架构能够有效应对复杂工业环境中的多种挑战,并可为工业现场设备的智能化升级提供可行的技术解决方案。

针对在工业制造领域中机器人的运动多约束问题,提出一种基于混沌变异粒子群算法的机器人多约束下运动参数最优的轨迹规划方法。在粒子群算法基础上,采用Logistic混沌映射策略与动态反向学习策略相结合的初始化方法,引入K-邻域模型的精英构造策略和改进的轮盘赌策略,兼顾局部与全局的空间搜索,并引入动态变异邻域搜索策略,以增加种群多样性,提高跳出局部最优解的可能性。通过基准函数寻优测试,并与其他算法性能对比,结果证明该算法具备高质量求解优势。在工业机器人基于五次多项式插值法的轨迹规划应用中,相较于粒子群以及现有改进算法,在满足工作时间约束和运动速度约束条件下,该算法能够有效降低机器人各关节加速度变化幅度,大幅提高机器人运动稳定性。

大部段产品转运普遍存在于航空航天制造、轨道交通及其他重工业领域。利用多移动机器人系统(Multiple Mobile Robot Systems,MMRSs)转运的方式可提高产品转运效率与安全性,而其高价值产品属性也对转运系统的运动性能提出了更高要求。重点考虑移动机器人运动平稳性、指令有效性及编队控制精度,将编队控制问题分为两个部分。对单台移动机器人,在速度、加速度等多项驱动能力限制下,对控制输入进行规划并在多输入条件下对运动状态进行了分析。对多台移动机器人,基于领航-跟随法进行编队控制,使用基于误差反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network,BPNN)对速度控制参数进行自适应调整。搭建试验平台并使用动作捕捉系统辅助测量。由试验结果可知,机器人可编队稳定运行,相对位置偏差不大于10 mm,相对姿态偏差不大于1°。

针对传统Delta机器人减速器易磨损、换向时存在回转间隙且抖振加剧等问题,采用外转子直驱方案。首先结合Delta机器人构型和轨迹需求,设计一款高转矩高精度的外转子永磁同步电机,对驱动单元结构重新设计以适配外转子方案。然后对Delta机器人进行刚度和模态分析,确定直驱Delta机器人的设计参数和优化目标,结合Sobol′敏感性分析方法简化设计参数,采用遗传算法与响应面相结合对高敏感性参数进行优化,基于确定的设计参数进行动平台材料优化。最后进行电机控制性能试验和机器人负载能力与重复定位精度试验,验证了所设计直驱方案的精度与输出能力满足Delta机器人的应用需求。结果表明,所设计的外转子直驱电机具有高转矩、高精度及控制性能好等优点,优化前后的结果证明了截面参数优化方法的有效性。

提出了一种融合视觉与触觉、轨迹规划以及步态实时调整的四足机器人越障方法,旨在应对机器人在崎岖不平地形中遇到不同障碍物的情境。该方法借助跨平台计算机视觉库(Open Source Computer Vision Library,OpenCV)技术对障碍物进行实时识别处理,使机器人能够根据不同障碍物特征选择适当的步态前进并越障。在步态规划过程中,足端轨迹的生成过程受位置、速度、加速度及逆向运动学等多重条件影响,系统结合实时获取的视觉、触觉传感数据,并通过正向运动学计算,精确定位足端轨迹位置,从而制定越障策略。通过在Webots平台上的仿真测试及四足机器人实验验证,结果表明:该方法具备良好的适应性与稳定性。

针对主动悬架的速度量不可获取、集总扰动上界未知的问题,提出了一种基于改进型自适应超螺旋算法的主动悬架控制策略。首先,考虑悬架系统的非线性、参数不确定性和外界扰动的影响,权衡舒适性和安全性,建立了1/4主动悬架动力学模型;其次,设计改进型自适应超螺旋观测器,估计悬架系统状态量时无需系统集总扰动上界的先验知识,即可实现观测误差在有限时间内收敛;然后,结合动态面控制技术,利用反演法设计了改进型自适应超螺旋控制器,只需测量簧载质量块的位移量即可实现跟踪误差在有限时间内收敛;最后,利用Lypunov函数证明了系统稳定性,仿真结果表明,基于改进型自适应超螺旋算法的主动悬架控制策略可以有效实现对预定状态量的跟踪,减小输出控制量的抖振。

为了提升繁忙时段无人充电车在多层停车场为客户提供充电服务的水平,提出了一种基于时间轴的跨楼层动态调度模型。首先,将多层停车场作为研究背景,以无人充电车调度总成本最小化为优化目标,综合考虑客户需求、跨楼层调度和电量管理等多个方面的约束条件,构建无人充电车的跨楼层动态调度模型。其次,采用改进的关键点更新策略对时间轴进行切分,从而将动态调度问题的求解转化为多个静态调度问题的求解。最后,采集繁忙时段某医院多层停车场实际数据并用MATLAB软件进行仿真分析,通过仿真结果验证模型有效性。结果表明,所提出的动态调度模型能在繁忙时段实现多层停车场无人充电车动态调度的快速响应,并降低调度更新频率。

针对现有轨迹规划算法对车辆行驶风险感知能力不足从而影响避障效果的问题,提出了一种基于改进行车风险场与动态窗口法的无人车轨迹规划算法。首先,考虑车辆的尺寸和行驶方向限制对其行驶风险的影响,在车辆风险场中设计了车辆空间方位影响因子,针对行人的运动特性,构建了行人风险场模型;其次,将车辆风险场模型、行人风险场模型及道路风险场模型进行整合,得到行车统一风险场模型;然后,根据自车极限速度、性能及安全约束,构建速度采样空间,模拟速度采样空间内每组速度对应的未来一段时间内的运动轨迹,构建方位角、速度、障碍物距离及风险场强度等动态窗口法的评价函数,对轨迹进行多方面评估;最后,搭建静态避障场景和动态避障场景,进行仿真验证,结果表明,在静态避障场景和动态避障场景中,所提出算法规划的轨迹曲率峰值分别为0.017 2和0.028 0 m^-1,而对比算法规划的轨迹曲率峰值分别为0.023 6和0.035 6 m^-1,所提出算法规划的轨迹表现出更好的平滑性,同时有效保障了行车安全。

盘鼓组合结构是航空发动机核心机转子的组成部分。由于加工制造和装配存在局限性,加之其受高温、高压和高转速等恶劣环境影响,会出现变形不协调和连接刚度分散性大等特点,影响盘鼓组合结构乃至转子的运行稳健性。针对某型航空发动机核心机常用的2种盘鼓组件,首先,介绍了其结构特点和受力情况;其次,建立了有限元模型并开展外翻边盘鼓组合结构的模态试验,验证了模型的准确性;然后,开展考虑热-力耦合载荷下盘鼓组合结构变形的不协调分析,研究各敏感位置点变形不协调程度;最后,考虑到拧紧工艺的局限性和缺少装配偏差与连接刚度之间的映射关系,研究内翻边盘鼓组件预紧力偏差与静刚度之间的关系。研究结果表明,在真实工作条件下2种盘鼓组合结构端面及止口配合处均会发生变形不协调现象,外翻边组合结构比内翻边组合结构的整体变形不协调程度高35.75 %;盘鼓组件的轴向、弯曲刚度随着预紧力偏差的增加均呈现不同程度的下降,但内翻边在切向刚度上有较小程度的上升,其中外翻边对预紧力偏差的敏感性更高,内翻边因结构约束表现出更好的刚度稳定性。

75Cr1圆锯片广泛应用于木材、铝合金建材等材料的加工,锯齿结构参数对其工作性能有显著影响。为解决圆锯片啸叫噪声过大以及锯齿疲劳寿命较短等问题,运用有限元分析法深入探究了齿数、齿高对75Cr1圆锯片模态振型以及固有频率的影响,并且通过试验验证了圆锯片模型的准确性;提出了优化齿数、齿高以规避圆锯片啸叫的调控机制;最后分析了齿顶角、齿高对锯齿锯切应力的影响。结果表明:齿数和齿高对75Cr1圆锯片模态振型影响相对较小;在固有频率方面,圆锯片的固有频率呈现出随齿数的增加而降低的趋势;当齿高增加时,固有频率在不断降低,尤其在高阶模态下,不同齿高的圆锯片的固有频率差异较为显著;此外,在保持圆锯片每齿切削量不变的前提下,齿顶角增大时,锯齿在受载后应力水平下降;而齿高增加时,锯齿受载后应力水平上升。

区域空间隔断既是实现制造车间空间合理利用、功能分区以及安全管理的必要措施,也是保障车间洁净度和环境控制水平的有效手段。针对存在区域空间隔断的车间布局优化问题,考虑设备摆放方向、运输门位置、运输物流成本及占地面积等因素,构建了车间整体布局的多目标优化模型,并设计了一种改进的非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)进行求解。该算法结合模拟退火算法更新种群,通过算法参数的优化,以及在模拟退火过程中嵌入非支配排序和拥挤度计算等改进措施,有效提升了算法的搜索能力和收敛速度。对比分析结果表明,模型和改进的NSGA-Ⅱ在车间运输成本和占地面积这2个目标上均表现出较好效果。

解卷积方法是一种有效的机械故障诊断方法,能够降低噪声和消除系统传输路径的干扰。然而,对于由多个旋转部件构成的复杂机械设备,其关键部件轴承发生故障时所激发的脉冲常常被淹没在高斯噪声和多个周期性脉冲中,使得传统解卷积方法难以准确提取出故障特征。为了克服这一难题,提出了一种基于循环谱负熵解卷积的滚动轴承故障诊断方法。首先,对原信号频段进行均分,根据各频段的包络谱峭度确定初始滤波器,为迭代过程引导方向;然后,通过基于循环谱负熵的特征向量法对初始滤波器进行迭代优化;最后,使用优化后的滤波器对原振动信号滤波并进行包络分析,从而实现对复杂机械的故障诊断。仿真和实验结果表明,所提方法可以有效抑制自然周期性脉冲的干扰和环境噪声;此外,与传统的解卷积方法相比有更强的泛化能力和诊断性能。

针对无人车间钼棒热轧生产线中频炉自动化上料工况,设计了一种棒料自动顶升运载装置,对该装置的顶升机构和升降机构进行理论分析,计算确定了顶升、推料及升降动作所需的最大推力和行程;设计了轮毂电机嵌套在麦克纳姆轮内的一体化、可全向运动的运载结构。为了验证结构的合理性和稳定性,开展了动力学虚拟仿真和实物样机测试,结果表明:该装置可满足使用要求,结构合理且性能稳定。顶升开始时,由于棒料之间挤压,会使顶升动作出现速度和加速度波动,可能增加棒料掉落的概率,为了使顶升动作更平稳可靠,在设计顶升伺服电缸的加减速曲线时,可设置为曲线加速度,使速度和加速度更平稳、平缓;通过实验样机测试,该装置可有效提高生产效率,降低工人劳动强度。

为进一步提高传统表贴式永磁同步电机气隙磁场的正弦化,加速电机优化设计进程,采用子域解析模型与遗传算法对多段调制磁极永磁同步电机进行优化设计。首先,电机采用若干不等宽度永磁体阵列组成多段调制磁极的结构设计,阵列中磁块的极弧系数和间隔符合正弦分布,使产生的气隙磁场波形趋于正弦波。然后,采用子域解析模型计算气隙磁场波形,并计算电磁转矩、反电动势等电机性能指标。随后,通过有限元仿真对子域解析模型计算精度进行对比验证,结果表明,子域法所得结果精度较高,且计算迅速。最后,利用遗传算法对多段调制磁极永磁同步电机结构参数进行寻优,通过有限元仿真将优化结果与传统偏心磁极结构进行对比,结果表明优化后电机的电磁转矩波形含有较少谐波分量,表现出较低的转矩脉动和较大的转矩输出。

针对小样本滚动轴承故障诊断准确率不高的问题,提出STFT-SWT-2DCNN-SVM模型。该模型结合STFT的固定窗口特性与SWT的多尺度分析能力,将信号转为时频图后,通过2DCNN提取故障特征并优化模型,再融合STFT与SWT的训练模型进行验证,最终用SVM分类器输出结果,并用t-SNE可视化。采用了PT400实验平台进行了相关实验验证。结果表明,此方法在训练集∶测试集为300∶600的情况下,轴承故障分类识别准确率可以达到98.666 7 %,而在训练样本总数为100,平均单类样本数为5.6的前提下,10次重复实验的平均轴承故障分类识别准确率仍可以达到97.45 %,比STFT-SWT-2DCNN、SWT-2DCNN-SVM、STFT-2DCNN-SVM分别提高15.32 %、39.23 %、44.91 %,证明该研究模型有很好的鲁棒性和工业实用性。

机床滑枕是机床的重要部件,滑枕的刚性对机床的加工精度影响很大。针对机床滑枕传统经验设计效率低、静动态特性难以平衡的问题,提出一种融合参数建模与多目标优化的混合设计方法。通过五因素三水平正交试验建立滑枕结构参数的岭回归模型,结合非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)生成Pareto解集,最后采用优劣解距离(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution ,TOPSIS)法决策最优参数组合。结果表明,优化后滑枕质量减少了29.3 kg,较优化前降低了4.7 %,最大变形降低了5.8 %,一阶固有频率保持稳定在553.3 Hz,表明该方法为机床零/部件多参数耦合优化提供了新的参考。