2023年, 第0卷, 第6期　
刊出日期：2023-06-20

  

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设计与研究
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  一种基于MBD的三维尺寸完备性审查方法

  付超凡, 陈卓宁, 彭义兵, 杨威

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 1-6,10. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.001

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  为减轻人工审查MBD (model based definition)模型尺寸标注的劳动强度,对三维尺寸完备性的自动化审查进行了研究。将尺寸完备性问题归结为对相关几何要素是否定形定位的判断问题,建立了对应约束模型记录约束状态;建立了解析尺寸约束和拓扑约束的约束传播规则,并总结了几何约束的解析算法;针对尺寸缺失造成的约束不足,采用打分策略,并以指定基准或指出尺寸缺失的方式主动添加约束;提出了三维尺寸完备性检查的总体算法。通过对3DDFM原型系统的继续开发,并用三维模型实例验证了方法的有效性。
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  基于RL-APF算法的巡检机器人避障研究

  张博, 周红生

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 7-10. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.002

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  针对人工势场法(APF)在避开靠近目标的障碍物时效率低下,易陷入局部极值等问题,提出一种利用强化学习(RL)优化人工势场法的RL-APF避障算法。首先,设计了距离强化因子(DRF)和力强化因子(FRF),通过DRF和FRF将强化学习的奖励功能分解成两部分,当机器人离障碍物太近时,DRF会被激活,而当碰撞发生时,FRF被激活;其次,RL-APF算法通过迭代搜索最佳强化因子的值,以摆脱障碍物并到达目标。实验结果表明,RL-APF算法在简单及复杂环境下各项指标得到不同程度提升,RL-APF算法避障性能优于对比的其他算法,验证了该算法的实用性。
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  船舶喷涂交互式虚拟仿真过程的涂料损耗分析

  许汉中, 武殿梁, 禹文娟, 赵悦

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 11-13,17. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.003

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  为提高船舶交互式喷涂过程的涂层质量,利用计算机对喷涂过程进行虚拟仿真分析。但是由于人为喷涂形成的涂层比较复杂,涂层厚度和涂料损耗计算较为困难。因此提出了交互式喷涂虚拟仿真过程的涂层厚度和涂料损耗计算方法。首先,建立交互式喷涂喷枪模型,通过喷枪参数、喷枪位置及喷涂方向与涂层厚度的关系进行涂层厚度分析计算;其次,通过分析喷涂仿真时的涂料用量、实际形成涂层后的涂料体积,对涂料损耗进行仿真计算;最后,通过喷涂仿真和试验结合。结果显示,涂层厚度的误差均低于7.1%,喷涂总量和涂层喷涂量的误差低于9.8%和11.6%。表明所提出的交互式喷涂模型对船舶喷涂过程的涂层厚度和涂料损耗计算具有一定的准确性。
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  基于更新策略的SLAM后端优化算法研究

  黄粒, 张宏立, 李新凯

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 14-17. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.004

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  后端优化是视觉同步定位与建图系统的重要组成部分,可以为视觉里程计提供更加精确的估计。针对基于特征点法算法精度不高的问题,提出了一种改进后端优化策略的ORB-SLAM2算法,改善优化精度并提高计算效率。该方法采用了新的LM阻尼更新策略,并通过限制迭代步数,提高残差阈值,优化参数增量阈值。实验证明,应用该更新策略的同步定位与建图系统在EUROC数据集上,相较于ORB-SLAM2取得了精度和效率上的显著提高,并且对比现有开源的几种优秀的同步定位与建图方法,在轨迹误差、绝对轨迹误差、相对位姿误差取得了较低的误差,在运算效率上取得了较好的效率,兼顾了精度与效率。
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  基于多步长蚁群算法的移动机器人路径规划

  徐万福, 孙渊

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 18-21,26. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.005

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  针对蚁群算法在二维栅格环境下的收敛速度慢,规划路径较长等问题,提出一种改进的多步长蚁群算法。首先,通过栅格法对移动机器人的运动环境进行建模;其次,将栅格地图划分为不同的区域,引入人工势场法的思想以及根据栅格间的距离信息对不同区域进行初始信息素浓度优化分布,避免了蚁群盲目搜素,提升了算法的收敛速度;在自适应多步长蚁群算法的基础上,引入了Informed RRT^*的随机采样区域的思想,缩小了蚁群的搜素空间,提升了路径搜素效率,并同时提升了路径规划的质量;最后,通过MATLAB搭建的模拟仿真环境进行实验。实验结果表明,改进的多步长蚁群算法相比于其他改进算法具有更优的路径和算法效率。
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  基于真实逼近误差的等误差步长法生成数控加工刀轨

  范吕阳, 刘威, 王天力, 张子煜, 李鹏飞

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 22-26. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.006

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  为了使数控加工刀轨的逼近误差等于设定的上限或位于设定的区间内,等误差步长法以相邻刀位点之间逼近误差驱动步长迭代调整,获得满足逼近误差要求的步长理论最大值,有效减少了冗余刀位点,提高等误差步长法生成刀轨的精度和效率,提出了真实逼近误差计算方法,通过迭代计算刀触点轨迹线上的离散特征点到相邻刀位点间的刀具包络面距离,获得满足精度要求的真实逼近误差;提出等误差刀位点的高效率迭代算法,基于真实逼近误差与误差阈值的几何关系计算步长增量,以此迭代调整刀位点,进而获得满足等误差要求的刀位点。最后以典型自由曲面为例生成刀轨,验证了提出的等误差步长法的可行性和高效性。
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  基于点云中心约束的点对特征三维物体识别算法

  邓仕超, 杨龙, 梁晨光, 高兴宇, 蒋应良

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 27-30,34. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.007

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  目标姿态识别系统中能够快速、准确在复杂场景里识别目标物体是实现机器人在线抓取的关键,针对传统点对特征(PPF)算法相邻物体点云干扰的问题,提出了一种基于点云中心约束点对特征的三维物体识别算法。首先通过法向量相交约束为条件提取物体中心,然后根据模型的大小筛选出相关的点对特征,最后利用共面点对和物体中心特征,实现计算三维物体的姿态,以此来提高识别速度。实验结果表明,该算法显著减少特征描述符数量,提高了三维物体在复杂场景中的识别速度。与原始的点对特征算法相比,该方法对三维目标识别具有较好的性能与速度。
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  基于改进粒子群算法的机械臂时间最优轨迹规划

  彭思文, 梁科, 潘雷, 王宇鹏

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 31-34. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.008

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  为提高机械臂的工作效率和稳定性,提出了一种基于改进粒子群算法的时间最优3-5-3多项式插值轨迹规划算法,通过动态调整粒子群算法的惯性权重和学习因子的大小,优化了算法局部和全局搜索能力。以UR5e机器人为研究对象,利用逆运动学求出给定机械臂末端路径点对应的关节位置序列,采用分段多项式拟合关节空间下运动轨迹;在速度约束条件下,利用改进的粒子群算法对机械臂运动轨迹进行时间最短优化;通过MATLAB软件进行仿真并进行实验分析。结果表明,改进后的算法在收敛速度和寻优精度有了明显提升,有效减少了机械臂完成目标任务的时间。
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  智能灵巧作业机器人系统设计与标定

  于旭, 林鹏, 宋志强, 林贤治, 宁丹阳, 金柜年

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 35-38,43. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.009

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  面向企业和生产车间的机器人辅助生产需求,设计了一种智能灵巧作业机器人系统。首先,设计机器人的机械结构,以及ROS分布式控制系统;然后,对全向移动机器人进行离线的里程计误差标定,并通过视觉测量实现机械臂的标定;最后,进行了误差标定、机械臂轨迹规划以及工作场景模拟实验,检验了智能灵巧作业机器人的性能。
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  基于RRT的弹药装填双机器人路径规划

  董祺成, 徐志刚, 王军义, 杨明毅, 位亚强, 张家川

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 39-43. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.010

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  针对当前双机器人路径规划复杂的问题,提出了基于RRT^*(rapidly-exploring random trees^*,RRT^*)算法的弹药装填双机器人路径规划方法。首先,建立双机器人运动学模型并对其工作空间进行分析,确定了双机器人运动过程中发生干涉的可能性;其次,采用RRT^*算法,以主机器人末端执行器的路径为障碍物,对从机器人末端路径进行规划,得到从机器人初始路径后,利用碰撞检测算法对路径节点处机器人实际构型进行碰撞检测,反复迭代直至规划出无碰撞机器人路径。最后进行仿真实验,相对于传统RRT算法,规划出的路径长度缩短,双机器人可以进行无碰撞运动。结果表明本文所提出的双机器人路径规划算法的有效性。
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  2PRC-PCR并联机构的运动学及工作空间分析

  卜政伟, 高健

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 44-47. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.011

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  针对视觉检测系统中调平机构需满足快响应和稳定性好的要求,提出一种新型的三自由度非对称并联调平机构2PRC-PCR,它可以完成2R1T的空间运动。具体阐述了该机构的结构特性,运用螺旋理论和修正G-K公式对该机构的自由度进行分析和验证。结合2PRC-PCR并联机构的结构与运动特性,基于几何法和空间位置矢量法推导出该机构的正、逆运动学模型。通过ADAMS软件对2PRC-PCR并联机构的虚拟样机模型进行机构的位置仿真以及MATLAB软件计算机构的理论位置,将两者的结果进行对比以验证所求运动学模型的正确性。在机构正运动学的基础上,采用蒙特卡洛法对2PRC-PCR并联机构的可达姿态工作空间进行求解,并利用MATLAB软件绘制出机构的可达姿态工作空间图,研究结果为机构的实时控制和参数优化提供理论基础。
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  基于改进遗传算法的模块划分研究

  刘名远, 单泉, 陈砚

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 48-52. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.012

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  模块划分是产品模块化设计的关键技术之一,基于模糊聚类的传统模块划分方法原理简单易操作,然而阈值的选取耗时较大,且产品零件数目较多时矩阵分割变换也极为复杂,而智能优化算法的应用则有助于改进传统模块划分方法的弊端。为了能够更加快速精准地完成模块划分操作,提出一种基于改进遗传算法的模块划分方法,在分析得到零部件设计结构矩阵和模块适应度函数的前提下,采用差值交叉和邻近变异的改进遗传算法搜索模块划分的最佳方案,在MATLAB中编程实现该算法并将其应用到变速器模块划分之中,经过多次优化计算及对比分析,优化结果相较于前有着更好的寻优精确度和更快的寻优速度,表明改进遗传算法在模块划分中的精确性和高效性。
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  六轴补漆机器人时间最优轨迹规划

  周哲, 欧阳勇

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 53-57. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.013

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  针对六轴机械臂补漆过程中出现的速度突变以及补漆轨迹不平滑等问题,为了实现机械臂运动规划时间最优,提出了以5-3-3-3-5分段多项式关节插值方法,在满足各个关节角速度和角加速度约束的条件下,通过改进萤火虫算法(VSSM-FA),计算出补漆机械臂各关节轨迹最短运行时间,确保机械臂关节轨迹速度和加速度的连续性,进而实现对补漆机械臂运行轨迹的时间最优化处理。同时引入随机步长和随机指向搜索策略,降低算法扰动,提高了每只萤火虫的搜索能力,利用动态自适应采样确定萤火虫种族搜索范围。将VSSM-FA与原始萤火虫算法、布谷鸟算法、果蝇优化算法进行对比,实验结果表明,VSSM-FA得到机械臂运行时间更短,具有更好的性能,对5-3-3-3-5分段多项式关节插值方法进行仿真,得到的补漆轨迹更加平滑,不仅降低了任务完成时间,而且有效地减少了机械臂运行时造成的冲击,效率得到了提升,运行效果更佳。
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  混杂条件下的三维点云目标识别

  赵迪, 赵祖高, 何克勤, 聂磊

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 58-62. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.014

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  在复杂场景中的噪声以及相似特征等混杂条件的影响下,点云目标识别算法存在鲁棒性差、大量错误配准以及识别的准确率低等问题。针对上述问题,提出了一种新的关键点提取和点云配准的算法,并设计了一种假设验证方法。关键点提取时,以点的平均曲率作为衡量指标建立差分尺度空间,计算差分值并寻找极值以获取关键点;配准时,通过KD-tree最近邻查询、霍夫投票及聚类取平均3个过程得到最终的转换矩阵。在真实场景的实验中,所提算法的X、ATI、ERR三个指标分别为0.78 mm、1、0.206;在斯坦福数据集上,该算法的正确率为98.6%。实验表明,所提算法的鲁棒性强、剔除错误配准点对的效果好、识别的准确率高。
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  基于改进MOABC算法的机械臂多目标轨迹避障规划

  余自淳, 邹艳丽, 谭宇飞, 许江杰

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 63-67. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.015

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  针对机械臂运行时间最短,消耗能量最少,脉动最小等多目标下的轨迹避障规划需求,提出了一种基于改进MOABC算法的机械臂多目标轨迹避障规划方法。首先,建立分段多项式轨迹的描述方程,将方程中不能确定的中间点相关参数作为待定参数,通过优化参数改变轨迹形状,使机械臂避开障碍物的同时优化轨迹的多个性能指标;其次,综合碰撞检测,运动学约束条件,建立时间-能量-脉动优化目标函数,应用改进的多目标人工蜂群算法(MOABC)优化参数,规划出满足条件的Pareto解集,从而得到可供选择的兼备精英性和多样性的理想轨迹;最后,通过MATLAB进行仿真并在实物上进行实验验证。结果表明该方法能有效地规划出满足机械臂性能需求的无碰撞运动轨迹。
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  基于ISSA-FastSLAM的移动机器人定位与建图

  杨光永, 蔡艳, 吴大飞, 徐天奇

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 68-71. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.016

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  针对传统FastSLAM算法需要大量粒子提高SLAM精度以及多样性缺失的问题,提出了一种基于改进SSA (麻雀算法)优化的FastSLAM算法。首先,在预测粒子集时加入机器人最新时刻的观测信息并通过改进SSA计算粒子适应度值,为避免SSA陷进局部最优,将计算结果较差的粒子进行混沌初始化;其次,通过改进SSA分工协作、扩大搜索空间的特性更新预测粒子集,增加粒子多样性;最后,当最优个体更新位置时依据变异率进行变异操作,根据改进SSA获取的最优解调整粒子集的提议分布,使预测粒子集在权重计算前就更逼近机器人真实位置,以此提高估计精度。仿真实验结果表明,ISSA-FastSLAM算法较FastSLAM、SSA-FastSLAM算法相比,其位姿与路标估计精度更高且鲁棒性更佳。
控制与检测
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  基于逆系统的立方体机器人H_∞鲁棒控制

  陈昊, 黄卫华, 胡阳城, 梅宇恒, 曾聪

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 72-76. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.017

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  针对立方体机器人由复杂特性引起的模型不确定性以及易受外界扰动影响的问题,提出了一种基于逆系统的立方体机器人H_∞自平衡鲁棒控制策略。首先,基于所搭建立方体机器人的结构和运行方式,建立了其动力学模型并进行了可逆性分析,将构建的逆系统与原系统进行串接构成立方体机器人的伪线性系统;其次,利用线性矩阵不等式设计H_∞鲁棒控制策略以实现立方体机器人伪线性系统的自平衡稳定控制,并证明了闭环系统的稳定性。仿真和实测实验结果证明了所设计系统的可行性和有效性。
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  基于激光雷达和IMU紧耦合闭环检测

  钟洪龙, 姜宏, 章翔峰

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 77-81. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.018

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  针对移动机器人利用激光雷达和IMU融合算法仍存在闭环检测准确率低,累计误差大导致定位和建图效果差的问题,提出了一种采用几何约束来定义关键帧相似度,以匹配当前关键帧和地图中的关键帧。经相似性评估后,符合几何约束的候选关键帧将通过平面的法向约束进一步校核,得到准确的闭环信息,并对采用基于特征的点云匹配替换容易陷入局部最小化的ICP实现闭环校正,最后采用KITTI数据集评估算法性能。结果表明,该算法闭环检测准确率高,有效提高了系统的定位精度与鲁棒性,建图效果也有明显改善。
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  新型仿生变刚度关节的控制器设计及分析

  周晓晋, 张明, 侯磊, 张静, 孙凤, 孙兴伟

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 82-86. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.019

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  根据人体手臂提出了一款新型拮抗式线驱变刚度肘关节结构,关节中变刚度模块采用了滑轮组和永磁弹簧相结合,通过永磁弹簧实现关节刚度非线性变化,滑轮组实现刚度范围的增大,变刚度模块可以提高人机交互时的安全性与适应性。首先对关节的运动位置及静力学进行分析,建立关节刚度模型与动力学模型,实现关节刚度与位置解耦;其次,为了进一步实现更准确的位置控制,设计了一种闭环解耦控制器,将变刚度关节的位置和刚度解耦转换为并联驱动电机的电流控制信号,并将并联驱动的双电机和关节看成一个整体,采用关节位置闭环的方式来提高位置控制模式的控制精度。通过对模型的仿真分析与对样机的实验设计,验证了该变刚度关节在刚度调整范围内运动时,具有良好的位置控制精度。
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  基于混合倒谱与LSTM网络的轴承故障诊断

  张宇鹏, 邱常卿, 田煜, 方夏, 苗强

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 87-92. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.020

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  针对轴承在混合工况下轴承故障位置诊断准确率低,且在少量样本训练时鲁棒性差的问题,提出一种基于混合倒谱特征和长短时序神经网络(long short-term memory networks,LSTM)的故障诊断方法。该方法结合梅尔倒谱系数频谱能量分布特征提取能力强,伽马特征倒谱系数抗噪性能好,线性预测倒谱系数反应共振峰特性的优点,通过向量拼接获得混合倒谱特征;采用双层LSTM作为轴承故障分类器,改善长时序列训练梯度爆炸和消失问题。实验结果表明,该方法在公开故障轴承数据集准确率达99.8%,并在降低训练集样本时保持准确率在99.0%以上,表现出低训练成本下较高的故障识别能力。
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  基于MCKD-NMD的滚动轴承故障诊断

  张志宇, 章翔峰, 姜宏

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 93-96,101. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.021

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  针对滚动轴承故障信号具有复杂非线性且极易受到强烈噪声干扰导致的故障特征难以提取的问题,提出了一种非线性模式分解(nonlinear mode decomposition,NMD)算法和最大相关峭度解卷积(maximum correlated kurtosis deconvolution,MCKD)相结合的滚动轴承故障诊断方法。首先,利用MCKD对原始信号中的噪声进行了滤波和处理,实现了噪声的初步动态降噪并且进一步提高原始信号中的相关峭度值;其次,利用小波分解提取出时频脊线;再次,利用NMD算法分解时频脊线并筛选出其中的有效分量;最后,采用包络谱分析来提取出故障特征。结果表明,该算法所提取的分量仅包括转频以及轴承故障特征频率,说明该算法对提取该类轴承故障特征的有效性,可为轴承故障早期诊断方法的研究提供参考。
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  基于改进EfficientNetV2的带钢表面缺陷识别

  刘克平, 刘博浩, 周晓伟, 卢家洛, 李岩

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 97-101. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.022

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  针对现有带钢表面缺陷识别算法准确率低、参数冗余的问题,提出基于改进高效卷积神经网络(EfficientNetV2)的带钢表面缺陷识别。首先,在EfficientNetV2网络中引入DropPath正则化方法用于随机失活网络分支结构,防止网络过拟合;其次,提出利用Newton插值法建立网络各模块堆叠倍率与网络层级之间的非线性关系,通过非线性衰减策略,优化EfficientNetV2中各模块堆叠倍率,减少冗余参数,提高网络识别速度;最后,考虑小样本问题,在数据准备阶段引入数据增强方法,提高样本多样性,在训练阶段引入模型微调方法迁移网络浅层参数,提高模型泛化能力。实验结果表明,该方法可以有效减少83.3%的网络参数,提高57%的检测速度,增加2.5%的检测精度。
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  基于ISCSO-LSTM模型的刀具磨损预测

  肖斌, 李炎炎, 段增峰, 陈领

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 102-105,110. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.023

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  为进一步提高刀具磨损量预测模型的准确度,实现对刀具加工过程的在线监控。提出一种基于改进的沙猫算法(improved sand cat swarm optimization,ISCSO)和长短期记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)的刀具磨损量预测模型。利用刀具的加速度振动信号为输入样本,应用长短期记忆神经网络对铣刀磨损值进行预测。针对沙猫算法收敛精度低等问题,引入混沌映射、非线性收敛因子和对立点检测机制,利用改进的沙猫算法优化长短期记忆神经网络的参数。实验结果表明ISCSO-LSTM模型的刀具磨损预测精度明显高于LSTM模型。
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  航空轴承试验机力加载电液伺服系统优化

  孟林园, 董奇峰, 程雪聪, 王佳泰

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 106-110. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.024

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  针对航空轴承试验机力加载电液伺服系统动态响应较差的问题,采用内模控制策略对其进行系统优化,用以提升系统的响应速度,改善系统的动态特性。通过构建力加载控制系统数学模型,分析研究系统特性,综合考虑液压固有频率的影响因素确定了模型的参数,进而基于此模型设计了内模控制器。为验证内模控制器的控制效果,对其进行仿真和试验分析。仿真和试验研究结果表明,相较于PID控制算法,内模控制算法可以有效改善力加载控制系统的响应速度和跟踪精度,并提高系统的抗干扰性和鲁棒性。
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  基于匹配追踪的伺服系统谐振抑制研究

  常贺, 卢少武, 张盛慧

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 111-113,118. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.025

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  针对于自适应陷波器(ANF)的谐振频率估计法收敛速度慢、初始值敏感和搜索精度不高的限制,提出一种基于匹配追踪(MP)算法的谐振频率提取方案。首先,建立双惯量伺服系统的动力学方程,采用三参数陷波器,设计陷波频率、陷波深度和陷波宽度的整定过程;然后,设置频率和相位为分解参数,构建以正弦波谐振模型为字典的过完备原子库,通过MP算法对速度误差信号和字典中的原子逐一匹配,内积最大的原子频率即是谐振频率;最后,通过谐振频率对陷波器3个参数进行整定,完成对谐振的在线抑制。仿真实验表明,与基于ANF的谐振频率估计法相比,所提方案无论在谐振频率的收敛速度还是辨识精度上都有很大的优势,并且陷波效果也验证了所提方案的优越性。
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  接触热阻和热诱导载荷下的电主轴热特性

  李振淼, 刘泓滨, 吴智恒, 张华伟, 郭伟科

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 114-118. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.026

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  为了更准确地研究电主轴的热态性能,建立同时考虑接触热阻和热诱导载荷的电主轴流-热-固耦合模型。首先,基于轴承内部载荷计算理论和外滚道控制理论建立热诱导载荷的计算模型;其次,采用蒙特卡罗法建立接触热阻的计算模型;最后,以某型号电主轴为研究对象,采用ANSYS与MATLAB联合仿真方法,分析接触热阻和热诱导载荷与电主轴热态性能的关系,并通过搭建试验平台进行试验验证。研究表明,考虑接触热阻的电主轴整体温度比不考虑接触热阻高,热诱导载荷与轴承的生热量属于相互影响的关系,考虑热诱导载荷和接触热阻情况下的仿真与试验吻合更好。
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  基于RBF神经网络补偿的自适应滑模机械手控制

  刘洋洋, 院老虎, 腾英元, 吴彪, 张舒然

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 119-122,127. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.027

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  针对机械臂在实际工作中无法完全建立精确的数学模型以及系统具有较大的不确定性,提出一种基于RBF神经网络补偿的自适应滑模鲁棒控制器。首先,利用计算力矩控制方法,结合基于RBF神经网络实现的补偿控制器使系统获得较好的跟踪效果;其次,引入滑模鲁棒控制,将建模误差以及外部干扰通过在线训练和调整参数对机械臂的未知不确定量部分进行实时估计和补偿,提高了跟踪精度以及提升了逼近的速度,同时,引入饱和函数降低了滑模控制中的抖振现象。仿真结果表明,改进后的控制器,对比文中传统控制器2和3在跟踪机械臂关节位置的响应速度上分别有约4 s和2 s的提升,同时,改进后的控制器在对于系统不确定性的补偿速度上有提升,约在1 s内做出响应。
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  基于蜂窝镶嵌网格的离散变量拓扑优化

  陈庆杰, 张胜辉, 李海艳, 周健松, 张健林

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 123-127. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.028

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  针对基于传统四边形网格划分的SIMP连续变量拓扑优化方法存在的棋盘格、结构点连接导致的零刚度和中间密度等问题,提出基于蜂窝镶嵌网格有限元划分方法,采用离散变量拓扑优化算法,在二维平面上展开拓扑优化方法的深入研究;在蜂窝镶嵌网格法划分的基础上引入离散变量优化算法求解,使所提出的方法(HoneyDVTOP)结合两者的优势,获得结构清晰、边界简洁、不存在中间密度的拓扑优化结构;最后,使用所提出的方法对MBB梁进行不同网格规模下的拓扑优化实验。结果表明,根据所提出的方法与拓扑方法HoneyTop进行对比,在3种不同网格规模的MBB梁和悬臂梁力学模型下刚度性能分别提升4.34%、10.56%和19.84%以及8.70%、20.98%和26.99%。随着网格规模变大,刚度的提升效果愈加明显。
工艺与装备
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  基于Morris法的滚珠丝杠副传动效率多因素分析

  程强, 崔磊鑫, 张涛, 李迎, 程艳红

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 128-131. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.029

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  滚珠丝杠副的传动效率受到多种因素的耦合影响,包括导程等结构参数及轴向负载、预紧力等工况参数。对滚珠丝杠副的摩擦力矩进行了研究,完成多因素耦合作用下的滚珠丝杠副传动效率建模,提出基于Morris法的滚珠丝杠副传动效率多因素分析,得知当量摩擦系数对传动效率影响较大,选取当量摩擦系数在内的参数进行多因素耦合变化对传动效率的影响分析,得到传动效率较高的取值范围,方便后续进一步对滚珠丝杠副传动效率影响参数优化范围取值。
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  基于PSO-BP的直线电机轨迹跟踪自抗扰控制器设计

  施昕昕, 费军

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 132-135. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.030

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  针对直线电机驱动的精密运动平台轨迹跟踪控制中存在的轨迹跟踪精度不高以及外部干扰问题,提出了基于粒子群优化自抗扰控制器与基于BP神经网络优化自抗扰控制器相结合的控制策略。自抗扰控制算法对外部扰动进行估计和补偿,提高了直线电机的抗干扰能力;通过粒子群算法对自抗扰控制器的部分参数迭代寻优,解决人工整定参数的问题;通过BP神经网络拟合扩张观测器的部分扰动,降低扩张观测器的计算复杂度,提高了观测精度。仿真与实验结果表明,该方法控制下的直线电机有较高的轨迹跟踪精度,相较于自抗扰控制与粒子群优化的自抗扰控制,该方法显著提高了轨迹跟踪精度,适用于精密平台系统。
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  计及干摩擦的风电齿轮断齿故障动力学分析

  刘森, 苏召明, 张旭

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 136-140,144. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.031

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  为了揭示齿面摩擦影响风电齿轮传动系统中定轴齿轮断齿故障动力学行为变化的机理,基于库伦摩擦定律,计算定轴轮系和行星轮系轮齿间的齿面摩擦力。通过改变齿宽模拟断齿故障,应用势能法得到定轴齿轮断齿后的时变啮合刚度;考虑干摩擦、时变啮合刚度、传递误差、齿侧间隙和阻尼,建立含一级定轴齿轮断齿故障的风电齿轮传动系统动力学模型;通过分析一级定轴齿轮啮合点的相对位移随系统啮合频率变化的分岔图、相图和Poincare截面,研究定轴齿轮的动力学特性。结果表明,齿面摩擦在高频区域对系统的分岔形式较为明显,相图和Poincare截面的形状复杂多变,系统混沌区间增加,加剧了断齿对系统稳定性的影响。
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  基于导纳控制的薄壁变形套筒柔顺装配方法

  赵英杰, 刘正海, 赵经济, 刘冬

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 141-144. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.032

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  针对薄壁套筒本身在装配过程中易变形而导致装配困难的问题,提出一种多维方向的离散化导纳力控制装配方法。首先,描述薄壁套筒工件装配过程中因变形产生的问题;然后,利用力变换方法将力和力矩信息转换到工作坐标系上,采用螺旋搜索方式进行套筒预插入,通过导纳控制方法建立“接触力-机器人动作”关系模型;最后,在薄壁套筒对接装配实验平台上进行测试验证。结果表明,机器人采用导纳力控制的方法可以获得末端姿态调整的策略,完成薄壁变形套筒装配,不同位置、角度偏差下的套筒平均装配成功率接近90%。
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  基于振动的滚珠丝杠预紧力失效预测

  张欢, 周严, 李嘉豪

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 145-148,153. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.033

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  滚珠丝杠预紧力随着摩擦加剧逐渐减小直至失效,预紧力的失效将严重影响机床的进给精度和加工质量,因此提出一种基于变分模态分解和多尺度熵理论的预紧力失效诊断方法。基于变分模态分解理论分解滚珠丝杠振动信号,得到一系列本征模态分量,依据相似性测度筛选敏感分量信号进行振动信号重构,实现降噪处理;接着提取重构后振动信号的时域、频域特征及多尺度熵值构成滚珠丝杠副预紧力失效诊断特征向量集;最后,使用提取的特征训练神经网络,应用训练好的BP神经网络实现对滚珠丝杠副预紧力失效的诊断。实验结果表明,结合变分模态分解和多尺度熵的方法可以有效实现滚珠丝杠副预紧力失效的诊断。
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  基于优化VMD-SVM参数的铣削颤振识别

  贾广飞, 姚海洋

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 149-153. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.034

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  铣削颤振是影响加工质量和切削效率的重要因素之一,为了有效抑制颤振发生,需要对铣削过程进行颤振识别。针对颤振识别中特征提取和识别准确率问题,提出基于麻雀搜索算法(SSA)优化变分模态分解(VMD)和支持向量机(SVM)关键参数的铣削颤振识别方法。采用SSA对VMD的关键参数以平均包络熵最小原则进行寻优;使用优化后的VMD分解铣削颤振信号,根据相关系数法筛选敏感的本征模态函数(IMF)分量重构原信号;提取重构信号的小波包能量熵构造颤振特征向量矩阵并输入经SSA优化的SVM模型中进行模型训练和铣削颤振识别。结果表明,提出的经SSA优化的VMD-SVM模型与未优化的VMD-SVM模型相比具有更高的识别准确率。
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  基于主轴负载辨识的自适应数控加工控制

  温玉锋, 聂晓根, 黄宁

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 154-157,164. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.035

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  针对自适应数控加工前人对切削力间接测量研究中未从主轴矢量控制原理着手的问题,通过测量主轴电机电枢电流,提出一种间接获取主轴负载的自适应加工控制方法。首先,以数控铣削加工为对象,推导切削力矩与主轴电机电枢电流的关系;其次,以切削力矩和加工过程稳定为目标,结合无感矢量异步主轴电机控制原理建立了基于无感矢量三相异步主轴负载的模糊自适应数控铣削加工模型;最后,采用Simulink对模型进行仿真试验。结果表明,所提方法能有效维持切削过程中力矩恒定,避免加工要素变化对加工过程的影响,进而提高系统的加工稳定性和生产率。
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  面向螺旋锥齿轮铣削的齿面几何精度协同优化

  常镭民, 姚俊

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 158-164. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.036

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  针对非正交螺旋锥齿轮面铣削,提出了载荷接触力学性能评估方法,在此基础上研究了自适应数据驱动齿面几何精度协同优化。首先,对双螺旋面铣削进行了齿面建模仿真,采用载荷齿轮接触分析方法(NLTCA)确定了载荷接触力学性能评估和装配误差之间的数据驱动关系,通过修正装配误差评估,建立了自适应数据驱动协同优化模型,一方面通过载荷接触力学性能评估的多目标优化(MOO)确定目标齿面时,使用达成度函数法获得帕累托最优解,另一方面通过装配误差修正优化齿面几何形状,且敏感性分析策略用于选择最佳设计变量。最后通过数值实例对所提方法进行了验证,结果表明所提方法具有良好的齿面几何精度和载荷接触力学性能评估。
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  机床电主轴动静态性能测试系统设计

  张衡, 凌四营, 凌明, 刘远航, 张志豪

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 165-167,172. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.037

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  为了实现不同规格电主轴在模拟实际加工工况下的动静态性能测试功能,通过分析电主轴的静力及动力学模型,得到性能评价指标,设计了类V型块装夹机构,实现了不同规格电主轴的装夹;设计出非接触式气浮加载装置实现静力加载,相比于常用的对拖式加载、电磁加载具有结构简单、发热量小、承载力稳定等突出优点;以铣削加工的方式实现动态加载,更加接近实际工况;选择合适的传感器及动态测试分析仪实现电主轴前端径向位移、动静载荷和转速数据的采集、存储与及时分析。对实验装置的关键部件进行分析及校核,得到最大线性位移为0.015 mm,对测试系统带来的误差可忽略不计。所得结论验证了实验装置运行的可靠性,满足了机床电主轴动静态性能测试的需求。
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  基于LADRC的高速龙门式包带机TS-FNN同步控制

  伍泊錞, 孙晓, 雷张文, 解玉成

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 168-172. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.038

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  针对高速龙门式包带机的驱动过程平行轴产生噪声、振动和卡滞等问题,造成其驱动过程不同步的影响,提出一种降阶扩张状态观测器(reduced-order extended state observer,RESO)的线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection contro,LADRC)控制器和TS型模糊神经网络(TS fuzzy neural network,TS-FNN)同步补偿器相结合的控制方法。首先,针对高速龙门式包带机单轴的噪声、摩擦力和振动对伺服系统控制精度的影响,采用RESO的LADRC算法,以抑制控制系统的外部扰动和减少参数调节数量,从而提高位置跟踪精度;同时,针对平行轴中双直线电机因参数摄动和机械耦合等不确定扰动对位置同步精度的影响,采用交叉耦合的控制方法并结合TS-FNN同步补偿器来提高两平行轴的同步精度。通过实验对比验证,所采用的控制策略能有效减少高速龙门式包带机的单轴的跟踪误差,并提高平行轴的同步误差和抗扰性。
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  基于改进SOGI的PMSM转子位置估算策略

  张智文, 邹博文, 任玥

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 173-175,187. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.039

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  针对永磁同步电机基于滑模观测器的无传感器控制存在高频抖振、滤波延迟以及谐波干扰等问题,提出一种改进的二阶广义积分器算法,并应用于转子位置估算中。将改进的二阶广义积分器作为滑模观测器无感控制算法的滤波器,估算的转子角频率作为输入,动态调节其谐振频率,实现自适应滤波。提出的改进二阶广义积分器较传统的二阶广义积分器,具有更好的高频干扰信号抑制能力;为调节通频带大小,引入通频带调节系数;为提高对转子角频率的估算速度,引入正交锁相环叠加基频转速对转子角频率进行估算。最后通过试验验证了该策略具有更好的动态和稳态性能。
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  基于Jerk约束的Stewart平台在线轨迹规划

  李自帅, 刘曰涛, 边宗政, 曲东明, 李智鹤, 付连壮

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 176-180,192. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.040

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  为解决高精度Stewart平台在点位控制下生成平滑轨迹和在线更新轨迹问题,提出了一种基于Jerk约束的在线轨迹规划方法。首先,提出单自由度轨迹决策算法确定各自由度时间最优轨迹曲线;同时,为获得非线性轨迹方程目标最优解,提出基于Quasi-Monte Carlo和Brent算法的数值分析方法;然后,根据多自由度时间同步轨迹规划方法确定平台运动轨迹;最后,通过仿真实验验证算法实时性与可靠性。实验表明:算法满足毫秒级实时性要求,平台能够根据外部命令实时更新轨迹参数序列,最终使平台稳定到达目标运动状态。
先进管理技术
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  云制造环境下设备资源云服务组合优选

  赵宏轩, 吉卫喜, 姜一啸, 刘野

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 181-187. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.041

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  在云制造环境下,设备资源数量众多、质量各不相同,难以实现资源需求方与资源提供方之间的快速有效匹配。针对该问题,提出一种面向设备资源的云服务组合优选方法。首先,引入技术性能指标建立云服务能力指标体系,以时间最短、成本最低、质量最高和性能最佳建立了多目标组合优选模型;其次,在基于参考点选择的非支配排序遗传算法的基础上,采用一种动态邻域搜索策略来扩大算法的搜索范围,同时提出一种精英个体选择机制来优化算法后期的解集质量;最后,对优选模型进行求解得到一组可接受的服务方案,结合资源需求方的偏好要求确定最终的组合服务链。通过实际算例分析表明所提优选方法的可行性,通过算例分析和算法对比验证了算法改进的有效性与优越性。
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  基于Sarsa的动态蜂群算法求解作业车间调度问题

  张泽华, 杨波, 傅广, 申晗, 李舒玥, 马旺

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(6): 188-192. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.06.042

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  针对作业车间调度问题,提出了一种基于Sarsa算法的动态人工蜂群算法。首先,提出了探索因子和开发因子两个参数,分别量化人工蜂群算法的探索能力和开发能力,并在此基础上改进了它的解的更新公式;其次,根据种群的状态,实时地使用Sarsa自适应地调整探索因子和开发因子的值,使得人工蜂群算法可以在需要探索时探索新的解,需要开发时,开发现有的解,从而实现探索和开发之间的动态平衡;最后,使用11个不同规模的作业车间调度问题来验证所提算法的性能。通过对标准实例求解并与其它论文结果对比,证明了该改进算法的高效性。