2023年, 第0卷, 第8期　
刊出日期：2023-08-20

  

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设计与研究
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  离散制造车间的数字孪生仿真参数修正方法

  刘赛, 郭宇, 张立童, 钱伟伟, 田旭, 方伟光

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 1-5,12. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.001

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  为了提高数字孪生模型的准确度, 提出了一种离散制造车间的数字孪生仿真参数修正方法。根据数据驱动仿真参数修正的方式, 将数字孪生模型的仿真参数划分为静态属性、动态属性和性能属性3类, 设计了一种基于深度学习的时间序列预测算法-DF-LSTM用于表征性能属性。在复杂离散制造车间的仿真模型基础上, 用时间序列预测算法的预测结果作为仿真模型的性能属性值, 以实时数据驱动仿真模型的动态属性和性能属性的更新, 实现了由仿真模型向数字孪生模型的转变。开发了装配车间的数字孪生系统, 实现了装配车间的可视化监控和数字孪生模型的在线运行, 最终实验验证了方法的可行性。
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  基于等效电路的均压槽气浮支承静态性能研究

  徐珲, 于普良, 夏巨兴, 姜庆

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 6-12. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.002

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  针对使用CFD仿真方法进行气浮支承静态性能分析效率较低的问题, 提出利用等效电路法提升效率。等效电路法将N-S(navier-stokes equations)方程的简化算法与等效电路建模相结合, 以辐射状径向均压槽气浮支承作为研究对象, 根据计算所得关键点压强建立等效电路模型, 通过列写插值函数计算承载力和刚度, 并考察均压槽结构参数以及不同等因素对静态承载性能的影响规律, 最终用实验证明该方法可靠性。分析结果表明, 相较于CFD仿真方法, 使用上述方法进行气浮支承静态性能分析能够大幅提升效率。且通过与实验数据进行对比发现承载力计算误差均在允许范围内, 可靠性突出。通过采用等效电路法简化了含均压槽气浮支承的三维流场计算, 为等效电路模型在带均压槽气浮支承中的工程运用提供参考。
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  基于参数优化VMD和峭度准则的齿轮故障诊断

  杨文斌, 王志成, 马怀祥, 乔卉卉, 刁宁昆

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 13-16,21. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.003

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  针对盾构主减速机齿轮故障特征难以提取的问题, 提出了一种基于参数优化变分模态分解(variational mode decomposition, VMD) 和峭度准则的故障诊断方法。利用粒子群算法(particle swarm optimization, PSO), 以最小平均包络熵为适应度函数来确定VMD算法的模态分量个数K及惩罚因子α的最佳组合; 将原始振动信号利用[K, α]参数组合通过VMD分解成若干本征模态(intrinsic mode function, IMF)分量, 根据峭度准则筛选出最佳和次最佳IMF分量进行重构, 降低噪声干扰; 最后, 提取重构信号的时域和熵理论特征, 利用粒子群优化支持向量机(PSO-SVM)和轻量级梯度提升机(LightGBM)进行故障识别分类。通过使用DDS试验台实测信号数据验证表明, 该方法能够有效地提取齿轮故障特征, 实现对齿轮故障类型的准确判定, 验证了该方法的可行性和有效性。
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  连续体结构的失效-安全拓扑优化设计

  高涵, 徐雷, 胡元昊, 牟宗亮

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 17-21. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.004

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  在连续体结构拓扑优化中, 优化得到的最终构型可能会缺乏合理的冗余度, 一旦出现局部失效情况就会造成结构系统无法正常工作。为了获得具有一定冗余度和可制造性的拓扑结构, 提出了一种连续体结构的失效-安全拓扑优化设计方法。以传统拓扑优化结果作为参考依据确定局部破损模式, 将局部破损模式无缝平铺在设计域上删除无效区域, 以应变能最大为目标遍历失效场景确定最危险的局部破损区域, 准确模拟最危险的局部破损情况, 再进行后续的优化分析以获得具有更多冗余度和传力路径的拓扑优化结构。通过典型算例验证了该方法在受到单个载荷和多个载荷工况时的可行性, 可以获得具有适度冗余和可制造性的拓扑结构。
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  目标物有定位偏差的三指机械手位姿调整

  宗泽, 张磊, 贾志煦, 章悦, 陆观

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 22-26,30. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.005

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  为提高机器人在目标物存在定位偏差情形下的抓取成功率, 设计了柔顺三指机械手, 在结构方面提高了手爪的误差容忍度; 然而仅依靠手爪的被动柔顺性不足以应对定位偏差较大的情形, 因此, 在手爪的关键部位安装了触觉及角度传感器, 继而研究了包络抓取圆柱形物体过程中可能出现的位姿误差类型, 利用触觉传感器不同触点的受力信息进行误差类型的判断并给出相应的调整方法, 实现了抓取过程的主动调整。实验结果表明, 该调整方法简单有效, 经调整后抓取成功率可达86%以上, 具有较高的实际应用价值。
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  面向车间生产过程的并行碰撞检测算法研究

  肖学峰, 谢家翔, 付建林, 丁国富

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 27-30. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.006

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  针对车间大规模生产过程仿真场景中碰撞检测实时性不足的问题, 提出一种基于改进线性层次包围盒的GPU并行碰撞检测算法。对不同类型车间设备进行特征分析以简化碰撞模型, 利用空间填充曲线为对象模型分配莫顿码并排序, 并将有序莫顿码与节点的特定布局相结合实现层次包围盒的并行化构建, 最后使用分离轴定理并行测试得到碰撞检测结果。通过OpenCL并行运算架构实现上述算法, 并与其他并行碰撞检测算法对比分析, 验证了该方法可以有效提升车间仿真过程中碰撞检测的准确性与实时性。
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  基于SMA的变结构水压驱动软体手设计

  窦健松, 张道辉, 赵新刚, 刘伟军

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 31-35,41. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.007

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  为了解决传统软体机械手对不同形状被抓物的抓取局限性, 设计了一种三指水压驱动软体手。该软体手可根据物体形状, 通过形状记忆合金驱动实现手掌形态变化, 从而能够实现对不同形状物体良好的贴合。利用建模工具设计三指水压驱动软体手的结构, 并用Abaqus仿真软件对软体手指进行结构优化, 选择出合适的结构尺寸。软体手手掌和软体手指制作模具都通过3D打印制作, 并采用失蜡法制作软体手指。最后将软体手安装到机械臂上进行抓取实验。实验结果表明, 该三指软体手能够利用变结构手掌的多构态抓取能力, 对不同形状的物体实现有效、稳定、无损的多构态抓取。
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  导轨系统重复定位精度关键影响因素研究

  喻精辉, 张朋海

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 36-41. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.008

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  重复定位精度是导轨系统重要的性能指标, 仅能通过反复拆装进行控制, 在缺乏理论指导下具有很大的不确定性。为给导轨重复定位精度的控制提供理论指导, 以直线电机驱动的导轨系统为研究对象, 依据导轨定位过程建立动力学分析模型, 确定导轨系统重复定位精度的关键影响因素, 建立各影响因素的分析模型。数学模型与仿真分析相结合, 对各影响因素进行了分析, 结果表明, 光栅尺安装误差、系统摩擦力、误差运动均会影响系统重复定位精度, 系统摩擦力与阿贝误差造成的重复定位误差是系统重复定位误差的最主要来源, 在一定范围内降低系统速度无关的摩擦力均值可有效提高系统重复定位精度, 但降低到某一临界值后重复定位精度将不再增加。
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  融合改进A^*和TEB算法的机器人路径规划

  高欣宇, 田国富

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 42-46,51. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.009

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  为了解决传统A^*算法路径搜索时间较长, 拐点和转弯次数过多, 搜索路径不够安全、平滑等问题, 提出了一种融合改进A^*和TEB算法的路径规划方法。首先, 更改启发函数的距离评价方式提高搜索效率, 并引入转向角代价函数进一步优化评价函数; 其次, 在扩展节点时启用自动切换搜索邻域的方式安全扩展, 并提取路径中的关键节点; 最后, 将B样条曲线优化后的路径使用TEB算法进行局部路径规划。实验结果表明融合后的算法能有效提高规划效率, 路径更加安全平滑, 且机器人能够顺利避开动态障碍物。
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  面向细小线径的漆包线高精度在线巡检系统研究

  彭延超, 潘春荣, 周游

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 47-51. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.010

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  针对漆包线动态检测的问题, 设计了一种检测精度高和稳定性强的漆包线在线巡检系统。首先, 开发了一种防抖动装置, 降低检测过程中漆包线的抖动, 从而提高巡检系统的检测精度; 其次, 通过运动模块将视觉检测装置移动至不同工位, 实现了漆包线的动态巡检功能, 并采用视觉检测技术完成线径的测量; 最后, 基于PLC的闭环控制系统实时监控线径值变化情况并反馈产品缺陷。实验结果表明, 设计的运动模块最大定位误差为±0.01 mm, 且线径检测精度可达±1 μm, 满足漆包线在线巡检系统的定位及检测精度的要求。
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  基于遗传-拟牛顿算法的机器人几何参数辨识

  李岸, 陈晓玄, 王文博

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 52-56,61. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.011

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  为提升工业机器人绝对定位精度, 提出了一种遗传-拟牛顿算法来辨识机器人几何运动参数并进行机器人绝对定位误差补偿的联合算法。首先, 利用MD-H方法建立机器人运动模型, 并通过微分变化原理建立机器人各个关节误差转换到机器人末端误差模型; 其次, 通过激光跟踪仪测得KR16-2型机器人在指定工作空间50处采样点信息, 通过传统遗传算法和遗传-拟牛顿联合算法分别对机器人几何参数进行辨识和比较, 并在此算法中提出小区间生成初始种群的方式来提高迭代效率, 通过算数交叉和动态变异完成新个体的生成, 解决了传统遗传算法出现过早收敛问题。结果表明, 此算法对机器人进行补偿后的精度分别提高71.28%和53.23%, 直线制孔平均误差是0.45 mm, 弧面制孔平均误差是0.42 mm, 验证了联合算法的优越性和实用性。
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  非金属曲面局部研抛修复机器人阻抗控制研究

  史生坤, 刁燕, 杨俊波, 杨双瑜, 游代华, 王菲

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 57-61. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.012

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  恒力控制是决定非金属曲面研抛修复质量的关键环节, 为提高力控的鲁棒性与精确度, 生成了非金属曲面研抛区域的局部修复路径, 并结合自适应阻抗控制实现了研抛力的恒定。基于数据采样插补方法, 采用连续线段拟合曲面工件轮廓, 获得了修复区域未知曲面的局部加工路径; 为保证法向研抛力的鲁棒性, 进行了末端执行器的重力补偿与姿态分析; 针对研抛过程中力控对象的时变性与非线性, 建立了接触空间自适应阻抗控制模型。最终以挡风玻璃为研究对象, 通过数值仿真验证了路径生成方法与机器人阻抗控制模型的有效性与可行性。结果表明机器人研抛法向力波动最大幅度为11.4%, 达到了较好的力控鲁棒性与精确度。
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  基于最小二乘法的逆运动学优化补偿算法

  雷运理, 乜聘广, 蒙成琦, 陈琳, 潘海鸿

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 62-64,68. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.013

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  为解决全参数补偿导致逆运动学求解算法失效的问题, 提出基于最小二乘法的逆运动学优化补偿算法。首先, 该算法使用全参数补偿正运动学减小机器人末端位置误差; 然后, 使用不改变逆运动学求解算法的十参数直接补偿逆运动学求解关节角度; 最后, 建立微分方程组, 并使用最小二乘法求解关节角度误差, 对逆运动学求解算法进行优化补偿。在MATLAB中使用该算法对3组关节角度进行逆运动学解算, 计算误差在0.000 1°左右; 使用自主研发控制系统在6R型工业机器人进行实验, 测得全参数补偿后的位置误差比转换十参数补偿后减小40.66%。实验结果证明逆运动学优化补偿算法的有效性。
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  基于本征正交分解的柔性多体系统动力学降阶研究

  何健雄, 李海艳, 梁桂铭, 詹宏远, 罗铤

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 65-68. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.014

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  基于浮动框架与有限元方法建模的柔性多体系统, 有限元节点坐标数量庞大, 将会令动力学方程的求解时间显著提升。针对此问题, 提出了基于本征正交分解(POD)和压缩感知结合的柔性多体系统的降阶方法。首先, 对各部件弹性体动力学响应先验数据进行本征正交分解得到各弹性体的本征正交模态向量; 其次, 利用压缩感知与稀疏的本征正交模态坐标, 将微分/代数动力学方程求解问题转化成稀疏本征正交模态坐标的范数优化求解问题, 并且求解过程可以保持约束方程的成立。通过数值算例实验, 与传统的隐式数值积分方法相比, 该方法可减少72.47%的计算时间, 且最大相对误差为6.089e-5, 证明该方法可以在保证数值精度的情况下, 减少计算时间, 提高仿真效率。
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  可控预紧高速电主轴热力耦合建模研究

  李颂华, 裴家兴, 王永华, 王伟楠

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 69-73. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.015

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  为研究可控预紧高速电主轴在运行过程中力学与热态性能, 提出一种基于多软件平台联合的热力耦合建模方法。在进行轴承拟静力学建模时考虑离心膨胀、热变形以及载荷的多因素影响。根据电主轴热源与换热条件进行温度场APDL有限元建模, 并基于C#.NET与MATLAB混合编程以及Ansys二次开发技术, 建立了可控预紧高速电主轴热力耦合模型, 并进行了有效性验证和仿真分析。结果表明, 该模型准确性可以满足要求; 在可控预紧下, 轴承工作预紧力随径向载荷与转速的增加而增大; 径向刚度及主轴热伸长量均随初始预紧力的增加而提高, 对轴承施加合理的预紧力有助于提高主轴加工性能。
控制与检测
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  基于非奇异终端和跟踪微分器的PMSM滑模控制

  徐新, 朱纪洪, 黄健伟, 覃泽龙, 厉金鹏, 王鹏康

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 74-77. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.016

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  针对永磁同步电机转速环滑模控制中存在的系统误差无法有限时间收敛、需求取转速微分项易引入高频扰动的问题, 设计了一种积分型非奇异终端滑模控制器, 保证系统误差在有限时间内收敛且避免了求取微分信号, 同时引入非线性扩张状态观测器估计扰动并补偿, 提高系统抗扰能力。在此基础上, 为避免积分饱和引起暂态性能恶化, 设计了一种根据系统加速能力约束信号变化速度的跟踪微分器安排输入信号过渡过程, 加快误差收敛速度, 抑制积分量累积。仿真结果表明, 所提控制方法相较PI控制及传统滑模控制具有更好的动态性能和更高的抗干扰能力, 加入的跟踪微分器能够抑制响应超调, 有效改善了系统的暂态性能。
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  计及时变扰动的PMSM无传感器滑模自抗扰控制

  李祥飞, 刘捃锓, 印阳, 周杨, 邹莉华

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 78-83. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.017

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  针对永磁同步电机因参数摄动等不确定因素造成控制性能下降以及速度传感器估计精度不足等问题, 提出了一种基于改进容积卡尔曼滤波算法(ICKF)的无感永磁同步电机(PMSM)超螺旋非奇异快速终端滑模自抗扰控制算法。首先, 建立参数摄动下PMSM数学模型; 其次, 设计基于改进型线性扩张状态观测器(ILESO)的超螺旋非奇异快速终端滑模(ST-NFTSM)自抗扰复合环控制器(ILADRC), 其中ILESO实时精准观测系统的未知扰动部分; 最后, 结合ICKF实时精准估计电机的转速和转子位置, 构成整个无传感器控制系统。通过与PI和传统LADRC控制进行仿真比较, 验证了该算法在电机参数摄动下暂稳态性能更佳, 且具有良好的速度响应特性。
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  基于改进YOLOv5s网络的机械零件目标检测

  宋小飞, 晁永生

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 84-88. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.018

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  针对传统机械零件目标检测网络受到外界光照、小目标物体误检漏检的影响, 检测精度不高实时性较差的问题, 提出一种基于改进YOLOv5s网络的机械零件检测算法。首先, 使用幽灵模块和幽灵瓶颈层替换原YOLOv5s的部分卷积结构和C3结构, 降低浮点运算量(GFLOPs); 其次, 使用一个新的、高效的特征金字塔网络BIFPN, 它在训练过程中不断更新分支的权重, 从而融合不同分辨率的输入特征; 最后, 在主干网络后面加入一种高效注意力机制(CA), 实现了高效地提取机械零件的深层特征。结果表明, 改进后的YOLOv5s深度学习算法能够更加精准快速的识别机械零件的类别, 并且具有较小的模型体积, 方便在运算量低的小型设备上使用。
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  改进型高速永磁同步电机偏差解耦控制

  莫桂玲, 刘剑, 鲁炳林, 赵博

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 89-92,97. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.019

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  针对高速永磁同步电机载波比低、数字控制延时较大所引起的电流环解耦效果差问题, 在传统偏差解耦控制的基础上提出一种改进型偏差解耦控制策略。首先, 该策略对电流环的控制时序进行分析, 研究数字控制延时产生的角度延迟的影响; 其次, 在考虑延时效应导致的轴间附加耦合项与电机自身耦合项的基础上, 依据传统偏差解耦控制的原理, 建立含耦合项的电流控制方程, 推导出新的解耦项, 并将其作为系统补偿量来抵消耦合项的相互影响。通过搭建三相高速永磁同步电机仿真模型对所提控制策略进行验证, 与传统偏差解耦控制相比, 在负载突变工况下, q轴电流波动降幅为54.6%~62.5%, d轴电流波动降幅为43.9%~60.3%, 三相电流波形明显改善, 提高了系统的控制性能。
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  基于线性自抗扰的吊舱力矩电机控制

  罗喜, 赵磊, 张宇, 肖磊, 旷华聪, 冯治国

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 93-97. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.020

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  由于光电吊舱的特殊工作环境在干扰状况下难以实现精确的位置跟踪, 针对该问题提出了一种基于线性自抗扰的抗扰控制策略。根据电机运行过程中的状态方程, 设计了线性自抗扰的控制算法, 在控制器中引入了跟踪微分器安排过渡过程和提取微分信号以解决PID中存在快速性与超调的矛盾问题, 并通过MATLAB/Simulink平台建立控制模型和搭建控制器实物实验平台的方法, 验证了研究控制策略的有效性和优越性。结果表明:基于仿真平台下在速度控制模式, 实现了无超调并且响应时间缩短了5倍; 在位置控制模式, 位置峰值波动降低了4倍; 在时变负载扰动下跟踪精度可达到97.66%; 并通过实验验证了线性自抗扰控制策略在实际应用中抗扰性能, 其性能指标均优于PI控制器。
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  基于干扰观测器的机械臂分数阶非奇异终端滑模控制

  马振九, 章悦, 赵彤彤, 曹港生, 康高峰, 夏春明

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 98-102,107. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.021

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  针对串联式工业机械臂在实际控制中内部存在建模误差, 外部存在多种干扰的轨迹追踪问题, 提出了一种结合干扰观测器和滑模控制的复合控制方法。采用拉格朗日方法建立了机械臂的动力学模型以分析其动力学特性; 设计了一种有限时间干扰观测器来补偿机械臂受到外界干扰的可观测部分, 主动减小干扰对于控制系统的影响; 对于不可观测部分, 提出了一种改进的分数阶非奇异终端滑模控制策略, 并设计了趋近律以保证逼近阶段的控制性能; 采用Lyapunov定理分析控制系统的闭环稳定性。通过MATLAB/Simulink控制仿真验证, 结果表明该控制方法能够克服扰动以及建模误差带来的不确定性, 有效提高机械臂轨迹跟踪的精度, 并实现对于期望运动轨迹的迅速追踪。
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  基于模型预测算法内置永磁同步电机弱磁控制

  李国洪, 王鹏

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 103-107. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.022

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  针对内置式永磁同步电机(IPMSM)在弱磁控制阶段的不稳定性以及运行时所产生的转矩和电流波动等问题, 提出根据电机不同区域运行特点, 将其分区域进行预测控制, 提高运行效率与稳定性。该方法将有限集模型预测转矩控制与内置式永磁同步电机相结合, 分成3个控制区域, 根据电机基速阶段最大转矩电流比和高速弱磁阶段最大转矩电压比控制以及逆变器特点在各区域提出不同的成本函数对电机进行有效约束, 然后利用特定的转折条件使区域之间平稳过渡, 完成电机转速的提升。方法能够实现电机在不同控制区域的稳定运行, 有效发挥电机潜能, 保证电机高功率输出。通过仿真验证了该方法的正确性与可靠性。
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  基于敏感模态流形的变转速故障诊断方法

  郝德琛, 李华玲, 黄晋英

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 108-112,117. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.023

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  针对旋转机械变转速和复杂工况多分类问题, 提出了一种基于构建改进敏感模态矩阵(ISMM)、等度量映射(ISOMAP)和convolution-vision transformer(CVT)网络结构的故障诊断方法。将变转速信号重叠采样之后构造高维ISMM, 通过ISOMAP流形学习将ISMM映射到流形空间中, 提取变转速信号的故障瞬态特征, 实验证明能够很好地解决了常规方法无法对变转速数据进行有效特征提取的问题。结合自注意力机制和CNN的优点, 使用CVT网络结构进行特征提取、故障识别分类。通过实验室HFXZ-Ⅰ行星齿轮箱变转速数据集对提出的故障诊断模型进行实验验证。实验结果表明, 提出的故障诊断模型具有良好的识别准确率及鲁棒性。
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  基于EMD与SSA-SVM的轴承故障诊断

  张延军, 杨博

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 113-117. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.024

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  为提高轴承早期故障诊断的准确率, 使用经验模态分解(EMD)与麻雀算法(SSA)改进的支持向量机(SVM)结合的方式对故障进行诊断。首先, 使用ADAMS软件采集6203轴承外圈、滚子及内圈故障的振动仿真信号; 其次, 将仿真信号及实际信号作为输入信号进行EMD分解, 同时对分解的IMF分量选择自相关性最大的进行Hilbert包络处理; 最后, 对包络处理得到的故障频率选取前3个峰值采用SSA-SVM对故障进行诊断。不同的输入样本及不同的算法模型的诊断结果表明选取故障频率作为输入特征向量, 在SSA-SVM中能够准确的诊断出故障类别, 证明ADAMS能很好的解决轴承故障数据的采集问题, 所用的诊断方法为轴承故障诊断提供了一种高准确率的方法。
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  基于高斯混合模型的滚动轴承故障预警

  朱炜杰, 肖涵, 易灿灿, 徐增丙

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 118-121,126. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.025

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  滚动轴承的早期故障预警一直是研究人员和相关行业关注的问题, 及时发现滚动轴承的早期故障并预警有助于降低生产中因零件损坏引发的损失。在分析了主流故障预警方法后提出一种基于高斯混合模型(gaussian mixture model, GMM)的轴承故障预警方法; 通过GMM对轴承的振动信号建模, 描述其不同阶段的分布情况, 提出一种新的基于KL散度的轴承健康指标(bearing health index based on KL divergence, BHI-KL), 用来描述轴承劣化过程; 利用3σ准则提取出健康指标中的异常值, 实现故障预警。利用轴承寿命加速试验数据对所提方法进行验证, 并通过包络谱验证其精确性。结果表明, 该方法较常用的故障特征具有良好的时效性, 可以实现对轴承故障进行有效预警。
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  基于改进Hybrid A^*算法的阿克曼移动机器人路径规划

  钟佩思, 曹泉虎, 刘梅, 王晓, 梁中源, 王铭楷

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 122-126. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.026

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  针对移动机器人路径规划的效率和所规划路径的安全性问题, 基于阿克曼六轮转向模型, 提出了一种基于改进Hybrid A^*算法的路径规划方法。通过改进Hybrid A^*算法中的启发式函数, 引入距离惩罚函数, 减少了节点搜索数量; 通过构建安全走廊, 引导移动机器人尽可能远离障碍物; 在代价函数中加入了节点向前、换向和向后扩展的惩罚项, 确保所规划路径的可执行性与安全性。通过仿真表明, 基于改进Hybrid A^*算法的路径规划方法适用于阿克曼六轮移动机器人, 提高了路径规划的效率, 规划的路径更具安全保障。
工艺与装备
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  基于改进DG-MobileNet模型的焊缝缺陷识别方法

  潘海鸿, 李松莛, 陈琳, 邓火生, 雷运理

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 127-130. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.027

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  针对焊接缺陷识别及分类过程中, 传统卷积神经网络识别准确率低、适应性差和低效等问题, 提出一种基于融合空洞卷积的DG-MobileNet焊接缺陷识别模型。首先, 基于MobileNet模型将深度可分离卷积与空洞卷积相结合以扩大卷积核感受野; 然后, 引入DropBlock模块和批量规范化算法优化焊接缺陷特征提取过程和防止过拟合现象; 其次, 引入SENet自注意力机制进行特征重标定, 提升焊接缺陷识别效率。此外, 考虑到焊接缺陷数量类不平衡问题, 采用DCGAN进行数据增强并在增强后的数据集上验证模型有效性。实验结果表明, 相比于传统算法, DG-MobileNet在焊缝缺陷图像特征提取、识别准确率和耗时方面均具有更好的效果, 其测试准确率达到98.62%。
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  基于3D视觉的机械零件位姿分析

  王洪申, 曹熙淦, 李昌德

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 131-134. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.028

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  针对工业制造领域中存在的弱纹理或无纹理的机械零件位姿估计问题, 以DenseFusion网络为基础, 提出了一种基于3D视觉的机械零件位姿估计方法。首先, 依照工业制造场景构建了用于网络训练和测试的机械零件仿真数据集; 其次, 使用目标零件分割出的深度图像构建点云, 对其进行曲率下采样处理, 提高关键点的质量; 最后, 将颜色特征、点云特征和法线特征融合, 使用融合特征回归目标零件的6D位姿。在构建的机械零件仿真数据集和LineMod公共数据集进行了实验和比较, 其结果表明了所提出的方法相较于同类其他方法具有更高的准确率, 更好的收敛性能, 对于弱纹理或无纹理的机械零件有较好的位姿估计效果。
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  基于扩展虚拟三针法的螺纹中径测量方法

  林葵, 陈曼龙, 余智超, 邹滨阳, 景敏

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 135-139. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.029

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  螺纹中径是衡量螺纹联接质量的重要标志, 为实现利用机器视觉技术测量得到满足螺纹作用效果的中径值, 并进行有效评价。提出了一种扩展虚拟三针法结合理论螺纹牙廓测量螺纹中径的方法。该方法通过在轴截面上构建扩展虚拟三针法测量中径模型, 获取符合实际螺纹轴线作用效果的作用点并进行拟合, 然后利用螺纹轴线与最大实体尺寸找到与实际螺纹牙廓相配合的理论牙廓, 并将扩展虚拟三针法应用于理论牙廓中获取更接近实际作用效果的中径值, 最后以平均相对误差、标准偏差和均方根误差作为评价指标对不同实验设备测得中径值进行评价。实验数据表明, 该算法测得的中径值相比于螺纹综合测量仪和测长仪测得中径值的相对误差均不超过0.013%, 尺寸测量的结果能稳定地满足螺纹中径测量需求。
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  涡轮叶片多视角缺陷图像快速融合方法

  谢丹, 贺福强, 纪家平, 周阳

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 140-144. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.030

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  针对航空涡轮叶片的图像缺陷难以在单一视角下呈现完整缺陷, 不利于后期修复等问题, 提出了双尺度分解与基于引导滤波的显著性权重图像融合算法。双尺度分解利用均值滤波和中值滤波将待融合源图像分解成了全局信息基础层和局部信息细节层, 再分别通过加权融合和基于引导滤波的显著性权值滤波方法进行基础层和细节层的融合, 完成图像重构, 实现最终多视角涡轮叶片缺陷图像融合。结果表明, 所提算法具有良好的抗干扰能力, 且对于涡轮叶片边缘缺陷、缺陷对比度保留以及不均匀光度金属背景的均衡融合等方面的综合性能优秀, 融合的缺陷目标和金属背景都较为完整、均匀。
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  基于机器视觉的RV-80E减速器精密装配研究

  朱晴旺, 张靖, 谢发祥

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 145-149. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.031

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  为了保证RV-80E减速器批量装配过程的一致性和稳定性, 针对其装配质量控制关键技术进行了研究并开发了基于机器视觉的装配线。通过分析RV-80E减速器过定位结构原理, 提出了核心零件的8个关键配合方式和影响整机性能的3个复杂尺寸链。以实现最优整机性能为原则总结了RV-80E的精密装配工艺流程和质量控制参数。设计并开发了RV-80E装配线和机器视觉系统, 装配线覆盖RV-80E的智能选配、衬套精密压装、滚针安装、螺钉自动拧紧等关键装配工序, 在智能选配和衬套精密压装工位引入了基于VisionPro的视觉防错技术。统计分析了600台RV-80E减速器的传动误差指标符合正态分布, 其Cpk指标为1.45, 生产数据表明基于机器视觉技术的装配线改善了RV-80E装配过程的一致性和稳定性。
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  切削力在线测量系统刀柄结构设计

  刘丽娟, 武文革, 赵永娟, 黄晓斌, 成云平

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 150-152,159. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.032

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  在刀柄上直接嵌入或沉积薄膜传感器是实现在线测量切削力的有效方法之一, 研究了螺钉紧固与法兰结构刀具系统, 建立了10种刀杆截面图谱; 螺钉紧固结构截面采用阶梯赛车道方案, 在相同条件下, 该结构输出电压是初始结构的2倍; 法兰结构截面采用四面凸台方案, 建立了刀具模型各分段长度与初始惯性矩的关系; 利用ABAQUS对这两种结构进行了有限元仿真, 螺钉紧固结构刀杆截面处应力是初始刀杆的两倍, 法兰结构的应变分布关于形变中性层对称, 结果表明两种结构均可提高测力系统输出特性。
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  低温风冷微量润滑切削A-100超高强度钢工艺研究

  陈家成, 林立

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 153-159. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.033

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  针对难加工材料A-100超高强度钢的加工性能差, 刀具磨损严重等问题, 进行了传统切削液冷却切削与低温风冷微量润滑切削加工对比试验。通过改变冷却温度, 切深和进给量参数, 分析了刀具寿命变化规律, 利用普赛PV4030-DCC影像仪和蔡司Gemini360分别观察了断屑外观形貌和刀具磨损形貌, 通过相关分析法对综合加工效率的影响因素进行探究。结果表明, 低温风冷微量润滑加工的刀具寿命, 刀具磨损和断屑断裂形态均显著优于切削液冷却加工。当切深和进给量增加时, 刀具寿命均下降。低温风冷微量润滑加工均能不同程度提升刀具寿命, 并得出了最优的加工参数。影响综合加工效率的主要因素是切深, 具有强相关关系。实验结果证明低温风冷微量润滑加工A-100超高强度钢具有实际加工应用前景。
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  基于Voronoi理论的铝合金裂纹萌生寿命仿真分析

  潘微, 龙安林, 邹羽, 李杰, 李春明, 王芳丽

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 160-162,175. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.034

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  铝合金作为飞机上广泛应用的金属材料, 其裂纹萌生寿命往往很难通过试验预测, 针对三维铝合金多晶体基于Voronoi理论建立了其数学模型和有限元模型, 用来表征大小、形状随机分布且各向异性的多晶体特性, 在细观尺度上, 通过晶体塑性有限元分析方法在ABAQUS软件中对6111-T4铝合金多晶体进行单轴微拉伸数值模拟, 分析了多晶体的应力应变分布情况, 最后通过双线性内聚力本构关系建立了三维多晶体的疲劳退化和损伤演化细观模型, 实现了微观尺度疲劳载荷作用下铝合金多晶体的裂纹扩展行为模拟, 并给出了6111-T4铝合金多晶体的疲劳裂纹萌生寿命, 结果表明, 通过仿真分析得到的铝合金多晶体裂纹扩展路径与试验中扩展路径相似, 该方法可以预测铝合金裂纹萌生寿命。
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  超声振动辅助切削单晶硅的剥离去除机制

  冉迪, 苑泽伟, 卞思文, 邓鑫华, 王宁, 李予欣

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 163-166,182. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.035

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  为探究超声振动辅助对单晶硅切削性能的影响, 揭示超声振动辅助切削的基底去除机制, 基于Tersoff力场和Morse力场, 采用分子动力学方法对不同振动频率和振幅的超声振动辅助切削行为展开研究。根据基底原子运动轨迹、刀具受力、基底势能、亚表面损伤、等效应力和原子去除数量的变化规律, 分析了超声振动辅助切削单晶硅的切削性能和去除机制。结果表明, 传统切削通过摩擦推挤方式去除原子, 超声振动辅助切削通过摩擦剥离方式去除原子。振动频率和振幅的升高均有利于降低刀具的切削力和法向力, 增加刀具的做功, 降低非晶层厚度, 增加基底原子去除数量, 超声振动辅助提高了单晶硅的切削性能和效率。研究结果可为单晶硅高效、高质量加工提供理论指导。
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  基于自适应衰减记忆法的视觉惯性里程计算法

  罗振耘, 佃松宜, 钟羽中

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 167-170,187. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.036

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  针对机器人快速运动导致系统先验噪声统计特性与实际不符, 严重影响视觉惯性里程计定位精度的问题, 提出了一种基于自适应衰减记忆法的视觉惯性里程计算法。利用机器人运动状态方程模糊推理得到衰减因子, 实现一种新的选取衰减因子的方法; 然后利用自适应衰减因子实时修正噪声模型, 抑制滤波发散; 最后在公开数据集和真实环境下进行实验, 该方法整体定位误差在0.6 m内。实验结果表明, 所提算法在机器人快速运动时能有效避免滤波发散, 对机器人定位性能提升显著。
先进管理技术
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  多目标集成式工艺规划与调度问题的求解与决策

  杨庆斌, 尹瑞雪

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 171-175. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.037

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  将工艺规划与车间调度进行有效的集成是解决制造系统中工艺规划与车间调度过程分开优化时设备利用率低以及生产效率差的问题的主要途径。为了实现绿色低碳制造, 首先以制造过程中的碳排放最小化、最大完工时间最小化、总拖期时间最小化为优化目标, 基于非线性工艺规划的原理, 建立多目标集成式工艺规划与调度模型; 然后采用NSGA-Ⅱ遗传算法进行求解, 优化得到Pareto最优解集; 并提出利用基于熵权法的TOPSIS决策方法从Pareto最优解集中选出最佳工艺路线与调度方案。最后结合案例, 验证了该模型及求解过程的有效性, 并为实际生产过程中车间调度方案的决策提供了依据。
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  基于DRL的离散生产线动态感知决策

  黄松勇, 王贤琳, 鄢威, 张豪

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 176-182. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.038

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  通过在离散生产线上应用RFID(radio frequency identification, RFID)技术用以实现产线动态感知功能, 研究基于深度强化学习(deep reinforcement learning, DRL)算法的生产线动态感知决策方法。对于具有离散生产作业的多机生产线, 提出利用数据采集量(DCV)和数据采集水平(QCL)两类性能指标对产线智能化程度进行精准量化, 建立基于马尔可夫链的生产线动作性能评估模型和基于马尔可夫决策过程的生产线动态感知决策模型。利用DRL算法对问题进行近似求解, 获得了有效的生产线动态感知策略。实验结果表明, 所提出的生产线动态感知决策模型可以有效地帮助企业选择与生产内容高度匹配的RFID硬件和合理有效的硬件安装位置, 提高生产线的数据采集能力, 打造智能产线样板。
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  基于双种群遗传算法的模具车间作业调度研究

  陈逸维, 刘华秋, 陈洪涛, 黄磊

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 183-187. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.039

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  传统模具车间作业的调度计划具有编制复杂度高、人员经验依赖度高等特点, 以作业完成总耗时最小化为目标, 提出了一种优化的双种群遗传算法。基于Gen-Tsujimura-Kubota's method编码机制, 提出了一种改进后的初始种群产生方案; 采用基于工件位置的交叉算子和工件对互换变异算子对种群进行交叉操作和变异操作, 并保留较优个体; 基于双种群理论和自适应操作, 对算法模型进行优化, 提高了算法的精度和搜索能力。以某模具企业的蜡模生产车间作业为例进行分析, 结果表明该算法能较精确地获得车间作业调度的优质解, 验证了算法的可行性和有效性。
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  基于加权集成学习的车间生产进度异常预测

  周海浪, 郭宇, 张浩, 王胜博, 刘道元, 金霞

  组合机床与自动化加工技术. 2023, 0(8): 188-192. https://doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2023.08.040

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  准确的生产进度异常预测对于提升车间生产效率具有重要意义, 针对单一模型预测精度低、泛化能力弱等问题, 提出一种基于加权集成学习的生产进度异常预测方法。首先, 考虑不同模型挖掘数据和训练原理的差异, 确定基学习器的种类, 提高模型的适应性和准确性; 其次, 采用遗传算法对各基学习器的权重进行优化, 进一步纠正基学习器的预测误差, 构建生产进度异常预测集成模型。实例验证表明, 所提方法可以准确预测出车间实际发生的生产进度异常, 准确度达100%, 提升了车间生产进度异常预测精度, 并且在RMSE、MAE、R²指标上体现出更好的泛化性能。