智能刀具设计及关键技术研究进展

随着“工业4.0”及“中国制造2025”战略计划的兴起,制造业中的智能制造及自动化水平不断提升,刀具作为生产过程中的重要一环,也变得更加精密化和智能化。智能刀具是实现智能制造和自动化生产的重要环节和必要保障,本文围绕智能刀具的最新研究进展进行了详细论述,包括智能刀具设计、智能刀具关键技术、数字孪生技术及智能刀具系统等方面内容。归纳了国内外学者们在智能刀具集成优化与结构设计、智能刀具监测和调控技术、基于刀具管控和推荐的智能刀具系统的研究成果,简述了数字孪生技术在智能刀具领域中的应用,并指出了智能刀具目前存在的不足及未来发展方向。

高动态范围条纹结构光在机检测技术及应用进展

条纹结构光技术是近年来发展迅速的非接触式测量方法,为机械加工在机检测提供了新的解决方案。由于加工环境光线复杂且金属零件本身具有高反光的特性,造成结构光在机检测的精度降低。将高动态范围(High Dynamic Range,HDR)技术应用于结构光检测中,可抑制高反光的影响,实现金属零件在复杂场景的测量。本文首先介绍了结构光测量原理,总结出HDR结构光在机检测面临的难点;其次,对HDR结构光技术进行了全面综述,以机械加工在机检测为背景,对基于硬件设备的HDR技术和基于条纹算法的HDR技术分别进行了归纳分析;然后,根据在机检测的条件需求,对各类技术进行总结,并比较不同方法的优缺点和在机检测的适用性;最后,结合近年来先进制造技术和精密测量的研究热点,对潜在应用进行分析,提出技术展望。

航空航天关重件高性能加工技术

高性能加工技术是航空航天关重件加工的关键技术,推动着航空制造业向更高的生产效率和加工质量迈进。该技术通过提升加工过程生产效率和加工精度,为航空航天关重件的高质量发展提供了技术支撑。介绍了高性能加工技术的优越性和应用领域,并归纳了学者们在航空航天领域高性能加工技术方面的研究进展,包括高速加工技术(HSM)、多轴联动加工技术、微细加工技术和典型航空航天材料加工。同时,还对该技术未来可能面临的挑战和发展趋势进行了展望。

高速电主轴冷却润滑技术综述

高速电主轴因散热效率而产生的温升是导致热变形问题的重要因素,热变形是影响加工精度的主要因素之一,因此对其冷却润滑系统进行研究至关重要。为了讨论近年来高速电主轴冷却润滑技术的研究进展,以高速电主轴为对象,围绕其内部生热及传热机制等方面进行了热特性分析。结合国内外学者对电主轴冷却润滑技术的研究,分别从电机和轴承方面阐述了不同冷却方式在高速电主轴冷却润滑技术的方法、原理、优缺点及应用。同时分析了研究中存在的主要问题,并对今后的研究作出展望。

光栅投影在机三维形貌检测技术研究进展

基于视觉的测量方式对航天、军工以及电子芯片等先进制造领域具有良好应用前景以及深远的发展意义,而基于结构光的在机三维视觉检测技术,是目前精密加工领域的热点与难点之一。本文以结构光在机三维测量流程为主线,将其中的关键技术,包括测量标定、相位优化求解、在机三维点云处理及不同特征曲面重构中的技术要求、涉及的方法和原理、相关研究现状及目前存在的问题,进行论述与总结。最后,根据未来相关技术的实际需求,在加工现场标定、动态实时三维重构、亚微米及纳米级测量、测量-加工一体化数据传输技术等方面进行了展望,并提出了相应的研究思路。

磁流变弹性体及其振动控制应用综述

磁流变弹性体是将磁性颗粒(微米级)分散到聚合物弹性体中制备而成的一种磁控智能材料,其不仅拥有颗粒增强复合材料的优异力学特性,还具备迅速、连续且可逆的磁控特性,在智能传感、电磁屏蔽及缓冲减振等领域具有广泛的前景。为了促进磁流变弹性体及其振动控制技术的发展,综述了磁流变弹性体的材料组成,制备方法。总结了磁流变弹性体在振动控制领域的应用现状及对应用前景进行了展望。

面向智能制造过程的刀具设计、制备与管控技术

随着智能制造技术的迅猛发展,制造业正在逐步实现智能化生产,特别是对于异常复杂的切削加工过程,智能化的实现尤为重要。刀具作为切削过程中最活跃的要素,其性能与寿命对零件的加工精度和生产效率有直接影响。材料切削性能的多样性、加工系统动态变化的非线性以及生产节拍的多变性等问题给刀具设计、制备与管控技术带来了巨大的挑战,智能制造技术使面向需求的刀具精准高效设计、精确可靠制备与科学全面管控得以实现,有利于生产过程节能降耗与提质增效。本文提出了面向智能制造过程的刀具设计、制备与管控的相关技术架构,从面向智能制造的刀具设计方法、制备过程与管控技术三个方面梳理了国内外相关研究成果及应用案例,并对基于虚实映射与迭代优化的面向全生命周期的刀具设计、制备与管控技术进行了展望。刀具全生命周期的智能化必将助力制造产业升级和结构优化,促进生产方式智能变革。

铝板水热碳吸附工艺制备APC/Al层状复合材料的显微组织、力学性能和摩擦学性能

采用铝板水热碳吸附工艺(HTCAP)和真空热压烧结工艺(VHPS)制备无定形碳(APC)/Al层状复合材料,研究葡萄糖溶液浓度对其显微组织、力学性能和摩擦学性能的影响。结果表明,APC在层间分布均匀,并且通过Al的扩散与基体形成良好的界面结合。随着葡萄糖溶液浓度的增加,层间硬度、极限抗拉强度(UTS)和伸长率先增大后减小,而磨损率则呈现相反的趋势,摩擦因数(COF)逐渐减小。当葡萄糖溶液浓度为0.3 mol/L时,伸长率最大,为16.4%,磨损率最小,为0.344×10^(-5)mm^(3)/(N·m)。粘着磨损是APC/Al层状复合材料的主要磨损机制。耐磨性的提高是由于在磨损表面形成均匀的APC润滑膜。

时域动载荷作用下多微结构多尺度并行动力学拓扑优化

采用拓扑优化方法对含多种多孔材料的结构进行结构与材料微结构构型一体化设计,可以获得具有优良力学性能的结构设计。该文面向多晶胞双尺度结构的时域动刚度最优设计问题,考虑不同晶胞间的可连接性,并行设计微结构的构型及其宏观布局。首先,引入双Helmholtz平滑-分块投影方案,识别不同多孔材料的宏观结构域。其次,通过均匀化方法计算多孔材料的宏观等效力学性能,利用有序SIMP(soid isotropic material with penalization)方法优化不同微观结构的宏观布局。同时,为了保证不同晶胞间的可连接性,在不同多孔材料微结构的边界区域设置为相同拓扑描述的可设计连接域。然后,基于先离散-后微分的伴随敏度分析方法,实现了时空离散动力系统的一致性敏度计算。最后,以双尺度结构动柔度最小化为目标,以材料用量为约束条件,提出了时域动载荷作用下多微结构多尺度并行动力学拓扑优化方法。数值算例结果表明,提出的优化方法能够实现多晶胞结构的构型与宏观布局设计,充分提高了多孔结构的承载性能,同时保证不同晶胞之间的几何连续性,研究结果可为高承载多孔材料结构设计提供理论参考。

全向移动光伏清扫机器人清扫特性分析与优化

针对光伏组件灵活、安全清扫问题,设计一种全向移动式光伏清扫机器人构型,采用四轮差速建模法、轮组电磁制动分析,确定机器人构型的合理性。针对现有移动式清扫方式的局限性,研究新型滚刷除尘、管道吸尘同步清扫方法。通过CFD仿真方法,建立机器人吸尘管道、清扫机构流场仿真模型,完成结构模型的清扫特性分析与结构优化仿真,以及实际清扫效果对比评价试验。试验结果表明:设计的清扫机器人能实现86.5%清扫效率,同时改善了运动制动能力。

航空领域机器人自动钻孔研究进展及关键技术综述

为促进航空航天领域机器人自动钻孔技术的研究,本文介绍了国内外在该领域的研究进展,概述与总结了机器人钻孔离线编程、终端执行器、系统误差补偿等关键技术所包涵的核心思想及算法,梳理了研究中存在的问题和可能的解决方案,探讨了各关键技术对机器人自动钻孔系统产生的影响,最后在总结研究成果与分析的基础上对各关键技术的发展方向做出了展望。

基于数据挖掘技术的钛合金铣削工艺参数优化

随着大数据时代的来临,传统数据挖掘技术已不能满足智能制造背景下海量数据处理的要求。针对海量数据在挖掘过程中出现的计算能力不足、挖掘效率低下的现状,提出在云计算环境下,以分步聚类理念为基础,对经典K-means聚类算法进行改进,并将改进的算法与Hadoop平台的MapReduce计算架构相结合,实现算法计算并行化,从而形成能够应对海量数据挖掘任务的新算法T.K-means。为了验证新算法的实用性能,以虚拟铣削Ti-6Al-4V(TC4)钛合金加工运行数据为挖掘对象,利用T.K-means算法挖掘加工工艺参数与工件表面粗糙度之间的关系,得到可调控工艺参数的优化值以指导实际加工。挖掘结果表明,T.K-means算法可用于TC4钛合金铣削工艺参数优化目标值的确定,其所挖掘出的工艺参数能够反应机床铣削加工TC4钛合金表面粗糙度的最佳运行状态。

运用响应面法的Ti-6Al-4V ELI钛合金铣削表面粗糙度预测模型

本研究采用端面铣削方式对Ti-6Al-4V ELI(TC4)钛合金进行加工,结合工艺参数进行建模以预测工件的表面质量并确定最佳切削参数。为了实现对工件表面质量的精确预测,在三轴数控加工中心上进行了相应的试验。试验基于Box Behnken方法(BBD)进行了四因素和三水平的设计,减少了试验所需的数目。试验中选择切削深度、切削宽度、切削速度和每齿进给量作为输入参数,将每次试验所测量的表面粗糙度作为输出参数。最终采用响应面法(Response surface methodology,RSM)建立输入参数和输出参数之间的二次关系,并进行方差分析(Analysis of variance,ANOVA)以评估所建立的模型。同时,利用RSM进行优化分析,确定铣削参数以实现最小表面粗糙度。分析表明,使用RSM建立铣削参数与表面粗糙度的二次回归模型,其校正系数为96.16%,模型能够较好反应输入参数与表面粗糙度的映射关系,该方法能够提供可靠的用于输入参数限制内任何铣削条件的表面粗糙度预测。经优化分析和试验验证,所得铣削参数能够获得较小的表面粗糙度,可应用于实践生产中的工艺优化。

牙体预备机器人备牙轨迹规划及实验研究

龋齿作为人类三大重要防治疾病之一,严重影响了人们的口腔健康。牙体修复是治疗龋齿的重要手段,牙体预备是口腔修复龋齿的必要治疗环节。传统牙体预备依赖于医生手工操作并结合丰富的临床经验,需要对患龋牙齿进行大量的重复的微细调整。针对上述情况提出采用机器人辅助医生实现牙体预备可有效地提高备牙质量和口腔治疗的效果。通过分析医生预备过程的操作特点,确定后牙全冠预备的具体需求,明确牙体预备机器人的设计要求;利用曲面映射关系构造曲面片的约束条件进而确定预备体曲面上的型值点,并依据牙齿之间的相邻关系和功能将功能尖斜面分为3个曲面,基于NURBS曲面完成了3个曲面的插值;根据曲面的型值点和曲面片特征,基于等参数法实现了牙体预备机器人的备牙轨迹规划。设计并研制了牙体预备机器人的虚拟样机和物理样机,并进行了牙体预备实验研究,各个特征点在XYZ方向上的最大的相对定点误差分别为0.23、0.15和0.97 mm,系统误差的置信区间均稳定在0.3 mm以内。在不同方向下的各个特征点的随机误差相关性较弱,验证了备牙轨迹规划方法的正确性和机器人牙体预备的可行性。

电主轴热误差补偿技术的研究进展

阐述了近年来国内外高速电主轴热误差补偿技术的研究进展与发展方向,重点剖析了电主轴数据检测技术、温度测点优化技术、热误差建模技术、热误差补偿方法等方面。为促进高速电主轴热误差预补偿技术的发展,对其未来的研究方向进行了展望。对高速电主轴热误差补偿技术几个关键阶段的现状分析以及展望将会对数控加工领域的热误差控制技术的进步起到重要的指导作用。

垂直关闭曲与Omega曲组合正畸弓丝矫治力建模及实验研究

目前临床正畸治疗过程主要依赖医师经验,所施加矫治力大小难以量化。而在弓丝末端弯制Omega曲可以对同弓丝弯制的垂直关闭曲实现持续及多次加力的效果,减少医师和患者的临床治疗时间,提高正畸治疗效率。为了量化垂直关闭曲与Omega曲组合正畸弓丝在正畸过程中所产生的矫治力,分析一丝多曲组合正畸弓丝的受力特征,并基于梁微形变原理和相互作用力原理,建立垂直关闭曲与Omega曲组合正畸弓丝的矫治力力学模型。探究一丝多曲组合正畸弓丝弯制参数对矫治力的影响规律。通过构建一丝多曲组合正畸弓丝的三维模型和矫治力测量实验平台,进行有限元仿真分析和实验测量。将力学模型计算得到的计算数据和仿真分析得到的仿真数据分别与基于一维力传感器的矫治力测量实验得到的实验数据进行相关性分析,得到计算数据与实验数据的相关性系数ξT≥98.192%,仿真数据与实验数据的相关性系数ξA≥97.34%,验证了所建立力学模型的准确性及仿真模型和仿真过程的可靠性。该力学模型和仿真模型能够辅助医师安全、高效的设计个性化正畸弓丝,为正畸弓丝的应用提供理论依据,并进一步为临床数字化正畸治疗奠定基础。

轴向超声振动辅助铣削力的建模与实验研究

轴向超声振动辅助铣削工艺是近年来铣削领域的最新进展之一,目前对于轴向超声振动铣削力建模的研究相对较少。针对这一问题,提出了一个考虑轴向振动的超声铣削力建模方法。根据空间中刀尖运动轨迹的坐标,建立了准确的瞬时切厚模型,得到不同切削角度下切屑形成力和摩擦力模型。将铣削力与未变形的切屑截面面积建立函数关系,考虑了瞬时未变形切厚模型以及瞬时切深模型,得到了轴向冲击力模型。结合切屑形成力模型、摩擦力模型和轴向冲击力模型得到轴向超声振动辅助铣削力模型。研究结果表明:预测的铣削力变化趋向与实验测得的铣削力变化趋向吻合,最大峰值力的误差范围在7.53%~17.35%之间。本文结果将为超声振动辅助铣削工艺的优化研究提供理论基础。

递归特征消除与极端随机树在铣刀磨损监测中的研究

针对金属铣削过程中刀具磨损监测问题,本文提出了一种基于递归特征消除和极端随机树相结合的刀具磨损监测模型。首先对力、振动和声发射信号的时域、频域特征进行提取,分别采用逻辑回归、分类与回归树、线性回归、线性判别分析作为递归特征消除的基模型进行特征降维。再利用处理后的特征对K近邻、支持向量回归、极端随机树模型进行训练,得出多种监测模型。通过对比刀具磨损拟合曲线图和分析评估结果的标准差,可得出基模型为分类与回归树的递归特征消除,与极端随机树算法相结合模型拟合度达到99.74%,评估结果的标准差为4.04。结果表明该方法能够实现对铣刀磨损的有效监测,从而提高零件加工质量。

基于力估计与切换控制的六足机器人三边遥操作

传统三边遥操作系统的力传感器对主从端交互力进行测量时局限性较大,且在共享权重切换时易导致系统不稳定,本文设计基于力估计与权重切换控制的六足机器人三边遥操作控制架构。针对系统各端口交互力信息缺失的问题,设计一种非线性交互力估计器,实现对各端口间交互力的实时估计。聚焦双操作者控制权重动态调整过整中的柔顺切换问题,本文基于共享控制策略,设计权重因子自适应切换算法。为保证所提出系统的稳定性及透明度,融合力估计器及权重切换算法,设计遥操作系统的控制器。通过力反馈设备分别和Vortex与ElSpider六足机器人搭建半物理仿真平台与实物实验平台,对本文提出控制方法进行验证。相对于传统三边遥操作,实验表明在平坦地形下速度跟踪性提高了45.12%,力跟踪提高了64.71%;在崎岖地形下速度跟踪提高了39.02%,力跟踪提高了29.41%。

同质异构Al-Cu-Mg系混晶粉末冶金制备新方法

为突破传统同质粉末材料均以颗粒尺寸细化作为改性的单一途径禁锢,提出同质异构思想,即通过低能球磨将不同粒径的AA2024合金粉末按照一定比例混合,经热压烧结制备混晶坯料。研究结果表明,传统单一粒径粉末烧结后晶粒形貌趋向于不规则多边形状,而不同粒径粉末混合烧结后晶粒形貌为小颗粒包覆大颗粒的结构形式;与前者相比,当粗粉占比为20%(质量分数)时,抗拉强度增加了38.8%;当粗粉占比为50%时,伸长率提高了14%。粉末混合后的烧结样品呈沿晶断裂和穿晶断裂的混合断裂机制,第二相对位错的钉扎效应更加明显,因此,合金性能得到显著提高。此研究工作为高性能同质异构混晶材料的制备提供了一种新思路。