管电极耦合激光电解复合加工的理论分析与实验研究

激光电解复合加工是将激光加工与电化学加工相结合的复合加工方法,可用于加工硬质导电材料,具有加快电化学溶解速率、避免重铸层和提高表面质量等优势。笔者提出了一种管电极耦合激光电解复合加工工艺,利用设计的管电极实现了激光能量与电化学能量在管电极内部的同轴传导以及在加工间隙处的可控耦合,所提工艺适用于高品质超大深径比小孔的加工。基于激光与电化学能量在加工间隙处的可控调节,提出了以激光加工为主导和以电化学加工为主导的耦合作用机制。通过分析激光辐照区温升对电解质电导率、电流密度、液相传质和电化学溶解速率的影响,以及电解产生的气泡和杂质等对激光能量的影响,建立了激光电解复合加工的材料去除模型,并进行了初步的激光电解复合加工仿真分析与实验研究。

基于双混联机器人的镜像铣削系统运动学分析与加工路径生成方法

以一种由双混联机器人组成的镜像铣削系统为研究对象,采用矢量法建立了镜像铣削系统规格化的运动学正逆解模型,其中正解方法较采用牛顿迭代法求解的方法具有计算效率与精度高的优点。提出了一种镜像加工路径生成方法,明确了双机参考坐标系的位姿关系,通过设定薄壁结构件的期望加工壁厚计算位姿镜像对称的刀具与支撑头路径。提出了十轴联动与双五轴联动两种镜像加工路径执行方法,后者较前者具备可重构性与模块化的特点,支持铣削或支撑机器人单机作业,能够满足大工作空间内单机或多机快速现场布置与高效协同加工的需求。为验证所提出的运动学模型与加工路径生成、执行方法的正确有效性,开展了大型薄壁结构件镜像加工试验,试验结果表明,壁厚加工误差可保证在±0.18 mm以内。

非标设备的可适应设计平台研究

阐述了以信息化技术贯穿产品的全生命周期,将产品的设计转移到可适应设计平台上,基于CAD/CAE/CAM/PDM与广义模块化设计思想,以静态的产品结构和动态的产品设计流程为主线,将产品设计生产的每一个细节都变成可重复调用和修改的信息化模型。从而实现产品的快速可适应设计,响应市场需求。

基于有限和瞬时旋量理论的Exechon并联机器人运动学分析

运动学分析是并联机构性能分析、建模和优化设计的基础。传统的运动学分析方法中并联机构的拓扑模型与速度模型只能单独构建,无法揭示其内在联系,导致运动学模型的构建不够全面和准确;另外,以现有运动学性能指标作为运动学优化目标时,存在平转耦合机构运动学评价指标的物理意义不明确等问题。为此,以一平动两转动(1T2R)的Exechon并联机器人为研究对象,利用有限和瞬时旋量(finite and instantaneous screw,FIS)理论对其拓扑、运动学建模进行研究。根据FIS理论中的微分映射关系,在统一的数学框架下建立Exechon并联机器人的拓扑模型和速度模型,得到其速度和力雅克比矩阵。在此基础上,以可解析分析机构运动奇异性的虚功率传递率作为运动学性能指标,来有效评价Exechon并联机器人的运动/力传递性能。给定一组Exechon并联机器人模型的尺寸参数,借助MATLAB分析该机器人的局部虚功率传递率分布情况。研究结果为并联机构的性能分析与建模提供了参考,为Exechon并联机器人的优化设计奠定了理论基础。

弧齿锥齿轮基本参数优化设计

为改善因传统机械式机床加工运动受限而采用局部共轭接触造成的齿面接触区域小的现状,同时为提升齿面接触性能,提出了一种弧齿锥齿轮基本参数优化设计方法。基于齿轮副全齿面接触的实现方法,以齿轮基本参数为优化变量、排除啮合界限线和根切界限线(以下简称为“2类界限线”)及防止齿顶变尖为约束条件,建立了以传动润滑性能综合参数和齿面瞬时接触线总长度最大为目标的齿面接触性能多目标优化数学模型。引入更加适合模型本身的现代多目标骨干粒子群算法求解最优基本参数。以一个具体的弧齿锥齿轮为研究对象,对比基本参数优化设计前后齿面的接触性能指标。数值仿真结果表明,优化后2类界限线分布于工作齿面区域外,表征润滑性能的综合参数的最小值和表征承载能力的齿面瞬时接触线总长度的最小值都有明显提升。有限元模型仿真结果表明,优化后工作齿面无干涉且呈全齿面接触。该研究提供了一种快速可行的弧齿锥齿轮基本参数最优设计方法,为弧齿锥齿轮的优化设计提供了参考。

基于给定非线性刚度的柔顺驱动器设计及性能评估

安全的人机交互和适应环境的仿生运动都要求机器人关节具有柔顺性。为了解决现有被动型柔顺驱动器存在的对不同外负载适应性弱、需要额外的刚度调节电机以及刚度与负载不匹配等问题,设计了一种新型非线性刚度柔顺驱动器,采用“凸轮+扭簧”机构结合齿轮传动,可实现给定的双向非线性刚度。首先,介绍了非线性刚度机构的工作原理、凸轮有效轮廓曲线的计算方法以及非线性刚度柔顺驱动器的工作原理;其次,基于提出的双向非线性刚度机构设计了柔顺驱动器样机;最后,对所设计的柔顺驱动器进行了性能评估。通过对样机刚度特性的仿真和试验分析,验证了所设计的柔顺驱动器能够较好地按给定的非线性刚度特性曲线进行刚度调节;通过与相近的驱动器的对比,表明所设计的柔顺驱动器具有优良的综合特性;通过对具有不同力矩峰值和频率的正弦力矩信号的跟踪试验,初步验证了所设计的柔顺驱动器具有良好的力矩控制性能。研究结果表明所提出的设计方法有效,可为机器人关节驱动器的设计提供新思路。

水下滑翔机路径规划研究综述及展望

水下滑翔机(UG)是一种新型的水下无人航行器,具有能耗低、效率高、续航力长、成本低、可重复使用等优点,能够满足长时序、大范围的海洋观测与探测需求。水下滑翔机作为一种观测探测平台,合理的路径规划是其执行海洋观测与探测任务的重要保障。首先,综述近年来有关水下滑翔机路径规划方法,将水下滑翔机路径规划算法的内容系统性地分为传统算法、智能优化算法和多算法融合3类,并结合实际应用场景对不同的路径规划算法性能进行比较;然后,对水下滑翔机路径规划过程中所涉及到的环境重构技术、环境感知技术、智能决策技术和水下定位技术等关键技术进行凝练与总结;最后,基于现有的发展趋势,对水下滑翔机路径规划未来的发展方向,如多算法共融规划、多机协同路径规划、融合时空和目的约束的多维空间路径规划和复杂非稳态环境下的精准路径规划等进行展望。

基于强化学习算法的水下滑翔机路径跟踪研究

针对洋流影响下水下滑翔机实际路径与预定路径偏差较大的问题,在传统的长短期记忆网络模型的基础上引入注意力机制,建立了具有长短期记忆与注意力机制的神经网络洋流预测模型;利用深度神经网络生成水下滑翔机运动的动态Q表,并通过强化学习算法选择最优运动姿态,同时考虑洋流的影响,构造了基于深度强化学习的水下滑翔机路径跟踪算法。结果表明,基于注意力机制的长短期记忆网络相较于传统的整合移动平均自回归模型与长短期记忆网络,其洋流预测具有更小的均方误差与均方根误差,具有良好的预测能力;相较于传统的PID控制,深度强化学习模型可使水下滑翔机轨迹均方根误差降低50.9%,显著提高了路径跟踪精度。

基于响应曲面法的碳纤维增强复合材料螺旋铣孔轴向切削力预测

基于二阶响应曲面法建立了碳纤维增强复合材料螺旋铣孔过程中轴向切削力的预测模型,运用方差分析、相关系数等手段验证了模型的准确性以及各输入参数的显著性,并研究了切削参数对轴向切削力的影响规律。结果表明:预测模型回归显著,置信度高,预测精度较高;主轴转速和螺距对轴向切削力的影响较为显著;轴向力随螺距和切向每齿进给量的增大而增大,随主轴转速的增大而先增大后减小。

外固定支架模型重建软件开发与安装参数识别研究

针对精准外固定支架的设计与开发,提出了交互式外固定支架三维模型的软件系统及外固定支架安装参数的识别算法,解决了传统方法中采用二维影像划线测量获取三维安装参数误差较大的问题.考虑远程化诊疗的潜在需求,软件系统采用浏览器/服务器架构构建基于WebGL三维模型渲染技术的三维交互场景.识别算法分为标记物位置拾取与外固定支架位姿识别两部分,通过区域生长算法分割模型文件,采用最小二乘法识别标记物位置,进而借助标记物与外固定支架的几何关系求解位姿参数.以外固定支架参考环与移动环中心距离为例,开展标记物识别方法与X光影像划线测量方法的实验对比研究.借助高精度测量仪器获取两环中心距离作为标准对照组,将上述两种方法的结果分别与标准对照组进行比较.基于标记物识别方法得到的两环中心距离与标准对照组的结果误差为0.043 mm,X光影像划线测量方法的误差为4.903 mm.实验结果表明,基于重建软件和标记物识别法获取外固定支架安装参数较传统X光影像划线测量方法精度高,并有效地将精度提升两个数量级,该方法可为开发精准高效可靠外固定支架系统提供技术支持.

基于BP神经网络的产品性能满意度预测分析

为了解决传统性能设计缺乏复杂场景要素、忽略用户个性化行为等问题,提出一种用户体验评论数据驱动的产品性能满意度预测分析模型.通过分析在线评论数据,获知用户使用产品后的体验满意程度,在此基础上构建由产品结构配置和实际使用工况向性能满意度映射的神经网络模型,分析使用工况作用下的性能满意度影响因素及其影响方式.首先,结合领域本体知识概念和产品使用说明书,整理影响产品性能的相关结构配置要素.之后,以用户感知产品属性后发布的在线评论为数据源,借助自然语言处理技术进行评论内容的细粒度识别,获取产品的实际使用工况,包括使用的环境条件及用户的行为习惯;利用情感分析技术对用户在线评论内容的情感正负倾向进行标定,叠加到用户主观选择的产品评分上,作为用户对该项性能的满意度评分.接着,构建由结构配置要素、使用环境条件和用户行为习惯向性能满意度评分映射的BP神经网络模型,训练后的模型具有较好的预测功能,可以给定新的配置方案,进行不同使用工况下的满意度评分预测.最后,对不同性能结构配置组合方案进行用户满意度预测,分析其中的关键因子及因子间的交互效应.以汽车产品动力性属性为例,进行模型验证,对汽车动力性指标设计和改进提供参考和帮助.

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台,具有持续性、鲁棒性、自主性等特点,是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开,基于国内外海洋学文献综述研究,重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续,观测高分辨率、低成本的特点,满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求;鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测;运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现,国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。

基于足底压力传感器的不控制减重比例下步态相位识别

下肢外骨骼机器人是帮助下肢运动功能障碍患者步行训练的新手段,能够减轻医护人员的劳动强度,它常采用减重方式完成辅助训练。然而,对于地面行走减重外骨骼机器人系统而言,其减重比例随步态及穿戴方式变化而变化,因此不控制减重比例下的步态相位识别具有重要意义。通过搭建基于Arduino Mega2560板卡和单侧鞋内8个薄膜式压力传感器的足底压力采集系统,分别采集了正常行走、不控制减重比例减重带减重状态下行走时的足底压力信息,并采用神经网络算法进行步态相位识别。结果表明:在减重状态下行走与正常行走相比,左右脚压力值均出现明显下降且两侧具有对称性;足底每个压力传感器处的压力减小比例不同;采用神经网络算法对正常行走时步态相位总体识别率达到96.8%,对减重行走时步态相位总体识别率达到94.8%。研究结果表明该足底压力采集系统可以有效测量减重行走时的足底压力,为在地面不控制减重比例下减重带减重的外骨骼机器人控制策略的制定提供一定支持。

水下滑翔机导航技术发展现状与展望

水下滑翔机水下导航定位精度的提高对于滑翔机完成海洋环境观测、资源探测、海洋目标识别与定位等任务至关重要。现有的水下滑翔机导航技术以航位推算搭配全球定位系统(GPS)为主。随着导航技术的进步,惯性导航、声学导航、海洋地球物理导航和组合导航等技术将更多地应用于水下滑翔机。基于此,文中简要介绍了水下导航技术原理、分类以及常用算法,综述了水下滑翔机导航相关技术研究与应用的国内外现状,探讨了水下滑翔机冰下导航的技术难点和发展趋势。文中的工作可为水下滑翔机导航技术的深入研究与试验应用提供依据。

基于参数自整定PID的水下滑翔机航向控制方法

水下滑翔机航向控制的精度对海洋目标观探测具有重要意义。现有的水下滑翔机航向控制技术以比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)为主。为保证水下滑翔机按照预期轨迹运动,PID控制器参数需要反复设定和调整,很难达到快速准确的控制效果。针对该问题,提出了一种基于径向基函数(radial basis function, RBF)神经网络的参数自整定PID航向控制方法。首先建立水下滑翔机水平面内运动模型,然后构建了RBF神经网络结构,并通过梯度下降法给出了神经网络参数以及PID参数的迭代公式。仿真结果表明,该方法相较于常规PID控制方法能在较短的时间内收敛,控制系统精度较高,同时控制器参数能够快速自整定。为今后的水下滑翔机航向控制器提供了设计参考。

曲面匹配方法在刀具加工轨迹优化中的应用

为减小非可展直纹面侧铣过程中产生的原理误差,提出一种新的刀具加工轨迹优化方法,将曲面匹配方法应用于初始刀具加工轨迹的优化过程,并使用序列二次规划算法求解曲面匹配问题。首先,采用现有的刀具加工轨迹生成方法得到刀轴轨迹曲面;其次,对刀轴轨迹曲面进行法向偏移得到对应的刀具加工包络面并进行原理误差计算,使用基于序列二次规划算法的曲面匹配方法对加工包络面与设计曲面进行曲面逼近,得到空间变换矩阵;再次,通过空间变换和法向偏移,得到优化后的刀轴轨迹曲面及其对应的刀具加工包络面,以及对应的优化刀具加工轨迹及加工误差分布数据;最后,使用MATLAB进行仿真,并与基于最小二乘法的曲面匹配方法进行对比验证。仿真结果表明该优化方法有效地减小了初始刀具加工轨迹产生的原理误差,这说明提出的方法能够用于减小非可展直纹面侧铣加工时产生的原理误差。研究成果为提高非可展直纹面侧铣的精度提供了新的技术支持。

掺锶羟基磷灰石纳米颗粒的合成、表征及模拟研究

锶(Sr)掺杂羟基磷灰石(HA)在生物材料中得到广泛应用。在此研究中,使用水热合成的方法制备HA和Sr掺杂HA的纳米颗粒。通过实验和计算机模拟的方法研究Sr掺杂对HA化学成分、结晶度、晶格参数、形貌和形成能的影响。实验结果表明,Sr掺杂后的HA纳米颗粒晶格参数和晶体尺寸增大。随着Sr离子浓度的增加,Sr掺杂HA的纳米颗粒的结晶度没有显著变化。模拟结果验证了实验得到的Sr掺杂HA纳米颗粒晶格参数的准确性,且进一步表明Sr离子掺杂后纳米颗粒的形成能较低,结构更稳定。当Sr掺杂浓度为10%时,Sr掺杂的优先位点是Ca(1);Sr掺杂浓度为50%时,Sr混合掺杂到Ca(1)和Ca(2)位点为更优先的掺杂模式。

基于水下滑翔机观测数据的白令海海盆区域温度及溶解氧特征分析

基于2019年夏季中国第十次北极科学考察(“十北”科考)中“海燕”水下滑翔机观测的温度和溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)数据,对白令海海盆区水团分类,及其温度和溶解氧分布特征进行了分析研究。结果表明:北极白令海海盆区水体一般由温度差异较为明显的上层水,中层水和深层水组成,其温度水平分布具有东高西低的特点,且随着深度的增加,水平温差逐渐减小。白令海上层水位于50 m以浅的位置,在约30~50 m深度处存在强温跃层,温跃层自西向东深度略有增加,且厚度不均匀,跃层强度约为0.31℃/m;白令海中层水位于50~250 m深度处,主要为冬季残留水,中层冬季残留水分布具有一定地区性差异,在此位置存在温度最小值,约为2.7℃;白令海深层水水体较稳定,温度随深度缓慢降低。对比垂直断面温度特征和溶解氧特征可知,白令海中层冬季残留水溶解氧含量较高,高于上层水团;在中层水与深层水之间存在氧跃层,氧含量从250μmol/L快速下降至50μmol/L,并随着深度的增加,在1000 m深处降至20μmol/L。

强扰动环境下水下滑翔机编队稳定性分析

随着海洋观探测技术的发展和日趋成熟,单一水下无人潜航器的应用已不能满足广域数据采集或军事探测任务的需求,因此,水下无人潜航器的编队协作成为发展的必然趋势。水下滑翔机作为一种依靠浮力驱动的新型水下无人航行器,具有广泛的军民应用前景。然而,在受到外界攻击或强气象条件扰动时,水下滑翔机编队必须进行动态变换以实现稳定构型,因此本文针对水下滑翔机编队在强扰动环境下多种构型的稳定性进行分析。首先,对目前国内外水下滑翔机编队应用的现状进行回顾,并介绍水下滑翔机的稳定性研究进展。其次,考虑编队队形的动态变化,提出一种基于复杂网络理论的稳定性评估方法,采用领航-跟随者对编队分别建立有无扰动下的运动学模型。最后采用实例分析,分别进行3种水下滑翔机编队构型稳定性的研究,验证了不同编队构型在强扰动环境下的稳定性。

抗反流胆道支架研究现状及进展

胆道支架是治疗恶性胆道梗阻的有效手段,而常规胆道支架术后普遍存在肠胆反流,从而引发胆道逆行感染、支架堵塞等并发症,严重降低了患者生存质量。目前,抗反流胆道支架被认为是兼顾引流与抑制肠胆反流功能的具有前景的姑息性治疗手段。对抗反流胆道支架的研究现状进行综述,重点对抗反流瓣膜的功能设计与评估、瓣膜与本体支架连接设计、抗反流胆道支架生物力学问题等方面进行概述总结,并对抗反流胆道支架的当前研究进展与趋势进行总结与分析。