Aiming at the problem that parallel flexible mechanisms applied in micro/nano-positioning fields struggle to decouple rotational motion from other degrees of freedom to form independent actuation units,the rotational motion decoupling mechanism based on orthogonal arrangements of reed-beam parallelogram mechanisms is extended.By replacing reed beams with arc beams,a series of flexible rotational nano-motion decoupling mechanisms based on arc beams are designed,and their compliance modeling and performance testing are conducted.Firstly,the configurations of flexible decoupling mechanisms with different arc beam heights were introduced.Each mechanism was composed of two identical orthogonal upper and lower parts,which fully utilized the compliance characteristics of arc beams in various degrees of freedom,enabling decoupling among multiple coupled degrees of freedom,including translational motions.Then,theoretical modeling of the flexible decoupling mechanisms was performed based on the compliance matrix method to determine their dimensional parameters and derive their output compliance.Finally,the accuracy of the theoretical compliance models was validated by combining finite element analysis with experiments,and the decoupling capabilities of different mechanisms were compared.The results showed that the relative errors between the finite element analysis and experimental results and the theoretical calculation results of each flexible decoupling mechanism's compliance were within 10%,and its decoupling performance was positively correlated with the height of arc beams on both sides.This type of flexible decoupling mechanism can be applied to the flexible mechanism design for multi-degree-of-freedom parallel micro/nano-positioning platforms,which has certain practical value.
Hierarchical Bayes, or E-Bayes, is frequently used to estimate the failure probability when solving a zero-failure reliability evaluation model; however, the accuracy of the reliability estimation using these methods is not very good in practice. Due to this, a novel double-modified hierarchical Bayes (DMH-Bayes) is proposed for Weibull characteristic data in this study to enhance failure probability estimation and improve reliability point estimation accuracy. Meanwhile, in order to guarantee the preservation of the assessment findings' consistency and confidence level, the parametric Bootstrap method (P-Bootstrap) and the L-moment estimation method based on point estimation are introduced to obtain reliability confidence interval estimates. Based on Monte-Carlo simulation testing and analysis of a gyroscope bearing, the new model is confirmed to have better applicability and robustness while improving the accuracy of reliability assessment.
针对异型零件具有众多复杂的相交特征,加工特征难以自动识别,进而影响其高效、高质量自动编程设计的问题,提出了一种基于图和体分解的加工特征识别方法.首先,以STEP中性文件作为输入,获取异型零件的几何、拓扑信息,以构造其毛坯特征和体积特征;同时,采用布尔减运算得到异型零件的加工体积特征,并将其分解为只含凸边关系的单一特征.然后,设计了一种基于特征面关系的几何特征矩阵(geometric feature matrix,GFM)和拓扑特征矩阵(topological feature matrix,TFM)构建方法,其中GFM侧重描述零件模型中面与面之间的位置关系,TFM侧重描述零件模型中面与面之间相邻的凹凸性,该方法较好地解决了传统属性邻接矩阵(attribute adjacency matrix,AAM)易出现无法准确表达零件加工特征的问题.最后,将异型零件的GFM和TFM与加工特征库进行匹配,以实现其加工特征的识别.在Visual Studio 2019平台中开发基于图和体分解的异型零件加工特征识别系统并开展验证实验.结果表明,所提出的方法能准确识别异型零件的所有加工特征,这可为异型零件加工工艺的自动编制和智能制造提供理论依据.
为了解决目前布放回收自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)自动化水平低、工作效率低、危险性高等问题,研制了一款基于无人水面船(unmanned surface vessel,USV)的AUV自主布放回收系统.首先,通过分析国内外常用AUV布放回收方式和布放回收系统,设计了AUV布放回收系统,并对其工作原理进行分析;其次,分别从力学分析、数值仿真等角度研究了布放回收系统的动力学、静力学及接触碰撞问题;最后,搭建了系统原理样机并进行了陆上实验和湖上实验,通过实验验证了所设计的布放回收系统稳定可靠、操作简单、通用性好,可以有效提高AUV自主布放回收的效率.所设计的基于USV的AUV布放回收系统具有良好的应用前景.
为了解决传统环模模孔疏通中疏通效率低、自动化程度低、易损伤等问题,研发了环模智能定孔疏通装置.设计开发了定孔疏通机械手、下位机软硬件和上位机软.利用高磁导体的铁磁性及漏磁检测原理,将模孔定位疏通模块与霍尔效应检测算法相结合,实现了对堵塞模孔的自动化检测及疏通,提高了模孔定位精度.实验表明,采用环模智能定孔疏通装置,疏通效率可达1260个/h,模孔刮伤率低于0.15%,装置运行稳定,实现了堵塞环模的自动化定孔疏通.研究结果对金属模孔探测及疏通技术的发展具有一定的参考价值.
为了提高聚变堆偏滤器的冷却能力,以满足其高温服役性能需求,基于一体化增材制造技术,以换热量最大为设计目标,采用变密度法对偏滤器中的W/Cu模块进行拓扑优化设计和模型重构,并采用大型商用仿真软件对拓扑优化后的W/Cu模块进行有限元数值模拟及温度场、应力场计算.结果表明,在10 MW/m2稳态热流密度条件下,拓扑优化后W/Cu模块的最高温度降低了108.5℃,仅为512.3℃;W/Cu模块界面处的最大热应力下降了264.2 MPa,仅为486.5 MPa,说明应力分布得到明显改善;W/Cu模块的总变形和弹性应变均大幅减小.该拓扑优化结构的应用可大大提升聚变堆偏滤器实现低成本、高效率、高可靠性的一体化增材制造的可行性.
针对电铲钢丝绳更换效率低下的问题,设计了一种用来更换电铲钢丝绳的机械臂架.以机械臂架末端执行器提取的钢丝绳重力为主要作用载荷,建立了机械臂架动力学模型.利用有限元分析方法、多体动力学分析方法及"弹簧-转子"模型,对臂杆及主要铰接关节进行刚柔耦合动力学分析,研究不同关节刚度对末端执行器动态特性的影响,并根据仿真结果选取各关节较优的刚度,来进一步分析有/无钢丝绳作用对关节角位移和末端执行器位移的影响.结果表明:随着关节刚度系数的增大,关节角位移与全刚体无钢丝绳状态下的偏差逐渐减小,末端执行器的位移逐渐趋近于全刚体无钢丝绳状态;伸缩小臂与弧形臂铰接关节的刚度对末端执行器位移的影响最大;在选取各关节较优的刚度系数后,在钢丝绳作用下伸缩机构与转台铰接关节产生的角位移偏差最小,在无钢丝绳作用下机械臂架的振动幅度大于有钢丝绳作用时.研究结果为机械臂架工作稳定性及运动精度控制研究提供了参考.
针对复杂地形环境下搜救机器人越障性能的要求,设计了一种轮式搜救机器人的被动地形自适应机构,并对其越障性能进行了分析.首先,在分析传统越障机构的基础上,开展了地形自适应机构的选型,并结合遗传算法对其进行优化,完成了对轮式搜救机器人被动地形自适应机构的设计.然后,基于达朗贝尔原理建立了轮式搜救机器人的动力学模型,并对其越障能力进行了分析与计算.最后,建立轮式搜救机器人的多刚体动力学模型,开展了越障性能仿真,并与理论计算结果进行了对比.对比结果验证了轮式搜救机器人的越障及地形自适应能力.研究结果可为轮式搜救机器人样机的搭建及后续研究的开展提供理论依据.
为了进一步满足探月工程、深空探测和其他天文观测任务的需求,对设计初期只配置了一个S/X双频馈源的昆明40 m孔径全可动射电望远镜进行升级改造,研制了其换馈系统.在不改变现有天线结构及光路的基础上,拆除了原S/X双频馈源,安装了新的S/X双频馈源,并增加了C频段、Ku频段馈源;给出了换馈系统的详细设计和实施方案,实现了3个馈源间自动快速可靠的切换.对馈源改造之后的天线性能进行了测试,结果表明,天线的主要性能指标有所提升.馈源及换馈系统改造之后,大孔径全可动射电望远镜具有多频段接收能力,能够完成更多频段的天文观测和深空探测任务,提高了望远镜的观测效率和科研产出.
针对2个异步电机安装在2个不同质体上的振动系统在部分参数条件下不能同步运转或同步相位差不满足设计要求的问题,提出采用主从控制结构和滑模控制算法对异步电机进行矢量控制,以使振动系统实现0或π相位差的同步运转.首先,基于拉格朗日方程建立了振动系统的运动微分方程,并推导了其固有频率的表达式.然后,设计了振动系统异步电机的控制器,并分别证明了其稳定性.最后,在MATLAB/Simulink环境中建立了振动系统的机电-控制仿真模型,开展了自同步和控制同步仿真并进行了对比.结果表明:所设计的控制器可使振动系统实现0或π相位差的同步运转.研究结果可为双异步电机驱动双质体振动系统的研制提供参考.
为了准确地确定产品人机工程问题,以提升人机交互性能,运用TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatc,发明问题解决理论)提出了基于功能表面驱动与可拓工具的冲突区域确定方法.首先,利用功能表面改进功能过程模型,识别人机工程问题的初始问题功能元,并结合可拓表达和相关分析完成初始问题功能元的转换及最终问题功能元的确定.然后,利用功能表面改进功能关系模型,识别产品的初始冲突区域,并结合可拓表达、相关分析、蕴含分析和优度评价完成初始冲突区域的转换及最终冲突区域的确定.最后,利用标准解对冲突区域中的不良作用进行求解,并通过优度评价完成方案的评价和筛选.通过割草机改进设计实例验证了所提出方法的可行性.研究表明,该方法有助于交互式产品冲突区域的确定,提高了其人机工程问题的解决效率.
传统缺口型柔性球铰的工作行程较小,且存在结构构型及柔度计算复杂、加工工艺要求高等问题,不能应用于需大行程的场合.为此,设计了一种正交簧片型大行程柔性球铰,即将具有较大变形能力的簧片梁通过正交组合形成虎克铰,使其能够实现3个功能轴线方向的运动.该柔性球铰具有结构构型简单、加工制作容易和工作行程较大等优点.根据柔性球铰单个簧片梁的柔度矩阵及连接方式,采用柔度矩阵法和坐标变换方法,对柔性球铰的全局柔度矩阵进行建模和计算,通过有限元仿真和实验测试对所建立的柔度模型进行验证,并分析了柔性球铰几何参数对柔度的影响规律.结果表明:柔度理论计算值与仿真值的相对误差基本在10%以内,与测试值的相对误差在8%以内;几何参数对柔度影响程度从大到小依次是柔性簧片梁2的厚度、宽度、长度.研究结果可以为大行程空间柔顺机构的多样化设计提供参考.
螺杆马达是螺杆钻具的动力总成,其截面线型直接影响自身的各项工作性能.良好的工作性能是螺杆马达的设计目标.为获得工作性能良好的螺杆马达,首先,根据螺杆马达的工作原理和结构特点,提出了其效率、密封腔可靠性和稳定性的评价准则.然后,通过建立螺杆马达流固耦合三维有限元模型,基于显式非线性瞬态动力学方法分析了短幅内摆线螺杆马达密封腔接触带的接触力在不同负载工况下的变化情况.最后,基于螺杆马达效率的评价准则,针对影响短幅内摆线螺杆马达效率的关键因素,设计了一种类圆弧线型螺杆马达,并通过数值模拟和实验证明了该螺杆马达具有较好的工作性能.结果表明:在相同的负载工况下,相较于短幅内摆线螺杆马达,类圆弧线型螺杆马达密封腔的稳定性和可靠性更好,且在较高负载工况下具有更好的工作性能.研究结果为后续高性能螺杆马达的线型设计奠定了基础.
六维力传感器作为重要的空间力感知元件,被广泛应用于机器人的力/位置控制、抓取装配、轮廓检测、自主避障和人机交互等.目前,提高精度是六维力传感器的主要研究方向之一.但由于受到自身结构和加工误差等因素的影响,六维力传感器会产生维间耦合现象,而维间耦合是影响其精度的重要因素.为减少耦合误差的影响,采用误差分析、理论推导及实验验证相结合的方法对六维力传感器的解耦算法进行研究.首先,对六维力传感器进行了耦合分析,得到其耦合模型.然后,对六维力传感器的线性解耦算法进行研究,并在此基础上提出了基于多项式拟合的解耦算法,以在不改变六维力传感器结构的前提下减小耦合误差,从而提高其精度.最后,选用正交并联六维力传感器开展标定实验,并分别采用2种算法进行解耦求解.结果表明,基于多项式拟合的解耦算法能减小维间耦合对六维力传感器精度的影响;所提出的解耦算法有效地提高了六维力传感器的精度,与线性解耦算法相比,最大耦合误差减小了8.914个百分点且线性度误差减小了0.111个百分点.研究结果可为六维力传感器维间耦合误差的减小和精度的提高提供参考.
CRTSⅢ型无砟轨道板是现代高速铁路运行的基石.但由于轨道板的尺寸较大,且其承轨台的轮廓复杂,对表面精度的要求较高,传统的抽样检测方法无法实现每块轨道板的生产溯源.为此,提出了一种基于点激光测量技术的立式CRTSⅢ型无砟轨道板轮廓尺寸的快速检测方法.首先,采用点激光传感器配合磁栅尺同步采集轨道板及其承轨台轮廓的关键数据.然后,设计了基于差值处理的点激光数据预处理方法,并采用最小二乘法拟合计算关键轮廓尺寸,以实现在轨道板生产线要求的生产节拍内完成轮廓尺寸的自动检测.分别采用所提出的检测方法和三坐标检测法对同一轨道板的9个承轨台进行检测并对比两者的精度,结果显示2种检测方法的测量结果相差较小;利用所提出的检测方法对承轨台的小钳口距进行5次重复测量,结果显示最大极差为0.010 mm.研究结果验证了基于点激光的检测方法具有较高的精度和良好的一致性,能够大幅提高轨道板的检测速度,具有很高的应用价值.
水下焊接的应用领域广泛,但其焊接质量难以保障.针对水下焊接处理过程中存在的非线性程度高、参数耦合性强以及检测效率低等问题,提出了一种新的基于声信号识别的水下焊接质量检测方法.该方法通过在水下构建基于声信号采集的监测系统,实时采集焊件焊接过程中的声信息,并通过对声信号进行滤波降噪处理和特征提取,构建双权值神经网络(double-weight neural network,DWNN)模型.该模型具有优秀的高维数据非线性拟合能力,可实现水下焊接多参数与声信号多特征之间的非线性映射,且在小样本情况下仍能实现高精度的模式识别.以高强度低碳合金钢——HSLA-115钢作为焊接对象,开展水下焊接质量检测实验.结果表明,DWNN模型应用于水下焊接质量检测的识别精度可达100%.研究结果可为水下焊接工艺的优化和水下焊件专家知识库的构建提供参考依据.
数字孪生是一个旨在物理空间与虚拟空间之间建立实时映射的概念.为拓展数字孪生技术在激光加工领域的应用,以纳秒激光打标机加工7075铝合金为例,阐述了有限元仿真在激光加工领域的重要作用,但由于有限元仿真计算量较大且目前计算机的运算水平有限,存在仿真计算时间较长的问题,无法满足数字孪生技术所需的实时映射.为此,提出了利用CGAN(conditional generative adversarial network,条件生成对抗网络)模型代替有限元仿真的方法.该方法先利用图像化处理后的工况图像和由有限元仿真获得的温度云图对CGAN模型进行训练,随后将训练好的CGAN模型封装,用于构建基于数字孪生的激光加工零件表面温度监控系统.在完成数字孪生温度监控系统虚拟端的搭建后,使用MQTT(message queuing telemetry transport,消息队列遥测传输)通信协议与实体端进行数据交互,实现数字孪生系统的远程监控与操作.基于数字孪生的激光加工零件表面温度监控系统实现了零件表面温度的快速仿真计算,解决了有限元仿真计算时间长、无法实现实时映射的问题,基本能够满足激光加工零件表面温度的监控与预测,在激光加工温度监测领域具有一定的参考价值.
针对大转动惯量碳纤维缠绕机的加速和减速阶段运行不平稳、传动件易失效破坏等问题,提出了一种基于改进型Sigmoid加减速曲线的主轴运行曲线优化方案.首先,利用五次多项式对传统Sigmoid加减速曲线的跃变处进行补偿,以约束曲线起始点、衔接点、终止点的速度、加速度和急动度(加加速度).然后,基于改进曲线的速度与加速度函数建立缠绕机的负载扭矩、电机输出功率、主轴强度与刚度以及缠绕圈数的数学模型,并以各阶段运行时长为设计变量、以电机最大输出功率最小和总运行时长最短为优化目标对曲线进行多目标优化,根据缠绕圈数、传动件强度与刚度等的约束条件,利用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ,非支配排序遗传算法-Ⅱ)求解模型的非支配解集,并利用比重选取函数选择最优解.最后,通过AMESim-ADAMS联合仿真对比加减速曲线优化前后缠绕机的运行效果.结果表明:优化后缠绕机的总运行时长、最大加速度、最大负载扭矩和最大输出功率分别降低了41.7%,75.8%,75.5%和72.8%,且主轴的运行曲线更加平滑,验证了优化方案的可行性.研究结果为大转动惯量旋转设备的运行不平稳或传动件失效问题提供了一种新的解决思路.
在汽车生产环节进行数字建模、系统仿真与优化对提升汽车的生产质量和效率具有重要意义.为了解决目前汽车制造企业普遍存在的因数据链断裂而导致的资源配置效率低下等难题,以汽车涂装车身缓存区(painted body storage,PBS)为研究对象,提出了一种新型的数字底座平台,来实现数据链整合和多源异构数据融合.同时,设计了一种针对PBS的车身调序策略,考虑了总装工艺对车序优化的约束,采用遗传算法获得了PBS出车序列,然后以逆序数对为参考指标,进行PBS车道排布.将基于数字底座的PBS系统应用于某汽车制造企业,应用效果验证了所提出方法和策略的有效性.研究结果为企业构建内部集成制造平台和设计具体车间单元提供了参考.
