关键零件作为复杂机械产品的核心，对实现产品功能具有重要作用。然而，产品中零件数目庞大且具有耦合关系，导致识别关键零件十分困难。为实现产品关键单元的识别，从元动作出发，提出了一种面向复杂机械产品的多准则模糊关联综合评价的关键元动作识别方法。首先，利用“功能—运动—动作（fuction?montion?action， FMA）”的分解方法将复杂机械产品分解至最小运动单元——元动作；其次，基于不同元动作之间的运动和结构关系建立三角模糊评价矩阵，将证据理论与模糊关系结合，提出了模糊证据理论算法，实现了元动作之间不同关联信息的融合，解决了元动作之间信息模糊或缺失的问题，并在此基础上利用三角模糊数可能度关系的指标权重确定方法实现对元动作重要度的排序；最后，以国产某型号数控加工中心的转台为例，验证了该方法的合理性与有效性。研究表明：FMA分解方法从运动角度出发，可以简化整机的分解过程，有效表征产品零件的运动关系；从元动作的结构和运动关系分析元动作之间的相关性可以更好地研究元动作之间的耦合性；将证据理论带入模糊关系中进行不同元动作之间的关联信息融合，可以解决信息模糊问题。通过对元动作重要度的排序识别关键元动作，为后续对元动作单元的研究奠定了基础。

汽车离合器是汽车传动系统的重要起步元件。其传统的设计方法没有在整个产品开发过程中将性能要求、产品特性、工艺过程及过程能力有机地融合，没有考虑离合器产品参数合理的公差范围以及生命周期内尺寸的变化，因此很难满足大规模生产的离合器转矩传递能力和踏板操纵特性的要求。通过建立基于功能—产品特性—工艺及过程能力的汽车离合器IPPD （integrated product and process design，集成产品工艺设计）方法，分析离合器产品特性及工艺参数公差对转矩传递能力和踏板操纵特性的影响，提出了建立精确的传动系统动力学模型的方法，给出了转矩传递能力和踏板操纵特性与产品特性及工艺参数公差的映射关系；在满足可制造性和可装配性的设计要求下，建立了产品特性与工艺过程及参数变化的循环映射关系，采用基于过程能力的稳健公差设计方法进行工艺方案和工艺参数优化。采用所提出的离合器IPPD方法可以更好地使产品满足性能要求，从而为提高离合器设计精度和可靠性提供支撑，为开展离合器的智能设计建立基础。

为了提高双组份复合涂料的混合均匀度，对搅拌螺杆的参数进行优化。以混合销钉式搅拌螺杆为对象，建立其三维模型后导入EDEM软件，然后基于离散元法对双组份复合涂料在该搅拌螺杆中的搅拌过程进行仿真分析，研究了螺杆的转速、螺距和长径比对混合均匀度的影响。最后通过单轴压缩实验对螺杆参数优化后的搅拌效果进行了对比验证。结果表明：螺杆转速、螺距和长径比分别通过改变颗粒抛撒程度、螺旋叶片间隙和螺杆长度来影响复合涂料的混合均匀度；稳定出料后，螺杆转速为200 r/min、螺距为80 mm、长径比为5.57∶1时的搅拌效果最佳；实验验证了利用优化后搅拌螺杆搅拌时复合涂料的力学性能优于手工搅拌时的。研究结果可为自动化搅拌螺杆的结构设计和参数优化提供理论依据。

页岩气压缩机在工作时易受到高温环境的影响，产生的大量余热积聚在隔声罩内，导致电机、管道、空冷器等过热，影响关键设备的使用寿命，严重威胁页岩气开采安全。因此，以DTY500型页岩气压缩机为研究对象，建立了压缩机撬装模块系统的散热仿真模型，开展其速度场和温度场特性仿真研究，并通过现场实验验证了仿真分析方法的正确性，最后对压缩机撬装模块进行布局优化。结果表明：进排风口布局优化前大部分高速流体并未覆盖电机、压缩缸、管道等热源区域，不利于设备的通风散热；优化后，系统的相对散热量提高了46.34%，散热效果显著提升。研究结果为压缩机撬装模块系统的优化设计提供了理论指导。

冶金工业机器人在现代工业生产中扮演着越来越不可替代的角色。由于工业自动化程度的大幅提升，人们对冶金工业机器人的性能也不断地提出新要求，尤其是对其控制系统的稳定性提出了更高的要求。针对目前冶金工业机器人轨迹跟踪精度较低且不具有自适应动态调节特性等问题，提出了一种模糊迭代Q-学习控制算法。以6-DOF（six degree-of-freedom，六自由度）双臂机器人为研究对象，利用Fuzzy工具箱编写模糊控制规则，以机器人产生的位置误差以及位置误差的变化率为模糊控制器的输入量，并引入Q-学习策略，以调整模糊控制器中的量化因子、比例因子以及迭代学习控制中的PD（proportional derivative，比例微分）参数，完成模糊迭代Q-学习控制器的设计。然后，联合ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）和MATLAB软件搭建6-DOF双臂机器人仿真平台，开展高精度轨迹跟踪的轴孔装配任务模拟。仿真结果表明，6-DOF双臂机器人关节空间的轨迹跟踪精度较高，同时可以完成双臂轴孔协调装配任务，验证了所提出控制算法的有效性和先进性。研究结果可为双臂协作机器人实现高精度轨迹跟踪的轴孔装配提供参考，具有一定的实际应用价值。

为了提高微流挤出型3D打印机的打印精度，针对其挤压力控制在挤出成型过程中存在时变性和非线性等典型特性，基于挤压力模型分析打印材料的挤出成型过程，并提出了一种变论域模糊PID（proportion integration differentiation，比例积分微分）控制策略，以实现挤出成型过程中挤压力不规律变化时的快速调节功能。同时，利用MATLAB软件建立挤压力控制系统仿真模型以开展不同控制策略的仿真分析，并利用自主搭建的实验平台进行实物打印，以验证所提出控制策略的可行性。仿真和实验结果表明，变论域模糊PID控制策略对改善成型坯体表面质量和提高成型精度有显著效果。所提出的变论域模糊PID控制策略可为挤出型3D打印机挤压力的稳定控制提供一定参考，也可为类似时变和非线性控制系统提供一定的借鉴。

为了研究串联式双回路液压制动阀对湿喷机制动性能的影响，根据制动阀结构及工作原理，考虑稳态液动力等非线性因素，采用键合图理论建立了液压制动系统的动力学模型，基于MATLAB平台仿真分析了制动阀的静、动态特性，并在湿喷机上搭建实验平台进行其制动性能测试。结果表明：制动阀输出压力具有比例特性，后桥制动响应快于前桥，且后桥制动压力约大于前桥制动压力0.2 MPa；制动阀双段制动压力梯度的设计可以满足湿喷机在高低速行驶时动能差别较大的制动需求；制动阀阶跃响应迅速，系统能在0.3 s内趋于稳定，且无明显压力超调，制动性能稳定；在制动阀复位阶段，制动油缸将工作腔油液迅速排入油箱，解除制动。制动压力的测试值与仿真值基本吻合，验证了所建模型的准确性。研究结果可以为制动系统的参数匹配和制动阀结构优化提供参考。

薄壁机匣的径向刚度低，在加工过程中易出现颤振，影响工件表面加工质量和加工效率。因此，设计了一种橡胶减振柔性夹具，其可大面积地支撑工件内壁，从而提高工件的加工刚度。建立了工件?夹具系统等效动力学模型，通过机匣铣削实验验证了模型的准确性。对比分析了橡胶减振柔性夹具与传统夹具的减振性能，研究了铣削力加载频率、压板压力、T形压板压力和推动块压力对工件?夹具系统的振动影响。结果表明：工件在采用减振夹具工况下加速度有效值相较于采用传统夹具减小了43.33%；采用橡胶减振柔性夹具后，工件可以避开400~900 Hz范围内剧烈振动的频率区间，振动幅度大大减小；随着压板压力的增大，工件加速度有效值先减小后增大；针对不同高度工件，应采用不同的压板压力，以减小加工过程中工件的振动；在实际加工中，T形压板压力应超过3.56 MPa，推动块压力应超过0.26 MPa，即液压缸推力超过20 kN。研究结果对橡胶减振柔性夹具的现场应用具有重要的指导意义。

为了保证机械式蒸汽再压缩（mechanical vapor recompression， MVR）系统的运行经济性和稳定性，对MVR系统中离心式蒸汽压缩机与蒸发器的匹配特性进行研究。针对蒸发器换热系数在新投、工作和结垢工况下的变化，提出了蒸发器运行温阻特性线的概念，并将其与离心式蒸汽压缩机的温升特性线叠加，从而开展离心式蒸汽压缩机与蒸发器的匹配分析。通过分析发现，离心式蒸汽压缩机的设计流量偏大或蒸发器的换热面积过小会导致匹配不足，易发生喘振，从而影响MVR系统的运行稳定性。而离心式蒸汽压缩机的设计流量偏小或蒸发器的换热面积过大会导致匹配过度，致使MVR系统的运行经济性差，甚至可能造成MVR系统无法建立热力自循环。结果表明，离心式蒸汽压缩机在MVR系统启动过程中会出现不稳定的喘振现象，可以通过系统参数的临时调节或采取辅助措施来避开不稳定区。设计时应保证离心式蒸汽压缩机的喘振裕度大于20%，蒸发器换热面积的设计裕度为30%；MVR系统运行时实际蒸发温度与设计温度的偏差应控制在±5 ℃以内。研究结果可为MVR系统的设计和调试提供参考。

针对现有昆虫飞行信息采集方法中存在的采集数据量大、采集效率低和束缚实验对象等问题，设计了一种基于视觉检测技术的自动化采集装置。该装置主要包括障碍通道模块、运动触发采集模块、飞行轨迹信息模块和自动采集控制系统。首先，根据控制功能的需求设计了间隙控制器，采用激光测距传感器和步进电机等硬件实现了闭环控制；其次，采用STM32微控制器为控制终端，并结合运动方向检测算法触发Blackfly S USB3高速相机，实现昆虫在指定运动方向的序列图像采集；然后，利用开源计算机视觉库OpenCV分析采集的序列图像，获取昆虫的飞行轨迹信息；最后，通过嵌入式控制系统协调各模块之间的通信，以达到高效、稳定获取昆虫飞行信息的设计要求。为了验证该装置的适用性和准确率，选取中华蜜蜂进行穿越间隙的实验，实验结果表明：在静态环境中，该装置能获取完整、清晰的飞行序列图像，平均准确率达到73.24%，采集性能稳定，有效提升了采集效率。通过分析蜜蜂的飞行轨迹信息，推断出其识别间隙的机制与横向运动的幅度和速度存在联系，这为深度研究蜜蜂的飞行机制提供了支持。

传统的碟式太阳能热发电系统采用回转支承和螺旋升降机来实现太阳方位角和高度角的跟踪，不足之处在于无法自动调整聚光器镜面单元的位姿以应对外界扰动。采用并联机构来实现太阳跟踪，不仅具有刚度高、跟踪误差小等内在优势，还可以自动调整聚光器镜面单元位姿。若采用传统球铰，由于其物理限制，跟踪机构的偏转能力不能精确满足太阳跟踪角度范围大的技术要求。针对上述问题，采用新型被动球铰，设计了一种基于3-RPS并联机构的新型碟式太阳能跟踪平台，并计算了其跟踪角度的范围；同时，通过建立通用3-RPS并联机构的逆运动学方程，结合球坐标搜索法计算了3-RPS并联跟踪机构的姿态工作空间，并结合结构参数对其姿态工作空间的影响规律，确定了各结构参数的最优值。结果表明：当新型碟式太阳能跟踪平台选用新型被动球铰，动、定平台形状为等腰三角形，转动副轴线共面且呈三角形布置，动、定平台的半径比为2以及支链长度为动平台半径的2倍时，其结构符合设计要求且调整后的姿态工作空间满足太阳跟踪所需的角度范围。研究结果可为后续的太阳跟踪平台结构设计和参数优化提供参考。

为提高太阳能的利用率，根据最大功率跟踪原理，设计了一种基于光强感知的太阳能智慧跟踪系统。首先，从太阳能智慧跟踪系统的工作原理出发，对其结构进行总体设计；然后，基于太阳能智慧跟踪系统各模块的性能需求，开展硬件设备选型和软件设计；最后，搭建相应的实验平台对太阳能智慧跟踪系统进行组装和调试，并通过功能测试验证了其性能。结果表明，所设计的太阳能智慧跟踪系统可以实现太阳能板对太阳光的智慧追踪，且能完成远程控制；另外，该系统结构简单，成本较低，既能节约能源，又能提供良好的供电水平，满足了高科技产品的需求，符合现代能源利用发展趋势。

将无人机（unmanned aerial vehicle, UAV）技术用于实现电力线展放正逐步成为电力行业发展的主要趋势，研究无人机自主架线技术能够有效提高作业效率、降低施工成本和保障工人安全。但现阶段无人机架线技术面临的问题主要有：1）大多数无人机依赖人工操控或地面站发布航点控制，智能化水平低，长期作业会给电力工人带来较强负荷；2）无人机缺乏自主避障能力且感知能力不足，电线、电杆等障碍物会对其造成安全隐患。为解决上述问题，首先，构建了无人机自主架线系统的硬件框架和以ROS（robot operating system，机器人操作系统）为基础的模块化软件框架，并在此基础上实现了架线任务规划算法和架线弓检测算法等，使无人机具备稳定的自主架线能力。然后，利用碰撞检测方法构建了无人机碰撞模型，并提出了无人机路径规划算法，同时引入地面站辅助避障策略，以有效提高无人机的安全性。实验结果表明：所设计的无人机自主架线系统的软、硬件框架合理，架线任务规划算法能帮助无人机高效稳定地完成自主架线任务；地面站能够实时监控无人机状态，并在必要时及时辅助无人机避障，最大程度地保证了无人机的安全。所设计系统安全可靠，可满足实际电力架线作业的需求。

针对恶劣工况环境下复杂矿用设备状态监测与预测性维护困难等问题，结合状态监测、故障预警和预测维护等多种综合建模与分析预测技术，提出了一种基于数字孪生的预测性维护系统。首先，介绍了复杂矿用设备数字孪生体的设计流程与构建原理，并在搭建数字孪生体的过程中实现了预测性维护系统的功能；然后，研究了基于LabVIEW、MySQL和Unity3D的状态数据获取方法，利用Unity3D开发引擎搭建了三维可视化复杂矿用设备状态监测平台，并通过虚拟空间可视化展示设备当前状态；最后，分析了优化BP（back propagation，反向传播）神经网络在复杂矿用设备故障预警中的适用性，同时利用MATLAB软件建立了复杂矿用设备关键零部件的预测性维护模型，并将预警结果通过MySQL数据库传输至Unity3D开发引擎，以驱动和部署预设维护流程，实现设备状态实时监测下的关键零部件故障预警。根据采煤机液压系统的实际维修流程，制定了混合现实（mixed reality, MR）预测性维护策略，并以采煤机摇臂部液压柱塞泵为实验对象开展有效性验证。结果表明，所构建的预测性维护系统的故障预测准确率高于90%，且故障预警结果可驱动HoloLens眼镜实现虚拟指导的维修交互，验证了该系统预测性维护功能的有效性。研究结果可为复杂矿用设备的预测性维护提供新思路。

针对液体培养基人工制备过程低效且目前国内外缺乏具有完整流程的液体培养基自动制备系统的问题，开发了一套基于可编程逻辑控制器（programmable logic controller， PLC）的液体培养基自动制备系统，其选用动作与感知层、传输层和应用层相结合的架构体系，由进料子系统、出料子系统和控制子系统组成。该系统以PLC、MCGS（monitor and control generated system，监视与控制通用系统）触摸屏、传感器和执行设备组合的方式，实现基于培养基配方的组分全自动选择和配比，在线pH监控和溶解氧（dissolved oxygen， DO）监测，以及全自动清洗、过滤、混匀和分装，完成液体培养基的自动配制。同时，监控数据可实时采集和图形化显示，且全流程可回溯、可存储。针对系统的误差，基于试验数据获得误差模型后通过预测确定误差修正量。经实际测试与修正，所设计系统制备液体培养基的相对误差在0.336%以下，重复性误差在0.274%以下，pH的最大控制误差为±0.18，pH和DO的最大测量误差分别为±0.04和±1%，能够满足液体培养基的制备需求。研究结果对全流程自动化液体培养基制备系统的开发有一定的参考意义。