船舱格子型角焊缝移动焊接机器人系统设计

针对大型船舱格子型角焊缝空间狭小,大型自动化设备与工人难以高质量完成焊接作业的现状,设计了一种可进行连贯直角角焊缝焊接的移动焊接机器人系统。该机器人由机械结构与电路控制系统组成,其中机械结构包括双轴后驱车体、可伸缩接触式传感器、机器人升降旋转复合机构、焊枪位姿调整机构;电控系统硬件包括PLC控制器、行程限位开关、步进电机与配套驱动器、直流减速电机和配套的运动状态调控板。另外,还建立了机器人在直角段角焊缝焊接过程的运动学模型,获取了该段焊缝在均分为10段后每段焊枪的伸缩速度与机器人旋转角速度的数值,为直角型角焊缝焊接的跟踪控制过程提供了PLC编程的数据基础;并基于可伸缩接触式传感器,实现了直线型角焊缝的路径跟踪。实验证明,该机器人能实现小空间直角型角焊缝与直线型角焊缝的连贯焊接,焊缝成型质量好,无焊穿、气孔、焊瘤、咬边、裂纹等不良状况。

大型客机舱门的新型阵风锁机构

阵风锁装置可将飞机舱门开启保持在固定位置,防止因阵风或其他外力作用使飞机舱门晃动。面对客机舱门大型化的发展趋势,阵风锁承受极限风载荷极剧增加。针对现有阵风锁机构单个型面接触承载能力不足,提出二支撑型面承载增大接触面积以减小应力的思路,构造由摆动凸轮、止动摆杆机构等组成的新型阵风锁机构。摆动凸轮与阵风锁支座滚轮接触后转动,联动止动摆杆控制锁柱锁止运动,锁扣配合锁柱锁止阵风锁机构,实现阵风锁利用锁扣配合导杆进行锁止和开启。采用ADAMS对新型机构锁止和开启过程进行仿真分析,验证了运动可行性;进行8级风载荷作用下的ANSYS受力仿真,分析了新型阵风锁的应力和应变情况,相比现有阵风锁,新型阵风锁结构更可靠。

面向车门锁电动吸合开启优先功能的凸轮摆杆柔顺连杆组合机构

针对高端汽车门锁电动吸合及开启优先功能需求,提出了凸轮摆杆柔顺连杆组合机构,构造了双凸轮单摆杆和含弹簧构件四杆机构的组合机构,结合限位块、接触状态、凸轮间歇运动、型面突变等构件特征,可实现柔顺自适应滚滑、刚性拨动、避让释放3种运动模式及各模式间切换;嵌入锁内棘轮棘爪锁紧机构,将组合机构转化为电动吸合与开启支链;对应汽车门锁电动吸合、手/电动开启及复位、吸合复位3种工况,以相应驱动方式和运动边界条件,研究分析了吸合运动与锁内现有支链的运动兼容功能、开启优先功能、吸合卡止情况半锁开启功能。将机构及驱动嵌入车门锁进行仿真,研究了全工况开启凸轮与摆杆、摆杆与棘轮、棘轮与棘爪的接触力;机构仿真实现各功能动作的时间与车门锁设计要求匹配,其由半锁到全锁的吸合过程时间为420.97 ms,复位时间为29.03 ms,手动开启时间为622 ms。

基于GA-BP神经网络和改进粒子群算法的碰撞射流和冷却顶板复合空调系统优化

对碰撞射流和辐射顶板(IJV/RC)复合空调在不同室内负荷条件下运行时的室内热环境进行数值模拟,基于遗传算法-反馈(GA-BP)神经网络建立运行性能(吹风感R_(PD),头足温差Δt,空气交换效率e ACE,工作区平均温度t_(a))与设计变量(送风温度t_(s)、送风速度v_(s)、冷却顶板内表面温度t_(c)、房间负荷Q_(c))之间的预测模型,通过相关性分析确定设计变量对运行性能影响的显著性并排序。结果表明,增大v_(s)可使Δt降低,但R_(PD)增大;增大t_(c)有助于降低Δt和R_(PD),但t_(a)升高;为使t_(a)下降,可通过降低t_(s)来实现,但室内空气质量变差。为确保IJV/RC复合空调能在保证室内热舒适的同时提供良好室内空气品质,利用改进粒子群算法对复合空调的运行性能进行多目标同时优化,建立不同房间负荷条件下的设计参量最优匹配关系。研究结果可为IJV/RC复合空调的优化设计和运行控制提供理论指导。

激光-MIG复合角焊缝成形工艺研究

目前,复合焊接技术研究多关注于薄板拼接焊,角焊缝焊接仍采用单热源,焊缝成形效果差。针对8 mm厚的Q235低碳钢板角焊缝,研究了激光-MIG复合焊接时,各工艺参数对角焊缝成形尺寸及熔池状态的影响。结果表明:MIG弧焊熔池飞溅较大,焊缝熔深、熔宽均较小,加入激光热源后,激光对电弧有一定的稳定作用,熔深、熔宽均增大,余高减小。弧焊熔池尺寸随电流增大而增大,当激光熔池与弧焊熔池耦合较好时,有利于稳定熔池、减少飞溅;随热源间距增大,熔滴不再滴入激光作用区,耦合作用下降;随焊接速度提升,热源在单位长度焊缝作用时间变短,熔深、熔宽下降。当激光功率为1.5 kW,焊接电流为220 A,热源间距为2 mm,焊接速度为600 mm/min时,弧焊熔池与激光熔池耦合好,熔池最为稳定,焊缝成形最佳。

光纤光栅滑触感知和分类训练的材质识别方法

利用光纤布拉格光栅在触觉传感方面的高灵敏和柔韧性优势,进行了滑触感知和分类训练研究,实现了在线材质识别。通过理论分析,优化光纤光栅封装,搭建了光纤光栅滑触感知平台,并研究其上位机控制方法及材质在线识别分类算法,提取中心波长的均值最大差值、差值、极差特征作为三维特征,应用支持向量机算法进行分类训练。训练结果表明,在5、10、15 cm/s滑移的混合数据集下,对粗布、PLA、砂纸800目的分类准确度达96.6%。相较于其他特征分类法,具有更好的分类能力和适应不同滑移速度的优势。在5~15 cm/s随机滑速的36次(3类材质×3个样品×4次滑移)验证测试中正确识别了34次。研究成果可为智能感知机器人提供一种在线新颖的材质识别方法。

基于VMD的圆光栅测角误差补偿方法

针对圆光栅测角系统误差数据,提出了一种基于变分模态分解(VMD)的误差重构与补偿方法。首先,采用VMD算法将误差数据自适应地分解为多个模态分量(IMF),基于各IMF的相关因子值表征其含噪声程度,选择符合条件的IMF重构系统误差,再溯源分析系统误差的主要谐波阶次,建立误差补偿模型。实验结果表明:利用此方法可将圆光栅测角误差的平均值、峰峰值和标准差分别补偿至-0.029″(补偿百分比:90.73%)、1.14″(补偿百分比:51.07%)和0.29″(补偿百分比:57.35%),加入随机误差后也能准确识别误差主要成分。

机器人小跨距长线缆形态模型的构建与研究

核电运维机器人在非结构、狭小空间中工作,线缆为传递能量及信号的重要部件,小跨距长线缆形态模型构建与研究是其稳定可靠运行的关键问题。针对机器人小跨距长线缆外凸干涉触碰风险,提出了采用扭簧臂杆结构支撑线缆,增大跨距使两侧线缆形态保持相对竖直状态,实现线缆不外凸,避免了运动线缆干涉触碰;发现了线缆不发生外凸现象的条件,即两挂靠点跨距L≥线缆最小弯曲直径D。针对机器人小跨距长线缆的标准悬链线描述实际线缆形态失真的问题,提出了以最小弯曲半径作为约束,对两挂靠点跨距L≤3D的情况,构建了线长控制参数b和线缆最小弯曲半径R两参变元的修正悬链线模型;当D<L≤3D时,提出了修正悬链线与标准悬链线组合模型描述线缆实际形态;当L≤D时,提出了修正悬链线与最小弯曲圆弧组合模型描述线缆形态,修正了标准悬链线未考虑线缆弯曲半径约束的形态失真。算例及试验验证了小跨距长线缆新模型合理性和有效性,使线缆模型更符合实际形态。

光纤传感融入机械工程类科研训练的教学研究与实践

机械工程类科研训练课程既要紧扣智能制造特征,又要立足于机械专业本科教育教学的特点。以“穿戴式光纤光栅触压智能感知器”科研训练为例,从核心原理、验证实验、创新实验等方面进行“一个核心、两片旁瓣”的科研训练教学研究。在0~10 N的实验范围内,测得了该触压感知器正、反行程的压力灵敏度分别为5.33、5.44 pm/N,迟滞误差为4.8%。学生通过科研训练实践,不仅巩固了基础原理,而且激发了学生科研创新内驱力。

电涡流柔性触觉传感器的结构设计与实验

基于电涡流原理设计了一种可检测三维力的柔性触觉传感器。该传感器的结构采用多线圈阵列与柔性材料相结合的方式,外部施加的力使柔性材料形变,从而使金属薄层与线圈的间距改变,进而各线圈的感应电压发生变化。通过外部施加的力与线圈输出的感应电压之间的关系,建立对应的特征函数,判断外力施加的方向和大小。根据所设计的传感器结构确定制造工艺并进行制备,经一系列试验测试了传感器的输出特性,结果表明所设计的传感器具备三维传感能力,满足机器人柔性触觉感知和三维测量工作的需要。

基于电弧声能量特征的焊缝位置检测方法研究

提出了一种磁场激励下基于电弧声短时能量的焊缝位置检测新方法。设计了一个磁控声学传感器,利用纵向磁场激励焊接电弧声以提升电弧声能量,根据焊枪位置发生偏差时声传感器在两个传声通道接收到的电弧声信号短时能量差异原理来检测焊缝位置。对传感器做声学仿真表明,在3700 Hz附近传感器声学响应效果较好。进行了搭接焊实验并采集焊枪不同位置的电弧声信号,带通滤波处理后得到3700 Hz附近的声信号,分析不同位置两通道的电弧声短时能量并计算两通道电弧声短时能量差来检测焊缝位置。结果表明,电弧声短时能量差值能够准确地反映焊枪的偏差情况,验证了所设计的传感器在焊缝位置检测方面的可行性。

面向盾牌形貌重建的双层采样点云粗配准方法

针对盾牌表面形貌三维重建过程中点云粗配准精度低和耗时长的问题,文中基于传统RANSAC(Random Sample Consensus)点云粗配准算法框架提出了一种双层采样点云粗配准算法。在第1层每次迭代中,采用单点采样进行刚性约束来减小对应集的大小,将此对应集作为第2层的“内点候选集”。算法第2层执行两个点的连续随机采样以及计算各自的最小模型,通过迭代最大化一致性集合并利用最小二乘法求解出最佳刚体变换矩阵。在实验阶段,采用6组降采样程度不同的盾牌点云,使用RANSAC算法和本文算法进行点云粗配准对比实验。实验结果表明,所提算法在粗配准速度和粗配准精度两方面都优于RANSAC算法,配准速度约为RANSAC算法的两倍,均方根误差为10-3 mm,比RANSAC算法的精度提高近400倍。

基于焊枪摆动和电弧旋转的对接焊缝偏差识别

针对坡口宽度不一的对接焊缝难以实现焊缝偏差识别及自动焊接的难题,提出焊枪摆动和旋转电弧复合的焊缝偏差识别方法。研究对接焊缝在不同焊枪偏差情况下的焊接电流信号,采集电流信号并进行时频分析以选择合适的滤波方法,进行软阈值小波为核心的组合滤波,对滤波去噪后的电流信号作短时能量处理和偏差算法计算。实现焊枪的到边检测与焊缝偏差识别,且偏差结果与设定的焊枪偏差值基本相同,验证整个焊缝偏差识别方法的准确性。

基于双目视觉SGBM与WLS融合算法的茶叶嫩芽定位研究

三维定位是实现采茶机器人精采名优茶的关键技术,对保证机器人采摘茶叶高品质和高产量具有重要的意义,传统的SGBM(Semi-Global Block Matching)算法存在匹配效果差,还原效果不高等问题。本文提出SGBM算法与WLS(Weighted Least Squares)的融合算法,使得茶叶嫩芽深视图轮廓更清晰、前后景分层更明显、还原度更高,实际定位效果更精准。实验表明:采用SGBM与WLS融合算法能够将定位误差控制在1 mm左右,约是同等条件下其他传统融合算法精确度的7倍,提高了机器人采摘茶叶时定位的工作效率,为后续实现采茶机器人智能化提供一定帮助。

基于同伦连续法的飞机舱门提升机构轨迹综合

飞机舱门是进出机舱的通道,其机身导向槽中心线与提升机构末端导向轮运动轨迹重合,保证了舱门开启/锁止可靠。以有序单开链方法建立提升机构2个单开链单元轨迹综合运动学方程组;方程组变量齐次化分组,其Bezout数仅为320,减少同伦跟踪路径;分别进行初始方程组构造和同伦方程组求解,求得了6组杆长非负实数构形解,绘制了单开链单元组合的对应构形。以机构运动空间和提升机构力传递效率进行构形筛选,得到了可实现飞机舱门按期望轨迹运动的舱门提升机构。

基于深度学习三维成型的钢板表面缺陷检测

为了解决二维检测方法难以检测带有深度信息的缺陷问题,提出全新的三维重建网络.提出基于多尺度特征增强的级联式三维重建网络(MFE-CasMVSNet),并与点云数据处理技术结合,用于钢板表面缺陷检测.为了提高三维重建的精度,提出位置导向的特征增强模块(PFEM)和多尺度特征自适应融合模块(MFAFM),对特征进行有效提取并减少信息丢失.提出基于曲率稀疏化的密度聚类方法(CS-DBSCAN),用于精确识别不同部位的缺陷.引入三维检测框,实现对缺陷的定位与检测可视化.实验结果表明,相较于图像几何的重建方法,MFE-Cas-MVSNet能够更加精确、快速地实现钢板表面的三维重建.相较于二维检测,三维缺陷检测能够精确获取缺陷的三维形状信息,实现对钢板表面缺陷的多维度检测.

七自由度冗余机械臂运动学和动力学分析及仿真

针对七自由度冗余机械臂的构型特点,采用改进D-H法建立其连杆坐标系并推导出正运动学方程,基于梯度投影法求解机械手臂的逆运动学问题,利用MATLAB机器人工具箱验证结果的正确性。在SolidWorks中建立机械臂的三维模型,基于拉格朗日方法对该机械臂进行动力学理论建模并利用ADAMS进行动力学分析仿真。结果验证了机械臂运动学与动力学模型的可靠性,为后续控制研究、动态分析与运动优化等问题提供了可靠的试验基础。

穿戴式光纤光栅指套仿生触压感知性能研究

针对灵巧机器手的仿生触压感知功能,以光纤布拉格光栅作为信息传输和感知载体设计了可穿戴的触压感知指套。分别对指套的三种触压状态进行研究,选择触压位置1为垂直指尖,触压位置2为倾斜15°指尖,触压位置3为倾斜30°指腹。触压感知特性分析和实验研究表明,在0~10 N的触压力范围内,该感知指套具有较好的灵敏度和线性度,在位置1、位置2、位置3的平均灵敏度分别为24.119 6 pm/N、10.338 3 pm/N、-1.580 7 pm/N,线性度都在99%以上,该指套能分辨出手指不同触压位置以及加载力(载荷)的大小。为进一步验证指套仿生触压感知性能,进行硬度辨别感知实验,提出了标准触压波深比作为硬度感知的量化表征参数。该传感指套可以感知出四种硬度硅胶,具有很好的重复性,重复性误差分别为3.82%、0.97%、0.51%、0.29%,为灵巧机器手触压感知的深入研究提供参考。

光纤光栅波电转换的人机仿生跟随

为拓展光纤光栅在机器人智能感知领域的应用,设计了光纤光栅感知护具并研发了光纤光栅波电转换系统及其人机仿生跟随的交互操控算法。感知护具中设置有3个光纤布拉格光栅传感单元,主要包括弹性绳的拉力环。通过拉力环对光纤光栅施加预紧力,可有效避免由于衣物或皮肤聚集引起的牵引力方向偏移。光纤光栅波电转换系统对人体手臂的肘关节弯曲角度、腕关节俯仰角度、指关节开合角度进行运动姿态特征提取,分别对应控制机械臂的方向、高度和机械爪开合角度。构建了人体手臂运动角度范围和机械臂运动角度量程的对应关系,获取了检测系数和控制系数,最终通过动态实时波长与PWM控制电信号的转换推导出系统的波电转换系数。实验结果显示,在实验量程内,机械臂的方向、高度、开合控制输出的波电转换系数最大累积误差分别是0.77111%,1.99291%,0.34117%,3个控制角度的输出偏差分别为1.13560°,1.72056°,1.82657°。光纤光栅波电转换的仿生跟随方法具有良好的控制精度,实现了机械臂运动与人体手臂运动的仿生跟随,为智能机器人仿生跟随的深入研究奠定了理论基础。

基于漏磁原理的钢丝绳无损检测励磁结构设计与优化

为提高钢丝绳无损检测装置的励磁效果,基于漏磁原理在不改变永磁体总体积前提下,增加轴向永磁体,通过改变永磁体充磁方向,增加磁路横向磁感线密度,同时在轴向充磁永磁体之间安装电磁屏蔽器避免形成干扰磁感线;使用有限元分析对装置参数进行优化设计后,钢丝绳最大磁化强度提高约8.8%,饱和长度提高约24%,励磁效果优于已有励磁结构。