微织构广泛运用于摩擦磨损、热能交换、关键零/部件密封和生物医学等众多领域,柱体织构作为微织构的一种,其在增摩方面起到至关重要的作用。利用电解加工效率高、无残余应力等优势,提出了一种基于干膜掩模电解加工群柱体织构的方法。选用了高黏附性的MS系列干膜制备掩模板,进行流场、电场和稀物质传递的多物理场耦合分析,研究了不同模板厚度对加工区域电解液流速、气泡率以及电导率的影响。分析结果表明,50 μm厚度的模板能够带来工件表面更高的电解液流速,加快产物及气泡的排出,工件表面的电导率更高。通过试验研究了加工电压、加工时间和脉冲占空比对群柱体织构尺寸的影响。试验结果表明,在加工电压为25 V、加工时间为15 s的条件下,可以获得定域性较好的群柱体织构;此外,脉冲电解加工时,在脉冲占空比为20 %、脉冲频率为4 kHz的条件下,不溶性电解产物、气泡及电解液的传质过程得到进一步改善;最后,在加工电压为25 V、加工时间为15 s、脉冲占空比为20 %和脉冲频率为4 kHz的优选加工参数下,在TC4表面加工出直径为320.48 μm、高度为15.06 μm以及侧向腐蚀系数EF=1的群柱体织构阵列。

在考虑工人技能学习差异的基础上,为解决多工人协作柔性车间调度问题,提出了基于稀疏邻域带精英策略的快速非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)的调度方法。对考虑技能学习差异的多工人协作柔性车间调度问题进行了描述,以车间工人学习能力为背景改进了DeJong学习模型,并建立了多工人协作柔性车间调度的多目标优化模型。在NSGA-Ⅱ基础上,引入了邻域稀疏度的选择方法,有效保留了信息丰富和多样化的染色体,并将稀疏邻域NSGA-Ⅱ应用于柔性车间调度问题求解。经实验验证,稀疏邻域NSGA-Ⅱ所得Pareto解集质量高于标准NSGA-Ⅱ和自适应多目标进化算法(Multiobjective Evolutionary Algorithm Based on Decomposition,MOEA/D),最短调度方案的完工时间为127.1 min,该方案满足逻辑和时间等约束。实验结果验证了稀疏邻域NSGA-Ⅱ在柔性车间调度中的优越性。

熔融沉积成型(FDM)技术是当前广泛应用的3D打印技术之一。基于FDM工艺的3D打印在应用过程中容易产生废料。这些废料主要产生在用户端,分布零散,集中回收难,目前没有成熟的简易废料回收再生装置,导致大量废料被丢弃或直接焚烧,造成资源浪费和环境污染。本着节能环保及废物再生利用的理念,设计并制造出一种基于FDM的3D打印废料回收再生装置,实现对废料加热熔化、挤出成型,得到可适用于打印的新耗材,实现了FDM 3D打印废料的回收再生利用,有助于解决资源浪费和环境污染等问题。对装置进行试运行和再生实验,验证了设计方案的合理性和装置的再生能力。采用控制变量法分别对ABS、PLA、PP、PE、PS 5种材料进行再生实验,得到装置加热温度、电机转速等主要运行参数对再生材料成型质量的影响规律,并得到5种再生材料的最佳运行参数。

目前,主流的直书写3D打印多材料打印方法是通过设计多个入口挤入汇合到单个出口挤出的喷头,材料按照需要有机地结合在一起,实现不同性能的组合。但是,多材料增材制造需要各材料之间具有优异的黏合强度,同时需要材料参数满足高黏度和剪切变稀的特性以符合3D打印的各项要求。为了实现多材料的连续稳定性打印,通过设计一种轴芯材料具有快速切换功能的同轴挤出3D打印喷头及其打印系统,研究多材料同轴打印原理及打印实验。CCM3D喷头允许不同流变特性的轴芯材料稳定地选择性挤出,实现多材料同轴制造。通过生成多材料G代码进行打印,展示了轴芯两种不同黏性材料之间的快速切换以及2D图像的打印,利用同轴多材料的打印优势,将不同弹性模量的硅胶选择性嵌入同轴线条轴芯,展示了其打印3D模型的能力。

骨科急救对支具制造时间具有高度敏感性,3D打印技术为个性化支具快速制造提供了有利条件。由于手肘支具弯曲管状具有大量相对于打印平台的悬空结构,支撑的打印极大影响成型效率。打印底板可旋转的五轴无支撑3D打印工艺为高效打印提供了有效解决方案。但经现场三维扫描的不规则手肘模型位姿需与打印机构适配,才能顺利打印。为解决手肘模型最优位姿适配问题,提出了基于三维手肘模型特征与打印装备结构约束下的位姿调整算法(即五轴无支撑3D打印的手肘模型位姿调整算法)。针对三维扫描模型的不规则性,通过对手肘模型中心线的提取、三坐标轴夹角计算和长短轴几何识别等多维度获得模型空间位姿特征;针对打印装备底板旋转角度限制及底面模型生长点坐标位置,进行手肘模型的底面平行、空间朝向和底板贴近等多角度位姿优化调整,以适合3D打印要求。通过仿真对比分析和打印实验,验证了所提手肘模型位姿调整算法的有效性,对无支撑快速3D打印的切片处理提供支持。

智能制造已经成为推动工业4.0革命的核心动力。随着信息技术手段的不断升级,智能制造不仅要求生产过程本身的自动化及智能化,更对相关开发系统的灵活性、可扩展性和可实验性提出了极高的要求。多智能体系统(MAS)凭借其自治与协同兼备的优良特性,在智能制造的推进中展现出了巨大的应用潜力。然而,传统的多智能体系统开发模式通常有着拓扑结构固定、响应速度慢及实验验证困难等客观难题,这限制了其进一步的发展。针对这一难题,提出一套基于可切换拓扑的网络化多智能体(NMAS)快速原型开发系统,帮助开发者轻松获得目标网络化多智能体的快速原型。所构建的多智能体快速原型开发系统可实现拓扑结构的灵活切换,从而适应不同生产场景的需求。通过引入先进的通信协议及协同算法,能够保障开发系统的高效通信、快速响应及用户交互,从而实现对原型开发系统的快速验证及优化。该系统与智能制造相结合,不仅能够提高生产过程的灵活性及可扩展性,还能极大程度缩短产品的研发周期,全面降低生产成本。

在多品种小批量离散制造过程中有工艺图样、车间面板记录、机床传感器信号和质检报告单等多源异构工艺信息,如何高效地获取这些来源不一、结构多样的数据,并有效实现数据可视化、挖掘数据的潜在价值是这一类相关制造型企业面临的一个共性问题。传统纸质化工艺信息管理过程中存在信息化程度低、共享性差、获取不实时和安全性弱等弊端。为解决这一问题,研究以齿轮这一典型多品种小批量离散加工产品为对象,提出一种可综合运用图像识别、文字提取、二维码技术和TCP/IP通信等技术的多元异构数据集成方法,设计并开发了可支持文本、图像和传感器数据等多源异构数据集成的智能运维系统,实现了齿轮关键工序的多源异构数据的实时集成获取、轻量化高效管理、价值挖掘及可视化应用。

针对当前电力系统中机器人巡检效率不高、避障能力不足等问题,提出一种改进海洋捕食者算法(Improved Marine Predator Algorithm,IMPA)。首先,采用基于阿基米德螺旋曲线的螺旋复合路径搜索策略,扩大全局搜索范围,从而提升算法的稳定性。其次,引入非线性凸递减权重来平衡算法的全局及局部性能,以实现捕食者和猎物种群位置的动态更新。此外,结合黄金正弦算法思想更新猎物位置,缩小捕食者种群搜索范围,以提高收敛精度和速度。最后,在配电室及变电站环境下进行实验测试,结果表明,对比基本MPA算法、改进蚁群算法及混合MPA算法,IMPA算法在行驶路程及时间上更占优势,更有利于提升机器人自主避障能力及作业效率。

为模拟微机器人在生物体内执行靶向给药、血管疏通等复杂操作,设计了锥形螺旋微机器人。锥形螺旋微机器人主要由圆柱体头部、锥形螺旋尾部和钕铁硼永磁铁组成。针对锥形螺旋微机器人在低雷诺数液体环境中的三维运动控制需求,基于空间矢量叠加原理设计万向旋转磁场发生装置,通过有限元分析方法对万向旋转磁场发生装置的磁场强度及磁场均匀性进行优化。制作锥形螺旋微机器人,并搭建磁驱动系统,进行锥形螺旋微机器人三维运动控制操控实验,实验结果表明,锥形螺旋微机器人在甘油中的最大运动速度为1 mm/s,能够实现稳定的二维及三维运动控制,并完成穿越迷宫的复杂操作。

传统桥梁拉(吊)索表观人工检测方式存在检测效率低下、检测精度不高等问题,同时还会受到安全风险的困扰。现有的轮式拉索检测机器人承载与越障能力及结构轻量化与拆装简易化仍是限制其当前应用能力提升和现场作业效率的关键因素。提出一种轮式拉索检测机器人的设计,该机器人配备4个U形轮和双电机组成的增强驱动系统,满足复杂工况的拉(吊)索表观病害检测。此外,建立了机器人越障静力学模型,进行U形轮在越障过程中的受力试验,并通过室内和室外试验验证机器人在不同条件下的爬行能力。通过试验,验证了所提出的机器人具备6.8 kg的有效载荷能力以及通过高度为6.3 mm以下障碍物的越障能力。最后,机器人在3座桥梁的现场应用中表现良好,能够在倾斜、凹坑、凸起和风雨线等复杂拉(吊)索表面上正常运行,结果进一步证实了所提出的增强驱动系统设计方案的有效性。

针对复杂环境下搬运机器人存在轨迹规划效率低、跟踪控制误差较大及系统不稳定的问题,提出基于膜计算及模型预测的搬运机器人轨迹优化控制方法。首先,针对传统动态窗口算法在速度采样空间中采用均匀等分的方式进行采样,导致轨迹规划效率低的问题,设计了一种基于膜计算粒子群算法改进的搬运机器人动态窗口算法。借助粒子群的随机性和膜计算的分布式并行计算能力对传统动态窗口算法进行优化设计,不断迭代得到最优路径;其次,针对搬运机器人系统模型的非线性特点,采用线性模型预测控制方法完成轨迹跟踪,通过构建预测模型、设定目标函数及设计积分器来完成高精度轨迹跟踪。实验结果表明,在稀疏障碍物和复杂障碍物2种实验场景中,改进后的算法在路径长度、时间及步数上平均减少了15.07 %、6.72 %、7.68 %,且所提的模型预测控制方法在跟踪精度、系统鲁棒性方面都具有一定的优势。

一般车辆仿真是在副车架为刚性的假设下进行研究的,然而副车架实际上为柔性。为研究副车架柔性化和材料属性变化对操纵稳定性优化的影响,利用HYPERMESH软件模态计算得到前副车架的柔性体文件,并进行模态分析,避免其与发动机和车身产生共振。将柔性前副车架导入ADAMS软件替换原有刚性前副车架,建立某轿车具有不同材料属性的柔性前副车架刚柔耦合模型,进行悬架K & C仿真和整车操纵稳定性仿真对比研究。以车辆操纵稳定性为优化目标,利用NSGA-Ⅱ算法对前副车架衬套刚度参数进行多目标优化设计。结果表明,柔性前副车架材料属性变化后的弹性变形会对悬架系统受力产生影响,从而改变悬架K & C特性,进而使整车刚柔耦合模型的操纵稳定性发生改变。改变材料属性也会使得前副车架与悬架和车身铰接处衬套刚度参数的多目标优化结果发生变化。多目标优化后横摆角速度增益、车身侧倾角增益和侧向加速度的延迟时间均降低,整车刚柔耦合模型操纵稳定性得到改善。

针对车辆悬架的传统控制系统难以兼容多个影响参数的问题,提出了一种基于多条件反馈调节的车辆悬架分级控制策略,该策略在PID控制系统的基础上引入了簧载质量加速度、非簧载质量加速度和路面激励这3个影响车辆悬架综合性能的因素。利用多个控制器分别组成了多个控制回路,选取簧载质量加速度作为主控制回路的控制因素对车辆悬架性能进行直接调节,选取非簧载质量加速度和路面激励作为2个辅助调节回路的控制因素,对主控制回路中PID控制器的控制参数进行二级调节,实现了多个控制回路的同时反馈控制,充分利用了影响车辆悬架性能的多个因素,使得车辆悬架PID控制器参数始终处于设定范围内的最优区间,能够更好地满足当前路面条件和行驶状态。仿真结果表明,在单凸起路面上,优化后控制系统的簧载质量加速度衰减到0的时间为0.8 s,相比于被动悬架和PID控制时间分别缩短了77.1 %和60.0 %;在正弦波动路面上,优化后控制系统的簧载质量加速度相比于被动悬架和PID控制分别降低了58.3 %和35.1 %。同时,在随机等级路面上簧载质量加速度、动挠度和动载荷也得到了明显改善,车辆的驾驶舒适性和行驶安全性得到了明显提高。

316L不锈钢是一种制作人体植入物的重要材料。经过调研提出一种羟基磷灰石混粉电火花铣削加工方式,通过因素和水平的变化探究羟基磷灰石混粉电火花铣削加工与混粉电火花成形加工两种加工工艺蚀除316L不锈钢的趋势与不同。试验结果发现,混粉电火花铣削加工能够提高材料去除率,降低电极损耗率、表面粗糙度和表面接触角。证明了该加工方式具有研究意义,并通过单因素试验进一步探究该加工方式正负极性下所呈现的不同加工特性及形成原因。极性试验结果显示,正极性加工能够实现更高的材料去除率,负极性加工则呈现更低的电极损耗率、表面粗糙度和表面接触角。

针对退役零件失效状态复杂及设备能力各异,导致再制造工艺方案决策困难的问题,提出一种考虑时间不确定的再制造工艺方案决策方法。分析退役零件再制造工艺过程及其时间的不确定性,提出考虑失效状态的再制造工艺时间改进模糊神经网络预测方法;构建以时间、成本和能耗为优化目标的再制造工艺方案决策模型,采用遗传-粒子群优化算法快速求解;以退役轧辊再制造工艺方案决策过程为例,验证该方法的有效性和实用性。

由相机、投影仪组成的单目结构光系统在三维测量领域中具有重要应用,系统标定是确保三维测量精度的关键步骤,传统标定算法在采集图像的过程中并未考虑靶标姿态对系统标定精度的影响。针对平面靶标的单目结构光系统标定问题,提出标定姿态选择需要规避的2种情况:1)靶标平面与相机的成像平面或投影仪的投影平面平行的姿态;2)只平移或在靶标平面内旋转的姿态。基于此,提出一种靶标姿态筛选准则,并对每个姿态靶标图像旋转向量夹角设定阈值,过滤掉影响标定精度的图像,保留有利姿态靶标图像。实验结果表明,对靶标姿态筛选有利于保证系统测量精度,标定精度高,能够满足当下工业生产加工精度的要求。

焊接偏差的精确检测是实现焊接机器人焊缝轨迹自动跟踪及智能化焊接的前提。提出了一种基于改进视觉转换器(Vision Transformer,ViT)的熔池识别与焊接偏差在线检测方法。首先,采用轻量级ViT模型Segformer作为基线模型,在其掩码分割前嵌入置换注意力(Shuffle Attention,SA)机制,以更好地捕获特征信息在空间和通道这2个维度中的依赖关系,从而提高模型的分割精度;其次,在多层感知机(Multilayer Perceptron,MLP)中加入上下文广播(Context Broadcasting,CB)模块,在保证模型低参数量的前提下提高泛化能力;最后,基于模型分割结果,提出一种焊接偏差计算方法来定量描述偏差检测精度。实验结果表明,相较于基线模型,所提出模型的平均交并比和平均像素准确率分别提高了2.67 %和2.12 %,且对于不同预设焊枪偏移情况均具有良好的泛化性,焊接偏差精度控制在±0.021 mm之内,为实现精密焊接焊缝跟踪提供基础。

为了克服未知负载、机械摩擦及外界干扰等不确定力矩对永磁同步电机无位置传感器转速控制精度的影响,提出了一种反步超螺旋滑模控制方法。首先对永磁同步电机的三相坐标系、两相旋转坐标系和两相静止坐标系之间的转换关系进行分析,建立了永磁同步电机运动数学模型;然后针对速度环设计了反步控制律,对转速进行稳定跟踪,通过设计的观测器实时估计不确定力矩,并引入补偿电流来抑制不确定力矩对控制系统的扰动;最后针对电流环设计了超螺旋滑模控制律,实现对电机转速的高精度控制。仿真结果表明,设计的观测器可准确地估计出不确定力矩的大小,最大估计误差仅为0.01 N·m,提出的控制律能够有效克服不确定力矩的影响,使永磁同步电机转速保持较高的精度,最大误差仅为0.46 r/min,大幅改善了永磁同步电机动态控制性能。测试结果表明,设计的反步超螺旋滑模控制律具有更高的控制精度,RMSE、MAE和MAPE分别仅为0.317 7 r/min、0.252 5 r/min和0.03 %,表现出了更强的鲁棒性和更优的工程适用性。

智能制造、网络制造等新型制造模式的快速发展为分布式生产的推广带来了新的机遇与挑战。目前,国内外学者已对柔性车间调度、分布式作业车间调度问题进行了总结分析,但仍缺乏对分布式流水车间调度问题的综述。以分布式流水车间为研究对象,从分布式流水车间调度的运作模式分析、优化目标设计、特殊约束刻画、模型求解方法及工程应用等方面对现有研究成果进行了归纳总结,并对分布式流水车间调度问题未来的研究方向进行了展望。