在经编机运行过程中，其横移机构可能会因横移控制系统失控或传动误差而发生故障。为实现经编机横移机构故障的有效检测，结合振动信号的组合特征和支持向量数据描述（support vector data description, SVDD）算法，提出一种由数据驱动的故障检测方法。首先，采集经编机横移机构的振动信号并提取其时域特征；然后，采用小波包分解获取振动信号在各频带上的能量占比，并结合时域特征构建特征向量。最后，基于训练样本（仅含正常样本）的特征向量，利用SVDD算法构建独立封闭的最小超球体，并通过比较测试样本到超球体球心的距离与超球体半径来实现经编机横移机构的状态评估。对基于所提出方法的故障检测结果与仅使用时域特征和SVDD算法以及使用组合特征和支持向量机（support vector machine, SVM）的故障检测结果进行对比。结果表明，结合振动信号组合特征和SVDD算法的故障检测方法的准确率更高。研究结果可为经编机横移机构故障的准确检测提供理论基础，进而为经编机管理人员提供一定的辅助决策信息。

焊后残余应力处理过程的非线性程度高且参数耦合性强，导致处理质量不稳定。而现有检测方法仅做抽样检测，存在检测精度低、周期长等问题，且无法进行实时在线检测。为此，提出一种新的基于声信号识别的焊后残余应力处理质量在线检测方法。该方法先实时采集焊后残余应力处理过程中的声信号并提取其特征，然后构建基于多权值神经网络的焊后残余应力处理质量检测模型，以实现在线识别。实验结果表明，相比于传统检测方法，所提出方法可实现焊后残余应力处理质量的在线检测，可为焊后处理过程中的参数优化和质量控制提供参考。

为了实现使连续体结构的体积约束和柔顺度最小的拓扑优化及解决采用经典变密度法引起的结构优化结果存在如灰度单元、棋盘格等数值不稳定问题，提出了一种新的拓扑优化方法。首先，采用改进的固体各向同性材料惩罚法作为材料插值方案，建立结构拓扑优化模型；其次，通过引入基于高斯权重函数的敏度过滤法和设计新灰度单元抑制算子来解决数值不稳定问题；最后，借助优化准则法求解优化模型。通过算例分析可知：新策略可以改进拓扑优化方法；新的拓扑优化方法具有收敛速度较快、能更好地获取柔顺度小且拓扑构型好的优化结构和抑制灰度单元产生等优势。研究结果为其他连续体结构的拓扑优化研究提供了新思路。

掘进载荷是盾构施工中的重要控制量，直接关系着施工安全与效率。通过对掘进载荷影响因素的分析，建立了一种基于工程实测数据分析的掘进载荷特征选择及预测方法。首先，对工程实测数据进行极值归一化预处理，以降低不同参数间量纲和量级的差异产生的支配性影响；其次，通过参数分析和基于互信息的特征选择选取主要的影响参数作为输入；最后，通过支持向量回归（support vector regression，SVR）建立掘进载荷的预测模型，并结合天津地铁9号线盾构施工工程案例检验其预测表现。结果表明，所建立的掘进载荷预测方法能够在工程实测数据包含的众多影响参数中筛选出少量关键特征，实现对掘进载荷的合理预测。研究结果可以为盾构掘进参数的调控提供参考，也为具有众多参数的工程实测数据的分析提供一种思路。

针对高可靠、长寿命半导体激光器的寿命评估问题，提出了基于双方差随机过程的性能退化评估方法。该方法不仅考虑了半导体激光器内部失效机理的固有随机性，还考虑了由人为因素、测量仪器等引起的测量随机误差。首先，建立了半导体激光器性能退化模型及其未知参数的极大似然估计方法。然后，基于首达时的概念给出了失效时间分布函数和概率密度函数的解析表达式，以对半导体激光器的可靠性和寿命进行评估。最后，通过半导体激光器寿命评估工程实例验证了所提出方法的适用性和有效性。结果表明：与现有的性能退化模型相比，所构建模型的拟合效果更好，能够提高寿命评估精度。这可为半导体激光器及其整机系统最优维修决策的制定提供有力支撑。

针对在飞机装配过程中机翼对接准确度难以保证而影响飞机的气动外形和飞行平稳性的问题，建立了一种以关键测量特征的测量数据为节点的容差分配模型。基于测量辅助装配技术，对装配过程中飞机的关键测量特征进行定义。分析了机翼对接中关键测量特征间的几何关系，考虑了现场测量设备的测量不确定度，在此基础上建立了以关键测量特征的测量数据为节点的容差分配模型。试验结果表明，利用容差分配模型对机翼的安装角、上反角和对称性等进行容差分配，将分配的容差信息融入数字化装配系统，可以显著提高飞机装配的质量和效率。研究结果可以为飞机机翼对接过程中装配特征的定义和容差分配提供一定的理论指导。

为了实现在电铲工作过程中对铲齿磨损进行实时检测，防止因铲齿磨损而影响电铲开采效率，提出了一种基于改进Mask Scoring R-CNN（region convolutional neural network，区域卷积神经网络）的铲齿实例分割模型。首先，以ResNet-101（residual network， 残差网络）和改进的FPN（feature pyramid networks，特征金字塔网络）作为主干网络，提取高、低特征层的语义信息和细节特征并融合，结合ROI Align层对局部特征层进行裁剪和归一化处理，以完成目标检测与实例分割；然后，基于获取的铲齿分割效果图以及二值化掩码图形信息，计算实例分割后图像中铲齿部分的像素面积，以判断其磨损情况。结果表明，以ResNet-101和改进FPN为主干网络的铲齿实例分割模型在测试集上的平均像素精度为90.76%，平均交并比为83.62%，相比于以ResNet-101和传统FPN为主干网络的实例分割模型分别提升了1.18%和1.21%。在电铲采掘工作现场进行8次铲齿磨损检测实验，检测到的每颗铲齿的磨损程度波动幅度均小于2%，均方差为0.7左右，说明所提出的实例分割模型对铲齿有较好的分割效果和稳定性，基本满足磨损检测要求。研究结果可为铲齿磨损状态的智能化检测提供新思路。

为了减小装配变形，提高机床装配精度，提出了一种考虑装配变形的机床床身优化设计方法。首先，分析了机床装配变形部位和床身装配变形机理，研究了影响机床床身装配变形的因素及其影响规律；其次，基于响应面模型和遗传算法，提出了考虑装配变形的机床床身多目标优化方法，给出了优化设计流程；最后，以经典的机床床身为实例，以床身结构参数为设计变量，以床身质量、装配变形幅值、最大静变形量最小和一阶固有频率最大为优化目标，对床身进行优化设计。结果表明：床身长度和宽度方向的筋板数量和筋板厚度均对装配变形有重要影响；床身优化后，可有效减小装配变形，提高装配精度，同时使床身的质量更小、刚度更大和动态性能更优。研究结果不但为机床基础大件的结构分析与优化设计提供了参考，也为其他类似设备的多目标优化提供了理论依据，具有重要的工程实践价值。

为解决多足机器人控制系统复杂、加工装配困难的问题，设计了一种基于单自由度Jansen连杆机构的转盘式多足仿生机器人，并对其进行运动学分析和优化。首先，运用旋量理论对机器人的单条仿生机械腿进行自由度验证，并运用复数矢量法对仿生机械腿进行运动学求解，得到其足端运动轨迹方程及各关节的转动角度。然后，基于仿生机械腿足端的运动轨迹及其影响因素，分析了其优化方向。接着，提出了转盘式传动机构，并对仿生机械腿的转动关节和足端进行了优化，同时利用SolidWorks软件对转盘式多足仿生机器人的步态进行了时序分析。最后，制作了转盘式多足仿生机器人样机并分析了其在常规路况下的运动能力，验证了其可行性。结果表明，改变曲柄长度和机架水平倾角可优化多足仿生机器人的运动轨迹，使其更符合实际应用所需；转盘式传动机构与多条仿生机械腿的叠加，提升了机器人的环境适应性。研究结果为后续机器人系统的设计及工程应用提供了重要的理论依据。

针对数控机床多热源所致的温升与主轴热误差之间复杂的非线性关系问题，提出一种鸡群优化（chicken swarm optimization, CSO）算法与支持向量机（support vector machines, SVM）相结合的主轴热误差预测模型（以下简称热误差模型）。以某精密数控机床的主轴单元为研究对象，采用五点法对其在空转状态下的轴向热变形进行测量，并借助热电偶传感器对机床的4个关键温度测点的温度进行采集。以SVM为理论基础，随机选取75%的数据样本进行训练，进而构建主轴热误差模型。其中，利用CSO算法优化SVM模型的惩罚参数c和核参数g，以提升热误差模型的预测能力及鲁棒性。以余下的25%的样本作为测试数据集，对所得热误差模型进行验证。利用CSO-SVM模型对不同工况下主轴的热误差进行预测，并将预测结果与测量结果进行对比。结果表明：当主轴转速为3 000 r/min时，CSO-SVM模型的平均预测精度高达97.32%，相较于多元线性回归模型和基于粒子群优化的SVM模型分别提升了6.53%和4.68%；当主轴转速为2 000， 4 000 r/min时，CSO-SVM模型的平均预测精度分别为92.53%、91.82%，表明该模型具有较高的预测能力和良好的鲁棒性。CSO-SVM模型具有较强的实用性和工程应用价值。

针对径向环形编织机电气特性与机械特性的差异导致的编织机电机易超载甚至被烧毁的问题，建立了编织机机电一体化系统模型。该模型包括编织环模型和牵引滑台模型，其中编织环模型由88个齿轮的闭合传动与4个永磁同步电机的同步驱动耦合而成，牵引滑台模型由永磁同步电机的驱动与滚珠丝杠的运动耦合而成。为了解决编织环上4个电机因齿侧间隙等的存在造成的负载不均，提出了转矩均衡控制方法，即：主电机受速度环和电流环双环闭合控制，从电机只受电流环控制；主电机速度环的输出量作为从电机电流环的给定量。为了较快地使编织环电机组的转速与滑台电机的转速满足协同关系，提出了跟踪性能与同步性能解耦控制方法即交叉耦合解耦控制方法，将跟踪误差补偿量按一定比例关系缩小至幅值以下，以凸显协调误差补偿的效果。进行了现场实验，结果表明，采取所提出的控制策略能够使编织环4个电机的输出转矩相差较小，而且在电机启动与加减速阶段可以使编织环主电机与滑台电机的转速达到协同要求的时间大幅缩短。根据控制策略设计了编织机伺服控制系统。研究结果对织物编织质量的提高起到了重要的指导作用。

下肢外骨骼助力机器人存在人?机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题，基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人，将其简化为七连杆结构，并结合步态平衡理论，采用牛顿?欧拉法构建了其摆动相与支撑相瞬时动力学模型。然后，将不同步态相位下人体运动时的角度数据、速度数据及机器人结构参数代入牛顿?欧拉动力学迭代方程，求得机器人各关节的理论驱动力矩。最后，开展ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）仿真实验和人机协同助行实验，通过对机器人各关节的驱动力矩峰值进行比较，验证了所构建动力学迭代方程的正确性和有效性。结果表明，通过采用牛顿?欧拉法来求解下肢外骨骼助力机器人关节的驱动力矩，可为其结构优化与控制策略制定提供重要的理论支撑。

为了合理地设计大型深海自主水下航行器（autonomous underwater vehicle, AUV），针对其无动力螺旋下潜时的静力配置问题展开研究，重点分析其无动力螺旋下潜运动特性。首先，基于拉格朗日方程推导了大型深海AUV的动力学模型，并利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）软件对其直航试验、斜航试验、悬臂水池试验和平面运动机构试验进行数值模拟，通过最小二乘线性回归法拟合得到了相应的水动力系数；同时通过对比给定推力条件下AUV的直航速度验证了动力学模型的有效性。然后，基于所构建的动力学模型，利用MATLAB/Simulink和S函数建立了大型深海AUV的六自由度运动仿真模型，分析了其净负浮力、重心纵向位移和稳心高度与无动力螺旋下潜稳态参数之间的关系。最后，设计了1∶10的大型深海AUV缩比样机，通过水池试验验证了动力学仿真结果的正确性。结果表明：净负浮力作为大型深海AUV下潜时的主要动力来源，决定了AUV的下潜速度和偏航角速度；净负浮力和重心纵向位移与稳心高度的比值越大，AUV的垂向下潜速度越快，下潜至6 000 m深度的用时越短；由于该AUV的体量较大，其纵倾角主要由重心纵向位移与稳心高度的比值决定，压载质量对重心位置和转动惯量的影响几乎可以忽略。研究结果可为大型深海AUV无动力螺旋下潜时的静力配置提供参考。

在科学钻探中，利用自动垂直钻井技术能够有效控制井斜。但是，现有机械式自动垂直钻具的执行机构需要较大排量的泵机来提供动力。若要降低排量，则要求执行机构的内部结构有良好的保压效果。为解决上述问题，提出一种内部带有泄流缝隙的新型执行机构，以提升其保压性能，并利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）方法对其内部流体区域的流线分布进行模拟，分析泄流缝隙对流体区域压强产生的影响，以验证利用缝隙泄流实现保压的可行性；同时，通过对泄流缝隙宽度、长度等参数的敏感性分析，得到不同参数对新型执行机构保压效果的影响。结果表明，在泵机排量较小的条件下，新型执行机构仍具有良好的保压效果，对保压效果影响最明显的因素为泄流缝隙宽度；当泄流缝隙宽度小于0.2 mm时，该执行机构内部流体区域的整体压强较大，即其保压效果良好。由此可知，开设泄流缝隙可实现执行机构的性能优化，这对进一步提升机械式自动垂直钻具的纠斜能力具有重要意义。

针对在氩弧焊型高压电缆铝护套焊接过程中易出现表面漏焊、埋藏未焊透和焊穿等缺陷的问题，提出了焊缝缺陷的交流电磁场检测（alternating current field measurement, ACFM）方法。首先，利用COMSOL多物理场仿真软件建立高压电缆铝护套焊缝缺陷ACFM模型，研究U形磁芯上的励磁线圈在不同类型铝护套焊缝缺陷区域产生的感应电流的密度分布特点和和磁场信号特征；其次，设计了可获取缺陷长度和深度信息的正交式接收线圈，制作了带有缺陷的电缆铝护套焊缝试件及ACFM实验平台；最后，进行了不同类型铝护套焊缝缺陷的检测及结果分析。实验结果表明，ACFM方法能够有效用于3 mm厚的高压电缆铝护套焊缝表面漏焊和焊穿缺陷的检测，并且能够有效识别埋深为2 mm，长、宽、深分别为10，0.3，1 mm的埋藏未焊透缺陷。研究结果为高压电缆铝护套焊缝缺陷的识别和焊缝质量的评价提供了重要参考。