ISSN 1009-0134
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2024年, 第46卷, 第11期
刊出日期：2024-11-25
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针对空气悬架系统高度调节过程中由于系统惯性易出现超调震荡，导致控制阀高频开关，进而引发能源浪费的问题，基于压缩气体有效能理论和能量守恒定律，提出了一种基于能耗预测与PI结合的悬架高度控制方法，以实现对空气悬架高度的快速精确控制。首先，基于空气弹簧数学模型和测试数据，结合AMEsim软件建立了四分之一空气悬架系统仿真模型，并通过试验验证了模型的准确性。其次，提出了空气悬架高度控制理想能耗计算方法，然后，设计了基于理想能耗的高度控制器，提出了一种新的先以储气罐气压后以空气悬架高度为控制目标的二阶段控制策略，最后通过四分之一空气悬架系统半实物仿真平台实验验证了该控制策略的有效性和优越性。
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为实现汽车电子节气门开度的快速响应和精确控制，考虑进气系统中的结构摩擦、弹簧以及齿轮间隙的迟滞非线性问题，建立电子节气门数学模型。针对模糊PID控制电子节气门中各参数依赖于线下调试的问题，提出一种基于改进鸡群算法在线优化控制参数的策略，从而减少电子节气门的响应时间，降低系统响应的超调量。仿真结果表明，在电子节气门工作过程中，在通过ICSO（改进鸡群算法）优化后的模糊PID控制下，系统在经典阶跃响应时间较未优化的PID控制响应时间减少0.616 s，超调量与震荡次数等方面有显著提升，在其他工况下，电子节气门系统跟随特性良好，稳态精度与减小误差均提升较大。通过实验验证，ICSO优化后的控制器自适应能力更强，显著的减少了控制时间和提高了控制精度，具有良好的工作特性。
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为保证操作者在人与机器人协作时的安全，设计了一种基于单向力传感器的碰撞检测底座，使协作机器人快速识别碰撞并做出反应。首先，采用DH参数法建立了机器人的正运动学模型，并据此推导出底座传感器所测单向力与碰撞力之间的映射关系。其次，通过分析机器人碰撞时的受力情况，利用单向力传感器设计了用于六轴机器人碰撞检测的测力底座。此外，使用ADAMS和MATLAB对机器人底座传感器的受力进行联合仿真分析。最后，根据碰撞仿真结果提出了4种碰撞判据，并从中选取灵敏度最高的那组作为机器人测力底座检测碰撞是否发生的依据。分析并验证了基于机器人底座所受单向力的变化来检测碰撞的可行性，根据碰撞仿真结果优化出灵敏度最高的碰撞判据，为优化机器人的碰撞检测提供了重要参考。
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为了解决搅拌摩擦焊接机床在加工过程中路径变化较剧烈部位存在机械振动和路径偏移问题，考虑运动学的约束，使之以指定的进给速度加工高质量无飞边焊接件，通过对搅拌摩擦焊接机床机电系统架构进行分析，以实现焊接过程的多轴联动关系；并以此为基础，研究搅拌头倾角变化对焊接精度影响规律，给出拐点切向跟随运动的控制方法；最后，对基于粒子群算法（PSO）高阶插值函数轨迹规划器进行了研究，以实现多轴系统的协调运动控制。利用MATLAB软件做了仿真实验，并将其运用于搅拌摩擦焊接机床的焊接实验中，研究表明：应用该优化控制方法，在确保最终轨迹的同时，明显提高了搅拌摩擦焊接机床的加工效率，搅拌头末端的稳定性。
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基于有限元与离散元（FEM-DEM）相耦合的方法，建立了喷丸强化过程仿真模型，获得了表面覆盖率与丸粒数目之间的关系曲线，基于规则钛合金局部模型，研究了喷丸强化过程中主要工艺参数（丸粒直径、喷丸速度和表面覆盖率）对残余应力场及表面粗糙度的影响规律。针对实际叶片结构，根据不同特征区域和局部表面曲率特征，分析了残余应力场的分布及变化规律。结果表明，在一定范围内，通过增大工艺参数可以获得更好的残余应力分布。然而，当工艺参数过大时，喷丸强化效果会被削弱，表面粗糙度增加，导致残余应力松弛现象出现。此外，在相同喷丸工艺参数下，不同压气机叶片区域的表面曲率特征对喷丸效果影响较大，曲率较大时产生的残余应力场分布较浅，而曲率较为平滑的区域可以获得更佳的喷丸强化效果。
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为了深入探究烘烤过程中烟叶水分随热流场变化的影响规律，提高该数学模型的可用性，以烘烤中的烟叶为研究对象，基于烟叶多孔特征建立烟叶时-空域物理特性变化的烘烤热质流输运模型，利用CFD技术对变黄期、定色期和干筋期三个时期密集烤房装烟室压力场、气流场、温度场以及烟叶水分分布进行数值模拟，开展烘烤试验，验证模型的准确性。数值模拟和烘烤试验结果表明：试验测量与数值模拟的温湿度数值曲线拟合程度较好，温度的试验值与仿真值相对误差在0~2.95%，相对湿度的相对误差在0~7.26%，试验值与模拟值基本吻合，建立的仿真模型准确；烘烤过程中温度和水分分布仿真结果与试验结果基本一致，表明用数值模拟方法研究烤房内部环境是可行的。
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针对长程自主式水下航行器（AUV）在使用推进器定深巡航、上浮下潜能耗高以及传统浮力布置方式带来重心改变控制复杂等问题。提出了一种复合浮力调节装置，该装置在结构上独立成段，集成了浮力调节和重心调节功能。可在满足浮力调节的同时，利用剩余空间实现对俯仰角的控制。并采用一种新的浮力模块布置方式，通过理论计算验证了该装置可以在AUV上浮、悬浮、下潜过程中保持一定姿态。搭建了复合浮力装置样机，对主要部件进行强度校核，测试其在水下的密封性能和浮力调节精确度。结果表明：该机构具有精确的浮力调节能力，以及保持该机构在水中平衡的能力，相比传统布置方式可提高空间利用率、简化安装步骤。
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为了提高烟草输送带清洁机升降平台的工作效率，降低液压缸提供的推力，对其三级电动剪叉升降平台进行了运动优化和液压缸位置的优化。首先基于三级电动剪叉升降平台的三维模型，建立其数学模型，然后利用虚位移原理与动能定理分别进行运动学分析，以及静力学与动力学分析，获得剪叉升降平台的关键节点的位移、速度、加速度，以及平台位置参数与液压缸行程和推力之间的关系。最后利用MATLAB软件进行剪叉升降平台的数值仿真分析，研究剪叉机构上升时，升降平台位置与液压缸行程及推力之间的影响规律，并进行剪叉机构运动优化和液压缸位置优化，优化后升降平台一个工作循环工作时间减小了40%，工作平台处于相同位置时所需液压缸推力减小了6.51%。
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设计了一种基于激光三角法的高精度位移传感器系统，集成了数据采集、处理和显示功能。系统采用STM32微控制器作为控制模块，实现独立的数据采集和处理。设计了光路，并开发了用于光斑中心定位和距离测量的算法。传感器能够实时显示测量结果，确保高精度测量。实验结果表明，该传感器在0到100毫米的范围内能够准确测量位移，分辨率达到了亚微米级，约为0.5微米。传感器的重复精度在0.1微米以内，具有高度的一致性和可靠性。在工业应用中对不同工件进行了测量，与传统接触式传感器相比，激光位移传感器的测量误差在0.5微米以内，并且在振动、灰尘和湿气等影响环境中表现出更好的稳定性，为工业检测领域提供了可靠的解决方案。
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随着电力电子用电负荷的增加，大部分用电场所尤其是工业用电的电流中含有大量谐波，从而导致在单芯电缆屏蔽层中感应出谐波过电压，但目前的屏蔽层电压计算和抑制方法没有考虑到谐波的影响。基于此，提出计及谐波的单芯电缆屏蔽层阻抗接地方案和参数设计方法。首先，基于电缆内部参数建模分析了缆芯电流与屏蔽层电压之间的关系。其次，通过频域增益分析了不同阻抗接地方案对屏蔽层电压和环流的影响，考虑屏蔽层总电流约束，提出了以屏蔽层谐波电压为优化目标的阻抗参数优化方法，并利用遗传算法求解最优参数。最后，以某钢铁厂实际案例给出了设计流程，仿真结果表明所提接地方案能有效抑制屏蔽层的谐波过电压，同时可以把环流限制在一定范围内，验证了所提的接地方案及其参数优化方法的有效性。
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为解决传统沉管预制模板不能自动伸缩进行支模、脱模以及现有工厂法沉管全断面预制大型针形梁内模占用空间大的问题，对一种能够自动伸缩且适应狭窄空间的沉管隧道机械化内模系统进行设计与研究。设置液压油缸将上部模板和中部模板伸缩至浇筑位置，再通过连接件进行固定形成内模整体；设置路轨与行走台车，内模整体通过行走台车支承于路轨上。混凝土强度达到要求后，驱动升降机构下降使上部模板与沉管混凝土脱离，实现脱模；然后通过行走台车将内模整体移动至下一浇筑区。采用Midas Civil有限元软件对内模系统进行受力分析，结合实际工程应用证明了该内模系统可保证沉管全断面预制工艺的实施和浇筑期间的安全。
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机器视觉是提升电力物流自动化和智能化水平，实现降本增效的关键技术。针对电力物资绝缘子计数主要依赖人工导致的易出错、效率低和成本高等问题，使用一种基于Transformer的目标检测算法RT-DETR实现绝缘子自动识别和计数。该算法基于实时端到端Transformer检测模型，通过提取绝缘子图像的全局信息，加强信息表征能力，无需针对检测目标人工设计额外的算法模块，可满足电力物流场景下高实时性和高准确性的检测要求。针对深筐中绝缘子相互遮挡问题，通过裁剪增强对绝缘子数据集进行预处理，增加训练数据的多样性，提高模型对不同遮挡情况的泛化性，进一步提高算法在实际工况下的检测精度。实验结果表明，对深筐中的绝缘子进行检测，离线裁剪增强后的RT-DETR平均精确率达到95%，最佳置信度阈值下的计数平均绝对百分比误差仅为0.7%，单张图的平均推理速度为0.03 s，可以满足实际工业场景的检测要求。相比无裁剪增强，离线裁剪增强后的模型可以提高3.7%的平均精确率，有效提升绝缘子检测效率。
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针对目前山药收获难的问题，设计开发一款可用于山药自动挖掘的机器。该机器主要由转筒、升降台、机架、底盘、双目相机及PLC控制部分组成。使用SolidWorks软件对机器零件进行设计及选型，并利用有限元分析软件ANSYS对山药机转筒和升降台进行力学分析。在汽油机13.5 N m的驱动扭矩Td作用下得出转筒的最大应力和最大应形为10.41 MPa、0.017232 mm，升降台的最大应力和最大应形为63.158 MPa、0.27901 mm，应力和变形均在材料许用范围内。使用样机做结构可行性实验，通过实验验证山药收获机结构设计合理，基本能够完成山药的收获。