飞行器智能蒙皮异质多层电路制造技术进展

智能蒙皮在飞行器承载结构蒙皮表面集成异质多功能电路系统,是实现未来变体飞行器“Fly-by-Feel”的使能技术。飞行器智能蒙皮涉及多功能分布式传感系统、共形天线、频率选择表面、防/除冰等功能模块,这提升了飞行器态势感知能力并促进其结构向轻量化发展,其技术关键在于复杂3D结构表面异质多层电路的成型制造。针对智能蒙皮多功能电路制造难题,本文对不同种类曲面功能单元制造中的难点进行详细分析,并对比阐述适用于不同类型结构的制造技术,包括共形打印、通孔互联、曲面贴装、薄膜制备等。最后总结和展望了智能蒙皮异质多层电路制造技术面临的挑战和潜在解决方案,为下一代飞行器智能蒙皮制造技术的突破提供有益的参考。

求解燃气轮机制造车间调度的混合和声搜索算法

燃气轮机生产属于典型的离散型制造,其多品种小批量的生产特点给车间作业调度带来挑战,导致企业生产效率低下,不能满足产品交货期。因和声搜索算法结构简单易操作,常用于解决此类作业车间调度问题。然而传统和声搜索算法收敛速度较慢,易陷入局部最优。本文构建以最小化最大完工时间为目标的燃气轮机制造车间调度数学模型,提出一种离散型改进多种群混合和声搜索算法进行求解。结合和声搜索算法与变邻域搜索算法的优点,采用基于工序的编码方式进行编码,在种群更新部分引入模拟退火的Metropolis接受准则,提高种群多样性;提出自适应的记忆库保留概率和音调调节率来调节参数,以提高算法的全局寻优能力;加入变邻域搜索以提高算法的收敛速度。通过性能测试及实例验证表明,相较于已有算法,所提算法具有更好的性能。

智能制造测量机器人关键技术研究综述

复杂曲面构件是航空航天、海洋舰船等领域高端装备的核心组成部分,其测量精度对保障高端装备制造品质具有不可替代的基础支撑作用。为克服传统手工、专机等制造方式的局限性,三维视觉引导的机器人系统为复杂曲面构件的高端化智能化加工提供新思路,并逐渐成为机器人化智能制造领域的研究热点。综述围绕机器人三维测量方法,首先根据传感器类型和应用场景,对不同制造场景的测量方案特点进行全面归纳,以帮助研究人员快速全面地认识和理解该领域。然后按照测量流程,将关键核心技术归纳为系统标定、测量规划、点云融合、特征识别等,综述各类别近十年的主要研究成果,分析现有研究存在的不足。最后总结机器人测量面临的技术挑战,并从应用场景、测量需求、测量手段等方面对未来的发展趋势进行了展望。

基于多目标遗传算法的斜盘式轴向柱塞泵低脉动结构优化设计

由于轴向柱塞泵的非对称结构特性,其输出压力和输出流量存在脉动特性,对液压系统的输出稳定性和可靠性造成影响,因此提出了一种基于多目标遗传算法的斜盘式轴向柱塞泵低脉动结构优化设计方法。首先,通过CFD(computational fluid dynamics,计算流体动力学)仿真分析方法,对轴向柱塞泵上/下死点位的压力-流量脉动的产生机理进行了分析;其次,对阻尼槽结构参数对轴向柱塞泵输出压力-流量脉动的影响规律进行了分析,构建了阻尼槽结构的多目标优化模型;最后,求解了低脉动阻尼槽结构。优化后的结构参数:阻尼槽半径为2.21 mm,阻尼槽长度为10.32 mm,阻尼槽错配角为16.54°。优化后压力脉动率为0.59%,相比于优化前的0.75%降低了0.16%,脉动幅值为0.25 MPa;优化后流量脉动率为12.02%,相比于优化前的5.61%降低了43.59%。研究结果为轴向柱塞泵低脉动结构的优化设计提供了有效的理论支持和实践指导。

航空导向器三维测点处理与喉道面积精确计算

导向器是航空发动机的重要部件,喉道面积作为其关键参数直接影响发动机动力性能。针对导向器喉道面积现有测量方法效率低、喉道面积估计不准的问题,提出了导向器三维测点处理与喉道面积精确计算的新方法,并在多联叶片导向器样件上开展了该方法与三坐标测量计算方法的对比实验。实验结果表明,所提方法得到的喉道面积更精确,且多次测量计算结果具有较高的一致性。

低速大扭矩水液压马达的深海性能迁移特性

为实现深海水液压机械手回转关节的稳定输出,研制了一种新型阀配流低速大扭矩水液压马达。搭建了其数学及物理模型,完成了马达与机械手腕部关节的集成设计,通过马达的AMESim仿真模型分析了深海环境对马达输出性能的影响。研究发现:随着海深的增加,马达的输出扭矩显著降低,输出转速也出现一定变化,环境压力从0 MPa增加至120 MPa的过程中,马达的输出扭矩累计降低了34%,最大稳定转速却较陆上工况增加了13%。此研究为马达的结构优化与深海作业控制提供了理论依据。

软体技术在机器人化制造中的应用与展望

当前,传统的制造方案已无法满足日益严苛的大型工件制造需求,机器人化制造方案成为解决问题的关键,但目前还存在诸多局限,例如:结构复杂、适形性低、容易对工件造成破坏、加工-检测一体化难等问题。针对上述问题,提出了将软体技术与机器人化制造系统融合的思路,在机器人化加工、检测和装配3个场景中引入软体变刚度技术、柔性传感技术和软体夹持器技术,赋予机器人化系统轻量化、顺应化、无损化、无感化、集成化等优点,为机器人化制造提供全新的解决方案。并且,针对机器人化制造未来的发展趋势,分析了软体技术巨大的应用潜力,进一步推动机器人化制造向着共融机器人方向深入发展。

液滴撞击柔性基底研究进展

液滴撞击固体基底现象广泛存在于自然界、日常生活及工业生产中.在多数液滴撞击场景中,固体基底可以近似地视为理想刚性基底.然而在一些场景中,具有较小杨氏模量或者几何结构为薄壁或细长类的固体基底在受到液滴撞击后会产生明显的变形,而固体基底的形变反过来又会影响液滴的动力学行为.相比于刚性基底情况,液滴与柔性基底的耦合作用可能会引发新的动力学现象和机制.因此,柔性基底液滴撞击动力学的研究很有意义,也成为一些学者当前关注的研究焦点之一.根据几何结构的特点,柔性基底可以分为柔性体、柔性面和柔性杆3种类型.文章据此分类介绍与这3类柔性基底相关的液滴撞击动力学的研究进展.柔性基底的可变形性是导致其液滴动力学与刚性基底液滴动力学存在差异的根本原因.现有的研究表明,基底柔性对液滴撞击的接触时间、最大铺展因子、气泡捕获、回弹和溅射等方面均存在着影响,其中关于接触时间及溅射方面的结论可能为制造防水、抗冰和防溅射材料提供新思路.

基于右移修复编码方法的装配作业车间调度算法

针对智能优化算法求解装配作业车间调度问题时存在的基于工序的编码方法无法保证解的可行性问题,提出一种右移修复编码方法。该编码方法通过特定区域的右移操作,既能满足产品的装配关系约束,保证算法迭代时解的可行性,又能保证修复过程中底层工序的相对顺序不变,尽可能减少对原始解的破坏,提高初始解的多样性,实现对解空间的高效搜索;针对编码解设计了一种基于块的插入变异算子,以扩大解的搜索范围;最后,在经典遗传算法中使用了该编码方法和变异算子,并与已有算法进行对比,验证了所提方法的有效性。

数字孪生驱动的机床能效监测方法研究

能效提升作为数控机床绿色化、智能化发展的重要内容,如何在多源影响因素下实现准确监测与状态评估,成为激发能效提升潜力的关键问题。为此,提出了一种基于数字孪生的机床能效监测方法。首先,通过分析机床能量多源特性,建立各阶段能耗与能效模型。利用有限元仿真完成机床加工全过程的数字孪生体,并输出多源能耗仿真数据。根据多传感器的数据采集装备与集成学习算法,完成实时加工能耗的处理与分析,并实现对机床能效的准确监测以及运行状态的精准评估。结合孪生数据的三维映射关系,辅助生产过程中的决策优化,从而实现节能增效的目的。以多工况数控铣削加工为应用案例,结果表明能效监测误差总体小于7%,对机床运行状态预测准确率大于95%,验证了上述方法的可行性与有效性。

基于自适应切换迭代学习的绳驱踝外骨骼力控制器设计

人-外骨骼构成强耦合系统,步态的偶然变异对控制器产生较大干扰,导致系统震荡。针对这一问题,提出了一种自适应切换的迭代学习控制策略。在峰值误差较大时,采用峰值迭代学习控制,仅对力控信号峰值点进行迭代更新;当峰值误差较小时,切换为传统的PD型迭代学习控制,对力控信号所有点进行迭代更新。为进一步改善控制效果,设计了前馈控制器来补偿鲍登绳传动的非线性摩擦。仿真和外骨骼实验结果表明,与传统PD型迭代学习算法相比,自适应切换的迭代学习控制策略保证了助力曲线的平稳升降,同时该策略具有更快的收敛速度以及受干扰后更快的恢复速度,实现了行走过程中辅助力的准确跟踪控制。

机器人轮带磨削的重力补偿设计及加工工艺(特邀)

机器人辅助轮带磨削是一种基于计算机控制光学成形技术的确定性加工方法,具有成本低、柔性好、智能程度高且操作空间大的优点,因此机器人辅助轮带磨削作为一种较低成本的高精度、多自由度加工方法逐渐受到关注。文中介绍了所设计的机器人辅助轮带磨削系统结构及其加工原理,装置通过气动系统进行输出压力的柔顺控制。研究了任意加工姿态下机器人辅助轮带磨削中的恒力加载问题,分析了轮带磨削工具悬臂组件重力分量对其末端输出接触力的影响,建立了末端执行器的重力分量模型,并提出了基于姿态传感器的重力补偿控制方法,能够实现0~63 N范围内的恒力控制,并且最大压力波动小于1.82%,重力补偿系统的响应时间小于300 ms,实现了轮带磨削工具在任意姿态下的恒力加载。最后,根据Hertz接触理论和Preston方程完成了磨削工具在工件接触区域内的压强分布和速度分布分析,建立了轮带磨削工具的去除函数模型,并对碳化硅曲面与硫化锌非球面进行修形磨削实验,验证了装置加工的稳定性。

基于数字孪生的复杂件多机器人智能加工方法

针对舱体类构件内部存在众多复杂相交特征且可行空间狭小,其内壁等加工有极大困难,制造设备的加工效率和智能化水平难以满足航天装备快速和高质量发展需求问题,为提高舱体类构件制造设备的加工效率和智能化水平,提出了一种基于数字孪生的多机器人智能协同加工方法.构建了不同功能机器人协同加工系统虚拟空间、物理空间和信息数据层的数字孪生框架,详细阐述了孪生数据源及类型、数据融合和数据存储等孪生数据模型的设计;建立了多机器人协同加工优化控制与决策模型,研制了多机器人智能加工软硬件平台,实现了虚实映射与交互以及加工系统在线监控.以某型号飞行器舱段精密铣削和测量工艺为案例进行验证与分析,优化加工路线,提高加工效率,验证了该方法的可行性与高效性.

仿生类弧形层级蜂窝结构的耐撞性研究

蜂窝结构是目前应用最广泛的吸能结构之一,以益母草根茎、四方竹及蛛网为仿生原型,仿生设计一种类弧形层级蜂窝结构。采用简化超折叠单元理论推导出仿生类弧形层级蜂窝结构在轴向冲击载荷下平均碰撞力的解析值,通过数值模拟的方法验证了理论值的准确性,分析了层级数量与尺寸参数对结构耐撞性的影响。研究结果表明,增加层级数量可以有效降低类弧形蜂窝结构的峰值碰撞力,同时也可大幅度提高结构的平均碰撞力,1级与2级结构的平均碰撞力相比0级提升明显,分别提高了25.46%和29.98%;增加壁厚与壁长可以明显改善结构的耐撞性,其中,壁厚对结构平均碰撞力和比吸能的影响更加显著。

基于增强吸附吸盘技术的六足爬墙机器人的开发和优化

如今,爬墙机器人在工业界和我们的日常生活中都很常见,工业界期望其能在不同表面和形状的场景下爬行。然而现在的爬墙机器人仍然有很多限制。例如,最常见的商用爬墙机器人使用吸盘来创造对某些类型表面的附着力。吸盘只在光滑和无孔的表面上工作,而磁轮机器人只在铁磁性墙壁上工作,两者在许多情况下都有局限性。提出了一种对称分布式的可吸附六足爬墙机器人,采用了一种新型的吸附装置,结合智能材料MRE和真空吸盘,以确保该机器人在爬墙过程中具有足够大的吸附力和良好的吸附稳定性。然后建立了静电吸附垫的理论模型,有助于研究人员根据本论文中阐明的原则设计和制造更好的静电吸附垫。理论计算和实验证实了这种吸附装置具有良好的性能,适合应用于爬墙机器人的足末端。爬墙实验证明,该爬墙机器人可以在无线控制下进行稳定的爬行。

极大似然噪声估计的高动态范围叠层衍射成像术

衍射场作为叠层衍射成像技术(ptychography)的重要约束,其信息的丰富度和准确性将直接影响重构质量。提出一种基于极大似然噪声估计的高动态范围(ML-HDR)叠层衍射成像方法,即在探测器线性响应假设下,构建复合高斯噪声模型,根据极大似然估计求解最优权重函数,由多张低动态范围衍射场合成高信噪比衍射场。对比了单次曝光、传统HDR和ML-HDR三种方法的重构质量。仿真和实验结果表明:相比单次曝光,ML-HDR能将动态范围拓宽8位,重构分辨率提升至2.83倍;相比传统HDR,ML-HDR能提高重构图像的均匀性和对比度,且无需额外标定硬件参数。

基于各向异性材料插值的点阵散热结构跨尺度拓扑优化

点阵结构凭借其轻质、快速散热等特点,广泛应用于信息电子、航空航天等领域,提出了一种基于各向异性材料插值的点阵散热结构跨尺度拓扑优化方法。在微观尺度上,设计了添加连接壁的十字型点阵单胞,保证了相邻单胞的连接性,通过旋转单胞使其呈现各向异性的热学属性,并改变其体分比进一步扩大设计空间;在宏观尺度上,以最小化散热柔度为目标、高导热材料体积分数为约束,构建了点阵散热结构拓扑优化模型,基于各向异性材料插值函数快速计算单胞的宏观等效热学属性,同时优化点阵单胞在宏观设计域的分布、点阵单胞的几何参数与旋转角度。最后,结合算例实现了不同边界条件下的点阵散热结构跨尺度拓扑优化。进一步考虑最小化平均温度、最小化温差、最小化最高温度等三类典型热学性能目标,开展跨尺度拓扑优化设计,结果表明提出方法设计的点阵结构具有良好的热学性能。

面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化

多孔结构具有轻质、散热快等特点,在航空航天、信息电子等领域应用广泛,提出了一种面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化方法。在微观尺度,采用水平集函数描述三周期极小曲面点阵的几何构型,构建了Kriging元模型,预测点阵的宏观等效热学属性,从而降低计算成本;在宏观尺度,以最小散热柔度为目标,建立了多孔结构的多尺度拓扑优化模型,引入等几何分析提高了结构性能分析的计算精度,结合等几何映射技术开展了非规则几何结构的多尺度拓扑优化设计,避免了非规则设计域中点阵裁剪导致的几何特征缺损等问题;最后,通过数值算例验证了所提出方法的有效性。结果表明,提出方法可实现非规则几何结构的散热性能优化设计,优化得到的轻质梯度多孔结构具有较好的散热性能,在实际工程中具有广阔的应用前景。

面向多联体叶片的机器人喷涂无干涉路径规划

多联体叶片存在曲面复杂、叶片间距小等结构特点。等离子喷涂为铸造多联体叶片的重要工序,可使叶片表面强化与改性,其喷涂质量直接决定叶片的成品率与性能。现有的机器人等离子喷涂的路径生成主要依靠手动示教,而喷涂过程中的喷涂距离与喷涂夹角无法量化导致喷涂质量不均且示教方法繁琐、效率低。基于此,提出一种面向多联体叶片的工业机器人等离子喷涂无干涉路径生成及光顺方法。首先,根据CAD模型,将多联体叶片型面转为非均匀有理B样条(NURBS)曲面,利用NURBS曲面解析特性,生成约束喷涂行距与喷涂叶片边缘距离的初始路径点;然后将喷涂焰流简化为方向包围盒,将干涉曲面转为三角面片,采用基于分离轴检测的方法进行碰撞干涉检测,生成考虑最小喷涂倾角约束的喷涂姿态。采用基于球面样条四元数插值变步长姿态优化方法进行姿态光顺,生成无干涉且路径光顺的喷涂路径。经过仿真与实验验证,提出干涉避免算法能有效避免喷涂过程中的干涉现象。对比未光顺路径,所提出算法机器人运行效率提高52.6%,机器人振动下降,运行更加平稳,其中关节加速度最大下降55.8%,最小下降2.9%,末端瞬时加速度最大下降39.6%,最小下降14.4%。

考虑局部过热约束的自支撑结构等几何拓扑优化

等几何拓扑优化方法实现结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺条件,因此,在优化设计阶段考虑制造工艺约束显得尤为重要。针对金属增材制造中常见的局部过热现象和悬垂角要求,提出一种约束局部过热的自支撑结构等几何拓扑优化方法。采用基于等几何分析的变密度法,引入可打印密度的概念,将不满足打印要求的单元过滤,实现结构自支撑;采用稳态热过程模拟模型近似评估结构的局部过热程度,并将其引入等几何拓扑优化模型中加以约束。数值算例和仿真结果表明,相比于传统等几何拓扑优化方法和仅考虑自支撑特性的等几何拓扑优化方法,该方法设计的结构在满足自支撑特性的基础上,能有效缓解增材制造中结构的局部过热现象,从而减小结构的热变形,提高尺寸精度。