王时龙 机械制造设备及自动化技术专家

您在自动化、专用数控机床等方面做了很多针对性的研究，请您介绍一下近年来您所从事的科研项目以及成果在制造领域的应用情况。

基于虚拟中心距原理的鼓形蜗杆砂轮成形修整方法

为了在普通蜗杆砂轮磨齿机上磨削面齿轮,提出在普通蜗杆砂轮磨齿机上修整面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮的方法。通过母线螺旋扫掠的方式将面齿轮插齿刀向蜗杆砂轮演变,给出面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮的演变计算方法,建立鼓形蜗杆砂轮的型面方程;分析鼓形蜗杆砂轮型面特征和磨齿机修整机构的运动特性,提出基于虚拟中心距加工原理的鼓形蜗杆砂轮成形修整方法,将砂轮的偏心摆动作为修整冲程运动,通过四轴联动方式修整鼓形蜗杆砂轮螺旋面;最后采用VERICUT对所提修整方法进行仿真验证,表明采用该方法在普通蜗杆砂轮磨齿机上能够有效修整鼓形蜗杆砂轮。

辐照环境下新型气动位置传感器压力响应特性研究

通用气动位置传感器敏感及转换元件涉及电子元器件,无法应用于辐照环境。针对辐照环境下位置传感器的应用问题,提出了一种新型气动位置传感器方案,通过监测对应部位内流场数值变化判断被测件是否达到预设位置。但该方案存在压力响应滞后的问题,导致被测件位置反馈出现滞后现象,因此准确预估滞后响应对传感器的位置补偿并提高位置检测精度至关重要。分析了气动位置传感器的内部流动,建立了压力响应预测模型,通过正交试验揭示了各工程变量对预测模型中系数和响应时间的敏感性,采用仿真对系数进行了进一步拟合。研究结果表明,建立的压力响应预测模型最大响应时间误差在0.01 s以内,当最大速度为100 mm/s时,重复定位误差在1 mm以内,预测模型能满足位置滞后量测量要求。

基于齿面位姿-几何误差模型的大规格滚齿机关键误差识别

为研究影响大规格滚齿机加工精度的关键几何误差,提出了一种基于齿面位姿-几何误差模型结合Sobol法的机床关键几何误差识别方法。首先,基于齐次坐标变换理论,建立了刀具位姿-几何误差模型,通过求解滚齿双参数包络方程,获得了加工齿面接触迹点坐标值,建立了机床齿面位姿-几何误差模型;然后,考虑几何误差的随机性和互耦性,利用Sobol法对该模型进行敏感性分析,计算了几何误差的敏感度系数以识别出关键几何误差;最后,进行了关键几何误差虚拟仿真修正和对比验证。研究结果表明,所提方法能有效识别大规格滚齿机的关键误差项。

云制造环境下的制造资源优化配置研究

为有效地对云端服务资源进行优化配置以降低制造服务成本,在云制造资源优化配置问题进行形式化描述的基础上,考虑物料流和信息流对时间和成本的实际影响,构建了以成本和时间最小化、质量最优化为目标的资源优化配置模型,并采用最大继承法对资源配置模型进行求解,计算结果表明了该模型和算法的有效性。通过与现存算法进行比较,验证了该模型及算法的稳定性和可行性。

基于软插件技术的DNC通信系统研究

描述的系统采用了软插件技术及ＣＡＮＢＵＳ作为数控系统集成化控制的通信平台，解决了数控系统集成化控制的通信竞争问题、环境粉尘及温度对系统可靠性的影响，实现了ＮＣ程序实时传输、异构数控系统集成控制。这种新型的ＤＮＣ通信系统适用于各数控加工车间、数控机床与普通机床混合的机械加工车间集成化控制，可用作未来敏捷制造系统中底层设备的动态重组和集成的工具，具有广阔的应用前景。

一种新型的集成化DNC系统

该系统首次采用 Can Bus作为数控系统集成化控制的通信平台 ,并以软插件技术作为异构数控系统通信协议转换软件的设计核心 ,解决了数控系统集成化控制时的通信竞争问题、NC程序实时传输、异构数控系统集成控制等技术关键问题。是一个集生产管理、工艺设计、DNC控制为一体 ,可以与其它 CAD/CAM系统进行信息共享 。

大型数控滚齿机热误差补偿建模

针对某大型数控滚齿机,提出滚刀与工件主轴中心距热误差计算新模型,建立热误差实验检测系统,进行热误差与温度的关系实验;在此基础上,采用模糊聚类与多元线性回归法建立滚刀与工件主轴中心距热误差补偿模型;将补偿模型与实验数据进行对比分析,揭示滚齿机热误差规律,得到热误差随加工温度变化曲线。研究结果表明:经热误差理论、实验及补偿模型值比较,三者热相对误差均低于5%,验证了所建立热误差补偿模型的正确性与有效性,表明该热误差补偿模型精度高,实用性及鲁棒性强,可为滚齿机热误差预测、控制及实时补偿提供有益参考与指导。

多股螺旋弹簧的空间曲线模型研究

通过分析多股螺旋弹簧的成形原理及结构参数,分别采用空间坐标轴变换、坐标轴角度关系、欧拉角度变换三种不同方法建立了多股螺旋弹簧钢丝中心曲线数学模型。以三股钢丝为例,根据建立的空间曲线数学模型和给定的多股螺旋弹簧参数,使用MATLAB软件绘制了多股螺旋弹簧曲线,并利用参数化建模软件Pro/E完成了多股螺旋弹簧的三维实体建模。结果表明,该模型完全符合多股螺旋弹簧的实体模型,为进一步研究多股螺旋弹簧内部的力学特性和研究其动态设计理论提供了重要的理论依据。

云制造应用模式探讨及方案分析

为了对云制造的进一步研究提供全局指导意义,从商业理念、平台、技术和安全四个方面,探讨了云制造应用模式所需的策略,提出区域云制造平台、重构技术范畴、云安全策略等云制造研究新思路。设计了一个云制造应用模式,分析了其功能要求,开发了其中的部分模块功能,最后总结了云制造的下一步发展及应用前景。

多品种小批量成批成套生产滚动计划的生成方法

针对多品种小批量环境下成批成套生产的特点,将加工对象按实际使用率情况分成关键重要零部件和非关键重要零部件两类。根据知识工程的原理,由关键重要零部件的关键工序元知识生成其生产滚动计划;对于非关键重要零部件按照其特性利用'A、B、C分类计划排配法'生成其生产滚动计划。解决了多品种小批量企业产品的成批成套生产问题。

两端并圈多股弹簧的冲击响应研究

针对实际工作中的多股簧是两端并圈,且主要用作往复运动中的复进簧来承受冲击载荷的问题,推导了两端并圈多股簧的中心线数学模型,通过CATIA软件生成了两端并圈多股簧的三维几何模型,进一步建立了两端并圈多股簧的有限元冲击模型并利用ABAQUS软件进行冲击响应计算。计算结果表明:多股簧受冲击载荷时,使各簧圈产生振动,弹簧上各质点的运动以纵波的形式向固定端传递,并会在固定端和受力端反射,因此弹簧上各质点的位移和速度不再沿轴向呈线性分布;受力端变形大,固定端基本没有变形,当冲击载荷超过极限值时,就会使多股簧的簧圈产生压并现象;实际设计多股簧时,必须进行冲击响应分析,合理选择多股簧的刚度,避免压并现象的发生。

滚刀几何误差与齿轮几何精度的映射规律研究

高精度齿轮是高端装备满足高速、重载、冲击、低噪声(静音)等极端环境要求的必要支撑,为提高滚齿加工精度,实现部分'以滚带磨',降低加工成本,针对滚刀几何误差与齿轮几何精度之间的定量映射规律研究不足,分别开展考虑机床运动精度的滚刀齿廓误差、滚刀螺旋线误差、滚刀安装角径向圆跳动误差与齿轮齿廓误差、基节误差之间的定量映射规律研究。通过产形齿条法,由渐开线滚刀齿廓方程包络生成齿轮齿廓方程。依据微分几何、包络原理,建立滚刀齿廓误差与齿轮齿廓误差之间的定量映射关系模型;建立滚刀螺旋线误差、滚刀安装角径向圆跳动误差与齿轮齿廓误差之间的定量映射规律模型。并根据齿轮齿廓误差与齿轮基节误差间的几何关系,计算得到上述因素对基节误差的映射规律。依据高斯分布规律,建立在考虑机床运动误差影响下,上述三种主要的滚刀误差对齿轮齿廓误差、齿轮基节误差的综合影响规律模型。最终通过仿真,并与实际加工经验进行对比,验证上述模型方法的正确性。从而揭示出滚齿加工过程中考虑机床运动误差的滚刀误差与影响齿轮主要几何精度的齿廓误差、基节误差的本质规律。为滚切更高精度的齿轮副打下理论基础。

数控滚齿机热变形误差分析与补偿新方法

为了对数控滚齿机的热变形误差进行补偿,提高齿轮加工精度,利用聚类回归分析方法,优化选择了热误差补偿过程中的温度测量点。采用最小二乘回归方法建立了热误差模型,实验结果验证,该模型精度高。提出了一种热误差差动螺旋补偿方法,该方法完全采用外部硬件补偿,能够独立地实现对热变形误差的实时补偿。与其他补偿方法对比,该方法不受限于数控系统的开放性,通用性较强。

多品种少批量制造环境下的改进型生产系统

为在多品种少批量制造环境下实现准时制精益生产模式,研究了多品种少批量制造环境下的生产物流特性,构建了一种该环境下的准时制物流体系。通过分析对比看板、鼓-缓冲-绳和固定在制品三种控制策略的优缺点,提出了一种改进的综合型车间物流控制方法。该综合型控制方法融合了看板、鼓-缓冲-绳和固定在制品在不同监控层级的优点,克服了三者在复杂制造环境中各自的不足。基于该控制方法,建立了一套适合于多品种少批量制造环境的车间作业计划系统,并在重庆某企业得到成功应用。

时变摩擦因数对弧齿锥齿轮动力学特性的影响

建立了弧齿锥齿轮多自由度非线性动力学模型,深入分析了时变摩擦因数对齿轮系统动力学特性的影响。提出了齿轮啮合混合润滑模型,利用该模型计算了齿面啮合区域每个网格点的瞬时摩擦因数。与摩擦因数经验公式法相比,该模型能更准确地预测摩擦因数。对比了时变摩擦因数、常数摩擦因数和不考虑摩擦力三种情况下的动态啮合力和传递误差。研究结果表明,时变摩擦因数对弧齿锥齿轮的动力学特性有重要影响。

基于层次化数字孪生的工业互联网制造新范式——雾制造

为打破复杂制造过程中数据融合壁垒并开展大规模的精细化协同数据驱动制造,分析了目前工业互联网在应用推广等方面遇到的问题,阐述了层次化数字孪生、雾计算/边缘计算等新使能技术对解决工业大数据互联互通、人机物数据深度融合、实现“人在回路”智能决策等问题的契机。在此基础上提出一种基于层次化多粒度数字孪生的、可定制重构的工业互联网新模式——雾制造。给出了雾制造的定义,分析了雾制造与传统工业互联网、云制造等的区别。讨论了该模式下一种数字孪生模型的分类,并提出基于自相似分形理论的快速建模方法。在此基础上,提出一种基于数字孪生的人机物虚实融合驱动管控机制。最后,以一个机加工的典型应用为案例验证了所提雾制造模式的可行性和有效性。

振动状态下螺旋弹簧运动状态模型

螺旋弹簧受到冲击载荷时,特别是多股螺旋弹簧,由于有质量、惯性,再加上自身的谐振,钢丝材料的弹性变形、多股螺旋弹簧中钢丝与钢丝之间的相对滑移而产生的摩擦阻力等诸多因素,簧圈的运动将变得非常复杂。基于此,建立一套用于检测振动状态下螺旋弹簧任意簧圈的运动状态模型,用于揭示振动状态下螺旋弹簧任意簧圈的位移、速度、加速度随时间的变化规律,特别是用于检测冲击载荷下多股螺旋弹簧的内部变形规律。试验结果表明:螺旋弹簧运动状态分析模型结合非接触多通道检测装置,可以成功地揭示振动状态下螺旋弹簧任意簧圈的运动状态随时间的变化规律,为螺旋弹簧的动态设计理论的建立提供了试验依据。

冷绕成形螺旋弹簧回弹理论及数值模拟

针对现有研究未考虑张力对螺旋弹簧成形及回弹影响的问题,建立受张力影响的螺旋弹簧成形及回弹理论;讨论当簧丝受弯矩和张力共同作用时,弯矩与簧丝横截面应力、张力与簧丝横截面应力、回弹比与张力的关系;通过大型非线性有限元分析软件ABAQUS 6.8实现不同张力下螺旋弹簧冷绕成形过程的数值模拟。理论计算与模拟结果均表明:张力不同会导致弹簧最终回弹量的不同;张力越大,簧丝在卸载时越容易保持成形时的形状,回弹量越小;实际生产弹簧时,在除张力外的其他参数不易改变的情况下,可通过增大或减小张力的方法来减小或增大回弹量。

数控滚齿自动编程技术的研究

建立了圆柱齿轮滚齿自动编程数学模型,提出了数控滚齿自动编程方法。该方法仅需通过人机界面输入特定参数,在工艺数据库和运算库的支撑下,即可自动生成NC程序。针对西门子840D数控系统,进行了自动编程系统开发,实现了人机界面设计、系统算法设计和功能模块设计。在滚齿机上的应用表明编程效率高、加工零件精度高、算法可靠性强。