面向模具装备制造业数字化车间互联互通技术的研究现状

模具制造属于传统的离散型装备制造业,具有零件结构复杂、单件生产、质量要求高、过程复杂等特点,而模具装备制造车间设备与设备间、设备与系统间有效的信息交互相对薄弱。对互联互通概念进行了诠释,并对当前装备制造业互联互通技术的应用现状进行了阐述,基于OPC UA数字化车间装备信息模型的研究进行了探讨。通过对模具装备制造业特点的分析,给出了基于OPC UA模具装备制造车间互联互通的研究方法,可为模具装备制造业数字化车间互联互通技术的应用实施提供研究借鉴。

智能制造中基于OPC UA的多源异构数据传输与解析技术

随着信息技术的快速发展,智能制造技术得到了业界的高度重视,而智能制造的关键环节之一是实现各设备与各系统的互联互通。OPC UA作为一种用于工业通讯中的数据交互规范,可用于实现对制造过程中的多源异构数据的传输与解析,进而实现互联互通。以智能制造互联互通研究领域的热点技术OPC UA为出发点,介绍了OPC UA的发展历史与技术特点,在此基础上分析了OPC UA技术的研究进展与应用情况,指出了需要解决的技术问题,最后对OPC UA技术进行了展望。为OPC UA技术的应用和研究提供了参考。

高带宽两自由度并联柔顺精密定位平台的优化设计与实验

针对目前用于原子力显微镜的扫描定位平台带宽低、行程小、耦合性能差等问题,提出了一种基于柔性梁的高带宽两自由度精密定位平台并对该平台进行了优化设计、仿真验证与实验分析。首先,提出了以双端固定梁与平行杂交梁为基础的并联柔顺平台,分别运用卡式第二定理和拉格朗日方程建立了平台刚度和固有频率的数学模型;然后,通过最优化理论获取了平台的最高固有频率及最优设计尺寸,并运用有限元方法验证了优化结果的可靠性;最后,搭建了实验系统,对平台进行了实验研究。实验结果表明:所设计平台的最大行程为12.950μm×13.517μm,耦合误差小于1.77%,X,Y方向的固有频率分别为12.21和13.50 kHz,在开环条件下可良好地追踪频率小于1 kHz的三角波,有效改善了传统扫描定位平台响应慢、行程小、耦合性能差等问题。

精密视觉印刷设备的自标定

为了提高全自动视觉印刷设备的精度,提出了一种简易、有效标定基于三自由度平面并联调整台的视觉丝网印刷设备的算法。首先,分析和标定了视觉测量系统,并通过激光干涉仪验证了结果的准确性。然后,分析了三自由度平面并联调整台的几何参数误差;基于印刷设备自身的视觉测量系统,分步标定了并联平台的动平台坐标系、传动比误差和仅需的部分几何误差源。提出了一种满足全姿态且适应不同制程的三角形面姿态插值方法和纠偏调整算法,从而避免了较为复杂的几何全参数辨识,降低了对调试人员的技术要求。实验结果表明:在并联调整台工作空间内,标定后的最大位置误差从标定前的161.6μm下降为12.3μm,最大姿态误差从标定前的2.232″下降为0.720″,基本满足印刷设备对精度的要求。

精密锡膏印刷机纠偏平台误差分析及标定研究

为了减少精密全自动锡膏印刷机纠偏平台的运动误差,以锡膏印刷机纠偏平台为研究对象,对纠偏平台的运动参数误差进行分析。由于纠偏平台存在制造与装配误差对精度的影响,通过印刷机视觉系统对平台进行平台运动标定,应用标定的结果对纠偏平台模型进行补偿,有效地提高了纠偏平台的对位精度。实验结果表明:纠偏平台对位误差X,Y向从标定前的±25μm,±130μm下降到标定后的±10μm,旋转角度定位误差由±7‰°下降到±4‰°以内。

高速平面并联机器人残余振动抑制实验

针对高速轻型并联机器人残余振动抑制问题,基于输入整形法,对其残余振动抑制进行实验研究。首先分析了并联机构运动学,建立了机构动力学模型。然后对每个输入轴分别设计一个比例-微分(PD)控制器,建立包含PD控制器的系统动力学模型。最后分别设计了单模态零振动(ZV)、零振动微分(ZVD)整形器和双模态零振动-零振动微分(ZV-ZVD)整形器,建立了并联机器人实验系统。实验结果表明,输入整形器可以抑制并联机器人的残余振动,而双模态整形器振动抑制效果更好。

平面3-RRR并联机构的自激振动实验研究

从平面3-RRR并联机构的位形和关节驱动两方面,研究了位形的奇异性和驱动电机的伺服增益对机器人自激振动现象的影响.首先建立了平面3-RRR并联机构的运动约束方程,求导得到速度约束方程和加速度约束方程,给出位置、速度、加速度的正、逆解,利用速度雅可比矩阵分析奇异特性;然后搭建了实验系统,分析驱动电机的控制原理,分别测试在奇异位形和非奇异位形的自激振动,通过传感器测试驱动关节的位移、速度和加速度,并进行正解得到动平台的位置和加速度,正解得到的加速度与动平台实测加速度吻合较好;最后通过调整驱动电机的伺服增益避免了非奇异位形处的自激振动.

基于案例与实践的机器人研究型教学模式探索

根据机器人实验课程教学的特点,通过基于案例的工业机器人实践教学方法,从程序设计、实验操作、创新能力三个层次探讨了机器人研究型教学模式。在课程内容设计上,将机器人机构及控制等多方面相结合,介绍工业机器人各功能模块的实现原理和使用方法,在教学形式上,通过多种实验形式,系统性地开发机器人实验。在教学方法上,与工程实际相结合,通过示范多种品牌工业机器人的应用实践操作等案例式教学模式,以研究课题为牵引,完成研究型课程设计。通过学生参加具有探索性、实践性、创新性、协作性的研究型教学活动,有助于提高机器人实验课程的教学质量,培养学生的创新精神和动手实践能力,满足产业和企业需求。

精密视觉对准系统的精度分析与误差补偿

为了减小全自动视觉锡膏印刷机视觉对准系统的纠偏误差,提高锡膏印刷机的印刷精度,在介绍了视觉对准系统的组成和功能的基础上,对其进行精度分析,计算纠偏平台终端姿态,推导出视觉运动系统定位误差对终端姿态的误差传递公式,对定位误差进行定量分析和测量,并根据测量数据设计了一种误差补偿方案。通过实验结果表明,补偿方案能有效减小视觉运动系统的定位误差,提高视觉对准系统的纠偏精度,对运动系统的误差分析有一定的指导意义。

基于OPC UA的多机系统互联互通技术研究

在制造技术逐渐数字化、信息化与智能化的背景下,本文提出了一种基于开放平台通信统一架构(OPC UA)的多机系统互联互通的实现方法。首先,对3PRR并联机械系统与选择顺应性装配机器手臂(SCARA)机器系统建立了基于OPC UA的信息模型,实现了语义统一;然后,给出了一种基于OPC UA的多机系统互联互通的架构,并针对跨车间、跨局域网的问题,综合应用OPC UA和Web Service技术实现其互联互通;最后,搭建了相应的验证平台,并通过网页应用和第三方软件客户端验证了本文方法的有效性。

剪切型阻尼U型柔性铰链设计与实验分析

根据柔性铰链的无阻尼结构特点,并利用黏弹性阻尼材料的剪切损耗特性,提出一种剪切型阻尼U型柔性铰链的结构模型,并结合GHM(Goulla-Hughes-MacTavish,简称GHM)黏弹性理论模型建立带阻尼铰链动力学方程。该铰链通过提高外加黏弹性阻尼层材料的剪切效应,达到增强结构阻尼目的。为了测试剪切型阻尼结构对该U型铰链的振动抑制效果,对其进行自由振动信号测试和动态力学分析(dynamic mechanical analysis,简称DMA)实验。结果显示,该阻尼结构能使铰链结构在120~150Hz的共振频段内因振幅增大,阻尼层剪切效应加剧,出现明显的阻尼损耗峰值,有效增强了铰链的结构阻尼。

镁−稀土合金塑性变形技术研究进展

综述了镁−稀土合金在挤压、轧制和大塑性变形技术方面的研究进展,介绍变形温度、变形速度、挤压比等对挤压材组织和力学性能的影响,发现通过变形工艺调控获得细晶或形成双峰分布晶粒可提高合金的力学性能。概述了镁−稀土合金轧制变形的研究进展,发现通过工艺调控形成双峰分布晶粒或引入层错可制备超高强镁合金,总结了等通道转角挤压、高压扭转和多向锻造对合金组织和力学性能的影响,发现大塑性变形技术尤其是高压扭转技术是制备纳米级超细晶的有效方法,但大塑性变形技术的工艺相较于挤压、轧制变形更复杂,成本更高,且制备的样品尺寸往往较小。最后,对镁−稀土合金塑性变形技术的发展方向提出了建议。

考虑输出刚度不确定性的柔顺机构拓扑优化设计

为了降低机构性能对输出刚度不确定因素的敏感程度,提出一种考虑输出刚度不确定性的柔顺机构拓扑优化设计方法。采用区间模型描述输出刚度的不确定性,利用多项式混沌展开式(Polynomial chaos expansion, PCE)和Smolyak稀疏网格积分法计算随机响应统计矩,以机构输出位移的期望值最大化和标准差最小化为目标函数,以机构结构体积为约束,建立考虑输出刚度不确定性的柔顺机构稳健性拓扑优化模型,采用移动渐近线优化算法更新设计变量。夹持器和咬合机构数值算例验证提出设计方法的有效性,与确定性拓扑优化结果比较,稳健性拓扑优化设计获得的柔顺机构构型有所不同,机构的输出位移标准差减小,有效地降低机构对输出刚度不确定性的敏感程度。随着加权系数增大,获得的柔顺机构输出位移标准差和期望值减小。随着不确定输出刚度幅值增大,获得的柔顺机构输出位移标准差增大,并且输出位移期望值有所减小。

基于直线检测的棋盘格角点自动提取

针对现有棋盘格角点自动提取算法鲁棒性不足的缺点,提出了使用直线检测算法(LSD)来进行角点的自动提取。首先,使用LSD算法对标定图像进行处理,得出包含棋盘格子边缘的所有直线,并分别对所得直线的长度和角度进行伪排序以去除伪格子边缘。然后,对剩余直线的边缘端点进行近邻合并,得到角点的初始坐标并进行亚像素优化。最后,使用能量法对角点进行棋盘格结构复原与排序。实验结果显示:该方法可以正确提取含有阴影和噪声的玻璃材质标定板图像中的角点。与改进的Harris方法的角点坐标提取精度对比试验得到其最大偏差小于0.2pixel,平均偏差小于0.15pixel,表明该方法具有较高的鲁棒性且定位精度与改进的Harris方法相当,可用于工程实际中环境光源变化较大的场合。

光学显微线条纹图像中心线提取

由于接近光学衍射极限,微米尺度线条纹在经过高倍显微镜放大成像后边缘通常都很模糊,加上同轴光源产生的光照不均匀现象,成像质量通常很差。为了有效测量微米尺度线条纹间距,本文提出了一种针对光学显微线条纹图像的中心线提取算法。首先,采用Retinex方法对原图像进行增强,以克服由光照不均匀所造成的无法准确分割的问题。接着,使用Ostu最佳阈值对图像进行二值分割。然后,针对分割后条纹边缘含有大量毛刺和凹陷的现象,使用基于快速步进算法的边缘塌陷法对中心线进行准确提取。最后,对提取中心线进行了最小二乘拟合。实验结果表明:本文提出的方法可以有效实现微米尺度线条纹光学显微图像中心线的准确提取。使用本方法对标准宽度线条纹间距进行实测的最大测量偏差小于2%。

基于视觉测量的XY-Theta并联平台分步运动学标定

针对一种用于丝网印刷的平面3自由度(Three-degree-of-freedom,3-DOF)并联平台,提出一种基于视觉测量的分步递进的运动学标定方法,解决这类特殊平面并联平台的运动学标定问题。结合矢量法和解析法,建立终端位置和姿态误差与几何误差之间的映射关系,得到误差雅可比矩阵。兼顾测量成本和实用性,搭建双相机全位姿视觉测量系统,通过高精度光刻玻璃进行标定。基于精密视觉测量,对并联平台的重复定位精度进行评估,在此基础上,设计一种分步递进的误差测量、参数辨识、误差补偿试验方案。标定后,终端最大位置误差从标定前的316μm下降至9μm,最大姿态误差从标定前的3.5×10–3°降至1.7×10–3°,该试验结果表明并联平台的终端定位精度得到了显著改善,验证了分步递进的运动标定方法的有效性。

用于线纹显微图像的边缘检测算法

为了在简化计算的同时达到较高的定位精度,提出一种轴向邻域和差边缘检测算法,用于低信噪比、缓慢过渡的微结构显微图像的边缘检测。首先,结合显微图像采集系统的配置,分析了线纹显微图像边缘灰度轮廓特征和基于导数的边缘检测算法的不足。然后,基于方向信息测度,定义了轴向邻域和差运算,依据矩不变理论推导出轴向邻域和差边缘检测算法。实验结果表明:轴向邻域和差边缘检测算法能够适应不同分辨率的显微图像,具有较强的抗噪能力和较高的定位精度,边缘检测效果优于基于导数的算法。该算法用于显微图像时,其边缘坐标定位方差为0.57pixel,微米级线条宽度的测量结果与扫描电子显微镜的测量结果(1.35μm)相差0.17μm,基本满足了测量精度的要求。

SEM环境下3PRR并联平台奇异区域规避与逃逸控制策略

微纳操作系统是精密操作、精密加工领域重要组成部分。微纳操作系统的载物平台负责放置样品和大行程搬运样品,需要大行程、高精度的定位。宏微结合的方法能弥补精密定位平台行程不足的缺点,而并联机构能实现高精度定位,因此采用3PRR(3自由度,每条支链包括一个移动副(P)驱动和两个转动副(R))并联平台作为扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)环境下的宏微结合精密平台中的宏动部分。为了实现大行程、高精度定位,需要分析机构工作空间与奇异性分布。通过推导3PRR运动学方程,求得机构雅可比矩阵,研究雅可比矩阵特性,求得3PRR并联平台非奇异工作空间分布,把机构雅可比矩阵特性与奇异分布引入控制范畴,提出两种奇异区域规避控制策略与一种奇异位型逃逸控制策略。对机构如何规避奇异区域与进入奇异位型后如何快速逃逸提供了理论指导,仿真分析表明,提出的策略对机构精密定位与可控性提供了保障。

平面3-RRR柔性并联机器人动力学建模与分析

轻型、高速、高精度柔性并联机器人在诸如电子装配、精密加工与测量、航空航天领域有着巨大的应用前景。研究了一类平面3-RRR柔性并联机器人。采用有限元法对柔性杆进行离散,运用浮动坐标系,拉格朗日方程以及虚功原理,建立了平面3-RRR柔性并联机器人的刚-弹耦合非线性动力学方程。该方程考虑了各关节和动平台的集中质量和集中转动惯量。详细研究了弹性运动坐标和刚体运动坐标约束关系。通过基于小变形假设的数值仿真计算,并和简化KED方法进行比较,结果表明系统刚体运动的科氏力和离心力以及变换矩阵的时变性对系统动力学特性有着至关重要的影响。

基于类Ⅴ型柔性铰链的微位移放大机构

采用新型高精度类Ⅴ型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类Ⅴ型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较;在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类Ⅴ型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件,建立了放大机构的有限元模型,验证了位移放大比的理论推导,并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示:基于类Ⅴ型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率,且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后,采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明:基于类Ⅴ型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2,显示类Ⅴ型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。