2023年, 第0卷, 第5期　
刊出日期：2023-05-20

  

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设计与研究
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  基于自适应补缺滤波的装配孔孔位提取方法

  钱晓硕, 杜小东, 刘清昊, 胡贺南, 王长瑞, 田威

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 1-5,9. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.001

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  针对阵列天线自动化装配过程中由于子板表面易反光等原因导致的装配孔孔位提取难、提取精度低等问题, 提出了一种基于自适应补缺滤波的装配孔孔位提取方法。利用双目视觉相机采集被测表面三维点云, 采用离群点滤波去除装配孔边缘离群点, 通过自适应补缺滤波, 对位于装配孔外部的缺失点云进行自适应补缺。在自适应补缺滤波算法中, 根据点云特征和给定孔径自适应构造判断区域, 保证算法的可靠性与适用性。根据每个点k领域点的法矢偏差完成点云边界点的提取, 并借助随机采样一致性(RANSAC)算法优化空间圆的拟合过程, 提高装配孔孔位提取的可靠性和精度。通过试验对所提算法进行验证, 试验结果装配孔孔位提取精度可达0.037 mm。
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  基于自修正模型的五轴机床RTCP标定方法

  王志远, 喻里程, 张凯洋, 商子瑜, 陆佳

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 6-9. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.002

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  针对传统五轴机床回转中心的标定方法的精度和效率问题, 提出一种带有自动修正功能的双摇篮式五轴机床RTCP的标定方法。应用最小二乘拟合的粗自动标定和“自校验-自修正”的精自动标定方案, 通过引入试切校验思想, 使用接触式探头和标准球对现有RTCP参数进行精度自校验, 并根据误差反推RTCP参数, 然后再次校验, 不断迭代优化并逐步逼近最优解, 形成闭环标定。经过试切和标准球校验显示, 经过自修正精度优化的结果单方向误差在0.01 mm以内, 对比粗标定误差0.03～0.06 mm, 精度提升66%以上, 且多组实验的重复性能良好。
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  机器人动力学参数辨识研究

  邹孔金, 丁建完

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 10-13,18. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.003

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  基于动力学模型的控制是改善机器人运动控制性能的有效方法, 为了得到精确的动力学模型, 需获得准确的机器人动力学参数, 采用加权最小二乘法与遗传粒子群混合算法结合的辨识算法获得准确的动力学参数。关节摩擦影响动力学模型精度, 传统库伦粘滞摩擦模型精度不高, 引入一种新的连续摩擦模型, 采用牛顿-欧拉法建立机器人动力学模型, 采集机器人在激励轨迹运动下的数据, 先采用加权最小二乘法辨识得到初始解, 在初始解的基础上设定解的边界, 分别采用遗传算法、粒子群算法、遗传粒子群混合算法辨识动力学参数, 并于已有方法进行对比, 结果表明遗传粒子群混合算法辨识动力学参数精度更高。最后, 选取验证轨迹验证动力学参数的精度, 结果表明辨识得到的动力学参数能够建立精确动力学模型。
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  基于流固耦合的气体静压导轨侧向静态特性分析

  姚建华, 尹自强, 杨义军, 柴宁

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 14-18. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.004

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  气体静压导轨的结构变形会造成气膜的压力分布与理论模型存在明显偏差, 从而影响了其静态特性。研究建立了气体静压导轨的流固耦合模型, 分析了导轨两侧气膜压力分布与结构变形的关系; 此外, 通过双向流固耦合仿真, 得到了在不同位置外力作用下气体静压导轨的承载能力和位移的关系, 以及导轨变形情况和位移的关系, 分析了不同位移下导轨变形与承载力的关系。最终通过实验对流固耦合仿真数据进行了验证, 得出流固耦合仿真数据与实验结果较为吻合, 在不同位置的外力作用下的气体静压导轨的静态特性相差较大。
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  基于改进融合深度强化学习的机器人路径规划

  余久方, 尧海昌

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 19-22,26. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.005

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  为解决深度强化学习中的收敛慢和过估计问题, 提出一种改进融合深度强化学习的方法。引入人工势场中的受力作为深度强化学习的奖励值, 引导机器人避开障碍向目标移动, 提升深度强化学习网络的收敛性; 融合平均DQN和双DQN方法DDQN, 把平均DQN用于DDQN的目标网络, 解决过估计问题; 把浅层特征作为深层网络输入进一步提升学习效果。与其它方法对比实验结果表明, 改进后的方法能够提升训练网络的收敛性, 更好地解决过估计问题。机器人使用改进后的方法得到的奖励值更大, 规划的路径更优。
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  基于机器人的舱体自动常温性能测试系统设计

  赵英杰, 晋严尊, 刘赛华

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 23-26. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.006

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  针对目前雷达系列舱体常温性能测试过程中存在的移载过程占用人工多、姿态模拟精度不高等问题, 设计了基于机器人的舱体自动常温性能测试系统, 提出一种舱体位姿偏差精确识别与定位方法, 进行舱体位姿高精度识别与定位, 基于机器人实现舱体自动抓取及姿态模拟。实验结果表明, 通过应用机器人代替人工操作, 可实现舱体的精准自动抓取及高精度姿态模拟。该研究的成功应用不仅减少了人工占用, 也提高了舱体测试自动化程度。
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  基于改进WLSSVR的视觉球形机器人的设计与建模

  郭昱琛, 黄卫华, 翟光耀, 章政, 赵广营

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 27-31,35. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.007

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  为了提高球形机器人获取环境信息的可靠性与稳定性, 设计并实现了一种具有球外视觉装置的球形机器人。基于所搭建球形机器人平台, 使用拉格朗日方法建立其动力学模型并进行运动性能分析; 针对球形机器人欠驱动、非线性等复杂特性导致难以建立其精确动力学模型问题, 将泛化处理后的高斯核函数与多项式核函数进行组合, 并采用PSO优化所设计组合核函数的参数, 由此提出了一种基于改进加权最小二乘支持向量回归机的建模方法。所设计球形机器人具有灵活的球外视觉装置, 提高了对外部环境的感知能力; 并且基于球形机器人的输入输出数据建模, 有效解决了难以建立球形机器人精确动力学模型的问题。仿真实验和实测实验证明了本文设计方法的可行性和有效性。
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  面向精密电主轴的非晶高速永磁电机设计与分析

  高云鹏, 陈进华, 张驰, 孙贤备

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 32-35. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.008

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  针对高端精密高速电主轴普遍存在损耗大、效率低、转子发热严重等问题, 提出采用基于非晶合金定子铁芯的高速永磁同步电机, 根据非晶合金定子铁芯的磁化特性和损耗特性开展了高速永磁同步电机优化设计研究, 采用有限元法建立了一款额定功率3.7 kW、额定转速7000 rpm、最高转速15 000 rpm的永磁电机物理分析模型, 与相同结构参数的硅钢(35W270)电机损耗、效率等性能进行了对比分析。通过分析结果表明采用非晶合金作为高速永磁电机定子铁芯较硅钢电机额定工作点理论铁损下降76.5%; 经对两款样机进行实际测试, 考虑到铁芯加工及装配工艺导致铁损的恶化, 实测铁损下降50.7%, 效率提高1.4%, 相同负载与冷却条件下定子绕组温升下降15.1 K, 表明了非晶铁芯在高速电主轴中应用具有明显的优势。
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  振动载荷频率对螺栓法兰连接结构松动行为仿真分析

  王开平, 闫明, 苏东海, 孙自强

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 36-38,44. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.009

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  为探究振动载荷频率对螺栓法兰连接结构松动行为的影响规律仿真分析, 首先建立了带螺旋升角螺纹的螺栓法兰连接结构精细有限元模型, 进行了全六面体网格划分, 采用了施加力矩法施加初始预紧力, 运用Yamamoto方法和Spowith方法验证了模型的有效性, 然后进行了螺栓松动条件理论分析, 最后进行了振动载荷下螺栓法兰连接结构松动行为仿真计算, 基于螺栓预紧力变化和螺纹接触面、螺栓头接触面黏着-滑移接触状态变化情况分析了振动载荷频率对螺栓松动行为的影响规律。结果表明, 存在一振动载荷频率临界值, 使得螺栓松动最不容易发生; 一定范围内, 低振动载荷频率较高振动载荷频率振更容易引起螺栓松动; 当达到一定值后, 振动载荷频率将对螺栓松动影响较小。
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  非线性权重粒子群算法的机械臂动力学参数辨识

  任瑞龙, 张士雄

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 39-44. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.010

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  对机械臂的动力学模型进行了研究, 提出了一种六关节串联机械臂动力学参数辨识方法。首先, 基于牛顿欧拉法建立模型, 通过关节类型将动力学参数组合, 确定待辨识的最小惯性参数集; 其次, 将傅里叶级数作为激励轨迹, 采用一种非线性权重粒子群算法对其系数进行寻优, 并设置惩罚函数来剔除不满足条件的粒子; 最后, 设计测试轨迹来进行力矩验证。仿真结果表明, 非线性权重的粒子群算法仿真时间短, 适应度值较优, 明显地加快了收敛速度。在测试轨迹中, 估算力矩与实际力矩基本吻合, 其力矩差值在误差允许范围内。
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  基于特殊正交群的工业机器人姿态插补研究

  汪晓松, 任庆磊, 李海艳, 梁桂铭, 林志跃, 贺涛

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 45-49,53. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.011

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  针对工业机器人因多姿态插补存在的路径不平滑、运动时间过长、速度波动率大等问题, 提出了一种基于特殊正交群的机器人多姿态插补方法。首先, 采用特殊正交群将获得的姿态转换为其对应的指数坐标, 进而将姿态插值问题转换为对向量插值问题; 其次, 为保证姿态路径的连续性同时减小姿态路径的曲率对速度影响, 利用三次非均匀有理B样条(NURBS)曲线和非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)以曲率L₂范数和长度为优化目标减小姿态路径的曲率和长度; 最后, 引入S形加减速对生成的姿态路径进行分段自适应加减速控制, 结合弦截法和抛物线(Muller)法提出一种参数密化算法完成姿态插补。研究结果表明：与单位四元数的球面四边形插值(Squad)相比, NURBS插值的姿态路径具有C²连续性; 与标准NURBS曲线插补运动相比, 优化插补运动时间缩短8.7%; 与弦截法相比, 所提算法的绝对平均速度波动率降低73%。
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  基于视觉和GA的机器人最短分拣路径控制

  徐永亮, 谢小辉

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 50-53. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.012

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  针对元件分拣作业效率低下、传统的二维约束矩阵自动化程度低的问题, 结合机器视觉和遗传算法, 提出一种最短分拣路径优化策略。首先, 对视觉系统进行标定解算出机器人-像素坐标系位姿变换关系; 其次, 运用深度学习识别出目标元件, 以开启多线程的方法对3类目标框进行图像处理得到定位结果; 最后, 创建三维动态约束矩阵, 运用贪心策略和遗传算法组合算法对分拣路径进行优化, 探究不同的元件放置和元件组成对路径优化的影响。实验结果表明, 优化后的分拣路径较随机路径缩短了2.12%～15.2%, 分拣效率提高了0.52%～3.06%。实验结果揭示的相关规律对分拣作业的实际应用具有重要的现实意义。
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  面向实时运动学标定的机械臂轨迹规划

  蒋周翔, 苏瑞, 秦鹏举, 龙忠杰, 宋宝, 唐小琦

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 54-57,63. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.013

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  为解决机械臂标定效率低的问题, 针对机械臂实时标定中的作业-标定共用轨迹的规划方法进行了研究。首先, 选择立体视觉作为测量方式, 减少对机械臂末端的物理约束; 然后, 以作业轨迹和靶标可视性为约束条件, 采用DETMAX算法选出最优测量构型作为轨迹中间点, 并分析了中间点聚类数量与轨迹极值间的关系, 作为确定轨迹数量的依据; 最后, 在关节空间下仿真分析了新方法所得轨迹特征。研究结果表明, 匀速运动段与静止段间相连的角度和角速度轨迹均具有良好平滑性, 角加速度连续且无跳动; 角速度和角加速度轨迹极值远低于实际对应的指标极限; 各关节在中间点的角度准确且停留时间充足。因此新方法能够满足机械臂在不停工前提下开展实时标定的要求。
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  刚柔耦合关节SCARA机器人的双柔性动力学模型

  姚国林, 王合闯, 张文, 林俊享, 黄观新

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 58-63. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.014

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  针对电子装配机器人高速高精要求, 提出一种能够利用柔性铰链变形补偿轴承摩擦死区, 实现高精度定位运动的刚柔耦合关节SCARA机器人的概念设计, 并建立考虑柔性铰链变形与机械臂一阶弹性变形的双柔性动力学模型。首先, 设计一种刚柔耦合轴承的结构, 通过轴承中柔性铰链的变形量主动补偿摩擦死区引起的定位误差; 在每个关节处引入两个扭转弹簧, 分别模拟柔性铰链和机械臂的弹性变形; 其次, 建立关节的摩擦模型以模拟关节摩擦环境; 然后, 使用拉格朗日动力学方法建立包含摩擦信息与振动信息的动力学模型。设计开环和闭环的数值仿真进行验证, 结果表明该模型理论分析的有效性。
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  基于双向D算法的履带机器人路径规划

  王飞鹏, 张志安

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 64-67. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.015

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  传统的D^*算法在第一次规划路径时遍历节点和路径的拐点较多, 不适用于机器人实体移动, 为了让履带机器人可以在部分已知的环境下自主移动, 提出了改进双向D^*算法, 通过元胞自动机中的扩展Moore型邻居结构降低角度变化的最小增量, 避免履带底盘无效转向带来的成本; 针对其收敛速度较慢的现象, 融合双向搜索规则来减少算法的搜索时间, 使得机器人较原D^*算法规划路径更加快速, 避障更加高效; 最后利用二阶贝塞尔曲线方程优化路径, 使得路径无明显拐点。仿真结果表明, 在不同环境情况下的仿真实验中, 改进后的D^*算法在规划时间上缩短了30%左右, 搜索的元胞数量减少量近50%。并且该改进算法具有良好的安全性以及全局最优性。
控制与检测
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  基于局部线性增强嵌入的轴承故障诊断

  殷海双, 张瑞

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 68-72,76. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.016

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  由于实际采集数据的局部邻域并非位于线性子空间中, 传统的局部线性嵌入算法无法出提取显著特征。针对该问题, 提出了局部线性增强嵌入(local linear augmentation embedding, LLAE)算法。首先通过高维重构模型挖掘出流形的本质结构; 然后将邻域线性增强策略引入到低维目标函数的构造中, 通过构造均值和方差模型, 获得样本的显著特征。在两个轴承数据集上进行了大量的实验, LLAE算法获得了良好的可视化和聚类效果, 识别精度达到了97%以上。这表明LLAE算法能够提取出显著的特征, 实现更有效的故障诊断。
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  基于事件驱动的逆变器无电压传感器预测控制

  刘晓悦, 赵瑞森, 康健, 张怡

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 73-76. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.017

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  为缓解T型三电平逆变器在应用模型预测控制时的计算负担, 提高控制精度, 同时降低传感器的使用成本, 提出了基于事件驱动的无电压传感器预测控制。建立事件驱动采样机制代替传统的连续时间采样机制, 根据相邻采样时刻被控量的状态误差函数设计事件驱动条件, 以筛选冗余开关动作、减少预测计算; 在此基础上, 建立以电网电压为扰动项的改进扩张状态观测器以估计系统扰动误差并结合两步预测实时修正, 实现了无电网电压传感器控制, 保证了良好的控制精度。同时, 分析了控制参数对系统性能的影响并设计控制参数的整定范围。仿真结果表明, 改进方法在提高计算效率、降低器件开关频率的同时, 能有效改善输出电流波形, 提高动态响应速度。
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  球面拟合法实现机器人与变位机位姿标定

  陈琳, 李权文, 付钰, 陈家春, 潘海鸿

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 77-80. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.018

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  机器人与双轴变位机组成焊接工作站时, 为保证协同运动的准确, 需确定机器人与变位机间位姿变换矩阵, 为此提出一种使用球面拟合法实现机器人与变位机位姿标定方法。首先, 双轴变位机俯仰轴和旋转轴旋转不同角度时, 记录机器人TCP点在对应位置的位姿信息, 并通过遗传算法求得全局最优原点位置, 拟合出最优球面; 然后, 根据原点位置选取6个最优标定点, 计算得到变位机基坐标系的单位方向矢量, 最终实现机器人与变位机基座标系间位姿标定。使用自主研发的机器人与变位机焊接工作站进行实验验证, 并用激光跟踪仪进行有效性验证, 实验表明所提出的方法可以有效减小非线性随机误差, 其标定误差在0.3 mm以内, 可满足焊接的实际要求。
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  H型运动平台的时变非奇异快速终端滑模控制

  杨光永, 吴大飞, 王林, 徐天奇

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 81-84. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.019

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  针对以伺服电机和滚珠丝杠作为传动机构的H型运动平台系统位移跟踪控制存在的难点, 设计了一种基于时变非奇异快速终端滑模控制器的控制方案。在滑模控制器设计阶段, 提出一种新的滑模面幂指数时变方法, 以加快系统状态的收敛速度; 针对H型运动平台Y向两轴位移同步误差的控制问题, 运用同步误差和单轴误差相结合作为控制器输入的方式减小了两轴位移误差。以仿真实验验证了提出的时变幂指数方法可提升系统状态的收敛速度, 证明了相较于PID控制和一种滑模PID控制方式, 采用本文提出的时变非奇异快速终端滑模控制方案后, H型运动平台单轴运动误差和双轴同步误差更小、误差波动幅度更小。
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  搬运机械手模糊滑模增益跟踪控制

  张信, 章翔峰, 姜宏

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 85-88,93. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.020

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  针对非线性机器人系统中未建模动力学以及未知扰动的问题, 提出了一种抗干扰的自适应模糊增益滑模控制策略。首先根据D-H坐标法建立机械臂的运动学、动力学模型; 再次, 引入Mamdani模糊规则和自适应律逼近理论, 通过对Lyapunov函数的设计, 建立滑模控制律, 选取机械臂整体动力学模型为研究对象, 引入干扰并进行仿真分析; 最后, 通过对鲁棒滑模控制、自适应滑模鲁棒控制、自适应模糊增益滑模控制策略进行比较, 验证本文所提方法的有效性。
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  改进金豺狼算法的柔性关节机器人运动学参数辨识

  刘洪涛, 戎海龙, 段家振, 陈小强

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 89-93. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.021

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  为提高柔性关节机器人运动学参数辨识效果, 首次将金豺狼优化算法(GJO)用于运动学参数辨识中, 并针对GJO存在的不足, 提出了高斯变异金豺狼优化算法(GMGJO)。GMGJO是在GJO的基础上, 引入了高斯变异策略, 增强了种群多样性和跳出局部最优能力, 3个基准测试函数验证了GMGJO在寻优精度、寻优速度和寻优稳定性上比GJO更优。利用GMGJO进行了柔性关节机器人运动学参数辨识的仿真分析和实验验证, 结果表明, GMGJO在收敛速度和辨识精度上较其余几种方法更具优势。
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  基于改进LM法的机器人逆运动学求解

  杨骐睿, 崔玉霞, 王宪伦

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 94-96,101. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.022

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  以不满足Pieper准则的串联机械臂为主要研究对象, 针对逆运动学求解存在的精度低、收敛速度慢以及通用性差等问题, 提出了一种适用于各类串联机械臂求逆解的改进Levenberg-Marquardt算法。根据改进D-H参数法建立了机器人运动模型, 以最小化位姿误差为目标构建了逆解问题的目标函数; 通过收敛因子非线性更新、信赖域法调整收敛步长以及延用迭代初值等3种策略得到了一种改进LM法, 并将其用于逆运动学求解; 最后在MATLAB环境下进行仿真试验。结果表明, 改进的LM法具有收敛速度快、稳定性能好、精度高等特点, 证明了该算法求逆的可行性与有效性。
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  高精度冰刀磨削加工激光在线测量技术

  陈庚, 向华, 郭岚波, 严飞

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 97-101. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.023

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  为了满足体育竞赛对高精度冰刀的需求, 提出一种高精度冰刀磨削加工的激光在线测量技术。通过线激光传感器在线测量冰刀刀刃轮廓, 对测量数据进行低通滤波、小波滤波及中值滤波的组合滤波处理, 利用正弦函数对处理结果进行数据拟合, 拟合结果与测量数据的误差在0.01 mm以内, 重复测量误差在0.004 mm以内, 利用项目研制的高精度数控冰刀磨床加工一段半径R=21 000 mm的冰刀圆弧, 这段圆弧的粗糙度达到0.3 μm、圆度达到4.1 μm。采用激光传感器测量该段圆弧, 验证测量数据处理的准确性, 得出激光测量结果与标准曲线精度误差在0.007 mm以内, 满足高精度冰刀在线测量与加工的要求。
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  机器人末端加速度的预测研究

  林义忠, 杜柳明, 梁科, 易雨晴, 陈祯阳

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 102-105,109. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.024

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  针对传统的机器人加速度动力学建模求解方法的复杂性和实时性差等问题, 提出了基于小波包和改进的灰色预测模型相结合的机器人加速度的测量及预估方法。机器人末端加速度的测量值包括了加速度的真实值、噪声信号和重力加速度g的分量, 计算去除重力加速度g分量, 利用小波包对信号做了去噪处理, 再用改进的灰色预测模型对经过处理的信号进行超前预测, 解决了滤波信号的时间滞后问题, 提高了加速度测量的实时性和前瞻性。仿真和实验结果验证了该方法在机器人末端加速度测量和预估方面的可行性, 为机器人的加速度反馈控制及惯性力预测控制提供了基础。
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  基于混合特征提取和PSO-ELM的电机故障诊断

  谢锋云, 赏鉴栋, 汪淦, 王玲岚

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 106-109. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.025

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  针对单一特征提取方法无法有效提取电机故障特征, 提出了一种基于混合特征提取与粒子群优化极限学习机(PSO-ELM)相结合的电机故障诊断方法。通过搭建电机故障实验平台, 获取三相异步电机不同状态振动信号, 利用变分模态分解(VMD)获取反映信号能量分布特点的能量占比和能量熵特征, 并与反映时间序列不同尺度复杂程度的多尺度散布熵(MDE)特征组成混合特征向量, 使用PSO-ELM完成电机不同状态的识别。结果表明, 所提方法20次测试的平均识别率为98.92%, 能有效提取电机故障特征。
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  基于扩张状态观测器的双永磁同步电机同步抗扰控制

  吴涛, 赖悟行, 陶栩, 佃松宜

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 110-114,119. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.026

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  对于双永磁同步电机系统中由于参数摄动和随机摩擦扰动引发的转速失同步现象, 提出了一种新的双永磁同步电机滑模控制方法。首先, 设计了扩张状态观测器去估计系统状态与实时扰动, 并结合滑模跟踪控制器来提高电机在扰动作用下的跟踪性能; 其次, 将交叉耦合结构与滑模同步控制器结合, 对电机转速的同步误差进行抗扰控制并且提升系统的同步性能。仿真结果表明, 扩张状态观测器能准确估计电机系统机械角、转速及系统总扰动; 设计的滑模控制器能够有效提高电机系统在扰动作用下的跟踪与同步控制性能。
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  涡流传感器在电子提花机工作状态检测中的应用

  刘祥佟, 李玉良

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 115-119. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.027

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  为保证电子提花机电磁阀组件在自动织造系统中的可靠动作, 减少其对织物产生的轨迹误差, 设计了一种对电磁阀组件工作状态检测的涡流阵列传感器。通过理论计算和组件结构确定检测线圈的相关参数, 采用多路复用开关对阵列信号提取; 在Ansoft Maxwell电磁场仿真中建立传感器检测模型, 求解电磁阀组件在两个工作状态下的电感变化; 考虑通丝张紧产生的微位移, 仿真分析通丝位移1～10 mm的对传感器输出变化的影响, 并进行实验验证仿真结果的正确性。结果表明, 传感器产生的489 nH的电感变化可以反应出电磁阀组件的工作状态, 验证了检测方法的正确性, 且最大误差不超过2.559%, 能为提花机控制系统提供可靠的反馈数据。
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  改进自抗扰的PMSM双环伺服系统控制研究

  刘书伟, 姜宏, 章翔峰, 靳小强

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 120-124,128. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.028

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  永磁同步电机(PMSM)在电机参数本身变化和外部负载干扰等复杂环境下, 传统控制方法无法满足伺服系统对于精度高、抗扰性强和稳定性好的要求。针对该问题, 提出一种改进自抗扰(ADRC)的双环控制策略。结合PMSM控制模型和ADRC参数在PMSM中的实际物理意义, 设计了改进扩张状态观测器(ESO)的二阶非线性自抗扰控制器实现对位置和速度的联合控制, 简化了控制结构以提高伺服系统响应速度, 设计了一阶线性自抗扰控制器实现对电流的控制, 减小其对外环的影响以进一步提高伺服系统对高性能要求, 给出了双环控制器一整套参数整定方法。在MATLAB/Simulink上的仿真实验结果表明, 相较于标准ESO, 改进ESO更加遵循实际, 整个控制策略对于负载扰动和参数摄动表现出很好的抗扰性能和控制精度。研究结果表明, 该控制策略能够有效满足PMSM伺服控制系统对高性能的要求。
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  基于动态变边界层的PMLSM新型终端滑模控制

  艾雄雄, 张博, 索宇超, 杨永宝

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 125-128. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.029

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  为了提高永磁直线同步电机控制系统的动态响应速度和鲁棒性, 提出了一种动态变边界层新型终端滑模(DITSM)控制方法。首先, 在全局快速Terminal滑模面中引入积分项, 构建积分型全局快速Terminal滑模面, 在降低抖振的同时避免了奇异问题; 其次, 设计动态变边界层饱和函数来替代传统饱和函数, 保证状态轨迹可以收敛到切换平面而不是边界层内, 提高了系统鲁棒性; 最后, 设计超螺旋干扰观测器估计未知扰动, 并采用前馈补偿的方式将观测值引入控制率, 增强了系统抗干扰能力。经过仿真验证, DITSM控制方法不仅保证了系统全局鲁棒性, 而且有效提高了系统跟踪精度和响应速度。
工艺与装备
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  基于自由变形的航空叶片模型快速修正

  林志跃, 李海艳, 梁桂铭, 汪晓松

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 129-133,137. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.030

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  使用传统重构方法对航空叶片模型进行重构需要对叶片实际点云进行点云分割, 曲面拼接等复杂操作, 重构效率较低。针对此问题, 提出了一种基于自由变形的航空叶片模型快速修正方法。首先, 将叶片设计模型离散点云与叶片实际点云数据进行点云配准; 其次, 通过KD-tree计算叶片模型的特征点集与实际点云数据的误差, 结合自由变形算法实现叶片设计模型局部或整体误差快速修正; 最后, 进行拓扑重构, 完成叶片设计模型变形修正。实验结果表明, 与传统方法重构的叶片设计模型相比, 所提方法算法效率与重构精度得到显著提升, 将重构精度提升至0.092 8 mm, 并且算法运算效率为传统重构方法的7.231倍。
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  基于变阻抗的人机协作避障技术研究

  李佳欣, 于殿勇, 谭向全, 胡金鑫

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 134-137. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.031

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  为避开随机出现在协作机器人工作环境中的障碍物, 提出了基于变阻抗的人机协作方式实现避障。首先建立了人机协作时机器人末端的阻抗模型, 然后在仿真软件中对阻抗模型中的参数进行分析; 然后考虑到机器人工作任务的不同, 设计了基于接触力和位置的变阻尼阻抗控制策略, 并提出了协作系数实现对人机协作过程中主被动角色的确定, 同时完成对整个人机协作控制系统的设计; 最后设计相关实验, 验证所提出的基于变阻抗控制的人机协作避障技术的有效性。
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  改进的精细复合多尺度反向加权排列熵在齿轮箱故障诊断中的应用

  周云成, 潘威, 檀青松

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 138-142,147. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.032

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  针对多尺度加权排列熵(MWPE)的粗粒化处理易造成信息丢失, 无法全面提取齿轮箱故障信息的缺陷, 提出了基于改进的精细复合多尺度反向加权排列熵(IRCMRWPE)和支持向量机(SVM)的齿轮箱故障诊断方法。引入精细复合多尺度反向加权排列熵, 将其粗粒化处理中的平均值替换为最小值来表征数据段信息, 以缓解传统粗粒化处理的不足并强化故障特征的质量; 将IRCMRWPE作为表征齿轮箱故障状态的特征向量, 使用SVM分类器对故障特征进行识别。基于齿轮箱实验数据对所提方法进行了评估, 结果表明该方法可准确地识别齿轮箱的不同故障型, 相比于基于MRWPE、MRPE和MWPE的方法, 能够更有效的提取齿轮箱的故障特征, 增强故障识别的可靠性。
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  基于视觉的长柔梁振动抑制算法设计与验证

  叶光伟, 张泽, 崔龙, 杜昊

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 143-147. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.033

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  针对视觉抑振控制中, 存在相机标定操作复杂, 需添加标志物等问题, 提出了一种简便新型的视觉振动测量和控制方法。该方法基于OpenCV, 通过C++的多线程机制实现了图像处理与控制算法的并行运行。图像的处理过程包括截取、灰度化、二值化、区域信息提取(ROI)、坐标中值滤波等关键步骤, 通过仿激光位移传感器的方式获取振动信号, 并保证采样的稳定性, 为抑振算法的实施提供了条件。相较于以往的研究, 本方法简单可靠, 不需要进行相机标定等复杂操作, 可以同时测量多个点的振动数据, 并且用于振动控制中亦可保证数据采样的稳定, 为振动抑制算法提供可靠的数据。通过对比实验验证了信号采集的合理性, 采用自抗扰算法实现了柔性梁的振动抑制。实验结果表明, 在梁的顶端受到100 mm位移的扰动后, 主模态的抑振程度最大可以达到4 dB。
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  基于GASA-BP-BiLSTM的轴承故障预测研究

  贾萌珊, 齐子元, 薛德庆, 朱常安

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 148-151,155. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.034

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  基于BP神经网络收敛速度慢, 在预测时易陷入局部极小值陷阱的问题, 提出一种基于GASA-BP的预测方法, GA和SA协同优化BP神经网络, 使得GASA-BP预测模型同时具备较强的全局搜索能力和跳出局部最优解的能力。BiLSTM是LSTM的一种特殊形式, BiLSTM充分考虑了时间序列数据前后节点之间的相关性, 有效提取信号中的时间特征, 具有更优秀的分类能力。基于此, 提出一种基于GASA-BP-BiLSTM的故障预测模型, 并应用于轴承的故障预测中, 该模型不仅能够预测出轴承中是否存在故障, 还能检测出潜在的故障类型, 兼具了预测和故障诊断的优点。
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  基于多编码块标定板的多相机外参全局标定

  邹杭波, 夏仁波, 曾元松, 陈月玲, 陶黎明, 张天宇

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 152-155. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.035

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  多相机测量系统会因较小的重叠视野与环境干扰而导致外参标定失败, 因此提出了一种基于多编码块组合型标定板的多相机外参标定方法。首先, 设计了一种平面标定板, 它由多个具有独立编码信息的编码块组合而成; 其次, 研究了编码块特征点的提取与管理方法; 最后, 通过重建特征点并优化重投影误差, 实现了各个相机外参的全局标定。实验结果表明, 该方法能够适应各相机无法同时观测完整标定板的情况, 并且有标定后的测量误差为0.014 mm, 标准差为0.112 mm。因此, 提出的方法能够实现多相机测量系统全局外参的高精度快速标定。
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  用于超精密抛光机床的Spline+GLS定位误差补偿模型

  潘海鸿, 喻洪基, 陈旭红, 陈琳, 梁旭斌

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 156-159,163. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.036

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  针对三次样条插值定位误差补偿模型难达到超精密抛光机床大行程轴(1470 mm)的定位误差补偿精度要求问题, 提出Spline+GLS定位误差补偿模型。首先, 使用XL-80激光干涉仪测量超精密抛光机床直线电机轴的定位误差, 建立三次样条插值定位误差补偿模型进行初补偿; 然后, 对补偿后的定位误差再次测量并建立最小二乘拟合定位误差补偿模型; 最后, 将两种定位误差补偿模型相连构成Spline+GLS定位误差补偿模型。在超精密抛光机床上进行补偿实验, 结果表明, Spline+GLS定位误差补偿模型补偿后的最大定位偏差值较三次样条插值定位误差补偿模型下降约61.62%, 且定位误差由86.12 μm降低到0.5 μm, 满足超精密抛光机床的定位精度需求。
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  基于深度神经网络的立式机床热误差建模研究

  李波, 马帅, 刘强, 李行, 毛杰

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 160-163. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.037

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  现有热误差预测多基于温度数据建模, 特征维度单一, 且热误差非线性和耦合性特点, 导致预测模型适应性较弱, 预测精度较低。针对上述问题, 设计了一种多源异构数据采集方案, 建立基于多维温度、能耗数据和深度神经网络的立式机床热误差预测模型。搭建了实验平台, 进行了支持向量和随机森林回归模型预测精度的对比。对比分析可知：DNN模型相比于传统回归模型, 适应性较强, 预测精度较高, Z向热误差平均绝对误差为0.973 μm, 在提高预测模型适应性的同时, 显著提高了热误差预测精度。
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  基于域自适应残差收缩网络的滚动轴承故障诊断

  高学金, 李虎, 韩华云, 齐咏生

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 164-168,173. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.038

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  针对滚动轴承在新工况下无标记数据且存在噪声干扰问题, 提出一种具备抗噪能力的滚动轴承故障诊断领域自适应深度残差收缩网络(DADRSN)。首先, 采用深度残差收缩网络(DRSN)去除已知工况和新工况数据噪声冗余并充分提取数据特征; 其次, 应用迁移学习中的领域自适应(DA)方法, 计算已知工况和新工况数据的局部最大均值差异(LMMD), 以对齐两种工况数据之间的分布; 最后, 对新工况下故障样本进行分类。实验结果表明, 该模型在噪声干扰、缺少标记数据、工况变化的情况下仍能保持较高的故障诊断精度。
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  五轴数控刀具磨床有限元分析及结构优化

  李棋, 赵岩, 方辉, 伍剑波

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 169-173. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.039

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  在考虑重力对机床加工精度影响的前提下, 以特定构型五轴数控刀具磨床为研究对象, 通过对其结构进行有限元分析, 发现由于X溜板、Z溜板以及立柱设计的不合理, 导致机床在竖直方向存在较大静变形, 严重降低了机床加工精度。针对上述零件的不合理设计, 将其分别作为优化对象, 基于Topology Optimization拓扑优化、形貌优化以及尺寸优化方法, 最终确定了X溜板、Z溜板以及立柱的优化结构及关键尺寸参数。优化结果表明, 在保证机床静刚度不降低的前提下, 整机质量减轻157.6 kg, 同时优化后的机床在竖直方向最大静变形为-0.019 7 mm, 相较于优化前减少11.66%。最后对优化前后机床的竖直方向定位精度及加工精度进行实验测量, 结果表明, 与优化前机床相比, 优化后机床的竖直方向定位精度及加工精度分别提升约8.85%、5.9%。验证了所优化结构的有效性, 从而使整机性能得到了一定提高。
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  双重融合的轻量级卷积神经网络轴承故障诊断

  闫文恒, 程永强, 郝润芳

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 174-177,183. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.040

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  以往的轴承故障诊断模型精度低, 迭代时间长, 难以适应现实生产场景, 因此建立了一种数据融合加特征融合的并行双通道卷积神经网络模型。首先, 将风扇端的数据和驱动端的数据组合, 重新构建新的数据; 之后将新的数据和数据重构后的二维数据输入到模型中提取特征, 1D-CNN提取一维空间特征, 2D-CNN利用深度残差收缩网络提取二维空间特征并进行降噪处理。使用深度可分离卷积和全局平均池化降低模型参数量; 然后, 将提取到的特征在全连接层进行特征融合, 可以在保持高诊断准确率的同时降低噪声的影响; 最后, 利用Softmax分类器对轴承的状况进行辨别。模型的结构配置良好, 迭代次数少, 可以快速的收敛。参数量相比其他方法少很多, 以便实际部署。实验表明, 本文所提出的网络模型相较于其他深度学习方法, 在强背景噪声以及弱干扰噪声的影响下都能更准确地识别信号的故障模式, 验证了该模型的可行性和优越性。
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  多异构并联机构组合体数字孪生研究

  赵迪, 周中旺, 蔡光锐, 聂磊

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 178-183. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.041

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  为了精确构建复杂机械设备数字孪生模型, 提出了一种针对多异构并联机构组合体的数字孪生方法。设计了面向特殊机电产品的多异构并联机构组合体数字孪生系统, 对该机电产品的多异构并联机构组合体进行运动仿真。搭建了数字孪生虚拟实体, 设计了相应的多异构并联机构组合体运动学位姿求解算法; 通过信息物理系统(CPS)连接虚拟实体与物理实体, 实现了虚拟实体与物理实体的运动关系映射, 虚拟实体的运动与物理实体保持同步。仿真和实际运行表明, 算法效率满足实时运行需要, 多异构并联机构组合体数字孪生系统满足数字孪生高同步性要求。
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  基于BP神经网络的滚刀工艺参数预测

  彭康, 王晓丽

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 184-186,192. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.042

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  为了保证滚刀加工质量的一致性, 缩短滚刀工艺文件的制定周期, 在对滚刀的粗加工工艺进行研究后, 采用机器学习方法, 将滚刀的几何特征参数作为反向传播(BP)神经网络的输入变量, 滚刀粗加工中每个工序的工艺参数作为输出结果, 对滚刀粗加工过程中每个工序的工艺参数进行预测。针对传统BP神经网络最速下降法收敛速度慢的问题, 在研究了“锯齿现象”产生的原因后, 提出了一种“修正下降方向”的反向传播神经网络算法。仿真结果说明, 与传统BP神经网络相比, 同等条件下, 改进的BP神经网络收敛速度加快, 预测结果可靠。
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  基于热-力耦合的陶瓷球轴承摩擦力矩分析

  于海晓, 司东宏, 李济顺, 薛玉君, 时连卫

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(5): 187-192. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.05.043

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  滚动轴承摩擦力矩是导致轴承发热的主要因素, 为准确描述轴承摩擦力矩与温升的耦合关系, 基于滚动轴承拟动力学及弹流润滑理论, 考虑轴承预紧力、离心效应、热膨胀等影响, 建立了基于热-力耦合的陶瓷球轴承摩擦力矩计算模型, 并试验验证了模型的正确性。分析了不同工况条件及轴承结构参数对陶瓷球轴承摩擦力矩的影响, 计算结果表明：陶瓷球轴承摩擦力矩受载荷、转速、预载荷影响较大; 合理选择轴承的结构参数以及润滑油温度均有助于降低轴承整体的摩擦力矩。