螺旋输送机作为土压平衡式盾构的重要功能部件之一，常常需要进行设计调整以满足新的工程需求。但是，设计调整容易导致产品指标发生过量变动，进而对产品的可靠性、安全性和可维护性等产生负面影响。为最大化重用已有的、经过工程验证的设计方案，降低设计调整的负面影响，提出了一种盾构螺旋输送机适应性设计智能决策方法。首先，收集盾构螺旋输送机的产品指标和设计参数以构建产品数据集，并通过依赖性分析和相关性分析分别建立其产品指标与设计参数间的依赖性矩阵和相关性矩阵；然后，基于产品指标与设计参数之间的相关性进行层次聚类，得到不同的产品元素集群，进而标定设计调整过程中产品指标变动的影响范围；接着，结合依赖性矩阵和层次聚类结果，识别不同集群中各产品指标所对应的关键设计参数；最后，利用神经网络构建产品指标-设计参数回归预测模型，并通过搜寻得到对新的产品指标需求具有较好适应性的设计参数调整方案。通过对盾构螺旋输送机产品指标的需求值与预测值进行对比分析后发现，其平均绝对百分比误差（mean absolute percentage error，MAPE）为3.964 7%，且达成度为96.04%，基本满足设计要求。结果表明，所提出的方法能够准确标定盾构螺旋输送机产品指标变动的潜在影响范围，可有效识别产品指标所依赖的关键设计参数，并实现关键设计参数的智能求解，其不仅可为盾构螺旋输送机的适应性设计提供决策支持，还可为满足个性化、差异化需求的产品适应性设计提供技术借鉴。

为了解决传统检测方法只能检测工业管道中波纹补偿器的整体轴向位移，而不能检测其相邻波纹之间轴向位移的问题（相邻波纹之间轴向位移变化不均匀，超出一定限度会导致波纹补偿器损坏），提出了一种基于图像识别的波纹补偿器轴向尺寸检测方法。首先，应用Sobel算子对经高斯滤波平滑处理后的波纹补偿器图像进行边缘检测，最大限度地保留原始图像的边缘特征。然后，对图像进行灰度化、Otsu算法阈值分割处理，经过对图像进行取反、孔洞填充操作之后，得到目标灰度值为1、背景灰度值为0的理想二值化图像。最后，基于波纹补偿器形状的特殊性，对校正后的二值化图像中灰度值为1的部分的上下、左右边缘特征点进行计算，并通过比例关系得到波纹补偿器及其相邻波纹之间的实际尺寸。实验结果表明，所提出的方法能够准确地检测出不同打压程度下波纹补偿器的整体轴向尺寸以及其相邻波纹之间的轴向尺寸。该尺寸检测方法有效地解决了因相邻波纹之间轴向位移变化不均匀而造成的波纹补偿器损坏问题，对于保证波纹补偿器平稳工作及维护生产安全具有重要意义。

汽车组合仪表生产过程中质检项目多且检测时间长，这在一定程度上制约了其生产效率的进一步提升。为此，提出一种基于改进最远点合成少数类过采样技术（max distance synthetic minority over-sampling technique，MDSMOTE）的支持向量机（support vector machine， SVM）分类预测方法。首先，结合专家经验对汽车组合仪表的原始生产数据进行特征筛选，并在MDSMOTE中引入类不平衡率I_R，以对所筛选的特征数据进行扩充；然后，利用粒子群优化（particle swarm optimization， PSO）算法对SVM的误差惩罚因子C和核函数参数γ进行优化；最后，建立优化的SVM分类预测模型，并对汽车组合仪表进行分类。通过与其他分类预测模型在不同数据集上的预测结果进行对比可知，基于改进MDSMOTE的SVM分类预测模型的准确率、F值和几何平均值等评价指标均优于其他模型。所提出方法在汽车仪表产品分类上表现出较强的泛化能力和稳定性，可为仪表制造企业生产效率的提升提供有效参考。

提综臂是多臂机上实现凸轮开口运动的关键核心部件。为满足多臂机提综臂的自动化加工需求，设计了一种新型辅助旋铆并联机器人，以实现在提综臂旋铆加工过程中对零部件的高速、高精度抓取和摆放，显著提升生产效率和保证加工质量。首先，介绍了新型辅助旋铆并联机器人机构的拓扑结构特征，并结合旋量理论及修正的G-K（Grübler-Kutzbach）公式分析了其自由度类型及数量。然后，构建了该机器人机构的位置闭环矢量方程，推导了其位置正、逆解的解析表达式，进而通过求导法建立了速度和加速度映射模型。接着，为有效评价机器人机构的运动传递性能，基于运动雅可比矩阵条件数的全域均值及波动量，定义了全域综合性能指标；同时，结合虎克铰的空间结构特点，全面考虑杆件干涉以及机构的传动性能和结构紧凑性，综合得到各类转角和杆长的约束条件，进而建立了该机器人的尺度综合模型。在此基础上，借助粒子群优化（particle swarm optimization，PSO）算法进行优化求解，得到了机器人的最优尺度参数，并据此建立了机器人的三维虚拟样机模型。最后，针对多臂机提综臂辅助旋铆作业的工程需求，借助多体仿真软件开展机器人虚拟仿真验证。结果表明，优化后的辅助旋铆并联机器人的综合性能优异，满足工程应用需求。研究结果为多臂机提综臂的自动化加工提供了一种有效的解决方案，并为辅助旋铆机器人的实体样机制造及实验研究奠定了理论基础。

目前，我国石油化工储罐的除锈、喷漆和检测等维护作业通常采用人工方式完成，工作效率低且具有危险性。爬壁机器人能够代替人工完成上述维护工作，但其常采用的接触式永磁吸附方式会影响其越障作业。为此，针对具有越障能力的轮腿式爬壁机器人，提出一种提高其永磁吸附装置吸附能力的设计与优化方法。首先，基于轮腿式爬壁机器人的越障原理以及永磁吸附原理，提出了4种非接触式永磁吸附装置设计方案，并利用Ansoft Maxwell软件对永磁吸附装置进行了二维静态磁场仿真分析，获得了其最优结构。然后，通过受力分析确定了影响永磁吸附装置磁吸附力的结构参数。最后，基于控制变量法原理，通过仿真分析了永磁吸附装置和钢制壁面的结构参数对磁吸附力的影响，并确定了各结构参数的最优值。结果表明：当钢制壁面半径为5~7 m时，相邻永磁吸附单元间隙及永磁吸附单元数量对磁吸附力的影响较大；当相邻永磁吸附单元间隙为2~4 mm及永磁吸附单元数量为3~5个时，磁吸附力利用率较高。一定条件下的实验验证了优化结果的准确性，优化后永磁吸附装置磁吸附力的实测值比仿真值平均约高16.45%，其可有效保证轮腿式爬壁机器人在石油化工储罐等的钢制壁面上稳定运动。研究结果可为磁吸附装置的结构设计与优化提供参考。

为了减小研磨后海泡石矿粉粒径及其分布宽度，基于层压破碎理论，研制了一款螺旋搅拌磨机。利用工程离散元法（engineering discrete element method，EDEM）对海泡石研磨进行仿真，研究介质球在研磨腔的运动规律，以介质球的速度梯度、旋转动能和搅拌磨机的磨损量为评价指标来获得最优工艺参数。采用自行研制的螺旋搅拌磨机进行海泡石研磨实验，并对研磨后的海泡石矿粉进行粒径检测。仿真和实验结果表明：当磨机转速和介质球直径较小时，可以获得粒径及其分布宽度较小的海泡石矿粉，同时磨机的磨损量较小。研究结果可为海泡石研磨设备的优化和最优工艺参数的确定提供参考。

为了解决某盘式开沟机工作时刀盘断裂的问题，采用响应面分析方法和灵敏度分析方法对开沟机进行性能分析及优化。首先，建立了开沟机仿真模型，利用有限元分析法对开沟机刀具进行动力学仿真，通过响应面分析得出了刀盘边缘应力集中是刀盘断裂的主要原因；其次，通过灵敏度分析得到了导致刀盘断裂的最大应力对各刀具受力的灵敏度，建立了基于不同刀具受力值、刀具材料弹性模量和刀盘厚度的多工况优化模型；最后，根据优化模型对刀盘材料进行选择，得到了优化方案，即刀盘材料为Q245时刀盘性能最好。从各地用户的使用反馈可知，改进方案能够有效解决开沟机刀盘开裂的问题，提高开沟机的使用寿命。

为研究电磁微锻机构在工作过程中的温度分布情况以及提高其功率密度，首先，在现有电磁微锻机构的基础上，从能量角度对其热效应与输出功率的关系进行分析，明确了热效应会限制机构的最大输出功率。然后，利用COMSOL Multiphysics软件分别对风冷和水冷方式下电磁微锻机构的温度场进行CFD （computational fluid dynamics， 计算流体力学）仿真分析，确定了不同入口边界条件下的等效对流换热系数；同时，根据等效对流换热系数与入口边界条件的关系，建立了该机构的瞬态温度分析模型。最后，搭建了电磁微锻机构温度测量实验平台，并对该机构的温升特性和稳态温度特性进行了实验研究。实验结果表明，所提出的电磁微锻机构热效应仿真分析方法较为合理、准确，可为微锻机构的温度控制和结构优化提供参考。

安装于核电站二回路的主给水调节阀通过控制给水流量来调节蒸汽发生器内的水位高度，因此主给水调节阀的流动特性影响着核电站的运行安全与效率。首先，提出了无量纲的节流窗口周向布置不平衡度δ，进行主给水调节阀节流窗口周向设计；其次，利用经网格无关性与流量实验验证的数值模拟方法分析了阀内流场的速度和压力分布特性；最后，探讨了节流窗口周向布置不平衡度对阀芯不平衡力矩和阀门流量系数的影响。结果表明：阀芯底部不均匀的压力分布会对阀芯产生不平衡力矩，增大阀芯与套筒之间的摩擦力，进而加剧阀芯与套筒之间的磨损，可能引发阀芯动作卡滞并使阀芯和套筒的工作寿命缩短；当阀门开度小于40%时，调整节流窗口周向布置方式对阀芯不平衡力矩的影响较小；当阀门开度大于40%时，通过调整节流窗口周向布置方式可以有效改变阀芯不平衡力矩；在相同条件下，通过将节流窗口周向布置不平衡度从0增大至0.5，可使阀芯不平衡力矩最大值减小22.10%，而阀门流量系数仅减小2.74%。研究结果有助于主给水调节阀及类似阀门的设计及优化。

为了提高磁悬浮输送带的稳定性，减小未建模动态和未知外界干扰对磁悬浮系统控制性能的影响，基于改进的扩张状态观测器（extend state observer， ESO）技术，提出了一种模型参考滑模控制与基于改进趋近律的滑模控制相结合的控制策略。首先，对参考模型进行滑模设计，在此基础上根据磁悬浮系统的快速响应和鲁棒性要求，结合幂次趋近律和指数趋近律对传统趋近律进行改进，设计了一种基于新型趋近律的滑模控制；其次，设计了一种新的非线性函数对ESO进行改进，基于改进的ESO对系统的扰动和状态进行观测和估计，将观测结果加入新型滑模控制器以对外界干扰进行补偿，来提高新型滑模控制器的控制性能。仿真结果表明：所设计的控制策略与传统基于指数趋近律的滑模控制相比，磁悬浮系统气隙输出的超调量减小了15.15%，系统具有更高的鲁棒性；与基于改进趋近律的滑模控制方法相比，所提出的控制器可以使系统无抖振，有更好的跟踪性能。在基于改进ESO的模型参考滑模控制下，磁悬浮系统能够稳定运行，具有较好的控制性能。研究结果对磁悬浮输送机输送带的悬浮控制具有一定的参考价值。

为了实现某空间飞行器在空间低功耗平稳转动，从提高其动态性能和稳态性能的角度，提出了基于缓冲阻尼的空间大惯量负载驱动系统的设计方法。通过系统阻尼参数匹配设计，并利用弹簧阻尼技术，实现了驱动系统大惯量转动过程的快速启动和平稳制动，解决了其转角行程过冲较大的问题，满足了运动精度要求。采用SimulationX软件对该驱动系统进行了动力学建模，对传动刚度和阻尼特性对驱动系统启动和制动的影响进行了仿真分析，最终通过实验验证了该驱动系统可以较平稳地启动和制动大惯量负载，且性能稳定，运动精度高，说明了驱动系统设计方法的合理性。研究结果为以小功率驱动大惯量负载提供了一种较好的实现方法。

针对现有的单喷头3D打印机在打印大体积模型或零件时打印时间长、打印精度低等问题，提出了一种基于多喷头并联的3D打印机控制系统的设计方法，实现在模型切片平面的多轨迹并联打印。设计了光固化树脂并联打印喷头；采用主从式系统结构，以双STM32F407ZGT为核心、双PCL6045BL和CPLD（complex programable logic device，复杂可编程逻辑器件）为控制终端，搭建了一套双CPU （central processing unit，中央处理单元）的嵌入式3D打印机硬件控制系统；基于喷头切向跟踪原理和等间距打印原则，推导了二轴-四轴插补数据转换算法，实现了“二轴”轨迹数据到“四轴”插补加工数据的转换；设计了并联打印数据预处理程序、并联打印控制程序和并联打印脉冲输出控制程序以实现多轨迹并联打印控制；进行了控制系统的实验测试，对比了多喷头并联与单喷头3D打印机的实际打印效果。结果表明：与传统的单喷头打印方式相比，采用多喷头并联打印方式可以显著提高打印效率和打印精度，且打印质量较好。研究结果为大体积打印件的快速加工成型提供了一种切实可行的解决方案，具有一定的实用价值。

针对传统建筑施工存在工作环境恶劣、劳动强度大以及异形构件的制造需要预制模具且难以实现个性化设计的问题，设计了一种框架式3D建筑打印机。首先，考虑到系统的可扩展性，采用STM32H750芯片作为核心控制器，并结合伺服驱动单元设计框架式3D建筑打印机控制系统的硬件结构。然后，提出基于梯形加减速控制的速度前瞻处理方法来规划打印速度，通过分析打印轨迹拐点的角度及其前后运动段长度的限制条件来确定拐点处的最佳打印速度。最后，引入RT-Thread嵌入式操作系统来进行打印任务管理和调度，以提高控制系统的稳定性，并设计了人机交互界面。测试结果表明：采用速度前瞻处理方法的框架式3D建筑打印机的自动化程度和打印效率较高，其可以稳定地打印形状各异的建筑构件，且混凝土成型均匀，无断料或积料。所设计的打印机为混凝土建筑构件的智能化制造提供了一种新方法，具有良好的工程应用价值。

钠燃烧过程会造成试验厂房内的温度和压力显著升高。试验厂房的门作为厂房边界的一部分，应具备防火隔热和承压密封的功能，但在目前的实际应用中并没有可以满足该要求的工程门。基于此，针对钠燃烧过程的特点，并结合核工程的实际工况，设计了一种兼具防火隔热和承压密封功能的新型隔热密封门。以核工程中不同工况下常用工程门的结构为基础，结合该工程中温度和压力的实际工况，分别设计了隔热密封门的锁紧机构、门板组件、门框组件、铰链和密封条等。同时，通过设计计算分析了锁紧机构零部件的受力情况、门板组件的隔热性能和密封条的选型，并利用ANSYS有限元软件对隔热密封门的门板和压紧杆等关键部件进行了强度分析。最后，根据理论计算结果制作了隔热密封门样机，通过样机试验验证了所设计隔热密封门在280 ℃环境下具有防火隔热和承压密封功能以及较高的可靠性。所提出的隔热密封门设计和分析方法可为后续类似工况设备的设计提供依据和参考。