复杂机械装备的预测与健康管理专题

专题导语随着新设计理念和新技术的广泛应用,现代工业体系的复杂程度剧增,并且随着装备自动化、集成度和精度的不断提高,对复杂机械装备的可靠性和安全性也提出了更高要求。因此,复杂机械装备的预测与健康管理(PHM)对现代工业具有重要意义,它可以减少潜在的停机时间,提高生产率,使机器既安全又经济地运行。然而,机械装备往往具有复杂的操作条件和组件耦合效应,这给复杂机械装备的PHM技术应用带来了严峻的挑战。

一种六自由度机械手动态参数辨识的研究

针对六自由度机械手动态参数的辨识,提出了一种用于动态参数识别的激励轨迹优化方法。采用逆动力学模型和最小二乘(LS)估计方法估计机械臂的动态参数,通过改进型的傅里叶级数产生持久的激励轨迹,在保留基本动力学参数的基础上,利用Hadamard不等式对动态参数进行估计,简化了优化过程的计算时间。通过对六自由度TX-90机器人进行了模型验证,利用扭矩预测精度验证了动力学参数的可靠性,并与现有方法进行了比较,结果表明所提方法的预测均方根误差较小,优化计算时间得到大幅度减少。

基于改进YOLOv5的机床刀具识别方法

针对目前机床刀具分类应用较少、预处理复杂、目标检测适用范围小且识别精度不高的问题,提出基于改进的YOLO v5机床刀具图像识别算法,利用卷积神经网络在特征提取层加入CBAM注意力模块,可以更清晰地提取图像特征,在特征融合层加入CARAFE上采样模块,使刀具的表面特征恢复更好,可以减少特征融合时部分特征的丢失。实验结果表明,改进后的算法使机床刀具等小目标检测精度和检测速度明显提升,且改进后的模型平均精度为96.8%,比YOLO v4模型提高了14.96%,比YOLO v5模型提高了2%。本方法能对不同刀具进行识别,为工业制造中机械零件的识别提供了新的算法支持。

双级串联调谐质量阻尼器减振镗杆的设计与性能仿真分析

针对大长径比镗刀杆在加工大型复杂零件的孔及孔系结构中容易产生振动、加工效率低且加工质量不稳定等问题,提出了一种内置双级串联调谐质量阻尼器的新型减振镗杆,建立了减振镗杆的力学等效模型,通过求解和分析减振镗杆的振幅比,确定了减振镗杆最优的阻尼器长度及阻尼比。利用MATLAB/Simulink分别求解减振镗杆和普通镗杆的加速度响应信号,结果表明,减振镗杆的吸振性能显著提高,振动衰减时间大幅缩短。应用Workbench对两种镗杆进行模态分析和谐响应分析,得到固有频率和幅频曲线,发现减振镗杆的振幅远小于普通镗杆。本研究为减振刀具的研制与推广提供了一定的理论参考。

采用新编码GA的工艺规划与车间调度集成优化

为了实现以完工时间最短为目标的工艺规划与车间调度集成优化,提出了基于新编码遗传算法(Genetic Algorithm,GA)的集成优化方法。对工艺规划与车间调度集成优化(Integrated Process Planning and Scheduling optimization,IPPS)问题进行了描述,并建立了完工时间最短的集成优化模型;设计一种具有最大柔性空间的染色体编码方法,从编码角度保证了集成优化问题的最大柔性度;根据IPPS问题特定约束改进了交叉变异方法,保证遗传操作前后均为可行解,使算法迭代均为有效迭代;进而制定了基于新编码遗传算法的IPPS问题求解流程。经Kim算例验证可知,与现有先进算法两阶段混合算法(Two-stage Hybrid Algorithm,THA)、改进蚁群算法(Enhanced Ant Colony Algorithm,EACA)和混合遗传算法(Hybrid Genetic Algorithm,HGA)相比,新编码GA在小规模、大规模生产情况下集成优化方案的完工时间均最小(分别为343、344、372、320、427及432 min),实验结果验证了新编码GA在IPPS问题求解中的可行性和先进性。

基于Kriging模型的纵扭复合超声振动加工系统设计

将纵扭复合超声振动应用在加工刀具在切削难加工材料时,可改善工件表面质量和提高加工效率。为了使斜槽式纵扭复合超声振动系统的谐振频率和纵扭转换率达到平衡,对斜槽结构参数(长度、宽度、深度、角度和位置)进行优化设计。运用SolidWorks和Ansys Workbench建立参数化仿真过程,采用最优空间填充设计(OSF)进行试验设计,利用自适应细化的方法提高模型的精度,并结合仿真值来验证Kriging模型的模拟值。通过多目标遗传算法(MOGA)的全局搜索,实现在超声电源频率内(20kHz)输出较大的扭转振幅,进而对优化设计后的纵扭复合超声振动系统进行阻抗和振幅测试,验证了Kriging响应面模型的有效性。

激光参数对硬质合金表面微织构几何结构影响规律研究

为揭示激光加工参数对硬质合金表面微织构结构参数的影响规律,采用纳秒激光器在YG8硬质合金表面制备槽形微织构,研究不同激光参数下硬质合金表面微织构凹槽宽度和深度变化规律,并进行了正交试验及二次响应曲面分析。分析结果表明:凹槽深度和宽度随激光参数变化的规律一致,都随激光功率和扫描次数的增加而变大,随扫描频率和扫描速度的增加而减小。四个激光参数中,扫描功率对凹槽宽度影响最大,其次是扫描频率和扫描速度,对凹槽宽度影响最小的因素是扫描次数;对凹槽深度影响最大的是扫描次数,其次是扫描频率和扫描功率,对凹槽深度影响最小的因素是扫描速度。

基于模拟退火算法的空间直线度误差评定

针对空间直线度误差评定问题,采用模拟退火算法对深孔中线的计算、坐标转换与投影、最小覆盖圆等进行研究。模拟退火算法是基于金属退火机理而建立起来的优化算法,能够以随机搜索技术从概率意义上找出目标函数的全局最值点,得到目标函数取到全局最值点的相关参数,根据得到的相关参数对测点坐标进行坐标转换,并进行最小圆覆盖得到直线度误差。利用MATLAB软件编写程序,对空间直线度误差进行实例计算,并将其结果与其他方法的计算结果进行分析比较,验证了模拟退火算法的可行性及优越性。

深孔光学检测技术及研究现状

深孔加工技术在制造领域被广泛应用。由于深孔内部空间有限,深孔检测存在困难,近年来光学检测方法得到关注,推动了深孔检测技术从人工检测向光学检测方向发展。本文阐述了现有深孔测量工具及存在的问题,总结了现有光学测量方法的测量原理、研究进展及优缺点,并提出了目前尚未解决的问题,最后对深孔检测方法的未来发展进行了展望。

聚焦声透镜对钛钽合金微切削的影响

功率超声振动加工钛钽合金时,空化微射流的数量与速度是微切削加工效率的关键影响因素,使用聚焦声透镜可以提高聚焦区域的声压和空化效率,加工效率随着微射流的数量和速度增大而增大。设计并制作了基于35kHz声源频率的菲涅尔衍射透镜,借助COMSOL软件对透镜工作环境进行模拟,确定最佳工作位置,透镜会改变超声场内声压分布,将声压汇聚在更窄范围内,透镜聚焦增益2~10倍。根据仿真结果进行的钛钽合金空蚀实验结果表明,相较于无透镜组,有透镜组的钛钽合金表面粗糙度变化更大,空蚀坑数量更多,坑深与径宽更大,可以认为菲涅尔聚焦声透镜对钛钽合金微切削有促进作用。

人工颞下颌关节窝假体固定的有限元研究

以一款标准型人工颞下颌关节假体为对象,建立下颌骨骨肌模型,计算获得颞下颌假体关节载荷力,然后基于骨肌模型建立有限元接触力学模型,对关节窝假体进行界面力学分析,揭示可能影响假体固定的主要因素。结果表明,关节窝整体固定能够满足所需的机械强度,当骨质较弱时会产生较大的骨应变,从而影响假体的固定。研究成果不仅能为关节窝假体设计提供分析方法及理论依据,还能为颞下颌关节置换术的固定技术提供参考依据。

高精度封帽机的视觉识别对位方法

针对不同透镜类型的TO (Transmitter Optical)管帽,为了提高焊接产品的同轴精度,设计了一款高精度封帽机焊接系统,其应用视觉对位系统,采用直接识别方法和间接识别方法两种高效率的视觉识别对位方法精准得到TO管帽透镜中心和TO管座芯片发光点的偏差值,反馈于高精度XY对位平台进行定位补偿,再进行预压放电焊接,从而提高产品的同轴精度,使得产品的性能得到进一步提高。

空间RSSR机构运动分析的研究

以RSSR机构为例研究了运动分析结果的可视化问题,首先使用解析法对RSSR机构建立运动分析模型,得到运动分析方程,并通过Matlab函数绘制了输出构件的角位移、角速度、角加速度图;其次基于SolidWorks平台三维建模,使用COSMOSMotion进行运动仿真,也得到对应的运动分析结果。通过运动分析的结果对比是完全相同的,但是采用三维参数化软件进行机构运动分析方法过程简单方便,是空间机构运动分析的发展方向。

多自由度混合冗余驱动机构运动学及可控性分析

提出了兼有混合驱动机构和冗余驱动机构的特点的n-DOF(自由度)混合冗余驱动机构(hybrid redundantly driven mechanism,HRDM)。n-DOF的HRDM由n条对称分布于静、动平台对整个机构不产生约束的支链和一条中间混合冗余驱动支链(hybrid redundantly driven limb,HRDL)组成。机构的自由度由中间支链决定,中间支链由常速电机和伺服电机共同驱动。建立了机构的位置逆解数学模型,进一步对该类机构的可控性进行了研究,得出此类新型混合驱动的空间机构运动是完全可控的。最后,以5-DOF 4-PSS/4R2U HRDM为例,规划工作空间内螺旋曲线,综合运用Matlab和Adams软件验证了所建立的运动学模型的正确性以及机构运动的可控性。研究结果为空间混合驱动机构的发展奠定了理论基础。

基于WOS和Histcite的静电纺丝的研究发展及趋势分析

利用汤森路透公司的Webofscience(WOS)数据库,借助Histcite知识图谱分析软件,从文献发表时间、发文量、作者、文献来源、国家/地区、研究机构以及引文编年图等角度对1950—2018年出版文献中关于静电纺丝技术研究的20000多篇文献进行了可视化分析,梳理国际静电纺丝研究的发展脉络。结果表明:静电纺丝研究从2007年至今,一直保持快速发展的态势;年度发文量持续增长,研究热点主要集中在碳材料、支架材料和组织工程材料等领域;截止到2017年底,我国科研人员被美国《科学引文索引》(SCI)收录的静电纺丝研究论文6056篇,远高于排在第二名的美国的2611篇;但我国论文学术影响力与世界发达国家相比还有一定差距,我国还需要与静电纺丝研究水平位居前列的研究机构开展更为深入的科技交流和合作。

油气管道弯头冲蚀仿真研究及影响因素分析

当管道中输送高速流动的油气时,受固体颗粒的冲蚀,常常导致管道弯头失效。从计算流体动力学的角度出发,应用Erosion/Corrosion Research Center冲蚀磨损模型对油气管道弯头的冲蚀进行模拟,并进一步分析了流体的流动状态及自身的微观属性。首先得出了颗粒直径、入口速度及质量流量分别对管道冲蚀速率的影响。其次根据仿真结果得出不同因素对油气管道弯头冲蚀速率影响程度不同,但它们所对应的最大冲蚀位置均集中于弯管外侧。其中固体颗粒直径在小于和大于800μm的情况下,得到的管道弯头冲蚀规律存在显著性差异。而入口速度和质量流量均对油气冲蚀速率具有正向促进作用,且入口速度对冲蚀速率的影响效果更为明显。

基于凯恩法的大摆角混联机床并联机构的动力学分析

针对一种大摆角混联机床的并联机构,首先对其机构构型进行了描述:然后以输入端和输出端的运动映射为基础,引入凯恩方法根据运动学分析原理来分析动力学问题,分别对输入和输出端运动构件进行动力学建模。假定机床各部件为刚性构件,不存在弹性力和摩擦力,通过综合从而建立并联机构系统的动力学方程,得到并联机构输出运动与所受驱动力的关系。最后,通过算例进行了仿真验证,得到了在给定输出运动时,动平台、滑块及各个驱动支链的驱动力曲线,对进一步分析大摆角混联机床的动态性能、机构优化设计和控制模型的建立等工程应用奠定了基础。

基于灰色GM(0,3)模型的强力旋压筒形件性能预测研究

强力旋压工艺参数严重影响其成形连杆衬套的力学性能。为了科学准确地预测连杆衬套力学性能,本文在正交设计试验的基础上引入灰色系统理论。以旋压工艺参数作为系统相关因素,分别建立了连杆衬套屈服强度、抗拉强度与布氏硬度的GM（0,3）预测模型。结果表明：在回代检验时,三个GM（0,3）预测模型的相对误差均小于10%,模型精度良好。将两组外来数据代入检验时,预测结果相对误差依旧在10%以内。模型能够较准确地预测连杆衬套的力学性能,且建模简单实用,可为实际强力旋压参数的选取提供优化依据。

埋地管道泄漏内封堵装置设计与研究

针对流体输送埋地管道泄漏问题,设计了一种利用管道机器人携带封堵气囊进行快速应急封堵修复的埋地管道泄漏内封堵装置。采用矩阵变换方法建立了牵引系统驱动轮过弯方程,利用MATLAB软件对过弯方程进行了验证,同时利用ADAMS软件仿真分析过弯路径与驱动轮转角对牵引系统行走速度的影响。研究结果表明:由两个串联封堵器组成的应急封堵系统可满足复杂工况下的管道泄漏封堵要求;牵引系统驱动轮在弯管内部行走时,单轮速度呈周期性变化,但三个驱动轮整体周期运动特性一致;驱动轮转角在25°~40°时,牵引系统行走速度与驱动轮转角成正比,且转角为30°时驱动效果最好。该内封堵装置的结构设计可为管道泄漏应急封堵领域装备的研发提供重要参考。

倾斜式物料筛分装置筛箱优化及模态分析

为了提高筛分装置的使用寿命和改善运行过程出现的一些问题,例如侧板开裂等故障,以倾斜式物料筛分装置筛箱为研究对象,利用SolidWorks建立三维模型,运用ANSYS Workbench建立有限元模型并对模型进行模态分析,获得筛箱的固有频率与振型,利用分析结果对筛分装置的筛箱结构进行改进优化。