健康状态评估是机械产品高质量发展不可或缺的一环。从运动层面出发,以机械产品中的元动作单元为研究对象,提出一种基于逼近理想解和模糊综合评价的健康状态评估方法。首先,采用M-FMMECA方法,确定元动作单元的关键性能退化指标,给出元动作单元健康指数这一量化指标;接着,将逼近理想解法运用到元动作健康状态评估中,建立元动作单元健康状态量化模型;然后,在完成健康状态分级后,采用模糊综合评价法确定元动作单元健康状态隶属度函数,完成健康状态评估;最后,以某可靠性试验台锥齿轮转动元动作单元为例,进行健康状态评估方法的实例分析。研究表明,将逼近理想解与模糊综合评价结合,可以定量且更加全面地评估元动作单元健康状态。

为了在外圆工件表面上研磨出具有随行波结构特征的鱼鳞表面结构,首先基于对自然界中鱼鳞表面形貌的特征分析,建立起外圆工件沿轴向排布的鱼鳞结构化表面数学模型;其次依据外圆研磨原理以及拓扑学理论,设计出用于研磨外圆鱼鳞表面的结构化拓扑油石;然后依据外圆研磨的磨粒运动轨迹,讨论实现外圆鱼鳞结构化表面研磨的边界条件;并对外圆研磨过程进行仿真模拟,获得了具有随行波结构的鱼鳞结构化表面。研究结果表明,利用所设计的结构化拓扑油石可以实现外圆鱼鳞结构化表面的研磨;改变研磨的振幅和频率,鱼鳞结构化表面的形状参数也会变化,但其表面拓扑属性不变。

自动铺丝质量检查既耗时又不充分,缺陷对比度低。对此,根据铺丝过程中的热特性,搭建丝束铺放准确性检测平台,结合形态学算法对缺陷红外图像特征进行纤维铺放准确性检测。首先进行形状相同尺度不同的结构元素的顶帽变换,然后提取每一组尺度下多尺度亮暗区域和相邻组尺度间的多尺度亮暗细节来增强图像;其次使用了多方向多尺度的结构元素和系数自调节的形态学边缘检测算法来获得丝束边缘位置。实验结果表明,该方法在减少图像噪声和增强图像的对比度之上平衡了边缘检测精度与抗噪性能之间的协调问题,有效检测了纤维铺放准确性,最大铺放误差不超过4.53 %。

针对运输时间对混合流水车间绿色生产调度的影响这一问题,以最大完工时间、生产能耗及生产成本为优化目标,提出一种改进的多目标麻雀搜索算法(Improved Multi-Objective Sparrow Search Algorithm,IMOSSA)进行求解,参考非支配排序将种群适应度值进行划分、引入正余弦策略提高解集质量、加入多项式变异算子和Levy飞行,提高解集的收敛速度和全局搜索能力,避免陷入局部最优。而后设计16种测试算例,将IMOSSA与其他多目标优化算法进行对比,验证了IMOSSA求解的优越性。最后,以某实际生产车间为例,将其生产调度划分为4种模式,证明算法求解的实用性。

目前家电智能生产线存在多任务操作冲突、调度控制响应时间长以及制造资源利用率低等问题。为了实现家电智能生产线的合理资源调度,基于多目标优化和分布式资源调度理论,建立了家电智能生产线分布式资源调度模型,提出了基于遗传算法的家电智能生产线分布式资源调度算法。仿真实验表明,与传统生产线调度方法相比,所提出的分布式资源调度算法最大完工时间缩短了5.76 %,解的适应度提高了8 %,验证了算法的可行性和高效性。

气动软体机器人具有良好的灵活性和安全性,适合在非结构化的复杂环境中执行任务。因为很难在软体机器人上安装传感器来直接测量形状和位姿,故难以实现精确的位置控制,其运动精度一般远低于传统刚性机器人。针对上述问题,提出了一种基于视觉的软体机器人形状重建、位姿测量以及逆运动学控制的方法。实验结果表明,采用该方法的软体机器人末端执行器位置的均方根误差小于6 mm,测量关键点位置误差小于2.80 mm,整体形状的位置偏差为1.67 mm,弯曲角度、偏转角度平均误差分别为3.6°和3.4°,控制到达期望位置和角度的最大误差分别为3.47 mm和0.24°。实验结果表明所提出的位姿测量和控制方法对提高软体机器人的运动精度和工作能力有很大的作用。

研究在机器人系统中创新性地引入了基于数字孪生的建模方法,以推动机器人实时仿真和监测水平的提升。在Unity3D平台上,通过构建物理实体的虚拟孪生体模型并建立通信连接,实现了数据和状态的同步更新,从而精准地实现了数字孪生的虚实映射。之后,构建了虚拟场景和运动仿真模型,并通过实验验证,证明了该系统的高效性和准确性。研究呈现了一个实现机器人运动仿真和状态虚实同步技术的数字孪生系统,展示了数字孪生在机器人领域的前景和应用价值。该系统有望优化机器人作业,提升加工品质,并提高工作人员操作的安全性水平。

为提高线控制动系统制动意图识别的精准度,同时使其具备更强的制动场景适应能力,设计了一种基于模糊推理算法,由车辆挡位、轮胎转角、制动踏板开度及制动踏板速度作为特征参量,对驾驶员制动意图与车辆行驶场景进行实时推理的制动意图识别策略,并基于各场景下车辆的实际制动需求对线控制动系统管路期望压力数值及其动态特性进行了匹配。该策略采用基于永磁同步电机FOC控制算法的PID闭环压力控制策略对模糊推理模型在不同制动意图与制动场景下所分配期望压力进行实时跟踪的形式,实现了由期望压力到系统管路实际压力的精准转化,成功将不同场景下为期望压力所匹配的压力变化动态特性赋予了管路实际压力,实现了不同场景下线控制动系统实际压力动态特性的差异化控制。最终基于所制定的整体控制策略分别在AMEsim与Simulink内搭建了机械液压模型及控制算法模型并对其进行了制动意图识别与制动压力跟踪联合仿真,从而验证了该策略的有效性与实用性。

在正面碰撞试验中,车身加速度是影响乘员保护的重要因素,但其曲线高频震荡,很难直接研究其与乘员损伤之间的关系。针对车辆正面碰撞的特点,将车辆在碰撞过程中碰撞力的传递路径分为不同阶段,并依据各阶段的特点,对车身加速度曲线进行参数化建模,找到车身加速度的各特征点。利用有限元模型研究简化前后车身加速度曲线对假人损伤的影响,结果表明,简化曲线与原始曲线的相似度较高,并且假人在2种曲线下的响应基本一致,简化曲线可以代替原始曲线用于车辆碰撞安全性的研究,为进一步研究车身加速度特征点的大小及其出现时刻对乘员各部位损伤影响的关系打下基础。

动力包系统为内燃动车组的重要组成部分,其隔振性能直接关系到动车组的运行安全性及乘坐舒适性。针对动力包刚柔耦合双层隔振系统,提出了一种基于子结构频响函数综合的动力包刚柔耦合双层隔振系统建模方法。该方法将动力包系统分为发电机组、散热器机组、公共构架和车体地板子结构,通过2次频响函数综合建立了公共构架B-基础D综合体和机组刚体的频响函数表达式,大大提升了建模效率与计算速度,对工程计算和设计具有重要的价值。通过与ABAQUS软件中有限元频响结果进行对比,验证了该方法的正确性与计算精度。以某型内燃动车组动力包系统为研究对象,利用该建模方法,结合动力包系统实际隔振设计需求,研究了子结构质量比、子结构刚度、子结构阻尼、各级隔振器刚度及阻尼等参数对动力包系统隔振性能的影响规律,为内燃动车组动力包隔振系统设计及优化提供了理论支撑。

纳米磨削作为实现单晶硅低损伤加工的技术之一被逐渐应用于硅片减薄中,但磨削过程中的力热行为及其对亚表面损伤形成的影响机制仍不清楚;因此,通过分子动力学仿真手段对单晶硅纳米磨削时的力热行为和亚表面损伤之间的联系进行研究。结果表明,单晶硅纳米磨削过程中切向磨削力对材料去除起主要作用,磨粒前下方区域的热量聚集和应力集中现象明显。在力热载荷作用下,非晶化和相变是单晶硅纳米磨削时亚表面损伤的主要形成机制。磨削力的增大会导致单晶硅去除过程中产生较大的亚表面损伤层,而一定的高温由于增强了单晶硅的韧性进而抑制了亚表面损伤层的形成。

建立了重型液力自动变速器在某挡位下行星齿轮传动系统的非线性纯扭转动力学模型,该挡位工作模式充分体现了行星排之间的复合关系,该动力学模型综合考虑了时变啮合刚度、齿侧间隙与啮合误差幅值等系统内部激励因素,在此基础上推导出系统在广义坐标下的无量纲动力学方程。采用4阶龙格-库塔法对非线性微分方程组进行求解,得到了系统的非线性动态响应。综合运用时域响应、频域响应、相平面图、系统分岔和Poincare截面研究了具体的输入转速与系统响应的关系,得出了该挡位下的合理转速。研究了复合结构导致的各级行星排之间的响应差异,发现单个行星排可以影响甚至决定整个传动系统的响应,可以此为根据指导生产制造,降低生产成本。

叶轮是飞机发动机的重要核心零/部件之一,镍基高温合金GH4169D闭式整体叶轮是其中加工难度最大的一种。传统电火花加工(Electrical Discharge Machining,EDM)闭式整体叶轮,主要受限于加工效率低,成品率低。为此,创新研发了电火花多电极多变量自适应控制系统,根据加工过程中的放电状态和加工环境,自适应调节间隙电压、抬刀周期和脉冲间隔时间,既保证了多电极同时加工的条件,又可以维持高效加工的极间加工环境。在大能量放电条件下,采用多个电极同时加工闭式整体叶轮的多个流道型面;在小能量放电条件下,通过分步加工的方法,修整粗加工后的流道型面,这样既可以提高加工效率又可以满足加工表面质量的要求。实验结果显示,在多电极粗加工中,单个流道型面加工平均用时仅需17 min,相比单电极加工单个流道型面,效率提高了10倍左右。在多电极精加工中,叶盆和叶背表面粗糙度分别仅为1.246和1.487 μm。该结果表明了电火花多电极多变量自适应控制系统可广泛应用于闭式整体叶轮的加工制造中,具有十分重要的意义。

对特殊结构的复合加工机床采用D-H和H-M方法结合的系统主法进行了运动学建模,使激光跟踪仪测量的机床空间误差便于模型参数辨识,并列出了机床理论模型的正解和机床误差模型的识别参数。在机床运动学误差模型中,以验证点的理论空间位姿为基准,根据刀具点空间位姿相对于机床坐标轴的雅克比矩阵,使用分块矩阵结合L-M算法,计算得到了验证点的坐标轴补偿值,算法收敛速度快,相对于雅克比矩阵迭代法提高了计算效率,经过坐标轴补偿后机床的空间位置误差和姿态误差平均值分别为0.004 22 mm和9.99×10^-4 rad,比补偿前误差分别降低了82.5 %和16.1 %,表明复合加工机床的空间位姿精度得到大幅提升。

针对工业现场铜制螺纹零件外表面缺陷检测效率低和精度差的问题,提出一种融合多尺度特征与注意力的U型网络(Multi-Scale Features and Attention Fused UNet,MFA-UNet)模型的铜制螺纹零件外表面缺陷检测算法。首先,设计一种双路下采样模块,并行使用普通卷积和空洞卷积提升模型的特征提取能力;其次,在跳跃连接部分加入复合空间注意力模块,增强分割模型对空间信息和边缘信息的提取能力;然后,在上采样过程中加入压缩激励模块,提高模型的表达能力和特征选择能力;最后,提出一种相似度对比算法,比较分割图像和掩码图像的相似度,得到缺陷检测结果。实验表明,所提分割模型在铜制螺纹零件缺陷检测数据集上PA指标达到94.81 %,MIoU指标达到93.78 %;所提算法缺陷检测准确率达到98.9 %,满足工业现场的使用需求。

针对管道焊接过程中因受弧光、焊丝和电弧遮挡等多种因素的影响,致使熔池轮廓边缘难以准确提取的问题,提出一种改进传统Canny算子的熔池边缘检测算法。首先通过引导滤波代替高斯滤波对熔池图像进行保边去噪;其次在水平和竖直方向的检测基础上增加45°和135°对角线方向的梯度模板计算梯度分量;最后利用局部自适应阈值代替非极大值抑制技术的双阈值的全局固定方法完成熔池的边缘检测,同时结合形态学处理技术,提高边缘提取的抗噪性和自适应性。实验结果表明:通过不同的摆宽实验,将通过改进算法提取的熔池宽度与焊接完成后的焊缝宽度进行校验,提取的熔池宽度准确率大于 95.56 %,误差不超过0.3 mm,能满足熔化极气体保护焊(GMAW)熔池宽度测量精度的要求。

针对感应电机定子电流故障特征提取困难,支持向量机(SVM)惩罚系数c和核函数参数g的选择对诊断结果影响较大等问题,提出一种改进自适应噪声平均总体经验模态分解(ICEEMDAN)与鹈鹕优化算法(POA)优化支持向量机(POA-SVM)相结合的感应电机故障诊断方法。首先,利用ICEEMDAN经陷波器滤除工频的定子电流获得一系列固有模态函数(IMF);然后,选取各状态信号的前7阶IMF分量并计算能量熵作为故障特征向量;最后,将故障特征向量输入POA-SVM模型得到诊断结果。通过仿真软件Ansoft/Maxwell建立电机模型来获得电流数据,诊断准确率达到了100 %,实现了感应电机的故障诊断。为进一步验证诊断方法的优越性,搭建电机故障模拟试验台来采集电流信号,结果表明,该方法在空载、半载和满载3种负载情况下诊断准确率均可达到97.5 %以上,与其他故障诊断方法相比,所提方法对感应电机电气故障具有更好的识别能力。

在激光选区熔化增材制造设备中,风循环系统不仅起到防氧化的作用,更重要的是在成形区形成的风场可以将成形过程中金属粒子产生的黑烟、飞溅等工艺副产物带走,而这也对成形件的质量有着重要影响。基于目前南京中科煜宸RS450型激光选区熔化成形设备存在的金属粒子飞溅、黑烟残留问题,运用SolidWorks、AnsysFluent等软件对风道与整体成形仓成形区域的流道进行仿真模拟,再结合实际需求以及模拟效果提出波形进风道新型吹风结构并进行优化。通过仿真数据表明,成形过程中产生的飞溅、黑烟残留过多是由于成形区风场分布不均匀造成的。经过仿真优化,极大地改善了风场分布不均匀的情况,并通过实验予以验证。采用优化后的波形进风道结构进行试件的致密度实验,也得到极大改善。

提出一种改进失效模式与影响分析(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA)模型用于智能制造系统可靠性风险评估。首先基于文献法、专家访谈和鱼骨图分析法,从人、机、料、法、环(Human-Machine-Material-Method-Environment,4M1E)五个方面识别智能制造运行过程中的潜在失效模式;其次使用三角模糊数获取专家对失效模式的风险评估信息,风险因子权重由结构熵权法计算确定;最后运用模糊C均值(Fuzzy C-Means,FCM)算法划分失效模式的风险等级。此外,为了检验结果的有效性和可靠性,采用对比分析和蒙特卡洛仿真进行验证。

针对基于工业物联网的管道流量实时监测存在供电困难的问题,提出了一种具有能量采集和无线通信能力的锥形转子叶片式管道流量计。首先,所提流量计的关键部件为一个四叶片转子,通过外围嵌入永磁体的转子旋转,将水流势能转换为电能,并给出了工作原理分析和发电效率计算方法;然后,为了进一步提高发电性能,在转子前端安装一个锥体(锥形转子),以产生高速水流并导向附近的叶片,并通过流体模拟分析了锥体的影响。其次,设计了对应的物联网控制单元,利用转子旋转产生的电能来检测转子的转速,并与互联网服务器进行无线通信。最后,通过实验对该流量计发电性能和测量精度进行了评估。研究结果表明,装有锥体的转子叶片前后的压力差明显大于没有锥体的转子。随着锥体直径的增大,转子产生的功率和压力差都会增大,且最高发电效率为0.074。通过测量的转速可获得流量,且满量程精度为1.2 %。当流量大于0.6×10^-3 m³/s时,流量计的输出功率大于10 mW,足以实现长期的无线流量监测。