关键词： 轨道检测   轨检平台   光学测量   机械设计   运动学仿真  

摘要： 铁路轨道作为铁路运输业的基础设备,常年裸露在自然环境中,并不断承受着列车的载荷作用。在密集重载的列车冲击和自然条件的共同作用下,轨道几何形位变化、钢轨磨耗加剧等现象是导致铁路安全事故的重要因素。为保证列车高速、平稳、安全和不间断的运行,必须对铁路轨道进行检测工作。由于传统的人工检测方式存在检测效率低下、费时耗力、不便于数字化管理等缺点,不能很好地满足铁路轨道的检测要求,而大型铁路巡检车价格昂贵,不能普及到我国众多的铁路工务段。因此,研制一种轻量化、高效、快速、便捷的铁路轨检设备对于保证铁路运输的安全具有重要的现实意义。本文重点研究基于非接触式光学测量原理的轻量化轨道检测平台。在分析线结构光检测技术和面结构光检测技术特点的基础上,设计搭载不同光学测量设备的轨道检测平台,将其运用于铁路工务段的日常轨道巡检工作中。线结构光轨道检测技术具有实时的在线检测能力,一般适用于直轨检测,属于在线检测范畴。面结构光轨道检测技术基于三维点云扫描设备,获取钢轨复杂曲面的点云数据,再通过数据处理软件分析钢轨三维轮廓点云信息,得到钢轨的磨耗和几何形位参数,一般适用于尖轨、辙叉等复杂钢轨轮廓的检测,属于离线检测范畴。本文对比已有的不同类型的轨检平台,分析其优缺点,结合光学检测需求,提出一种“H”型的四轮式检测平台。设计了一种柔性结构,使检测平台适应不同轨距路段,保证检测平台推行过程中不会出现脱轨、横向偏移等现象,并提高检测平台与钢轨的垂直度。根据光学检测设备的测量特点,提出两种轨道光学检测平台的设计方案,在功能分析和性能要求的基础上,对检测平台空间位置和受力进行分析。使用Solid Works三维建模软件绘制检测平台的总装配图和零件图,将检测平台的三维模型导入ADAMA软件进行静力学分析和动态仿真,验证检测平台结构设计的合理性。在仿真分析的基础上得到分析数据,进行相关优化工作,确定最终的检测平台结构。并制造了物理样机,搭载光学检测设备在实验室进行多次试验,对机械结构进行完善优化。完成实验室环境试验后,检测平台物理样机进行了普速铁路轨道和高速铁路轨道的现场试验工作。现场试验结果表明:线结构光轨道检测平台和面结构光轨道检测平台试验效果良好,满足铁路轨道日常巡检工作的要求。

关键词： 柔性作业车间   节能调度   生产运输协同   AGV   教与学算法  

摘要： 柔性车间调度优化问题的研究已不局限于加工过程本身,由于运输是车间作业的重要组成部分,调度过程中不仅要考虑工件的加工顺序,还需同时考虑工件由哪辆车运输及相应的运输路径。企业需要在有限的资源约束下以尽量小的成本完成工件生产,生产和运输这两部分资源必将协同调度。随着绿色制造理念的出现,柔性作业车间环境下的节能调度等能源相关研究越来越受重视。本文针对运输资源和加工设备资源协同的柔性作业车间进行节能调度研究,主要研究内容如下:(1)考虑车间运输资源的影响,研究柔性作业车间综合能耗模型,构建以最大完工时间、总能耗为目标的多转运设备协同的柔性作业车间节能调度模型,设计一种混合离散粒子群优化算法(HDPSO)对问题进行求解,针对问题特性设计有效的染色体解码方式,引入竞争学习机制,保持种群多样性,避免算法早熟,并结合三种邻域搜索算子,提高算法稳定性。(2)针对智能生产车间复杂制造环境,综合考虑AGV的广泛应用,构建以最大完工时间、总能耗、总成本为目标的多AGV运输协同的柔性作业车间节能调度模型,并提出一种新颖的多阶段教与学优化算法(MSTLBO)进行求解。针对AGV协同调度这一特性,设计3层编码及新型解码方式以避免AGV的使用冲突,并设计多种教学/自学因子有效解决离散型问题,引入变邻域搜索下降技术提高收敛速度,平衡算法的深度局部搜索能力。(3)以SQ制造企业为实例,对构建的两种调度模型分别用HDPSO和MSTLBO算法进行求解,确定机床的作业分配、工序排序、运输设备的作业分配、运输设备的移动路径,给出实际的调度方案,结果证明所提改进算法对柔性作业车间的有效性。最后,考虑生产运输协同的柔性作业车间节能调度问题,解决了柔性作业车间生产资源与运输资源协同调度问题,证明了运输设备协同调度不仅减少完工时间,还达到节能减排的目的,所提算法也优于其他算法,可以有效的解决该问题。

摘要： 尊敬的广大读者:2021年度《机械设计与制造》杂志征订工作已经开始,为了更好地开展这项工作,现将具体征订事宜说明如下:本刊为大16开月刊,全年12期,定价为35元/期,420元/年。面对企事业单位、各大院校和个人每个月均可接受订阅。

关键词： 柔性作业车间动态调度问题   多AGV搬运   文化基因算法   变邻域搜索算法   自适应大邻域搜索算法  

摘要： 近年来,“中国制造”正向“中国智造”转型,而车间调度正是智能制造系统运行的一个核心环节,生产车间的动态调度能够及时处理制造车间动态扰动事件,保证制造车间的稳定生产。柔性作业车间是一种高度集中的制造系统,它的组成部分之间的关系非常复杂。本文研究的柔性作业车间的调度问题不仅考虑工序排序问题和工序的机器选择问题,同时考虑制造车间的物料运输问题,机器人搬运条件下的柔性作业车间更接近现今的工业加工环境。车间制造环境更是实时变更的,订单信息变更、机器非正常运转、加工时间延迟、物料到达延迟等问题在实际加工过程中更是常有的问题,对加工过程中出现的不确定扰动事件的处理更具有现实应用意义。对于不确定订单信息的机器人制造单元的动态调度问题,本文在柔性作业车间调度问题基础知识上,详细描述了机器人制造单元的加工环境、工作过程,针对该问题建立数学模型,设计遗传算法与变邻域下降搜索算法相结合的改进的文化基因算法和基于改进文化基因算法的动态调度策略,仿真实验结果分析证明该算法和动态调度策略的有效性和稳定性。本文针对多AGV搬运条件下的柔性作业车间的动态调度问题的研究,首先,对多AGV搬运条件下的柔性作业车间进行详细的描述,根据该调度问题中工序加工顺序约束、机器资源约束和搬运资源(AGV)约束建立数学模型,设计改进的文化基因算法并以最大完工时间为目标函数对该问题进行优化求解,改进的文化基因算法融合了基于双资源多重析取图的关键路径更改方法和自适应大邻域搜索算法,仿真实验证明算法的有效性。接着针对该调度环境下的订单信息变更和机器故障的动态扰动问题设计了基于改进的文化基因算法的动态调度策略,并根据不同规模案例仿真实验所得结果证明动态调度策略的有效性、稳定性和鲁棒性。

关键词： 网球机器人   FreeRTOS   嵌入式实时系统   电路板设计   机械设计  

摘要： 随着国内网球运动的普及,更多人喜欢上这项运动,但是网球训练者要背负繁重的捡球劳动,同时市场上又缺少相关的解决方案。本文通过研发一款服务机器人代替运动员进行网球自动拾取。针对网球拾取实际工况,结合移动机器人开发特点,网球机器人需要具备稳健高效的控制系统软、硬件和稳定可靠的机械结构。在网球机器人控制系统软件方面,分析了FreeRTOS嵌入式实时系统的多任务架构;基于多任务管理与调度原理以及系统裁剪与移植原则,设计与创建了多个任务,包括:系统初始化任务、通信任务、超声波数据处理任务、里程计数据处理任务、急停任务、运动控制任务、收球机构控制任务、电量检测任务、电源管理任务;并对控制系统进行优化,使其具有良好的实时性和稳定性。在网球机器人控制系统硬件方面,以STM32F1微控制芯片为基础,设计了相关的控制电路并确定相关元器件的型号;完成了各个硬件模块的设计与实现,包括主控制模块、定位模块、电机控制模块、电池电量检测模块、通信与数据采集模块、避障模块、电源管理模块;并通过电子设计自动化软件Altium Designer（2018版本）设计了支持机器人控制系统运行的电路板;归纳总结了电气原理图和PCB图的有关设计原则;最后对设计的电路板进行加工、电气测试与功能测试,满足使用需求。在机械结构方面,利用三维设计软件Inventor对网球机器人的执行机构进行设计建模,包括差速移动平台、叶片式收球机构、丝杠提升机构,完成其整体三维模型的建立与装配,并对执行机构的驱动电机的型号进行选择。最后对所有的机械部件进行加工,组装,通过测试,运行效果良好。最后,对机器人整体进行实际网球场地的测试,机器人运行效果良好。

关键词： 征订活动   《机械设计与制造》   机械设计  

摘要： 尊敬的广大读者:2022年度《机械设计与制造》杂志征订工作已经开始,为了更好地开展这项工作,现将具体征订事宜说明如下:本刊为大16开月刊,全年12期,定价为35元/期,420元/年。面对企事业单位、各大院校和个人每个月均可接受订阅。

摘要： 《机械设计与研究》期刊是集学术性和技术性于一体的机械类刊物、《中国科技期刊精品数据库》收录期刊、中国科技论文统计用期刊、全国中文核心期刊、中国科学引文数据库来源期刊、美国剑桥科学文摘(CSA)收录期刊。本刊国内外公开发行,有阵营强大的国内外编委队伍。本刊系双月刊,每双月20日出版,大16开本,每期传递信息量约45万字。

关键词： 人工智能   机械设计制造   自动化  

摘要： 人工智能技术的出现，使我国科技达到了新的层次，人工智能延伸于计算机技术，注重智能的发展，通过拟人化思维来转化传统生产模式，为行业带来更高的工作效率，以此推动国家向工业自动化发展迈进。机械制造领域可以生产设备以及各种零部件，是各企业工厂实现现代化生产的必要条件，但具体运用过程中，其自身系统存在不稳定因素，具有一定的生产风险，而人工智能的特性可以解决这个问题，为机械工程的安全性和准确性提供保证，强化使用性能。因此机械制造领域在发展过程中应积极利用人工智能技术，并不断地对其调整和革新，最大化地发挥其价值。

关键词： 多目标进化算法   柔性作业车间调度   粒子群优化   迁徙鸟群优化   竞争学习  

摘要： 在科学研究与工程实践中,需同时优化多个目标的情境频繁发生,随着问题维度的大规模化,传统的求解方法性能欠佳,受生物智能启发、以种群进化方式来不断探索解空间的进化算法,因其较强的全局优化能力为解决多目标优化问题（MOPs）提供较新的思路。面向多品种小批量柔性生产方式的离散制造企业,需设计合理的车间调度方案,来提高生产效率、节约生产成本,多目进化算法（MOEA）的优异性能,为求解车间调度问题提供有效方法与手段。本文在考虑算法收敛性与分布性的基础上,以提高算法整体性能为目标,进行多目标进化算法改进,并利用多目标优化理论进行柔性作业车间调度问题（FJSP）的求解与调度优化。具体研究内容如下:（1）针对多目标粒子群算法在MOPs上收敛性与分布性较难均衡的问题,设计基于矢量角的竞争粒子群算法（Va CSO）。该算法首先依据收敛性与分布性两个指标进行分群聚类,充分利用多种群的优势;其次为挖掘粒子的潜在信息,采用基于矢量角的竞争机制,最大化传递粒子的有用信息;最后采用基于辅助学习的种群间隙优化策略,以此消除由于种群聚类所引发的目标空间种群间隔。实验结果表明Va CSO综合性能明显优于对比算法。（2）针对传统多目标进化算法在解决大规模多目标优化问题（LSMOPs）时性能显著下降的问题,设计基于分解的大规模三粒子竞争算法（LTCSO/D）。首先针对大规模化引起的局部最优点数量上升的问题,提出基于空间分解的种群分组;其次针对粒子搜索方向一致而引起多样性不足的问题,提出三粒子竞争搜索策略;最后充分利用竞争角度信息,采用基于矢量角的环境选择。对比实验表明LTCSO/D在大规模优化问题上效果显著。（3）针对FJSP进行优化研究。首先利用多目标进化算法相关理论,建立合适的数学模型;其次结合离散优化特点,设计基于交叉融合的多目标迁徙鸟群优化算法（MOMBO/CF）;最后将MOMBO/CF用于柔性作业车间调度的优化,通过对比实验验证算法的有效性,以最大加工时间与机器总负荷最小为优化目标,提供有效调度方案。

关键词： 考虑预防性维修的单机调度   工人休息   近似算法   动态柔性作业车间调度   蒙特卡洛树搜索   重调度   响应时间  

摘要： 制造业的高速发展加剧了全球市场化竞争,客户需求变得日益个性化和多样化,使得多品种、中小批量的离散生产方式逐渐兴起并占据市场主流,这种多变的市场环境给制造业带来了更高的挑战。制造企业要想提高自身的生存和竞争能力,就必须要在尽可能短的时间内控制成本并生产出高质量的不同产品品种来响应市场。车间生产调度就是通过合理有效利用现有资源来完成既定任务以满足特定性能指标的优化问题。实际生产过程中经常会发生如机器故障等诸多动态事件,有时还需要对机器安排预防性维修。因此,本文基于算法理论分析和优化改进两个方面对相应车间生产调度问题展开了具体的研究。本文主要研究内容如下:(1)提出了一个新的考虑预防性维修和工人休息的单机调度问题,其中同时考虑了工件排序、维修活动和工人休息的调度排程。针对该问题,构建了两种混合二进制整数规划模型。利用经典的LPT启发式算法求解该问题,并首次证明了该算法的最坏性能比是3/2。本文还证明了除非P=NP否则不存在最坏性能比小于3/2的多项式时间近似算法,这表明LPT算法几乎是求解所提问题最优的多项式时间近似算法。基于所构造的20个测试算例,利用CPLEX和LPT算法求解了两个数学模型,实验结果表明LPT算法在求解质量和计算效率上都有较高的性能。(2)研究了一个考虑机器故障、新订单到达、工件取消和工序加工时间改变这四类动态事件的动态柔性作业车间调度问题(DFJSP)。针对该问题,将最大完工时间最小化作为优化目标,设计了一种基于蒙特卡洛树搜索(MCTS)算法的重调度方法。采用了快速动作值估计启发式和先验知识等几种优化技术来提高基于MCTS算法的重调度方法的性能。为了大大减少对动态事件的响应时间,当动态事件发生时,为所提方法设计了多个连续的固定长度的时间窗口,并根据这些时间窗口来为剩余未加工工序逐步生成相对应的后续部分调度方案。(3)为了评估改进的MCTS算法以及所设计的重调度方法的有效性,进行了两组仿真实验。第一组实验基于MK系列静态基准算例验证了用于改进MCTS算法的四种优化技术的有效性。在第二组实验中,首先构造了18个DFJSP测试算例,然后将所提出的基于改进MCTS算法的重调度方法与一些常用的完全反应式重调度方法和基于遗传算法的重调度方法进行了比较。实验结果表明本文所提重调度方法在求解质量和计算效率上都是一种有效且有前景的动态调度方法。