为实现腿部机构足端轨迹多样化以增强足式机器人地面适应性,同时提高其运动稳定性,课题组基于曲柄摇杆和曲柄滑块机构设计了一种可调整足式机器人腿部机构.采用解析法对该机构进行了运动学分析,建立了以理想的足端轨迹为设计要求的单目标优化模型,考虑了腿部机构运动过程中的平稳性,引入了速度波动指标,以轨迹-速度为设计目标,采用NSGA-Ⅱ多目标优化方法对机构进行优化,对优化结果进行了对比分析;基于多 目标优化结果建立了腿部机构的足端轨迹库,并进行腿部机构多步态分析;以该腿部机构构建4足机器人三维模型,运用ADAMS对整机进行运动仿真.研究结果表明:多目标优化比单目标优化的轨迹误差增大了 0.16％,而速度波动降低了 5.84％;多 目标优化与已有相关研究相比,速度波动幅值降低了 25.44 mm/s.4足机器人三维模型仿真结果验证了可调整腿部机构的设计具有可行性.
为探究力学载荷作用对碳纳米管(carbon nano-tube,CNT)网络材料微观结构的影响,笔者建立了 CNT网络材料的粗粒化模型,运用粗粒化分子动力学模拟方法对CNT网络在力学载荷作用下的微观结构变化行为进行仿真分析.结果表明:CNT网络材料的取向程度在拉伸应变增加初期增大速率较快,后续随着拉伸应变的增加取向程度趋于平稳,最终会趋近于稳定值0.95;在压缩载荷作用下,CNT网络材料的取向程度会随着应变的增大而减小,且最后减小至0.15;力学载荷速率不会影响CNT网络取向程度的变化规律.
在三维环境中实现连续、稳定和准确地跳跃是单腿跳跃机器人的研究难点,课题组设计了 一种质心可准确抵达三维空间中目标位置点的单腿跳跃机器人.基于弹簧加载倒立摆(SLIP)动力学模型,实现了对机器人起跳速度的控制,使可控连续跳跃成为可能;基于反作用轮倒立摆(RWP)动力学模型和角动量守恒定律,实现了在3个惯性尾辅助下的三维姿态实时控制;集成SLIP模型,RWP模型和课题组提出的落地后转向策略,设计了机器人质心可精确到达预期三维目标点的连续跳跃算法.仿真结果表明:该单腿跳跃机器人可实现在三维环境中的连续、稳定和准确跳跃,从而验证了课题组提出的三维跳跃动力学模型及其控制算法的可行性.
为探究钢-铝搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)接头中不同特征的孔洞缺陷对应力分布的具体影响,课题组利用CATIA二次开发程序对孔洞缺陷开展仿真研究.首先,根据钢-铝焊接接头的特点对孔洞和基体进行简化,为量化分析提供基础;然后,编写CATIA二次开发程序对孔洞进行参数化建模,同时建立基体模型,并对孔洞和基体模型进行布尔操作生成接头模型;最后,利用ABAQUS软件对接头模型进行仿真分析,得到孔洞不同特征变量对钢-铝FSW接头的影响.结果表明:孔洞的参数化建模可以很好地提高建模效率;空间角度α和β对应力分布的影响较大,而空间角度y对应力分布的影响较小;在空间角度相同时,表面孔洞的应力集中系数大于内部孔洞的应力集中系数,表面孔洞的危险程度更大;且应力集中程度最高的位置位于钢-铝交接处.参数化建模和仿真方法为孔洞危险程度的评估提供了一定参考.
为低成本检测永磁直线同步电机动子位置,课题组提出一种新型霍尔传感器检测装置.该装置由一个附加的辅助磁钢和霍尔传感器组成;通过霍尔元件检测电机动子磁场,利用磁场信息计算动子位置;分析霍尔元件检测过程中可能的误差影响,并使用JMAG进行有限元分析,依据分析结果选择最佳安装位置.结果表明:通过分析计算相邻传感器的检测结果可以检测电机动子位置.该装置可以满足低成本检测电机动子位置的需求.
针对目前多数增材制造设备在加工双组分硅胶材料时存在材料属性与工艺参数无法匹配的问题,课题组提出将主动混合技术应用于双组分硅胶的高精度成型,并对此进行了研究.采用控制变量的方法探究了混合间隙以及混合流道长度对硅胶线条成型均匀性以及力学性能的影响;在分析其打印原理的基础上对双组分硅胶打印工艺进行了优化.研究结果表明:双组分硅胶线条的均匀性及力学性能的稳定性随着混合流道长度的增大而增大,而在一定范围内随着混合间隙的减小而增大.通过优化后的工艺参数实现了复杂晶格结构的硅胶泡沫打印,证明了利用主动混合技术打印双组分硅胶的可行性.
针对螺旋挤压机对不同类型畜禽垃圾挤压脱水效果不佳和挤压过程的指标不明确的问题,课题组采用间断螺旋结构对螺旋挤压固液分离机进行优化设计.以压力梯度和出料中水的质量分数作为挤压脱水过程的评价指标,选择螺杆转速、开合行程和入料中水的质量分数为影响因素进行正交实验,探究工艺参数对挤压和脱水效果的影响.结果表明:螺旋挤压脱水过程中对压力梯度影响由大到小为入料中水的质量分数、螺杆转速和开合行程,对出料中水的质量分数影响由大到小为螺杆转速、入料中水的质量分数和开合行程.压力梯度的大小能有效反映挤压过程的挤压和脱水效果,调整螺旋挤压机的螺杆转速和开合行程可适应不同类型的物料;在螺杆转速为25.00 r/min,开合行程为45.00 mm和入料中水的质量分数为84.00％时,螺旋挤压机能实现畜禽垃圾最佳挤压和脱水效果.
为将2斜叶-框式组合桨高效应用于实际工程,课题组以不同质量分数的甘油-水溶液为搅拌介质,通过粒子图像测速技术(PIV)对该改进型框式组合桨搅拌釜内的流动特性进行实验研究,分析了桨间距、顶桨直径和搅拌介质黏度变化对釜内流场产生的影响.研究结果表明:随着桨间距的增加,2桨叶间流体的循环效果先增强后减弱,桨间距C2=0.52H时2桨叶配合最佳;顶桨直径D1=250 mm时形成2个涡合能力较好的涡流,此时釜内流体的整体混合情况较好;随着黏度的增大,2桨叶间扰动增强,整个搅拌釜内速度分布变得更加均匀,表明改进型框式组合桨更适用于黏度较高的溶液中.研究结果可为2斜叶-框式组合桨在聚酯合成工业实际工程生产中提供相关参考.
为了求解内窥镜连续型机器人在驱动下的理论弯曲曲线,课题组建立了以机器人变形单元为对象的弯曲模型.该模型将连续型机器人的整体弯曲问题分解成各段固定丝的变形问题,并以此进行了机器人的正/逆运动学建模;然后依次对驱动丝、固定丝和单节蛇骨之间进行了力学分析,并基于Cosserat杆理论推导出固定丝的弯曲模型,求解出相邻蛇骨间的弯曲角度,得到了机器人的整体弯曲;最后通过MATLAB定点迭代的方式求解了机器人在不同驱动力下的弯曲状态,与16关节样机试验进行了对比.结果表明:误差率最大为6.7％,最小为2.9％,说明了该理论模型的有效性.此模型为内窥镜连续型机器人弯曲求解提供了一种有效的方法.
为了改善光学球罩表面加工过程中效率低、装夹繁琐等问题,课题组设计了 一种针对光学球罩的真空吸附装夹结构.选用"2转动+1摆动+微量进给"的加工工艺对光学球罩的内外表面进行磨削和抛光,并设计了中空的转台结构;分析球罩装夹时所需要的真空负压并验证在此真空负压下球罩在加工过程中不会出现滑移;运用Workbench软件仿真球罩-装夹头模型在加工过程中的变形量.仿真结果表明:在相同参数下内装夹头模型的变形量大于外装夹头;作为装夹头材料,45钢抗变形效果优于铝合金;模型的变形量随磨削力的增大而增大;真空负压及砂轮尺寸对变形量影响较小.该研究有助于提高球罩表面加工的质量和效率.
双边圆筒型永磁直线电机具有较高的空间利用率,在波浪能发电等场合具有良好的应用前景.但其内定子散热困难、内外定子不对称的特点使其磁热特性存在多参数、非线性和强耦合的特征.为实现其磁热特性的准确和快速求解,课题组提出一种磁热网络双向耦合迭代建模方法.首先,建立了电机磁场的自适应磁路,节点间增设半弧形漏磁磁路以精确模拟齿边漏磁,实现了等效磁网络模型的建模求解;其次,依据气体努塞尔数和热阻公式建立了集总参数热网络模型;最后,依据损耗模型的磁热相关性,利用迭代修正方法实现了磁热网络模型的双向耦合求解,改善了内定子温升.有限元及实验结果表明该方法具有快速性和准确性.
针对自动化鞋底涂胶系统中存在的鞋型适用性不高的难题,课题组提出了 一种基于修正PCA(principal components analysis)和双向ICP(iterative closest point)的跨源点云配准算法.对比3种采样方法对最终配准精度的影响,选择了最远点降采样作为配准前对点云的预处理;提出了修正PCA对鞋底点云进行粗配准,为精确配准提供了较好的初始变换矩阵;利用对跨源点云配准鲁棒性较好的双向ICP进行精确配准;根据精确配准结果将标准涂胶轨迹迁移到实时鞋底涂胶系统上,从而得到实时涂胶轨迹.结果表明:修正PCA+双向ICP在快速精确配准跨源鞋底点云上具有优越性,其中双向ICP迭代20轮后误差减小到1.31 mm,相比传统ICP算法误差减小了 1.13 mm;修正PCA+双向ICP算法在处理不同鞋型时具有较好的适用性和精度,配准时间也满足系统要求.该算法可提高传统鞋底涂胶系统对各类鞋型的适用性,具有一定的工程实用价值.
针对目前酒厂人工装盒效率低、生产线占地面积大的问题,课题组设计了一款连续式立式装盒机.该机采用立式环形布局,酒瓶、酒盒经整理等距后无需倾倒可直接进行装盒;装盒模块采用塔式多工位布局,8头装盒执行器相互独立无停歇完成装盒;抓取式装盒能够有效减小装盒过程产生的冲击,实现酒瓶平稳装盒;在此基础上,根据装盒动作设计了圆柱凸轮轮廓线,采用曲线拟合法对圆柱凸轮进行了优化并对装盒模块的运动特性进行了仿真分析.结果表明装盒执行器加速度曲线较为平滑,结构设计合理,能够满足装盒要求.该酒瓶装盒机能够有效提高生产效率,为酒瓶包装提供了新思路.
为实现轴承预紧的动态调节,课题组设计了一种新型的主轴轴承自调节预紧装置.该装置采用对称性结构,可通过调整离心力的输出方向,来满足同向和背对背安装轴承的预紧力调节需求;并且能根据主轴转速变化,利用质量元件产生的离心力自动调整轴承预紧力;通过设计轴承变预载系统,对装置的运行机理进行了分析;利用ANSYS有限元仿真分析软件对装置进行接触非线性分析,研究了装置不同转速时的动态预紧性能.研究结果表明:该装置既能在低速时提供大的预紧力,又能在高速时以二次函数关系式的形式自动减少轴承的预载,具有很好的预紧性能.课题组的研究为轴承预紧结构的设计提供了新思路.
为实现聚光光伏系统的高效跟踪作业,课题组提出了一种可用于太阳跟踪,且具有刚度高、解耦性好及结构简单特点的2-DOF U-RRU-RUS并联机构.首先,运用螺旋理论对并联机构的自由度进行了验证;其次,根据并联机构的几何约束条件构建了运动学逆解模型,并通过对速度雅克比矩阵进行分析可知该机构为解耦机构;然后,基于太阳方向角与机构欧拉角的映射关系,采用数值离散搜索法得到了并联机构的工作空间,并提出了一种工作空间评价指标;最后,基于聚光光伏系统对并联跟踪机构的性能要求,以机构的灵巧度和工作空间指标为尺寸优化的目标,采用遗传算法对主动杆、从动杆和动平台的尺寸进行多目标优化.结果表明优化后并联机构的灵巧度和工作空间都有所提升.虽然优化后并联机构的工作空间在高度角为0°～30°的区域并未完全覆盖太阳轨迹区域,但未覆盖的面积集中在一天中辐照度较低的区域.
为揭示湍动流化过程中颗粒团聚的基本结构,课题组基于矩形喷动流化床对B类颗粒进行试验研究.该实验平台利用控制变量法分析了操作条件、颗粒性质和沿层高度对团聚现象的影响,并提出以颗粒团聚分率来量化颗粒团聚程度.结果表明:床内分别出现了倒U形、U形、环核型、带状和网状5 种典型的颗粒团聚结构;颗粒团聚分率随静止床高、颗粒直径的增加而增大;固定总表观气速,增大喷动气速,团聚分率呈现先减小后增大趋势;增大喷口宽度,团聚分率呈现出"S"型变化趋势;其沿床高则表现出先减小后增大的趋势.该研究对应用湍动流化气固流动结构的工业生产过程提供了实验依据.
针对4 边封包装机由于送膜轴和切刀轴的运动分离控制导致薄膜进给与切刀旋转不同步而影响了加工质量的问题,课题组基于EtherCAT技术原理搭建控制系统整体框架.设计一种电子凸轮曲线,实现追剪过程中执行机构间的速度与位置匹配;以EtherCAT为通信手段,满足执行机构间响应同步需求;另外对机械零位进行周期性补偿,弥补机械误差引起的加工误差.基于该系统实际加工袋长为200 mm的塑料薄膜,误差小于1 mm,且产品没有出现损坏情况.该控制方法能够满足4 边封包装机的加工需求.
为了实现对加工过程中铣削力动态变化的预测,课题组构建了金属材料铣削力及振幅的预测模型.首先通过仿真与试验相结合的方法,探究不同材料在不同主轴转速和轴向切深下的铣削力特性;在确认仿真模型准确的基础上进行铣削力的正交仿真,采用回归分析的方法构建平均铣削力及振幅的预测模型.结果表明:不同材料的平均铣削力受主轴转速和轴向切深的影响不同,但铣削力的振幅大小与主轴转速和轴向切深均呈正相关.课题组所提出的铣削力及振幅预测模型可以为铣削参数的合理选择提供参考.
为进一步比较可靠性工程中评估产品寿命的2种常规方法(双应力同步降压加速寿命实验和双应力交叉步降压加速寿命实验)的实验效率,课题组借助计算机仿真,并调用服从Weibull分布的产品寿命的典型算例,比较了2种实验方法的时间消耗和产品失效速率,发现在相同实验条件下双应力同步降压加速寿命实验方法提高的实验效率更显著.课题组在双应力同步降压加速寿命实验失效时间曲线的基础上,利用蒙特卡罗法研究了Weibull分布中形状参数m对不同样本数与不同应力水平下双应力同步降压加速寿命试验的失效时间和效率的影响.结果表明:在相同形状参数下,各应力水平的失效时间曲线的趋势一致;在同一应力水平下,不同形状参数的失效时间曲线稳定相交于各样本容量的63％.这一结论也适用于其他的双应力加速寿命实验.课题组基于双应力同步降压加速寿命实验方法,建立了一种绕线联轴器加速退化模型,并推导出了一种在绕线联轴器正常工作条件下预测产品可靠性寿命的数学模型.解析结果表明该预测模型能够有效预测绕线联轴器的真实寿命.
为了对砂轮寿命周期磨削性能进行特征提取与智能识别,课题组提出了一种改进的变分模态分解算法与Kriging模型相结合的砂轮寿命周期磨削性能识别方法AVMD-Kriging.首先,通过人工鱼群算法和包络熵适应度函数来优化VMD,以解决VMD中本征模态函数分解个数k和惩罚因子α难以自适应确定的问题;再利用皮尔逊相关系数选取与原始信号相关性最高的本征模态函数并计算其样本熵值组成特征向量,将其输入Kriging模型进行砂轮寿命周期磨削性能识别;最后利用实验采集的声发射数据,将提出的AVMD-Kriging方法与传统的KNN模型、Tree模型进行对比.结果表明:AVMD-Kriging方法的识别准确率优于KNN模型和Tree模型,能有效提高砂轮寿命周期磨削性能的识别准确率,同时具有较好的泛化能力和鲁棒性.
