自冲铆接技术作为新型连接技术,在薄板材料的连接中具有优异的连接性能,在航空工业中有着广阔的应用场景。选用5A06铝合金和TA1钛合金薄板进行自冲铆接,对其成形过程进行有限元分析,通过进行常温与-30 ℃环境下拉伸剪切试验,探究不同材料和温度对接头静力学性能和失效形式的影响。结果表明,同质接头铆接成形对称性良好,铆接较硬板材容易出现空腔;低温环境下,接头载荷峰值均值均有所下降,但失效位移均值和能量吸收均值都大幅提升,提高了接头的缓冲吸振能力;5A06-5A06接头(SAA接头)在-30 ℃下的载荷峰值均值降低了13.6 %,TA1-TA1接头(STT接头)在-30 ℃下载荷峰值均值降低了6.6 %,说明STT接头有较好的抗低温性能;在常温和低温环境下,SAA接头均为拉脱失效,失效点发生塑性变形,STT接头在低温下铆钉开裂数量增多,裂纹扩展起点为脆性断裂,扩展边缘为韧性断裂。

针对三棱柱阻流体无阀压电泵输出流量小的问题,基于箭头结构流阻小的特点设计了一种箭头型阻流体无阀压电泵,介绍了该泵的结构及工作原理。利用有限元软件模拟仿真了箭头型阻流体无阀压电泵的泵腔速度流线图,并将该泵与三棱柱阻流体无阀压电泵的阻力特性进行了对比分析。结果表明,箭头型阻流体无阀压电泵能单向运输流体,且其效率较三棱柱阻流体无阀压电泵提升了19.51 %。利用3D打印机制作了2种泵的样机,进行了流量和压差试验。试验结果表明,在300 V的驱动电压下,箭头型阻流体无阀压电泵的最大流量和压差分别为17.40 g/min和470 Pa,较三棱柱阻流体无阀压电泵分别提升了22.71 %和37.03 %。

针对以最小化最大完工时间为目标的柔性作业车间分批调度问题(Flexible Job shop Batch Scheduling Problem,FJBSP),提出了一种改进灰狼优化(Improved Grey Wolf Optimization,IGWO)算法,优化对象为工件的分批方案。首次将流体模型应用于FJBSP的求解,提出了一种基于流体模型的解码方法,用于获得更好的子批调度方案;然后改进了狼群的等级制度,避免了算法过早收敛;其次设计了一种全新的适应可变长编码的交叉方法,深入交流2个个体之间的分批信息,增强了算法的搜索能力和稳定性;再次,提出了能够动态更新个体游走率的自适应灰狼游走策略,兼顾了算法的搜索质量和收敛速度;此外,对领头狼使用自适应邻域搜索动态调整每种工件选择各邻域的概率,提高算法的局部搜索能力;最后,设计了9个算例和3组实验,验证了所提出的IGWO算法的有效性和优越性。

针对盾构机主驱动装配效率低下和质量管控难度大的缺点,研制了一种集高效装配与数据传输于一体的主驱动装配生产线。在盾构机主驱动装配生产线总体设计方案的基础上,对主驱动零件自动化清洗、物料自动化转运、零/部件自动化装配、紧固件拧紧信息在线检测及存储和智能调度系统等关键技术展开研究,以高度集成的自动化设备取代传统人工装配流程,在提高主驱动装配质量和效率的同时实现了装配信息的管理与追溯,形成了主驱动装配生产线核心技术体系。最终设计的盾构机主驱动装配生产线顺利建成并完成了实际工艺验证,达到设计效果,现已成功应用于多种规格主驱动的装配生产作业,并取得了显著的经济效益。

基于分布式柔性作业车间问题特点,构建了以最小化最大完工时间、工厂总能耗和设备总负载为目标函数的数学模型,并对3个目标函数采用线性加权和法进行归一化。在传统的海鸥优化算法基础上,改进了自适应附加变量更新策略,提高算法后期的局部寻优能力和收敛精度。融合麻雀算法中的飞行机制,扩大个体局部寻优范围,进一步提高寻优精度。引入针对关键工厂的变邻域搜索算法,拓展了邻域搜索范围,增强了算法的局部搜索能力。通过标准算例和工厂实际算例的验证,证明了改进海鸥优化算法(Improve Seagull Optimization Algorithm,ISOA)在求解多目标分布式柔性作业车间问题上的有效性和可行性。

针对航空线缆路径规划问题,提出一种非栅格化处理的关节点寻路算法。引入“基线”概念,首先通过基线和布线环境信息求得初始关节点集合,将路径规划问题转换为关节点集合的优化选取问题;然后依据障碍物信息进行关节点的冗余关节点筛选优化;再对去除冗余点的关节点集合进行迭代优化,以路径最优为收敛条件进行关节点的添加和删除;最后利用关节点作为布线路径节点,获得线缆路径。实验结果表明,关节点寻路算法可以有效减少线缆布线的弯折次数和线缆长度,并在布线时间上较优。

移动充电机器人的出现解决了老旧停车场内电动汽车充电的问题,但停车场内复杂与随机的障碍物环境对其路径规划与避障功能提出了更高的要求。通过对传统灰狼算法的改进,对停车场内的电动汽车移动充电机器人的路径规划问题进行了仿真与分析。灰狼算法迭代速度快,但优化精度低,且容易陷入局部最优,在对停车场地图进行栅格化处理后,从适应度函数、收敛因子以及位置更新函数3个方面对传统灰狼算法进行了改进,并利用MATLAB软件进行了仿真。结果表明改进灰狼算法的平均迭代次数较传统灰狼算法减少了39.4 %,路径长度缩短了4.7 %,在与其他典型改进灰狼算法对比中路径长度最短。对同一停车场不同车位占用率的移动充电机器人的路径规划利用该算法进行了仿真,结果表明该算法在随机地图与不同目标位置的情况下均可以成功运行,验证了算法的稳定性。

针对铝合金轮毂打磨过程中末端执行器气动系统建模不准确以及外部环境干扰导致打磨过程中打磨力稳定性差的问题,提出了一种MRAC+PID混合控制策略来实现对打磨力的跟踪控制。首先对末端执行器进行建模和分析;然后采用MRAC+PID控制策略对末端执行器进行控制,其中通过构造李雅普诺夫函数来设计自适应控制律;最后通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。结果表明,MRAC+PID在提高系统的响应速度和抗干扰方面具有良好的控制性能,能够快速准确地跟踪期望打磨力,提高铝合金轮毂的表面打磨质量。

为了提高机器人在铣削加工应用中的性能,将旋量理论应用于铣削加工机器人的建模中。针对仿真过程中逆解计算太慢的问题,提出了一种改进几何法对求逆过程进行优化。该方法以库卡KR60铣削加工机器人为例,考虑铣削加工位置相对固定,忽略了机器人前三个关节引起的逆解变化,从而简化了逆解的求取。仿真结果表明,经过改进后的几何法相对MATLAB软件自带求逆方法能够极大提高运算效率,减少仿真时间。

为了克服机械摩擦、未知负载和模型误差等不确定性因素对机械臂控制精度的影响,采用指数障碍李雅普诺夫函数设计了非奇异快速积分终端滑模有限时间鲁棒控制律。首先,建立了带有各类不确定性因素的机械臂数学模型,并通过设计的观测器准确地估计出干扰值;然后,利用机械臂转角误差设计了非奇异快速积分终端滑模面,在指数障碍李雅普诺夫函数的基础上,设计出了有限时间鲁棒控制律;最后,通过稳定性分析验证了设计的有限时间鲁棒控制律能够在有效时间内收敛。三自由度机械臂的仿真结果表明:提出的有限时间鲁棒控制律能够有效克服不确定性因素对机械臂控制精度的影响,观测器的最大估计误差为0.1 (°)/s²,机械臂各关节转角的最大跟踪误差为0.1°,验证了设计方法的有效性。在三维空间固定坐标定位实验中,机械臂在提出的有限时间鲁棒控制律作用下的最大定位误差为0.22 cm,最长运行时间为2.2 s,验证了在实际工程应用中能够实现更高的控制精度和运行效率。

近年来,随着智能交通系统的快速发展,包括车车通信、车路通信等短距离实时无线通信信息,以及道路交通通行信息等远距离交通信息,使得车辆能够实时获知周围车辆运动情况以及前方交通环境情况,有利于提高车辆对周围交通环境的感知能力,以实现合理的出行安排与行驶控制,从而提高车辆的使用性能。为实现车队在多信号灯场景下的节能驾驶,提出了一种基于强化学习的车队速度规划与能量管理联合优化方法。通过SUMO平台,建立了包括5辆汽车的车队通过多个信号灯的场景,结果表明,提出的方法在舒适性、经济性和效率方面均优于传统的驾驶模型(Intelligent Driver Model,IDM)策略。

为了提高汽车转向时的稳定性与安全性,在理想传动比前馈控制的基础上,设计了综合考虑横摆角速度和质心侧偏角的主动转向控制器。主动转向控制器根据状态参数实际值与理想值之间的误差,经过自适应滑模控制器计算出独立于驾驶员的额外附加转角,以对前轮转角进行补偿,使得汽车的实际响应跟随理想值,以改善汽车的稳定性。最后,在Matlab/Simulink软件和Carsim软件中建立了线控转向联合仿真模型,分别在双移线、正弦输入以及高、低路面附着系数工况下对设计的主动转向控制器进行试验,结果表明,主动转向控制器明显减小了横摆角速度和质心侧偏角2个参数的实际值与理想值之间的误差,提高了汽车转向时的稳定性。

针对扭力梁正向开发的常见问题和关键技术,利用数值仿真手段,以封闭管梁和开口板梁这2种结构的扭力梁为例进行了对比研究,包括扭力梁方案设计、DMU校核、产品和工艺CAE校核、扭力梁变形数值仿真以及变形补偿等关键技术,为主机厂正向开发扭力梁提供一定的参考。主要研究如下:1)依据设计输入,首先需进行横梁位置和截面设计,重点是确定横梁剪切中心,由数值仿真结果可知不同的横梁截面设计对剪切中心的Z向距离影响较大;2)在扭力梁式悬架运动间隙校核中,相比平行轮跳工况,反向轮跳工况严苛,易导致轮胎和轮罩产生干涉磨损风险;3)利用数值仿真技术研究了2种扭力梁结构的扭转刚度,相比开口板梁,封闭管梁具有较好的轻量化效果,利用数值仿真技术研究了2种扭力梁结构在扭转工况下的外应力、2种横梁成形过程中的内应力,如果横梁同位置处的内、外应力叠加,必然会产生较大的疲劳开裂风险,应从材料、结构和工艺角度给出解决方案;4)在整车下线弹簧载荷作用下,扭力梁的变形对前束和外倾会产生较大的影响,应给予扭力梁前束和外倾等值、反向机加角度补偿。

针对航发叶片打磨过程中点云分割效果差和轨迹规划中曲面拟合所带来的计算量大的问题,提出了一种基于点云的航发叶片分割及打磨轨迹规划方法,旨在改善点云分割效果并降低计算量。通过结构光相机采集待打磨叶片点云,进行滤波等预处理,并对随机采样一致性(Random Sample Consensus,RANSAC)平面分割算法进行改进,提升算法效率。设计一种结合点云颜色信息的区域生长分割算法,实现叶片待打磨区域的稳定分割。提出一种直接基于点云的三重截面法,配合B样条曲线拟合算法生成预打磨轨迹,并基于等残高算法优化行距,完成打磨轨迹规划。经实验验证,平面分割算法相较于传统方法效率提升40.25 %,数据处理效率大大提高。此外,通过改进的区域生长分割算法,叶片打磨轨迹规划效率得到明显提高,其实现效果显著增强。

汽轮机涡轮盘连接叶片的位置通常采用榫槽结构。针对小型燕尾型榫槽,目前常采用一种成型刀具一次加工成型,导致被加工零件精度低、表面粗糙度差且刀具成本高。为解决目前制造工艺的局限性,提出了一种组合刀具设计思路。首先,根据燕尾槽型榫槽的结构特点,设计出4把刀的刀具型线和尺寸参数,通过UG等建模软件建立模型,利用ANSYS软件进行有限元分析;然后,制定组合刀具的制造工艺方案,通过NUMROTO刀具编程软件进行路径规划和程序编制;最后在SAACKE五轴工具磨床上磨削加工出合格的组合刀具。通过仿真及实际切削试验验证了该方案切实可行,相较于传统加工方法,有着加工精度高、表面粗糙度低、切削热低且成本低等优点。

薄盘工件是转子机构上常见的零/部件,在装配调试前通常需要进行动平衡测试与校正。目前常用的不平衡校正方法存在加工与校正分离、平衡工艺复杂,以及效率低等问题。基于该问题提出在薄盘工件加工过程中不平衡量校正的方法,结合复合数控机床的主轴准停、刀具定位及去重控制等功能,进行薄盘工件不平衡量在线去重校正。同时,为了提高薄盘工件不平衡量在线去重校正精度,提出一种附加去重率的迭代控制方法,并从理论上证明了该方法的稳定性。通过仿真计算讨论了附加去重率的迭代控制方法优势,探讨了理想去重率的选取问题。研究内容可以在无动平衡机的情况下实现薄盘工件不平衡量在线去重校正,对创新性解决薄片工件平衡成本高、效率低等问题以及提高工件加工精度等方面具有重要的意义。

针对现有的链轮端面几何参数测量方法存在效率及测量精度低等问题,提出一种基于视觉原理的链轮端面几何参数测量方法。首先,利用Zernike矩的亚像素边缘检测提取链轮内外轮廓,对内轮廓采用Hough变换获得中心点坐标与中心孔半径;其次,在外轮廓作一辅助圆,通过像素点序列计数算法得到齿数;然后,根据链轮齿廓的形状特征,提出一种改进的局部半径域算法提取每段齿廓的齿顶、齿根点,再通过最小二乘法拟合像素点得到齿顶圆、齿根圆直径;最后,采用最小二乘法拟合链轮键槽边缘直线得到键槽尺寸。对2种不同规格的链轮分别进行10次重复性测量。实验结果表明,链轮端面几何参数的测量误差均小于40 μm,相对误差均在0.4 %之内,能满足高精度的自动测量需求。

因头戴式智能眼镜轻量化、小型化等需求,高分子材料逐步导入应用,但是因注塑过程中模具精度与材料收缩等因素,容易造成零/部件坯料的三维模型与注塑实物尺寸不匹配的问题,从而引起五轴联动激光设备切割眼镜零/部件尺寸超差。针对此问题,借助于ATOS光学扫描仪,分析了注塑产品的三维模型与实物的尺寸误差,通过对注塑产品零/部件进行逆向工程建模,验证了在扫描生成三维模型上提取刀路轨迹进行五轴联动激光切割的可行性,为提高三维模型与注塑实物尺寸不匹配产品的五轴联动激光切割精度提供了一种解决思路。

柔轮是谐波减速器的易损零件,在波发生器的高转速带动下转动,其疲劳寿命一直是备受关注的研究重点。以某型号杯型谐波减速器柔轮为研究对象,建立有限元仿真模型,得到柔轮最大应力与筒长、筒体壁厚和不同过渡圆角半径等参数之间的关系。根据柔轮S-N曲线,计算得到柔轮疲劳寿命,利用反向传播(Back Propagation,BP)神经网络实现了柔轮疲劳寿命的预测。

针对油管外接管生产过程中切断精确度低、废料率高,各设备相互独立及自动化程度较低等问题,在传统钢管切割设备的基础上优化设计了精确送料单元、锁紧切割单元、自动下料单元。基于S7-1500 PLC进行了油管外接管自动生产线控制系统的硬件及软件设计,利用TIA Portal设计控制逻辑,采用西门子KTP1200人机交互面板对生产线工作状态进行实时监控,实现对整机的协调控制。实验测试表明,所设计的油管外接管自动生产线自动化程度高、运行稳定,显著提高了油管外接管的生产效率与自动化程度。

为改善气动力、离心力和重力等复合载荷作用下的H型垂直轴风力机叶片的结构性能,提出一种多目标优化方法。以质量和最大应力最小为目标,最大变形为约束建立优化模型。通过流固耦合(Fluid-Structure-Interaction,FSI)方法,实现叶片表面压力的实时准确提取,建立复合载荷作用下的叶片有限元模型;基于最优空间填充(Optimal Space-Filling,OSF)方法和Kriging模型建立各变量对应力、质量和变形的响应面模型,进行灵敏度和变化趋势分析;最后采用多目标遗传算法(Multi-Objective Genetic Algorithm,MOGA)获得各变量的最优解,并进行结果验证。结果表明,优化后叶片质量减少了14.7 %,各方位角下的最大应力减幅最大为7.8 %,最大变形减幅最大为16.7 %。研究结果可为复合载荷作用下叶片的结构优化设计提供参考。