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1. 小型陆空变形两栖机器人的设计与分析
杨展,李其朋,唐威,秦可成,陈岁繁,王铠迪,刘阳,邹俊
工程设计学报    2023, 30 (3): 325-333.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.043
摘要   HTML PDF(pc) (3333KB)(158)   

多功能小型机器人具有广阔的应用前景。为满足不同的作业需求,设计了一种小型陆空变形两栖机器人,其既可以实现高效的地面移动,又能通过升空飞行来避开障碍物。该机器人采用双模式设计,地面模式采用两轮驱动的运动设计,飞行模式采用四旋翼飞行设计,2种模式的切换通过机器人倾转机构的支撑、伸展来实现。为了验证机器人的运动性能,首先采用SolidWorks软件建立了机器人整机模型,并对机器人进行运动学建模,推导得到了机器人模式切换过程的运动学方程。然后,对机器人舵机输出进行MATLAB仿真和开展机器人物理样机模式切换实验,得到的输出扭矩仿真结果与实测结果基本一致,其范围为0~250 N·cm。最后,利用机器人物理样机开展地面移动和空中飞行测试,并对其运动过程进行分析,以验证机器人陆空运动及模式切换的稳定性。研究结果验证了所设计机器人的有效性,且其具有较长的续航时间,可为陆空两栖机器人的设计提供参考。

2. 多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现
杜雪林,易文慧,邹家华,周灿,毛立,邓利诗,刘颖
工程设计学报    2023, 30 (4): 438-448.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.051
摘要   HTML PDF(pc) (5686KB)(129)   

针对蛇形机器人整体研制的关键问题,包括材料选取、结构设计和运动实现等,研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成,可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态,并进一步提出了改进的越障步态。同时,在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真,比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后,通过蛇形机器人样机步态实验,对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析,验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。

3. 基于功能表面驱动与可拓工具的产品人机工程问题确定方法研究
白仲航,艾琳璟
工程设计学报    2023, 30 (5): 531-544.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.062
摘要   HTML PDF(pc) (3766KB)(272)   

为了准确地确定产品人机工程问题,以提升人机交互性能,运用TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatc,发明问题解决理论)提出了基于功能表面驱动与可拓工具的冲突区域确定方法。首先,利用功能表面改进功能过程模型,识别人机工程问题的初始问题功能元,并结合可拓表达和相关分析完成初始问题功能元的转换及最终问题功能元的确定。然后,利用功能表面改进功能关系模型,识别产品的初始冲突区域,并结合可拓表达、相关分析、蕴含分析和优度评价完成初始冲突区域的转换及最终冲突区域的确定。最后,利用标准解对冲突区域中的不良作用进行求解,并通过优度评价完成方案的评价和筛选。通过割草机改进设计实例验证了所提出方法的可行性。研究表明,该方法有助于交互式产品冲突区域的确定,提高了其人机工程问题的解决效率。

4. 爬壁机器人悬摆式磁吸附机构的设计与优化
张栋,杨培,黄哲轩,孙凌宇,张明路
工程设计学报    2023, 30 (3): 334-341.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.031
摘要   HTML PDF(pc) (4821KB)(177)   

为了解决爬壁机器人壁面适应能力差、运动灵活性低等问题,分析了现有爬壁机器人磁吸附机构存在的不足,并以轮式爬壁机器人为研究对象,根据爬壁机器人的功能要求,设计了一种壁面自适应悬摆式磁吸附机构。通过Ansoft软件对悬摆式磁吸附机构和传统磁吸附轮进行了对比分析。为了进一步减小磁吸附机构的质量,同时提高其吸附可靠性,基于高磁能利用率的目标,采用SNLP(sequential non-linear programming,连续非线性规划)算法对悬摆式磁吸附机构的结构参数进行优化,优化后磁吸附机构的吸附力增大了25.52%。研制了悬摆式磁吸附车轮样机,开展了吸附力测试实验和卸磁实验,并将其安装在爬壁机器人上,开展了运动性能测试实验,验证了磁吸附机构结构参数优化结果的合理性和结构设计的实用性。研究结果为提高爬壁机器人的工作性能提供了参考。

5. 基于多项式拟合的六维力传感器解耦算法研究
王志军,张小涛,李梦祥
工程设计学报    2023, 30 (5): 571-578.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.063
摘要   HTML PDF(pc) (1578KB)(69)   

六维力传感器作为重要的空间力感知元件,被广泛应用于机器人的力/位置控制、抓取装配、轮廓检测、自主避障和人机交互等。目前,提高精度是六维力传感器的主要研究方向之一。但由于受到自身结构和加工误差等因素的影响,六维力传感器会产生维间耦合现象,而维间耦合是影响其精度的重要因素。为减少耦合误差的影响,采用误差分析、理论推导及实验验证相结合的方法对六维力传感器的解耦算法进行研究。首先,对六维力传感器进行了耦合分析,得到其耦合模型。然后,对六维力传感器的线性解耦算法进行研究,并在此基础上提出了基于多项式拟合的解耦算法,以在不改变六维力传感器结构的前提下减小耦合误差,从而提高其精度。最后,选用正交并联六维力传感器开展标定实验,并分别采用2种算法进行解耦求解。结果表明,基于多项式拟合的解耦算法能减小维间耦合对六维力传感器精度的影响;所提出的解耦算法有效地提高了六维力传感器的精度,与线性解耦算法相比,最大耦合误差减小了8.914个百分点且线性度误差减小了0.111个百分点。研究结果可为六维力传感器维间耦合误差的减小和精度的提高提供参考。

6. 3D打印TPU材料的力学性能及模型参数研究
谢博伟,金莫辉,杨洲,段洁利,屈明宇,李锦辉
工程设计学报    2023, 30 (4): 419-428.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.054
摘要   HTML PDF(pc) (3189KB)(152)   

为了解决柔顺机构在优化设计过程中试验及性能验证困难的问题,采用3D打印技术对热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)材料的力学性能进行了试验研究。分析了材料硬度和打印填充率对TPU材料力学性能的影响,获得了TPU材料较佳的3D打印参数。进行单因素和两因素试验并结合方差分析,确定了显著影响TPU试样柔性的主次因素分别为TPU材料硬度和打印填充率。结合TPU材料的力学性能试验数据,得到了Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden、Valanis-Landel等4种常用超弹性材料本构模型的材料参数与材料硬度、打印填充率之间的映射关系。研究表明:随着TPU材料硬度和打印填充率增大,试样的柔性减弱;在4种超弹性模型中,Ogden模型对于不同打印参数下的TPU试样都具有较好的力学性能预测效果;4种模型在相同TPU硬度、不同打印填充率下的预测效果没有明显差别。研究结果可以为TPU材料的3D打印和有限元仿真分析提供参考,为柔顺机构在设计过程中的试验、性能验证及样件制作提供可靠的技术支撑。

7. 基于改进果蝇优化算法的塔机自适应滑模控制研究
何育民,韩莹,周晶
工程设计学报    2023, 30 (3): 271-280.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.040
摘要   HTML PDF(pc) (3089KB)(140)   

针对部分工况下塔机负载摆角直接测量困难、系统滑模控制器抖振明显以及控制器参数调节复杂等问题,提出了一种基于改进果蝇优化算法的塔机自适应滑模控制方法。首先,根据拉格朗日方程,得到了塔机单摆系统的动力学模型。然后,设计了线性扩张状态观测器,用于观测塔机负载摆动状态,并将观测结果反馈到自适应滑模控制器中;在构造滑模面时,采用双曲正切函数代替常用的符号函数以增加其连续性,从而减小抖振。最后,改进了果蝇优化算法的寻优策略及搜索半径,并对自适应滑模控制器的参数进行了优化。结果表明,所设计的线性扩张状态观测器跟踪观测塔机负载摆角的收敛速度较快且跟踪误差小于1.3%;经改进果蝇优化算法优化后的自适应滑模控制器不仅对负载摆动有较好的抑制作用,而且具有较强的抗干扰性和鲁棒性。所提出的控制方法可在实现精确定位的同时有效避免塔机负载摆动带来的安全隐患,保障工人的安全和工程的顺利开展。

8. 电流体泵驱动的柔性弯曲执行器的设计及分析
张涛,王开松,唐威,秦可成,刘阳,石雨豪,邹俊
工程设计学报    2023, 30 (4): 467-475.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.056
摘要   HTML PDF(pc) (3314KB)(178)   

针对目前柔性执行器需要外置的刚体泵和阀的问题,基于人手指弯曲抓握的运动特点,设计了一款由内嵌电流体泵驱动的柔性弯曲执行器。设计了电流体泵,通过实验分析了电流体泵的极板间距和电极孔直径对电流体泵输出流量和压强的影响,确定了电流体泵针电极、孔电极等部件的尺寸,研制了电流体泵样机。将多个电流体泵串联及并联,分别得出了输入电压与输出流量、输出压强的关系,确定了以2个电流体泵串联的方式来驱动软体执行器;建立了柔性执行器的力学模型,对柔性执行器进行了弯曲仿真和实验,得到了驱动压强与柔性执行器弯曲角度之间的关系,证明了柔性执行器具有良好的弯曲性能。弯曲角度的实验值、仿真值、理论值较一致,理论模型和仿真模型可以较为准确地描述柔性弯曲执行器的弯曲变形。电流体泵与柔性执行器高度集成,使电流体泵可以直接驱动柔性执行器弯曲变形,实现了柔性弯曲执行器的可携带性。

9. 基于自适应神经网络的机械臂滑模轨迹跟踪控制
李琦琦,徐向荣,张卉
工程设计学报    2023, 30 (4): 512-520.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.050
摘要   HTML PDF(pc) (2915KB)(142)   

针对动态建模误差和不确定性扰动对机械臂末端高精度轨迹跟踪控制的不利影响,提出了一种新型的基于自适应神经网络的机械臂滑模控制策略。该控制策略可分为三部分:自适应神经网络补偿项、切换控制项和等效控制项。自适应神经网络的引入,避免了建模误差和外界未知扰动对机械臂系统的影响,提高了轨迹跟踪精度;切换控制项可使机械臂系统性能在迅速趋近滑模面的同时以很小的速率趋近平衡点,既能保证系统稳定,又能避免系统过于抖振;等效控制项用于对机械臂动力学模型的重力项和哥氏力项进行补偿,实现对模型的线性化处理,保证了系统的控制精度。最后,通过构造Lyapunov函数验证了所设计控制系统的稳定性,并在MATLAB/Simulink环境下和机器人系统工具箱中开展仿真实验和对比实验。结果表明,所提出的控制算法能够在保持机械臂稳定性的同时实现高精度的轨迹跟踪,验证了该控制算法的有效性和优越性。自适应神经网络滑模控制算法可为提高机械臂末端轨迹跟踪精度提供一种解决方案。

10. 基于FMI的轴向柱塞泵分布式联合仿真与动态优化
郭志敏,戴海曙,翟江,洪昊岑,王柏村,谢海波,杨华勇
工程设计学报    2023, 30 (4): 495-502.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.058
摘要   HTML PDF(pc) (4508KB)(177)   

运用联合仿真的方法能够实时分析柱塞泵的运动学、动力学性能以及液压系统特性,其可广泛应用于柱塞泵产品的设计与优化。针对传统优化过程中分析与优化的离散化、效率低等不足,提出了一种基于功能模型接口(functional mock-up interface,FMI)的轴向柱塞泵分布式联合仿真方法,通过开发自动优化组件,实现对阻尼槽结构参数的迭代优化。首先,进行柱塞泵轴系运动学、动力学分析,建立其运动模型和受力模型,来确定轴系组件的约束关系;其次,搭建了柱塞泵联合仿真模型,研究了柱塞的运动、受力和变形特性;然后,基于云端服务器搭建了柱塞泵分布式联合仿真模型,通过FMI技术实现了各个仿真软件的同步调用;最后,基于云平台架构,开发了柱塞泵阻尼槽优化设计模板,实现了对阻尼槽最优结构参数的求解及其模型自动创建。仿真结果表明,阻尼槽结构优化后,柱塞泵出口流量脉动率降低了35.78%。所提出的方法能有效提高仿真与优化的效率,减轻研发人员的工作负担。

11. 高带宽压电片变形镜的动力学仿真与优化方法研究
杨开科,罗俊鹏,马文静,耿远超,王德恩,袁强
工程设计学报    2024, 31 (1): 130-136.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.311
摘要   HTML PDF(pc) (3865KB)(121)   

为进一步提高压电波前校正器的响应速度和轻量化程度,对面向高动态形状控制的压电片变形镜的动力学仿真与优化方法进行了研究。首先,基于压电片变形镜的参数化有限元模型,提出了高效、高精度的电-力耦合动力学仿真分析方法。然后,通过正交遍历多维设计参数(光学反射镜与压电陶瓷的材料类型、几何尺寸和固定方式等),探究了不同参数对压电片变形镜动态形状控制性能的影响规律。最后,优化得到具有预期响应带宽和驱动位移性能的压电片变形镜设计方案,并通过制备压电片变形镜的原理样件来验证其性能。实验结果表明,所研制的压电片变形镜的固有频率和镜面驱动位移幅值符合预期,验证了所提出的动力学仿真与优化方法的有效性,这可为高带宽压电片变形镜的高效研制提供科学的理论方法。

12. 新型线驱动式微创手术器械结构设计与运动学分析
赵万博,陈赛旋,姜官武,李荣,章宇
工程设计学报    2023, 30 (6): 657-666.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.131
摘要   HTML PDF(pc) (4318KB)(148)   

在微创手术机器人系统中,传统线驱动式手术器械的偏摆关节与夹持器的转动关节之间存在运动耦合,这会对手术器械的运动精度产生不良影响。为此,提出了一种新型的四自由度线驱动式手术器械,其偏摆关节采用行星齿轮式结构,以实现偏摆关节与夹持器之间的运动解耦。首先,对传统线驱动式手术器械的关节运动耦合问题进行了分析。然后,设计了行星齿轮式转动的偏摆关节,并通过几何理论分析证明了其具有极低的关节耦合性,且钢丝绳在运动过程中的受迫形变量极小;同时,通过标准D-H参数法建立了新型手术器械的正运动学模型,并利用解析法求得了其逆运动学的封闭解。最后,分别使用MATLAB软件的Robotics Toolbox和Simulink环境中搭建的仿真模型对手术器械的正、逆运动学模型的准确性进行了验证,并采用蒙特卡罗法分析了其工作空间。仿真结果表明,所提出的手术器械的结构设计可靠,关节之间的运动耦合性较低,其工作空间能够满足微创外科手术的要求。研究结果可为柔性线驱动式手术器械的结构设计与运动学分析提供参考。

13. 基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化
陈贵亮,李子浩,蔡超,李永超,杨冬
工程设计学报    2023, 30 (3): 362-371.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.037
摘要   HTML PDF(pc) (3892KB)(82)   

为设计助力效果良好的被动式下肢外骨骼,基于对人体行走的运动和力学特征以及相关主要肌群的力学表现的分析,提出了一种下肢外骨骼优化设计方法。通过开展人体行走实验,获取人体运动学信息和足底反力,并将其用于驱动Anybody仿真,从而得到人体行走过程中下肢肌肉的力学数据。借助Hill肌肉模型建立人体矢状面内的髋关节肌肉-肌腱-骨骼简化模型,并在该模型中添加虚拟扭簧以模拟助力外骨骼的作用,形成人体-外骨骼一体化模型。在此基础上,对穿戴助力外骨骼行走时的人机交互力以及穿戴者的肌肉激活情况进行量化分析。建立以扭簧刚度为变量的肌肉激活程度、代谢能计算模型,并以代谢能最低为目标,利用粒子群算法对虚拟扭簧的刚度进行优化以获得最优值。据此,提出髋关节助力外骨骼机构设计方案,并以机构的辅助力矩与虚拟扭簧力矩差值最小为目标进行优化,得到机构中拉簧刚度和各个连杆尺寸的最优值,作为外骨骼机构设计参数。同时,制作髋关节助力外骨骼样机并开展助力行走实验。结果表明,穿戴该助力外骨骼行走时人体代谢能降低效果显著。研究方法可为其他下肢外骨骼的设计和分析提供借鉴。

14. 基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造
官俊,丁医华,葛青涛,赵帅,陆杨,张婕
工程设计学报    2023, 30 (3): 288-296.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.041
摘要   HTML PDF(pc) (3953KB)(155)   

为了保护RFID(radio frequency identification,射频识别)天线,避免其接触外部环境而氧化、腐蚀,以及为了提高产品的防伪性、一体性与美观性,需要将RFID天线放置在产品结构表面或产品内部。为了快速制造这类产品,搭建了一台集成熔融沉积成形(fused deposition modeling, FDM)和直写成形(direct ink writing, DIW)这2种3D打印技术的多材料3D打印机,其可打印面积为220 mm×190 mm。通过ANSYS HFSS仿真软件分析了天线结构与基板结构对RFID天线辐射性能的影响;然后,选取4种RFID天线作为3D打印对象,使用导电银浆和聚乳酸(polylactic acid, PLA)分别作为天线和基板的打印材料,并对天线打印件回波损耗的实测曲线与仿真曲线进行比较。结果显示,4种RFID天线的谐振频率相对于其设计频率915 MHz均向低频方向发生了约185 MHz的偏移。根据天线打印件回波损耗的测量结果,进一步优化天线模型,并打印了一款基板厚度为3 mm、天线臂长为55 mm的内嵌式RFID天线,其满足谐振频率为915 MHz且-10 dB下带宽大于150 MHz的设计要求。研究结果验证了利用多材料3D打印技术一体化打印RFID天线及产品本体的可行性,为RFID天线的快速制造提供了参考,该工艺具有广阔的应用前景。

15. 轮式搜救机器人地形自适应机构设计及越障性能分析
赵迪,陈果,陈小利,王熊锦
工程设计学报    2023, 30 (5): 579-589.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.059
摘要   HTML PDF(pc) (2923KB)(134)   

针对复杂地形环境下搜救机器人越障性能的要求,设计了一种轮式搜救机器人的被动地形自适应机构,并对其越障性能进行了分析。首先,在分析传统越障机构的基础上,开展了地形自适应机构的选型,并结合遗传算法对其进行优化,完成了对轮式搜救机器人被动地形自适应机构的设计。然后,基于达朗贝尔原理建立了轮式搜救机器人的动力学模型,并对其越障能力进行了分析与计算。最后,建立轮式搜救机器人的多刚体动力学模型,开展了越障性能仿真,并与理论计算结果进行了对比。对比结果验证了轮式搜救机器人的越障及地形自适应能力。研究结果可为轮式搜救机器人样机的搭建及后续研究的开展提供理论依据。

16. 起重机生命周期载荷谱预测及基于疲劳寿命的结构优化设计
戚其松,李成刚,董青,陈钰浩,徐航
工程设计学报    2023, 30 (3): 380-389.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.019
摘要   HTML PDF(pc) (1996KB)(140)   

起重机在服役期间长期承受具有不同特征的交变载荷的作用,其结构因疲劳而导致承载能力下降。为了研究在实际工作过程中载荷及应力变化对起重机结构疲劳寿命的影响,首先,利用神经网络对起重机在服役期间的载荷谱进行分析,准确预测其载荷特征,并结合预测的载荷谱及其结构承载特性分析起重机在服役期间的应力—时间历程;其次,利用Miner线性损伤累积理论和线弹性断裂力学法,预测起重机结构关键部位的疲劳寿命;最后,以起重机结构关键部位的疲劳寿命及结构承载能力为约束,建立考虑起重机服役期间载荷特征的优化设计模型,采用智能优化算法在全局范围内搜索最优设计变量组合,获取满足疲劳寿命和承载能力设计要求的起重机结构最佳设计参数。研究结果表明了结构疲劳寿命计算与智能优化算法相结合的方法在起重机结构优化设计中的可行性,为起重机结构的轻量化设计提供了全新的思路。

17. 基于激光扫描和三维栅格地图的掘进巷道空间建模方法研究
刘少杰,李志海,刘治翔,邹康
工程设计学报    2023, 30 (3): 306-314.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.034
摘要   HTML PDF(pc) (4799KB)(102)   

采用常规煤矿巷道三维点云信息地图建模方法得到的点云数据庞大而繁杂,运算量很大,因此提出了基于激光扫描和三维栅格地图的掘进机截割成形三维扫描系统和掘进巷道空间建模方法。将点云数据与三维栅格进行映射,将巷道空间划分为有限个栅格,构成巷道空间三维栅格地图,并将三维栅格地图划分为多个功能区域。通过三维扫描激光雷达坐标系与巷道坐标系的转换,实现了将激光雷达获取的点云数据转换为巷道外轮廓数据,来分析掘进机截割的超挖和欠挖误差。实验表明,当三维栅格边长设定为10 cm时,采用由截割成形巷道三维栅格地图建模方法得到的栅格地图指导掘进机自主截割作业,相比采用常规点云地图可减少84.7%的数据处理量,极大减轻了截割控制系统处理器的负担。研究结果为基于激光雷达三维扫描的掘进机自主截割作业系统的设计及应用提供了依据。

18. 具有语音控制功能的举高类消防车控制系统设计
张静宇,高志刚,仝瑶瑶,张玉凤,张勇
工程设计学报    2023, 30 (3): 281-287.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.044
摘要   HTML PDF(pc) (1859KB)(139)   

举高类消防车控制系统复杂,整车操作需要多名操作人员在多个操作位置配合完成,且对操作人员技术水平的要求较高。为此,提出了一种具有语音控制功能的举高类消防车控制系统。在举高类消防车原有控制系统的基础上,增加了自动控制功能、语音控制功能和语音播报功能,以代替常规的手柄及按钮操作方式。其中,语音控制功能即通过语音控制模块识别操作人员的特定语音指令,并通过CAN(controller area network,控制器局域网)总线发送到PLC(programmable logic controller,可编程逻辑控制器),而后PLC根据语音指令和消防车状态自动控制消防车动作。当消防车出现状态变化或发生故障时,PLC将语音指令发送至语音播报模块,语音播报模块基于预存的语音信息进行语音播放,以便操作人员接收重要信息。试验结果表明,所设计的举高类消防车控制系统具有可行性,可有效降低操作难度和提高操作效率。该新型控制系统可迅速推广至其他类型的消防车以及相关的工程机械类产品,具有较高的应用价值。

19. 基于 USVAUV布放回收系统设计与实现
李明烁,孟令帅,谷海涛,曹新星,张明远
工程设计学报    2023, 30 (5): 650-656.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.070
摘要   HTML PDF(pc) (5009KB)(109)   

为了解决目前布放回收自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)自动化水平低、工作效率低、危险性高等问题,研制了一款基于无人水面船(unmanned surface vessel,USV)的AUV自主布放回收系统。首先,通过分析国内外常用AUV布放回收方式和布放回收系统,设计了AUV布放回收系统,并对其工作原理进行分析;其次,分别从力学分析、数值仿真等角度研究了布放回收系统的动力学、静力学及接触碰撞问题;最后,搭建了系统原理样机并进行了陆上实验和湖上实验,通过实验验证了所设计的布放回收系统稳定可靠、操作简单、通用性好,可以有效提高AUV自主布放回收的效率。所设计的基于USV的AUV布放回收系统具有良好的应用前景。

20. 基于图和体分解的异型零件加工特征识别方法
李旺,刘厚才,康辉民,欧阳智海,曹正,周岳,蒋冠,段良辉
工程设计学报    2023, 30 (5): 545-553.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.061
摘要   HTML PDF(pc) (5648KB)(62)   

针对异型零件具有众多复杂的相交特征,加工特征难以自动识别,进而影响其高效、高质量自动编程设计的问题,提出了一种基于图和体分解的加工特征识别方法。首先,以STEP中性文件作为输入,获取异型零件的几何、拓扑信息,以构造其毛坯特征和体积特征;同时,采用布尔减运算得到异型零件的加工体积特征,并将其分解为只含凸边关系的单一特征。然后,设计了一种基于特征面关系的几何特征矩阵(geometric feature matrix, GFM)和拓扑特征矩阵(topological feature matrix, TFM)构建方法,其中GFM侧重描述零件模型中面与面之间的位置关系,TFM侧重描述零件模型中面与面之间相邻的凹凸性,该方法较好地解决了传统属性邻接矩阵(attribute adjacency matrix, AAM)易出现无法准确表达零件加工特征的问题。最后,将异型零件的GFM和TFM与加工特征库进行匹配,以实现其加工特征的识别。在Visual Studio 2019平台中开发基于图和体分解的异型零件加工特征识别系统并开展验证实验。结果表明,所提出的方法能准确识别异型零件的所有加工特征,这可为异型零件加工工艺的自动编制和智能制造提供理论依据。

21. 激光-PDC钻头联合破岩机理及特性研究
黄志强,梁耀文,陈科,翟预立,雷雨薇
工程设计学报    2023, 30 (3): 315-324.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.032
摘要   HTML PDF(pc) (7291KB)(55)   

随着我国油气勘探逐步向深层、超深层和复杂难钻岩层转移,现有的机械钻头存在着破岩效率低及作业成本高等问题。因此,提出了一种新型激光-PDC钻头,以实现高效破岩和节能降耗。采用有限元方法,基于岩石HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型,建立了激光-PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头联合破岩非线性动力学模型,开展了激光-PDC钻头联合破岩仿真研究。仿真结果表明:激光的辐射作用使岩石表面受辐射区域产生了较高的温度和较大的预应力,进而在岩石表面形成了相互贯穿的损伤带,降低了岩石强度,更有利于切削齿破碎岩石;与无激光单PDC钻头相比,激光-PDC钻头在破岩过程中受到的反扭矩降低了24.8%,钻头轴向加速度波动幅度降低了10.5%,钻进位移增加了8.67 mm,钻进速度提升了112.79%。搭建了激光-机械联合破岩实验台架,进行了激光-PDC钻头联合破岩实验。实验结果表明,激光-PDC钻头联合破岩有着更好的钻进稳定性和连续性,大大提高了破岩效率。研究结果为激光-机械破岩技术的发展和应用提供了一定的理论支撑和技术支持。

22. 可适径调整管道清淤机器人结构设计与运动分析
李岳,邓云蛟,敖然,侯雨雷,曾达幸
工程设计学报    2023, 30 (3): 353-361.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.033
摘要   HTML PDF(pc) (3102KB)(121)   

为了实现布局复杂的城市地下管道的清淤,提出了一种基于并联机构的履带式管道清淤机器人。采用折展调姿行走装置以减小机器人体积,采用基于3-US并联机构的工作装置以增大机器人的工作空间;编写了机器人工作空间算法,通过MATLAB软件仿真得到了行走装置和工作装置的工作范围及运动轨迹;采用ADAMS软件模拟了机器人运动状态,并对其驱动特性参数进行分析,得到了行走装置在不同运动状态下驱动力和驱动力矩的变化规律,以及工作装置在不同方向极限位置转换时的驱动力矩。仿真研究表明了行走装置折展调姿的稳定性及工作装置在各个清淤极限位置间转换的灵活性。研究结果对可适径调整管道清淤机器人的研制与应用具有指导意义。

23. 基于数字底座的涂装车身缓存区智能设计与调度优化
王柏村,朱凯凌,鲍劲松,王峰,谢海波,杨华勇
工程设计学报    2023, 30 (4): 399-408.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.057
摘要   HTML PDF(pc) (4487KB)(170)   

在汽车生产环节进行数字建模、系统仿真与优化对提升汽车的生产质量和效率具有重要意义。为了解决目前汽车制造企业普遍存在的因数据链断裂而导致的资源配置效率低下等难题,以汽车涂装车身缓存区(painted body storage,PBS)为研究对象,提出了一种新型的数字底座平台,来实现数据链整合和多源异构数据融合。同时,设计了一种针对PBS的车身调序策略,考虑了总装工艺对车序优化的约束,采用遗传算法获得了PBS出车序列,然后以逆序数对为参考指标,进行PBS车道排布。将基于数字底座的PBS系统应用于某汽车制造企业,应用效果验证了所提出方法和策略的有效性。研究结果为企业构建内部集成制造平台和设计具体车间单元提供了参考。

24. 带式输送机更换托辊用皮带举升机构设计与应用
田立勇,唐瑞,于宁,陈洪月
工程设计学报    2023, 30 (6): 667-677.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.127
摘要   HTML PDF(pc) (5079KB)(100)   

针对长运距大型带式输送机托辊故障频发,托辊更换工作导致停机停产,以及传统人工更换托辊方式效率低、设备单一等问题,以王家岭煤矿主平硐带式输送机为研究对象,提出了一种可实现不停机更换托辊的机器人,以提高托辊更换效率。皮带举升机构是更换托辊机器人的重要部件,基于该机器人的功能需求以及带式输送机空间狭窄、皮带载荷大等特点,设计了剪叉式皮带举升机构。首先,利用SolidWorks软件构建了剪叉式皮带举升机构的三维模型,基于带式输送机参数计算得到举升皮带的工作载荷后,对皮带举升机构进行受力分析。然后,采用SolidWorks Motion模块对皮带举升机构进行运动学仿真分析,同时利用ANSYS Workbench有限元软件对其进行静力学仿真分析。最后,开展地面试验和井下试验,以验证所设计的皮带举升机构的可行性。地面试验结果表明,在20~60 kN载荷下,皮带举升机构竖直位移的实测结果与仿真结果的匹配精度为6%~15%,验证了其主体结构的承载能力满足设计要求;井下试验结果证明了皮带举升机构设计的合理性和可靠性。剪叉式皮带举升机构的承载能力和举升高度均符合更换托辊机器人的功能需求,是实现带式输送机不停机更换托辊的关键技术突破。

25. 大孔径全可动射电望远镜换馈系统设计
杨凤辉,汪敏,董亮,施硕彪
工程设计学报    2023, 30 (5): 617-625.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.071
摘要   HTML PDF(pc) (3854KB)(112)   

为了进一步满足探月工程、深空探测和其他天文观测任务的需求,对设计初期只配置了一个S/X双频馈源的昆明40 m孔径全可动射电望远镜进行升级改造,研制了其换馈系统。在不改变现有天线结构及光路的基础上,拆除了原S/X双频馈源,安装了新的S/X双频馈源,并增加了C频段、Ku频段馈源;给出了换馈系统的详细设计和实施方案,实现了3个馈源间自动快速可靠的切换。对馈源改造之后的天线性能进行了测试,结果表明,天线的主要性能指标有所提升。馈源及换馈系统改造之后,大孔径全可动射电望远镜具有多频段接收能力,能够完成更多频段的天文观测和深空探测任务,提高了望远镜的观测效率和科研产出。