基于有限元法的滚珠丝杠传动过程中的温度场和热变形仿真

为减小精密机床进给传动过程中传动发热对机床进给精度的影响,考虑丝杠导程引起表面积变化及螺母移动对温度场的影响,建立滚珠丝杠传动过程中温度场和热变形的数学模型. 应用有限元法(Finite Element Method, FEM)对该模型进行数值模拟,得到滚珠丝杠传动过程中温度场的分布规律以及温度对丝杠变形的影响关系. 结果可为机床进给传动系统散热结构的设计和丝杠热变形误差补偿设计提供依据.     

数控机床滚珠丝杠的温度场研究

滚珠丝杠在运行过程中由于摩擦力矩产生大量热量,因此有必要对传动过程中的滚珠丝杠进行温度场研究。以某龙门加工中心Y向进给系统中的滚珠丝杠为研究对象,建立简化模型,计算出热分析的边界条件,导入ANSYS软件中得出其温度场的仿真结果。与实验数据进行比较,对比结果显示了不同进给速度下滚珠丝杠的温度分布及其变化规律,为以后的滚珠丝杠热特性研究提供了理论依据。     

Prognostic study of ball screws by ensemble data-driven particle filters

The prognostic study of the ball screw is critical to increase the reliability of manufacturing system, which has drawn great attention in the field of Prognostics and Health Management (PHM). The particle filters (PF) method is a powerful tool for prognostic study because of its capability of robustly predicting the future behavior. However, lack of analytical ball screw measurement model limits the application of PF. In this paper, an ensemble GRU network is designed to extend PF to the case where the analytical measurement equation is not available. The proposed hybrid GRU-PF method integrates the data-driven model and the physical model into the particle filters network to realize the prognostic and remaining useful life (RUL) prediction of the ball screw. The effectiveness of the proposed method is validated by designing a ball screw accelerated degradation test (ADT), and the results of this experimental study demonstrate the satisfactory performances in terms of prognostic sensibility.     

考虑刚-柔-热耦合的板结构多体系统的动力学建模

对热载荷作用下中心刚体与大变形薄板多体系统的动力学建模问题进行研究.基于Kirchhoff假设,从格林应变和曲率与绝对位移的非线性关系式出发,推导了非线性广义弹性力阵,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的有限元离散的动力学变分方程.为了考虑刚体姿态运动、弹性变形和温度变化的相互耦合作用,推导了热流密度与绝对节点坐标之间的关系式.引入系统的运动学约束方程,建立了中心刚体-矩形板多体系统的考虑刚-柔-热耦合的热传导方程和带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日动力学方程.为了有效地提高计算效率,将改进的中心差分法和广义-α法相结合,求解热传导方程和动力学方程,差分后的方程通过牛顿迭代法耦合求解.对刚-柔耦合和刚-柔-热三者耦合两种模型的仿真结果进行比较表明,刚体运动对温度梯度和热变形的影响显著.此外,本文建模方法考虑了几何非线性项,因此也考虑了热膨胀引起的轴向变形对横向变形的影响.     

多颜色模型下的乒乓球快速检测与实时跟踪研究

乒乓球机器人视觉系统中的乒乓球检测主要有基于运动分析和基于单一颜色模型分割两种方法.基于运动分析的方法对运动背景干扰的鲁棒性较差,而基于单一颜色模型的分割方法会受到相近颜色及光照变化的干扰.为此,提出了多颜色模型下的乒乓球分割算法,结合RGB与HSV两种颜色模型的颜色表达特性提取出乒乓球区域,并利用质心法对乒乓球进行中心定位.在此基础上,提出基于前帧位置的感兴趣区域算法,对乒乓球进行实时跟踪.实验表明,该方法能够在复杂环境下对乒乓球进行快速精确定位,算法处理时间小于10 ms,定位误差小于20 mm,满足乒乓球机器人的击球需要.     

基于PCA和随机森林的故障趋势预测方法研究

故障预测和健康管理技术(PHM)在现代工程系统中能够在系统具备较高复杂度的情况下,有效保障其可靠性和安全性。在机械故障诊断中对于采集到的原始数据的高维特征量的处理较为复杂,并且在实际应用中趋势预测的精度要求较高,针对该问题提出一种基于主成分分析(PCA)与随机森林算法的轴承故障趋势预测方法。该方法利用PCA对提取的原始轴承数据特征量进行线性降维,并选取其中主成分特征量,输出非线性时间序列数据。原始数据经过PCA处理得到非线性时间序列,将该序列作为随机森林算法的输入进行故障趋势预测,并把预测结果与BP神经网络模型预测的结果进行对比,结果表明随机森林在故障趋势预测上在精度相较于BP神经网络有显著提高,是一种有效的故障趋势预测方法。     

滚珠丝杠副加载试验台测控系统设计

一体化工业计算机系统目前在测控领域应用广泛.通过对滚珠丝杠副轴向力加载试验功能分析,拟定了滚珠丝杠副轴向力试验方案,构建了基于一体化工业计算机控制的测控系统,基于虚拟仪器技术平台和LabVIEW编程语言,设计了测控软件.实践验证与测试表明,一体化工业计算机结合虚拟仪器技术平台开发测控系统可以大大降低其软、硬件研发周期.     

基于BRISK特征的动态背景下运动目标检测

针对动态背景下运动目标检测过程中对检测算法实时性和鲁棒性的要求,提出了一种基于二进制鲁棒不变尺度特征(BRISK)的运动目标检测算法.通过改进的BRISK算法检测特征点;为了保证匹配精度和速度,采用K最近邻(KNN)算法进行特征点匹配;运用基于随机抽样一致性(RANSAC)的全局运动参数估计法获取最优全局运动参数;采用帧间差分法进行运动目标检测.实验结果表明:改进的BRISK算法减少了49.8％的特征点数目,KNN算法去除了85.9％的特征点对;在各种场景下能够准确地检测出运动目标,与以往算法相比检测效果较好.     

强耦合双通道热分析炉温度跟随控制策略研究

量热仪作为化学品热危险性评估的主要工具之一,其热分析炉温度控制的准确性、通道间温度无差异性是保障样品放热量检测精度的前提.针对该类炉体纯滞后、大惯性及通道间强耦合的特性,提出了一种将功率补偿、模糊PID与跟随控制相结合的控制策略.此策略无需准确的数学模型,计算简单.实验结果表明,该控制策略相比于传统PID控制具有响应快、超调小、双通道温差小的特点,满足双通道热分析炉匀速升温控制中速率准确性和双通道温度一致性要求.     

基于刚软耦合模型和粒子群优化的手术机器人骨钻削力控制

脊柱椎体的多层复合结构和易热损伤特性要求手术机器人在对椎弓根进行骨钻孔时需精确控制其轴向钻削力。然而人的个体差异和脊柱-软组织构成的刚软耦合结构会使得通用型力控制器的控制精度不足,手术安全性降低。本文旨在提高轴向钻削力控制的精度。首先建立了基于质量、弹簧和Maxwell黏弹性单元的脊柱-软组织系统的刚软耦合模型。然后在离体羊脊柱上进行了应力松弛实验,并基于实测力数据对模型参数进行了标定。采用PID（比例-积分-微分）控制器来调整骨钻的轴向进给速度,并基于标定后的刚软耦合模型的传递函数,使用动态权重的标准粒子群算法整定控制器参数。最后,仿真证明闭环控制系统具有较好的动态性能和鲁棒性。离体羊脊柱骨钻孔力控制实验结果表明,轴向钻削力的阶跃力响应稳态误差小于0.15 N,相对力控制误差小于3%,且无明显超调;正弦力响应幅度在频率为3.49 rad/s时衰减到-3 d B,闭环控制系统具有较好的控制带宽。所提方法的力控制精度和控制带宽能够满足手术机器人执行骨钻削时的力跟踪要求,提高了机器人自动骨钻削过程的安全性。     

一种鲁棒的城市复杂动态场景点云配准方法

针对城市道路环境中面临的动态目标繁多、遮挡严重、以及GPS （全球定位系统）误差较大的问题,提出了一种无需检测动态目标且可以适应不同初始位置误差的快速、鲁棒的配准方法.首先,使用区域生长方法对去除地面的障碍物点云进行目标分割,并通过设定约束条件优化分割效果,生成点云的目标重心点集合;然后,提出了一种多层嵌套的RANSAC （随机抽样一致性）算法架构,迭代地更新配准结果,实现重心点集的粗配准并去除外点;最后,利用ICP （迭代最近点）进行点云的精确配准.与传统RANSAC方法的对比实验表明,该方法能够在复杂的动态场景和较大的初始位置误差下完成精确可靠的点云配准,且其配准成功率和配准速度明显高于传统方法.     

一种时间序列分解的卫星周期性参数预测方法

卫星遥测参数预测对卫星故障发现有着重要的指导作用。针对周期性参数难以预测的问题,提出了一种基于时间序列分解的卫星周期性参数的预测方法。该方法首先在频域上使用小波分析对参数序列进行降噪并提取参数的周期;然后,在时域上对参数的时间序列进行分解,进一步得到参数的趋势项和随机项,并根据各项特点分别使用灰色模型和ARMA模型进行预测;最后,重组各部分的预测值,得到最终预测结果。通过对我国某卫星遥测数据的对比实验分析,验证了该方法的正确性和有效性。     

海浪扰动下水下航行器的动力定位性能分析

水下航行器动力定位是通过对水下航行器的多个螺旋桨推进器的转速、推力进行控制调节以抵御外界环境扰动,体现了水下航行器在外界环境扰动下执行各种任务的能力.通过对随机波浪扰动下的水下航行器前向动力定位进行建模仿真,分析得到各个状态特性与环境扰动分量对水下航行器动力定位性能的影响.进行了水下航行器的运动方程和螺旋桨动力学特性的精确建模;再针对波频扰动下的变参数问题以及控制器的鲁棒性和自适应性要求,建立了水下航行器动力定位滑模控制器;最后,将PM谱的随机波浪扰动应用于动力定位仿真研究,仿真结果显示,螺旋桨的动力学特性、幅值限制以及波浪的流速与加速度信息直接影响了水下航行器的动力定位性能.     

基于dynFWA-SVM的WiFi室内定位算法

针对实际定位应用中室内环境复杂,传统的WiFi室内定位算法精度低、稳定性差、代价较高以及不同移动终端之间采集信号强度存在差异等问题,提出了基于dynFWA-SVM的WiFi室内定位模型.定位过程中,利用高斯滤波对信号进行除奇异值操作,同时采用信号强度差(SSD)位置指纹替代传统的接收信号强度(RSS)位置指纹;采用动态搜索烟花算法(dynFWA)优化支持向量机(SVM)参数,从而建立了dynFWA-SVM室内定位模型.实验结果表明:经高斯滤波处理后的SSD指纹可以有效提高定位的稳定性和可靠性,减小因不同终端采集信号强度存在差异对定位结果造成的影响,相较于粒子群优化(PSO)算法和烟花算法(FWA),dynFWA算法的优化效率更高,提出的dynFWA-SVM定位模型的定位误差更低.     

Modeling and control of a feed drive with multiple mechanically coupled ball screws

This paper presents the modeling and control of a single‐axis feed drive that is jointly driven by three ball screw/motor units. These ball screws are bridged by a mechanical coupling, via which a joint thrust can be produced from the three drive units for high‐power output (e.g., injection molding machines). Synchronous positioning of these drive units can also be applied to the handling of large workpieces. For such a coupled system, a mathematical model is first derived and constructed using a system identification technique developed in this paper. A control scheme based on the master–slave control is then designed to improve the system performance with the mechanical coupling. To ensure synchronization of the three drive units, a synchronous compensator is also designed using the genetic algorithm. Finally, the performance of the entire control system is experimentally verified. Copyright © 2011 John Wiley and Sons Asia Pte Ltd and Chinese Automatic Control Society     

基于LabVIEW的乒乓球机器人设计

乒乓球机器人系统对实时性的要求非常高,其设计涉及到了运动物体的识别、三维定位、快速轨迹预测和机械臂精确控制.在LabVIEW中调用图像处理模块获取并处理图像,满足实时性要求;使用滑轨和机械手结合来去球的方案,扩大了击球范围;调用Modbus函数库简化了伺服电机驱动器的控制,制作的样机目前已经可以实现乒乓球三维定位、击球点预测以及几个回合的人机对打.     

乒乓球轨迹预测的研究与仿真

机器人打乒乓球时需要对快速运动的乒乓球的轨迹做出准确的预测。首先对乒乓球飞行轨迹预测中采用的运动学模型以及乒乓球碰撞的物理模型进行了分析,其次主要是对乒乓球飞行轨迹预测中采用的运动学模型的算法进行改进,速度反馈调节系数不再使用定值,而是采用动态系数。同时,反弹前的速度是通过对预测的轨迹用最小二乘法进行曲线拟合求导计算出来的。实验结果表明,预测效果很好。最后为了直观地分析预测轨迹,设计了基于OPENGL的3D仿真平台。     

基于WiFi的动态室内定位方法研究

针对传统的室内定位算法难以有效解决节点动态移动对定位的影响问题,设计了一种基于优先级的动态跨层数据队列管理方法.分析了传统位置指纹的定位方法和容迟性问题,在数据链接层和MAC层之间实现优先级的数据队列管理机制,实验结果表明:融入该机制的室内定位比传统定位方法有更好的定位精度,数据传输率和自适应性.     

基于速度平滑距离的高精度测量方法研究

随着卫星定位以及测定轨精度的提高,需要研究厘米量级的高精度测距系统。针对现有测控系统测量距离值存在较大随机误差的问题,提出了一种基于速度对距离值进行平滑的方法,以减小测距随机误差。为了保证速度的解算精度,给出了一种基于三阶锁相环路的跟踪接收方案,并对环路跟踪精度、速度平滑时间选择及优化等进行分析和仿真。仿真结果表明,新提出的接收方案和速率平滑距离方法能够实现对不同动态目标信号的有效跟踪,有效降低距离测量的随机误差,可为高精度航天测控系统提供一种解决思路。     

惯导系统中石英加速度计的动态测试方法研究

针对载体运动状态下惯性导航系统(INS)定位精度受加速度计动态性能的影响,提出一种动态环境下的石英加速度计的误差分离测试方法。建立了石英加速度计动态环境下的模型,设计了转台模拟载体机动的工作环境,分析了动态测试原理,并根据测试结果对其性能进行分析。试验结果表明:提出的加速度计动态测试方法可以有效地得到石英加速度计的动态性能指标。