枞树形叶根铣刀是汽轮机行业加工叶片叶根及轮毂的重要工具,由于其截面形状复杂,传统的加工工艺存在工艺复杂、效率低和精度难以保证等缺点。为解决上述工艺难题,本文提出一种五轴车铣复合加工中心开粗及五轴工具磨床精加工的工艺策略。首先,以某枞树形叶根铣刀为例,研究了其结构特点,确定五轴车铣复合加工中心开粗及五轴工具磨床精加工的工艺路线,分别编制工艺技术文件;其次,采用ESPRIT TNG车铣复合编程软件编制粗加工刀路轨迹,采用NUMROTO软件编制精加工刀路轨迹;最后,将刀路轨迹转换为数控代码分别进行仿真模拟加工,将仿真无误的数控代码和磨削代码分别导入五轴车铣复合加工中心和五轴工具磨床中完成实操加工。通过对加工过的刀具成品进行刀具形线、角度和外观检测,各项技术指标均满足设计要求,且加工效率提升了约24.4 %,从而验证了该工艺方案的有效性。

钻头排屑性能直接影响切削性能,为了解决可转位浅孔钻在切削过程中出现的缠屑和振动问题,进而避免由此引发的加工异常和孔壁质量差的情况,采用了理论分析和仿真模拟相结合的方法,深入研究了螺旋容屑槽横截面形状结构和螺旋角结构对钻体刚性的影响,并通过实验验证了所设计钻体具有良好的刚性和排屑性能。仿真模拟结果分析表明,在芯径一致时钻体受到的最大应力为761 MPa、应变为0.003 367,钻体头部横向位移量为0.397 1 mm、转动变化量为0.006 500 rad;变螺旋角在20°-16°时,钻体受到的最大应力为695 MPa、应变为0.002 688,钻体头部横向位移量为0.364 1 mm、转动变化量为0.006 140 rad,此时钻体刚性和排屑性能达到良好的平衡;分析表明,螺旋角越大、叶宽差值越大,则芯径越小,钻体刚性越差;所设计的钻体在实验工况下未发生缠屑情况,表现出更好的排屑性能,并有较高的孔径一致性和良好的孔壁质量。

针对基于激光视觉机器人焊接过程中,由于噪声干扰导致焊缝激光条纹分割精度降低,不能精确焊接的问题,提出了一种改进U-Net算法的焊缝特征识别方法。改进型U-Net算法使用Mobile-Net作为主干网络,加强了网络的特征识别能力,并减少了模型的参数量。在编码与解码之间加入超强通道注意力机制,实现了特征的加权融合。模型采用混合损失函数,平衡了激光条纹在图像中的占比。在焊接机器人焊缝跟踪实验平台部署网络模型,实验结果表明,改进的U-Net算法平均交并比(Mean Intersection over Union,MIoU)为89.83 %,像素准确率(Pixel Accuracy,PA)为99.54 %,平均像素准确率(Mean Pixel Accuracy,MPA)为97.28 %,处理图像的时间为0.209 s,相比其他算法,具备更优的分割精度和较快的处理速度,可以更好地应用于有干扰的机器人焊接场景中。

为适应混合流水车间生产需求,提出了一种基于机器学习的两阶段动态调度方法。在离线挖掘阶段,以历史数据为基础,采用改进随机森林算法建立一个由制造系统生产状态到最优调度规则的知识映射网络,挖掘出有价值的调度规则用于在线决策,跳过预热阶段提高调度效率进而优化调度方案;在线调度阶段,采用强化学习算法对车间状态的实时数据进行分析和训练,根据系统状态的动态变化优化策略选择,以实现对扰动事件的自适应和快速响应能力;仿真实验结果验证了结合数据挖掘和强化学习的两阶段动态调度方法具有可行性和有效性,可充分利用制造数据并在线调度制造执行过程。

柔性可拉伸电子器件在可穿戴电子产品和软体机器人等领域应用广泛。为了实现高度集成,不同层之间的电子器件需要通过垂直互联来连接在一起,因此,实现稳定的垂直互联至关重要。提出了一种可以通过电流体动力喷射直接打印低熔点液态金属立柱的方法,可以实现柔性电路的垂直互联。通过控制打印参数,可以打印出不同高度的金属立柱,以制作出不同高度的垂直互联。为了检测垂直互联结构的稳定性和可靠性,将制作的具有垂直互联通道的电路分别进行拉伸、弯曲检测,检测表明在数百次的弯曲和拉伸循环下,该电路具有稳定的电阻响应。制作了一个基于多层结构的带LED灯的无线感应线圈,以展示电流体动力喷射打印用于垂直互联的能力。

曲面共形传感器在三维组件的结构健康监测领域十分重要。然而,传统转移印刷工艺很难保证传感器部署位置与取向的精度;因此,结合了五轴运动平台与直书写(Direct Ink Writing,DIW)工艺,直接在非展开曲面表面制备共形传感器阵列。首先,设计传感器打印流程并编写了运动控制算法。其次,在无人机桨叶表面打印了具有多层结构的传感器阵列来监测应变,并与有限元模型进行对比。结果显示监测数据与模拟数据在趋势上十分吻合,数值误差小于15 %,证明该传感器能够监测零件表面的应变。最后,在曲率更大的螺旋桨表面上打印了传感器阵列,表明该方案具有高适应性及广泛的应用场景。

为解决废气再循环(EGR)模块研发周期长、数字化程度低的问题,提出一种EGR模块的数字孪生系统构建方法。首先,基于数字孪生模型构建理论,从物理模型、数字模型、虚实连接、状态映射及孪生服务等5个方面设计EGR模块数字孪生框架。其次,通过实体三维建模、前端场景搭建及物理脚本挂载等3个步骤来完成数字孪生模型的搭建。针对孪生数据的多源异构特性,提出数据采集与传输方法并实现可视化映射。最后,以Unity3D虚拟引擎为平台,集成上述功能,开发EGR模块的数字孪生系统。通过实验证明系统的可行性与有效性,为EGR模块的数字化辅助设计提供新的思路。

为了减少多焊接机器人协同规划过程的时间以及算力需求,提出了基于有限状态机理论的多焊接机器人协同规划方法。以汽车侧围总成为焊接对象,使用混合遗传-引力搜索算法(Genetic Algorithm-Gravitational Search Algorithm,GA-GSA)求解工作单元中各焊接机器人焊点分配问题,完成焊接路径规划。确认焊接过程中各焊接机器人间碰撞区域,以精确建立互斥区域,使用Stateflow工具对多焊接机器人系统进行建模与仿真。根据实际工况设置系统中各焊接机器人优先级输入以及每个焊点完成焊接任务所需时间,可得该工况下系统中焊接机器人动作最优调整方案。通过2个仿真案例验证了该方法的可行性与有效性,结果表明该方法可以快速有效地完成多焊接机器人协同规划。

针对单关节柔性机械臂控制中存在参数摄动、外部干扰及滤波误差等导致轨迹跟踪精度性能变差的问题,提出一种考虑误差补偿的命令滤波滑模控制方法。首先,给出含不确定项的单关节柔性机械臂动力学方程,设计反步滑模控制;然后,引入二阶命令滤波器获得虚拟控制量的导数,避免传统反步控制引起的“计算爆炸”问题;最后,基于李雅普诺夫理论设计误差补偿机制用以消除命令滤波器所产生的滤波误差。仿真结果表明,当系统存在参数摄动和外部干扰时,所提出的误差补偿命令滤波滑模控制与未加误差补偿的命令滤波滑模控制和误差补偿命令滤波控制方法相比,其轨迹跟踪精度分别提升了19.8 %和74.0 %,滤波误差分别减少了44.4 %和31.4 %。

为了解决传统欠驱动机械手仅能被动适应抓取物体形态的问题,提出了一种基于绳索与形状记忆合金(SMA)弹簧的差动驱动机械手,可以根据被抓取物体特征主动控制手指的抓取形态,更符合人类手部的抓握特点。采用D-H法建立手指的运动学模型,分析了手指的工作空间;根据力矩平衡原理建立了机械手的静力学模型,阐明了驱动绳索的驱动力、手指关节等效刚度对抓取形态的影响规律,并通过ADAMS仿真对理论分析结果进行验证;最后,对样机进行试验测试,研究结果表明,根据物体的轮廓大小,通过主动控制机械手绳索驱动力与手指关节的等效刚度,可以完成包络、捏取等典型的抓取动作,进而实现对不同形状、尺寸物体的稳定抓取。

路径跟踪控制是港口自动导引车(Automated Guided Vehicle,AGV)的一项关键技术,现有路径跟踪控制方法存在难以在U型弯道等具有较大幅度曲率突变的参考路径上保持较高精确性以及实时性较差等问题。为此以无预瞄线性模型预测控制(Linear Model Predictive Control,LMPC)为基础,将传统展开点改为AGV前方的预瞄展开点,提出了基于预瞄LMPC的港口AGV路径跟踪控制方法,并通过联合仿真将其与非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)、无预瞄LMPC进行了对比。仿真结果显示,预瞄LMPC精确性较高,位移误差不超过0.060 2 m,精确性与NMPC相当,显著优于无预瞄LMPC,相同工况下该指标减小幅度可达93.25 %;预瞄LMPC的实时性较好,每个控制周期内解算时间均不超过6.020 3 ms,实时性与无预瞄LMPC相当,显著优于NMPC,相同工况下该指标减小幅度可达72.52 %。

针对基本蜣螂优化算法在路径规划方面存在的路径较长、迭代次数多以及局部最优等问题,提出一种改进蜣螂优化算法。首先利用Chebyshev混沌映射优化其初始群体,以提升个体质量;其次将黄金正弦算法引入觅食蜣螂位置更新策略中,以提升算法的收敛速度,使得算法搜寻有效性得以提升;最后在偷窃蜣螂位置加入动态权重,以扩大算法的搜索范围,降低算法提前收敛的概率。利用栅格地图法建立环境地图,模拟搬运机器人的工作环境,利用MATLAB仿真软件,将改进蜣螂优化算法与基本蜣螂优化算法在不同的栅格地图中进行仿真。通过分析仿真数据得出在3种不同的栅格地图中改进蜣螂优化算法在平均路径长度上比基本蜣螂优化算法分别缩短了31.25 %、10.31 %和8.59 %;在平均迭代次数上分别减少了22.26 %、12.19 %和26.24 %;在平均拐点个数上分别减少了35.11 %、9.52 %和35.09 %。仿真结果证明改进蜣螂优化算法在搬运机器人路径规划方面拥有更好的效果,验证了改进蜣螂优化算法的可行性。

为了提高纯电动汽车再生制动能量回收效率,同时保证车辆制动效果,提出了运用改进鲸鱼算法优化纯电动汽车再生制动模糊控制策略。引入电池荷电状态(State of Charge,SOC)、车速和制动强度作为模糊控制输入,以再生制动比例系数K作为输出,利用改进鲸鱼算法优化控制参数,从而提高前轴电机制动力占比。同时,改进鲸鱼算法的自适应权重避免了算法迭代过程中陷入局部最优。通过仿真分析验证了在NEDC工况下,优化后的模糊控制策略相比优化前和传统控制策略在提高能量回收效果的同时,也满足了制动的有效性。

分别采用常规供液和分层供液对缸筒类零件进行电火花线切割加工对比试验。结果表明,分层供液可在火花放电全过程实现电极丝顺向运丝加工,解决了常规供液方式下电极丝逆向运丝导致的缸筒类零件内部供液不足的问题;提高了极间工作液流速与流量,增强了排屑能力,扩大了放电间隙,改善了极间放电条件,从而提高了火花放电效率和稳定性,对工件切割速度的提高和表面加工质量的改善有重要意义。

为了提高立式加工中心的静动态特性,通过模态分析与谐响应分析对机床整机进行薄弱环节的识别,发现龙门架结构设计不合理,导致机床在竖直方向存在较大变形。针对龙门架的不合理设计,对其采用拓扑优化与二维截面优化相结合的方法确定材料分布情况;并基于MOGA遗传算法,以龙门架质量、最大静变形量与第1阶固有频率为优化目标,对其关键尺寸进行多目标参数优化;再将优化结果与原型进行对比验证。结果表明,龙门架的最大静变形量减小了34.61 %,质量减小了7.64 %,第1阶固有频率提高了6.54 %;整机在X、Y和Z这3个方向的最大振幅均有所降低,各波峰的位置均有不同程度的后移,提高了加工中心整机的静动态综合性能;验证了龙门架的优化效果。

具有相似结构特征的系列化零件模型,为进行高效地零件变更以适应不断变化的设计要求,提出基于特征分解的思想实现模型重构。通过完善布尔分割环组成实现模型分解,将模型解析为特征体的布尔组合;建立模型加权属性邻接图,分割出特征子图,获得分割块与模型整体的几何拓扑关系,以此表征模型分割元素之间的联系;通过判断分割环分割的优先级,从分解过程逆向推导,将分割得到的面壳恢复成特征体,构建基于模型设计历史的有向图表征建模过程;基于几何约束和定位约束实现模型参数化重构。经实例验证,当在满足几何和定位约束前提下对零件模型进行重构时,该方法能够实现系列化零件模型的快速变更。

以航天发动机涡轮轴为代表的瓶腔深孔结构零件,在精密镗削过程中容易出现排屑困难、加工效率低等问题,现对镗孔时切屑的形成进行研究,掌握不同工艺参数对切屑形态以及排屑效果的影响规律。基于Box-Behnken法设计试验,利用有限元分析法模拟瓶腔深孔加工过程,以工艺参数为自变量,建立切屑卷曲半径预测模型,选择合理的工艺参数,优化排屑。进行实际加工试验,验证切屑卷曲半径预测模型的准确性;试验结果表明试验值与预测值相似度达90 %以上,证明了切屑卷曲半径预测模型的有效性、准确性。

高温合金具有良好的耐高温性、抗氧化性和耐腐蚀性,广泛应用于航空航天、能源工业等领域。由于高温合金抗拉强度高、导热系数低、在切削加工中发生塑性变形的抗力大以及切削热集聚和加工硬化严重,是典型的难加工材料,故采用切削方式在高温合金零件上制作小孔具有挑战性。采用螺旋铣孔的方式对钴基高温合金GH605进行小孔加工,设计并进行微细螺旋铣孔正交试验,探究关键铣削参数(主轴转速n、进给速度v_f和螺距s)对切削力F、切削温度T和孔壁表面粗糙度Ra的影响规律。基于试验数据极差分析的结果,并进行螺旋铣削关键参数优化,成功实现高质量直小孔和斜小孔的微细螺旋铣削加工。

介绍了一种相贯线曲线数控切割设备的工作原理、系统结构、拟合插补算法和仿真分析,设计了具有X、Y、Z、U和W轴共五轴联动的相贯线K形坡口数控切割设备。通过五轴联动插补算法控制割炬运行轨迹和切割角度,结合牛顿迭代法与空间解析几何的原理,建立相贯线K形坡口的切割轨迹控制数学模型,通过对相贯线切割轨迹实例算法的仿真模拟和现场实验结果分析表明,K形坡口数控切割设备可以满足实际切割任务的要求。

传统光学角位移测量方法存在光路复杂、抗干扰能力弱等问题。为此,提出一种基于光学编码成像的新型角位移测量方法。首先,该方法借鉴格雷码转换成二进制的原理,在直径为50 mm的圆周面上均匀分布两圈红色、绿色、蓝色(Red、Green、Blue,RGB)色块,通过检测外圈目标点周围的颜色信息将其转换为与绝对位置对应的二进制数;然后,为降低噪声,利用高斯滤波与中值滤波对图像进行预处理,并使用霍夫圆算法定位跟踪目标点以获得其始末位置,从而计算出粗角度;最后,利用视频最后一帧目标点所处位置与最终位置之间的角度对粗角度进行补偿,实现角度测量。通过搭建实验平台与制作实物传感器,在光圈整周360°测量范围内,对实验装置进行精度测量与稳定性实验,实验结果表明,分辨力达到16位,测量均方差为0.23°。提出的新型角位移测量方法为角位移测量领域提供了新的思路。

以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于最大切向力原则和Fourier函数,提出了一种适用于不同叶尖速比的变桨策略,即基于最大切向力原则确定最优攻角,进而生成理论变桨规律曲线;同时为保证变桨规律的周期性和便于实施,将理论变桨规律曲线离散成控制点,采用Fourier函数进行二次优化拟合,进而以数值模拟的方式,从垂直轴风力机的静态启动性能及动态输出性能方面研究变桨规律对其气动性能的影响。结果表明,变桨后垂直轴风力机各叶尖速比的功率系数显著提升,且提升效果在叶尖速比较低时尤为显著,最优叶尖速比为1.25,其功率系数峰值提升了13.5 %;同时垂直轴风力机各相位角的静态启动性能大幅提升,静态力矩系数最大处较变桨前提升了261.1 %。研究结果可为垂直轴风力机的气动性能优化提供参考依据。