机械与动力-专题定制-三峡大学图书馆

梁松林

中北大学

摘要： 铁谱技术通过对磨粒形态、数量、尺寸分布和成分等特征的分析,能够查明机器润滑与磨损故障的模式、程度及机器所处的状态,确定故障发生的原因,从而为进一步地设备维修决策提供依据。铁谱图像识别技术把计算机图形图像处理技术与铁谱分析相结合,具有较大的客观性,对磨粒的识别能实现快速、有效、定量分析,是目前磨损诊断和铁谱分析领域的热门研究方向。本文选取彩色的柴油机磨粒图像,综合运用数字图像处理技术、模式识别理论、摩擦学知识以及磨粒特征参数的数字化提取和优化,并将支持向量机应用到铁谱磨粒图像识别中,验证了支持向量机用于柴油机铁谱磨粒故障识别的可行性,提供了一种新的高效的柴油机铁谱磨粒图像识别方法。本文首先对原始彩色柴油机磨粒图像进行预处理(包括图像的几何变换、灰度化、增强滤波处理、图像锐化清晰、图像分割、图像边缘轮廓提取等处理),铁谱磨粒的标识则采用直接在预处理后的铁谱图像上选取磨粒的方法,选择目标磨粒。针对三类磨粒类型(滑动磨粒、切削磨粒和疲劳磨粒),首先将特征参数进行分类(尺寸特征参数、轮廓形状特征参数、结构特征参数、颜色特征参数),再通过样本磨粒的训练学习得到各特征参数值的大小;鉴于铁谱磨粒特征参数众多的特点,本文通过特征优化,以确定适合本文研究的磨粒类型识别所需的8类特征参数,通过试验,证明了支持向量机在磨粒特征参数识别方面的正确性。

机械动力学基础

刘正士高荣慧陈恩伟编

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深水机械手动力学特性及自主作业研究

肖治琥

华中科技大学

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关键词： 水下机械手充油关节动力学伺服控制自主作业

摘要： 水下机械手是一种重要的海洋开发工具。为了深入了解水下机械手动力学特性,提高伺服精度和作业能力,降低对操作员的依赖性,本文结合国内第一台深海3500m电驱动机械手,针对深水机械手的驱动器、水动力学、伺服控制器以及自主作业开展研究。首先,以深水电驱动机械手的驱动器即充油关节为研究对象,研究其动力学特性。对充油关节油粘性摩擦力矩进行了理论计算,并建立了充油关节的动力学模型。通过变深工况仿真研究,获得了充油关节油粘性摩擦力矩与水深的关系曲线。模拟实验研究了不同水深下充油关节电机的效率损耗,并提出可从调节充油粘度和改变关节内部流场两方面来提高驱动器效率的方法。其次,以一台深海用水下机械手为研究对象,研究了其在流干扰下的水动力学。首先,将水下机械手水动力一分为二,即静水中搅水受力和静态下受水流冲击受力。以Morison公式为计算基础,利用Lagrange方法建立了水下机械手的动力学模型。通过数值计算,分析了水阻力、浮力、定常流和非定常流对水下机械手动力学的影响。发现浮力产生的关节力矩较大,其值与重力力矩在同一数量级,而流干扰和自身搅水力矩都很小,不在浮力力矩的数量级。之后,针对变负载工况下水下机械手精确伺服控制的困难,研究了基于水下机械手动力学模型的控制技术。将滑模控制用于水下机械手的伺服控制,设计了一种基于水下机械手动力学模型的滑模控制器。控制器利用了系统模型知识,但不要求精确的数学模型。仿真和实验研究结果表明其对变负载工况具有适应能力。最后,鉴于当今水下机械手遥控作业高度依赖于操作员,其操作繁琐且难以保证作业精度的情况,开展了水下机械手自主作业实验研究。通过在水下机械手手臂上装一独特的超声传感器阵列和一水下摄像头,来实现了对一标有黑色方块纹理的圆柱体目标的自主抓取作业。其中,超声传感器阵列负责获取目标的距离和粗略方位信息,而视觉则用于目标的识别以及其方位偏差信息的获取。研究设计了基于两传感器的水下机械手四步自主抓取算法,其有效性在实验室及船池的实验中得到了验证。

基于动力学指标的Delta高速并联机械手集成优化设计方法研究

张利敏

天津大学

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关键词： 高速并联机械手动力尺度综合弹性动力学动态设计

摘要： 本文密切结合新能源、食品医药、现代物流等领域自动化生产线高速轻载搬运作业需求,在国家863高技术研究发展计划的资助下,研究基于动力学指标体系的Delta高速并联机械手集成优化设计方法,包括刚体动力学建模与动力尺度综合,弹性动力学建模与动态优化设计,运动规律优选等,并结合一台物理原型样机开发,开展相关试验研究,验证所提出设计理论与方法的正确性和有效性。全文取得如下创造性成果: 在集成优化设计流程方面,提出一套按动态尺度综合、动态优化设计和最优轨迹规划分层递阶格式实现多个变量的集成优化设计方法,可同时保证系统的运动学、刚体动力学和弹性动力学性能。在动力尺度综合方面,建立机械手运动学和刚体动力学模型,提出一种兼顾运动学和刚体动力学特性的动力尺度综合方法,并在动力学评价指标、性能约束两方面形成特色: (1)动力评价指标。构造具有简约格式的混合动力学模型,定义了作用在单支链驱动关节上惯性项和速度项负载力矩的动力学评价指标,具有形式简洁,物理意义明确,可完整地揭示机构产生奇异位形的条件的特点。 (2)性能约束。基于运动学雅可比及其逆矩阵,定义了两类空间传动角,具有几何意义直观,物理意义明确,可定量地描述机构的运动与力传递特性的优点。鉴于传动角与机器人性能代数特征紧密联系,可利用传动角直观描述机器人的运动学性能。在动态优化设计方面,提出一种以子结构位移法为基础的线弹性动力学建模方法,在保证模型精度的前提下,可大幅度提高求解效率。在此基础上,提出两种兼顾低能耗和高动态特性的动态设计方法,通过揭示结构参数、性能指标和约束条件之间的影响规律,综合出一组最优结构参数。在运动规律优选方面,提出一种以降低机械手残余振动为目标的运动规律优选方法,为机械手高速、高精度运行提供了重要保障。在综合性能试验方面,开展Delta机械手负载特性和动态特性试验研究。试验结果表明:该机械手负载特性和动态特性试验值与理论计算值具有良好的一致性,进而验证了刚体动力学和弹性动力学模型的有效性。本文研究成果对丰富和发展机器人机构学设计理论,并推进工程应用具有重要的理论和实用价值。

基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究

张俊杰

哈尔滨工业大学

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关键词： 纳米机械加工晶体铜分子动力学模拟亚表面损伤层

摘要： 作为纳米技术分支之一的纳米加工技术是在纳米尺度范围内制造物理、化学和生物等功能结构与器件的基础,已经成为衡量纳米技术发展水平的重要标志。纳米机械加工技术如金刚石刀具车削、金刚石磨粒加工以及金刚石微探针纳米刻划等可以使加工精度达到纳米量级、加工形成的结构与器件的尺寸达到纳米量级,为制造三维纳米结构与器件提供了创新的途径,是一种重要的由上而下的纳米加工技术。然而,纳米机械加工技术的发展目前受到加工理论、加工工艺及加工质量的测量与评定等诸多因素的制约。其中,缺乏对纳米机械加工机理特别是表层形成机理的理解是制约纳米机械加工质量提高的重要因素之一。除了实验研究外,国内外学者普遍采用分子动力学模拟来研究纳米机械加工机理,并得到了许多有价值的研究结果。然而,在前人的研究中大部分工件材料为单晶形式,而对多晶材料纳米机械加工的分子动力学模拟研究较少。纳米机械加工是一个刀具与材料高度耦合的过程,多晶材料不同于单晶材料的变形机理直接影响纳米机械加工的结果。此外,前人对纳米机械加工中引入的亚表面损伤层的实验和仿真研究主要是检测亚表面损伤层的深度及分布,而对多晶材料的亚表面损伤层的形成机理研究较少。在纳米机械加工中工件材料内部的结构和组织状态的变化是形成亚表面损伤层的一个重要原因。因此,针对上述存在的问题,本文基于摩擦磨损、晶体塑性和纳米力学等理论,使用分子动力学模拟研究了单晶铜、双晶铜和纳米晶体铜纳米机械加工表层形成机理,具体研究内容包括如下几个方面: 建立了包含多种结构材料(单晶铜、双晶铜、纳米晶体铜)的纳米机械加工的分子动力学模型。从分子动力学基本原理角度出发选择了经典牛顿运动方程的积分方法、精确描述体系的势能函数和模拟真实环境的系综等参数,得到了分子动力学模拟的精确原子模型;结合晶体结构、重位点阵和维诺图等建立了单晶铜、双晶铜和纳米晶体铜的原子结构模型;结合晶体塑性理论和先进的晶体缺陷分析技术辨别了工件内部形成的缺陷的种类和位置。基于摩擦磨损、晶体塑性和纳米力学等理论,使用分子动力学模拟研究了单晶铜、双晶铜、纳米晶体铜纳米机械加工机理,包括工件材料变形、加工力变化、表层形成等。在纳米机械加工单晶铜中研究了工件材料变形机理、加工表面形成机理,以及势能函数、加工速度、晶向、刀具几何形状等参数对纳米机械加工的影响;在纳米机械加工双晶铜中研究了位错-晶界交互作用特别是位错-孪晶界交互作用对工件材料变形以及加工结果的影响;在纳米机械加工纳米晶体铜中,分别采用全三维纳米晶体铜和准三维柱状纳米晶体铜原子结构模型来揭示纳米晶体铜纳米机械加工机理。基于晶体铜纳米机械加工亚表面损伤层的形成机理的研究,提出了一种基于纳米压痕的亚表面损伤层深度的定量预测方法。使用前人建立的不同变形区域的原子势能变化模型实现了亚表面变形层深度的定量预测;建立了基于纳米压痕的亚表面损伤层的硬度检测模型,用来辨别亚表面损伤层中工件材料与未加工的工件材料的压痕硬度的差异,实现了亚表面损伤层深度的定量预测。在发现纳米机械加工亚表面损伤层产生孪晶现象的基础上,提出了一种利用孪晶变形来控制和改善亚表面损伤层的新设想。使用分子动力学模拟研究了晶粒尺寸对纳米晶体铜纳米机械加工中孪晶变形的影响;使用分子动力学模拟研究了纳米孪晶铜纳米机械加工机理,以及孪晶界间距对纳米机械加工的影响。为了使纳米机械加工的分子动力学模拟的结果可信、有用,分别从分子动力学模拟基本原理、材料机械性能的纳米压痕检测、纳米机械加工结果这三个方面逐级开展分子动力学模拟与实验的对比。检测了当前使用的经验势能函数描述的体系的体积模量、剪切模量和杨氏模量,并与实验测得的值进行了定量对比;基于单晶铜纳米压痕的分子动力学模拟获得的压痕深度-压痕硬度曲线求得了单晶铜的杨氏模量,并与纳米压痕实验测得的值进行了定量对比;进行了单晶铜(010)晶面和(111)晶面的纳米压痕实验,并从工件表面形貌的角度与分子动力学模拟的结果进行了定性的对比。

农村剩余劳动力转移与农业机械化的实证分析——以江苏省为例

张咪

南京农业大学经济管理学院江苏南京210095

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