CFRP砂轮高速外圆磨削稳定性分析

为分析不同影响因素对CFRP砂轮高速外圆磨削稳定性的影响,采用铁木辛柯梁理论对具有阶梯特征的工件进行动力学分析,结合锤击试验测得砂轮动态特性,对高速磨削过程中的砂轮-工件两自由度系统进行了磨削稳定性分析。在对阶梯工件进行动力学分析的过程中,发现阶梯特征对于动态特性的影响较小,误差小于2%。在稳定性分析中发现,不同的砂轮转速和不同的工件磨削位置均会影响磨削稳定性。磨削位置越靠近工件中心,工件刚度越弱,磨削稳定性降低易诱发颤振;而在靠近顶尖支撑的位置,由于工件刚度增强,该位置的磨削稳定性将同时受到工件和砂轮的动力学性能的影响。通过磨削试验验证了分析方法的有效性,试验结果表明,工件磨削位置的刚度差异将会影响加工表面质量,由磨削失稳导致的粗糙度增幅可达51.6%。

单晶SiC超精密加工研究进展

单晶碳化硅(SiC)的高脆性、高硬性和强化学惰性是制约第三代半导体超精密抛光发展的关键,实现衬底高效率、超光滑表面的加工具有挑战性。对于单晶SiC的化学机械抛光(CMP),分别从材料去除和工艺优化两个维度出发,阐述了CMP SiC的影响因素和规律,指出了该方法的不足。介绍了光催化、超声振动、电场、等离子体、磁流变、表面预处理等辅助CMP抛光方法,分析了复合增效抛光的去除机理和优势。通过对比发现,辅助能场的介入有助于改善SiC表面质量,并能获得较好的加工效果,然而,复合抛光技术涉及的能场复杂,多能场作用下的材料去除机制和工艺参数匹配仍需进行深入研究。最后,对未来单晶SiC超精密加工的研究给出了建议,并进行了展望。

超高速磨削电主轴热特性分析

为了探明超高速磨削电主轴的内部温度情况,以及各部分温升引起的部件变形,文章以内装同步电机电主轴为研究对象,分析了其热量传递过程,计算了电主轴电机定子和轴承的发热量及各部分对流换热数,并对其稳态温度场、瞬态温度场及热-结构耦合场进行了分析。分析结果表明电主轴内部温度分布是极不均匀的,前后轴承与定转子之间存在很大的温差,各部件不同的热膨胀量造成了主轴轴头部分的热变形,影响了电主轴的精度和稳定性。

磨削电主轴动态回转精度分析及实验

以高速磨削电主轴为研究对象,对电主轴回转误差的表现形式、误差的分类进行分析。建立误差分离模型,提出利用最大波峰值减去最小波谷值的方法进行误差分离,并建立径向误差、倾斜误差和轴向误差运动的模型。通过最小二乘法平均值算法分析径向误差,基于径向误差轨迹分析得出倾斜误差。结合时域和频域的信号分析方法,对轴向误差进行分析。基于双标准球、多个高精度电容位移传感器和温度传感器组成的测量系统,在某国产磨削电主轴上进行动态回转误差测量实验。结果表明:随着转速升高,磨削电主轴的误差逐渐减小并趋于稳定;误差最小时其径向误差7.5μm,轴向误差6.02μm,倾斜误差25.91μrad;在电主轴长时间运行过程中,随着温度升高其回转精度的变化并不明显,但是会出现热偏移的现象。

超高速磨削电主轴磁热耦合分析

磨削电主轴高速运行时内置电机温升较大,对其工作性能将产生严重影响。以超高速磨削电主轴为研究对象,采用双向耦合方法进行电主轴电机磁热分析。分别建立电主轴电磁场与温度场的有限元分析模型,对电主轴散热边界条件和材料的温度特性进行计算。将电磁场分析得到的电磁损耗导入到温度场中计算温度场分布,根据温度场改变电磁场材料属性参数以更新电磁损耗,实现电磁场与温度场的磁热双向耦合分析。通过绕组端部的温升实验结果与仿真结果对比分析可以得出,采用磁热双向耦合的分析方法,可以提高磨削电主轴温度场分析的准确性。

外圆高速磨削颤振可靠性研究

磨削颤振严重影响了加工精度和表面质量,以外圆高速磨削为研究对象,基于再生颤振机理,建立了工件-砂轮动力学模型,求解了理论临界磨削深度,并绘制了稳定性叶瓣图;考虑动力学参数的不确定性,建立了磨削加工系统可靠性模型,采用改进一次二阶矩法求解磨削深度的可靠性;通过模态试验获得系统频响函数,并计算了磨削颤振可靠度;最后,选取15种工况开展颤振可靠性磨削试验,并通过工件表面振纹对颤振进行辨识。结果表明稳定性叶瓣图预测结果可能存在误差,利用磨削颤振可靠度对其评判,可提高预测结果的准确性。

不确定转子系统动力学降阶模型构建与模型散度参数辨识

在航空、航天、船舶等领域的实际工程转子系统中,广泛存在高维复杂的非线性系统。在航空发动机转子系统、燃气轮机转子系统等重点研究领域,通常还难以对高维复杂非线性系统进行直接的数据处理和分析统计。针对不确定性转子系统的模型维度较高等问题,提出了一种模型不确定性动力学降阶计算模型构建和模型散度参数辨识方法。首先,根据确定性动力学模型和静态矩阵降阶方法,完善了确定性动力学降阶模型;然后,基于随机矩阵理论和非参数动力学建模方法,提出了不确定性动力学降阶模型;最后,利用系统确定性模型的一阶临界转速、振型和实验数据,对不确定性动力学模型的散度参数进行了辨识;为了验证散度参数辨识方法的有效性,笔者又在转子实验平台上进行了实验验证。研究结果表明:实验结果与降阶之后振动响应均值的差异性较小,且与不确定性动力学模型相差不超过10%,表明所采用的理论模型在描述转子系统行为方面具备了较高的准确性和可靠性,该模型可以为深入研究模型不确定性转子系统提供参考。

基于深度强化学习的柔性作业车间节能调度研究

针对当前柔性作业车间节能调度研究无法充分利用历史生产数据,且对复杂、动态、多变的车间生产环境适应性不足的问题,引入深度强化学习思想,利用具有代表性的深度Q网络(deep Q-network,DQN)求解柔性作业车间节能调度问题。将柔性作业车间节能调度问题转化为强化学习对应的马尔科夫决策过程。进而,提炼表征车间生产状态特征的状态值作为神经网络输入,通过神经网络拟合状态值函数,输出复合调度动作规则实现对工件以及加工机器的选择,并利用动作规则与奖励函数协同优化能耗。在3个不同规模的案例上与非支配排序遗传算法、超启发式遗传算法、改进狼群算法等典型智能优化方法进行求解效果对比。结果表明,DQN算法有较强的搜索能力,且最优解分布情况与提出的柔性作业车间节能调度模型聚焦能耗目标相一致,从而验证了所用DQN方法的有效性。

CFRP砂轮与钢基体砂轮高速磨削过程中的动力学特性

为探究CFRP砂轮与钢基体砂轮在高速磨削过程中的动力学特性,在数控凸轮轴磨床上搭建振动测试试验平台,开展磨削过程的动力学特性试验,研究2种砂轮在不同线速度和不同进给速度下的振动信号变化,并测量磨削后工件的表面粗糙度。结果表明:CFRP砂轮主轴系统的各阶固有频率高于钢基体砂轮主轴系统的各阶固有频率,且磨削过程中激发的优势频率处于高频区域。随着砂轮线速度的增大,GCr15工件表面粗糙度随之发生波动,CFRP基体砂轮磨削表面的粗糙度明显变小,较钢基体砂轮磨削表面的粗糙度减小30%~35%。颤振发生前后,CFRP基体砂轮磨削的表面粗糙度由0.089μm变为0.091μm,粗糙度增大2.2%;钢基体砂轮磨削的表面粗糙度由0.135μm变为0.146μm,粗糙度增大8.2%。在线速度一定的条件下,随着砂轮进给速度的增加,CFRP砂轮和钢基体砂轮磨削的工件表面粗糙度值都有增加,分别为2.4%和2.9%,但相较于砂轮线速度对工件表面粗糙度值的影响,进给速度对工件表面粗糙度值的影响更小。

悬浮式低频宽带电磁振动能量收集器

振动能量收集技术是一种解决无线传感网络供电难题的理想方案。为实现低频、宽带振动能的高效收集,设计了一种基于抗磁悬浮系统的悬浮式电磁振动能量收集器。利用抗磁悬浮系统的低刚度特性降低系统的工作频率,并通过碰撞实现振动能量收集器工作频带的拓宽。对所设计的振动能量收集器进行理论分析和实验研究,分析悬浮磁铁的抗磁悬浮机理,建立振动能量收集器的机电耦合模型,测试了不同振动激励、负载条件下振动能量收集器的电能输出特性。实验结果表明,当激励加速度为0.3g时,峰-峰电压为205 mV,最大均方根输出功率为105.7μW,工作带宽可达8 Hz。

分段非线性电磁振动能量采集器

为了解决无线传感网络需要频繁能量补给的难题,设计了一种分段非线性电磁振动能量采集器,利用磁悬浮系统与机械弹簧耦合而成的非线性系统来提高能量采集器对低频、宽带环境振动能的采集能力。利用搭建的实验测试平台,研究了磁弹簧弹性系数、初始间隙、机械弹簧弹性系数及激励加速度对输出性能的影响规律。实验结果表明,当初始间隙分别为3、5和8 mm时,相应的最大输出电压分别为0.78、0.74和0.73 V;当机械弹簧弹性系数分别为0.028、0.100和0.270 N/mm时,相应的最大输出电压分别为0.73、0.72和0.57 V,工作带宽分别为3、4和5 Hz;当加速度为0.3、0.4和0.5g时,最大输出电压分别为0.39、0.57和0.73 V,对应的最大输出功率分别为3.81、8.13和13.32 mW,系统的工作带宽分别为3、3.5和4 Hz。

模型不确定性单转子系统固有频率分析

为了研究参数近似和由认知不足导致的建模误差分别对单转子系统固有频率的影响,采用Riccati传递矩阵法以及非参数方法,对具有不确定性转子系统的固有频率进行了研究。分析了支承刚度、轴段长度、节点质量、弹性模量等多种参数不确定性和模型不确定性对转子系统固有频率的贡献度。研究结果表明,对于不确定单转子系统的固有频率,模型不确定和参数不确定对其造成的影响范围有较大差异,而且不同参数的不确定性造成其波动的大小也各不相同。研究结果可为稳态及瞬态不平衡响应的不确定动力学问题研究提供理论参考。

基于抗磁悬浮的摩擦电式振动能量收集器

针对目前传统电池供电方式无法满足无线传感网络需要长期、持久工作的要求,提出了一种基于抗磁悬浮的摩擦电式振动能量收集器,通过将环境中广泛存在的能量转化为电能,实现对无线传感网络长期、稳定的供电。利用搭建的实验测试平台,研究了采集时间、激励加速度及负载电阻对输出性能的影响。实验结果表明,输出电压随着采集时间的增长出现先增大后趋于稳定的趋势;当激励加速度分别为0.2g、0.4g和0.6g时,最大输出电压分别为21.4、29.3和35.6 V,所对应的激励频率分别为19、25和28 Hz;当负载电阻约为1×10^(7)Ω时,振动能量收集器的最大输出功率为123μW,与之相对应的输出电压为38 V。

非参数不确定动力学建模研究综述

在工程应用中不可避免存在各种不确定因素,采用不确定模型能够更为准确反映动力学系统的特性。参数不确定动力学建模在过去三十多年得到了充分关注和研究,而非参数不确定动力学建模作为一个比较新的研究领域,直到近年来才逐渐得到重视。该领域至今已取得了大量的研究成果,有必要对国内外研究和发展现状进行全面的总结。从非参数不确定动力学建模的方法、理论基础、建模过程及应用等方面系统综述了其研究现状,归纳现阶段存在的问题,并指出了未来研究的发展方向。

砂轮修整技术的发展

河南工业大学机电学院磨削团队成立于2004年,一直致力于磨削加工和磨料磨具制造技术领域的研究,是学校的优势学科方向。2018年依托机电学院建立了河南省超硬磨料磨削装备重点实验室。目前团队有12人,主要研究方向:砂轮修整技术、磨削工艺理论、精密超硬磨料工具制造和金刚石修整滚轮制造及应用技术等。近5年来获得国家自然基金重点项目1项、面上项目4项、青年基金3项,发表相关论文120余篇。团队成果金刚石约束形面超硬磨料砂轮修整技术、挤磨削技术、精密金刚石工具制造技术和高精度复杂形面金刚石修整滚轮制造应用技术等在制造行业中得到了广泛的应用。

基于遗传算法优化灰色神经网络的机床主轴热误差建模研究

针对机床主轴热性能对加工精度产生影响的问题,对机床主轴热误差建模方向进行了试验研究。以数控磨床主轴为研究对象,通过热特性试验获得了阶梯转速下的温度变化数据和热误差数据,对温度数据进行了模糊聚类分组,并采用相关系数法选出了温度敏感测点;通过对灰色神经网络初始参数进行优化,建立了遗传算法(GA)优化的灰色神经网络热误差预测模型;在该模型中,以灰色神经网络的预测输出和实际值的绝对误差作为遗传算法适应度函数,以平均相对误差作为预测模型的评价标准,并与灰色神经网络、BP神经网络预测结果进行了对比。研究结果表明:该预测模型具有更高的预测精度,通过GA对灰色神经网络的初始参数进行优化,可有效地提高网络的预测精度,更好地用于热误差补偿系统。

液体动静压轴承油膜的压力场和温度场分析

针对深浅腔液体动静压轴承的承载特性等问题,对液体动静压轴承的油膜压力场和温度场进行了仿真分析。以超高速磨削电主轴系统中常用的深浅腔液体动静压轴承为研究对象,建立了液体动静压轴承油膜的三维有限元模型,对油膜进行了网格划分,并对划分后的网格进行了质量评定;采用动网格技术实现了对油膜偏心率的变更,在不同主轴转速、偏心率的工作条件下,计算了深浅腔动静压轴承油膜压力和温度的分布情况,分析了其油膜压力分布和温度分布的变化规律;研究了转速、偏心率对动静压轴承的承载力和油膜温升的影响规律。研究结果表明:在深浅腔液体动静压轴承运转过程中,随着转速和偏心率的提高,油膜承载力和温升也随之提高,且转速对油膜温升的影响要比偏心率大。

低频振动能量收集技术研究进展

振动能量收集技术能够将环境中广泛存在的低频振动能转化为电能,促进无线传感网络技术发展与应用。文中介绍了低频振动能量收集技术的国内外研究现状,详细介绍了磁力调节法、结构拓展法与非共振法等的低频振动能量收集方法的实现途径,并归纳了用于提升能量收集效率的频带拓宽法。分析了低频振动能量收集器存在的问题,并对低频振动能量收集器的发展趋势进行了展望。

电磁平衡头转子系统振动建模及模态试验研究

针对电磁主动平衡系统中转子系统的振动问题,对平衡头转子系统进行了振动建模,并对其模态特性进行了研究。首先,根据平衡头结构特征和零部件之间的装配关系,将平衡头简化为28个梁单元、10个集中质量单元和4个弹性支撑单元;然后,依据简化的模型参数,在SAMCEF中建立了转子的有限元分析模型,计算了转子系统的前三阶自由和约束模态频率;最后,通过试验方法,验证了转子系统有限元分析结果及振动模型简化方法的正确性。研究结果表明:转子系统前三阶自由模态频率为2398 Hz、4365 Hz和5161 Hz,前三阶约束模态频率为655 Hz、999 Hz和2398 Hz;试验测得一阶自由模态和约束模态分别为2380 Hz和665 Hz,和有限元分析结果的误差限仅为1.17%和2.3%;试验结果验证了平衡头结构简化方法和支撑简化、计算的正确性和有限元计算方法的有效性,为平衡头的开发设计和振动研究提供了重要参考。

电磁平衡头自锁力矩随永磁体参数变化规律研究

电磁平衡头自锁力矩具有驱动和自锁作用,其评价指标分别为自锁力矩一个步距角内做功和自锁力矩峰值。在保持齿盘参数不变的前提下,通过建立平衡头自锁磁路的三维模型,基于Ansoft Maxwell-3D瞬态求解器,采用有限元分析方法,研究不同永磁体数量、材料、形状和位置参数下自锁力矩峰值、做功及其比值的变化规律。结果表明:自锁力矩峰值、整周期做功随永磁体数量、长度、直径的增加而增加,随气隙增加而减小,随偏心率变化呈抛物线改变;峰功比在磁路轴向投影不变时近似为常数0.34,在永磁体数量变化时近似为0.31,随永磁体直径的增加呈指数减小。