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轻量化铝反射镜拓扑优化与加工试验研究

应用光学 2024年第5期45卷 1034-1041页

作者：张楚鹏杨贤昭陈肖湖北工业大学机械工程学院湖北武汉430068 国家数字化设计与制造创新中心湖北武汉430206

铝反射镜在航空航天和空间遥感卫星领域中广泛应用,为了提高铝反射镜的轻量化率,降低民用商业遥感卫星的发射成本,设计了一种背部开放式、三角形孔结构和三点支撑形式的轻量化铝反射镜。在此结构基础上,首先以质量最小为优化目标,以反... 详细信息

铝反射镜在航空航天和空间遥感卫星领域中广泛应用,为了提高铝反射镜的轻量化率,降低民用商业遥感卫星的发射成本,设计了一种背部开放式、三角形孔结构和三点支撑形式的轻量化铝反射镜。在此结构基础上,首先以质量最小为优化目标,以反射镜背部加强筋的厚度和加强筋的布局为优化对象,以柔度最小为响应约束,应用有限元法对反射镜背部加强筋的厚度进行尺寸优化和加强筋的布局进行拓扑优化,得到的铝反射镜轻量化率超过63%;然后设计了工装夹具进行单点金刚石车削加工试验;最后使用激光干涉仪检测反射镜的面形精度。检测结果表明:反射镜的面形值PV(peak to valley)为1.48μm,能够满足民用商业遥感卫星的使用要求。

关键词：铝反射镜轻量化率拓扑优化单点金刚石车削

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基于数字孪生的复杂件多机器人智能加工方法

华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第6期52卷 1-9页

作者：段现银邵宇轩彭芳瑜向峰杨岑岑周林武汉科技大学冶金装备及其控制省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081 国家数字化设计与制造创新中心湖北武汉430074 华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室湖北武汉430074

针对舱体类构件内部存在众多复杂相交特征且可行空间狭小,其内壁等加工有极大困难,制造设备的加工效率和智能化水平难以满足航天装备快速和高质量发展需求问题,为提高舱体类构件制造设备的加工效率和智能化水平,提出了一种基于数字孪生... 详细信息

针对舱体类构件内部存在众多复杂相交特征且可行空间狭小,其内壁等加工有极大困难,制造设备的加工效率和智能化水平难以满足航天装备快速和高质量发展需求问题,为提高舱体类构件制造设备的加工效率和智能化水平,提出了一种基于数字孪生的多机器人智能协同加工方法.构建了不同功能机器人协同加工系统虚拟空间、物理空间和信息数据层的数字孪生框架,详细阐述了孪生数据源及类型、数据融合和数据存储等孪生数据模型的设计;建立了多机器人协同加工优化控制与决策模型,研制了多机器人智能加工软硬件平台,实现了虚实映射与交互以及加工系统在线监控.以某型号飞行器舱段精密铣削和测量工艺为案例进行验证与分析,优化加工路线,提高加工效率,验证了该方法的可行性与高效性.

关键词：智能制造智能加工数字孪生多机器人舱体类构件

基于MS-FCM算法的船体板熔池图像处理技术

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焊接学报 2024年第3期45卷 82-90,I0007,I0008页

作者：徐远钊罗玖田方乃文冯志强武鹏博黎泉北部湾大学广西船舶数字化设计与先进制造工程技术研究中心钦州535011 广西海洋工程装备与技术重点实验室钦州535011 中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司哈尔滨150028

熔池的图像处理与特征提取技术是船舶熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW)智能化焊接质量监控的重要内容,针对船体板GMAW焊接过程中的烟雾大、飞溅多等不稳定特性导致熔池图像采集模糊、边缘提取困难等问题,提出一种基于均... 详细信息

熔池的图像处理与特征提取技术是船舶熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW)智能化焊接质量监控的重要内容,针对船体板GMAW焊接过程中的烟雾大、飞溅多等不稳定特性导致熔池图像采集模糊、边缘提取困难等问题,提出一种基于均值漂移(mean shift, MS)优化模糊C均值聚类(fuzzy c-means, FCM)的图像处理算法.在优化设计焊接动态视觉传感系统中,以最大化保证图像信息采集清晰度的基础上,利用MS算法获取超像素图像以解决FCM算法对噪声的敏感性,同时在FCM算法上引入加权邻域窗口,以增强MS-FCM算法的鲁棒性,来克服烟雾、飞溅、弧光等噪声影响,进而完成图像分割与边缘提取.最后,设计出关于FCM、空间约束模糊C均值聚类(fuzzy c-means with spatial constraints, FCM_S)、加强型模糊聚类(enhanced fuzzy c-means, ENFCM)和模糊局部信息C均值聚类(fuzzy local information c-means clustering, FLICM)算法的4种不同图像处理方法,并与MSFCM优化模型进行边缘分割效果对比,获取几种方法所提取的熔宽,验证熔池几何特征的提取精度.结果表明,MS-FCM算法在船舶焊接熔池图像处理方面能有效抑制噪声干扰,平滑信息,达到较高的提取精度.

关键词：模糊C均值聚类均值漂移图像分割船体板熔化极气体保护焊

多补偿融合的气动末端柔顺机构非线性自抗扰控制

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工程科学与技术 2024年

作者：张树忠吴乾新戴福全王亚兵张弓福建省智能加工技术及装备重点实验室(福建理工大学) 广州先进技术研究所

在基于气动末端柔顺机构的机器人打磨作业中，机构恒力控制性能直接影响打磨质量和效率。为了提高机构恒力控制性能，针对末端柔顺机构气动系统气体压缩、比例阀死区、气缸活塞摩擦力等非线性因素以及机构姿态变化对打磨端输出力的影响... 详细信息

在基于气动末端柔顺机构的机器人打磨作业中，机构恒力控制性能直接影响打磨质量和效率。为了提高机构恒力控制性能，针对末端柔顺机构气动系统气体压缩、比例阀死区、气缸活塞摩擦力等非线性因素以及机构姿态变化对打磨端输出力的影响，提出一种融合重力补偿、死区补偿及LuGre摩擦模型补偿的非线性自抗扰控制算法。该算法采用跟踪微分器对输入信号进行过渡，利用扩张状态观测器对系统的总扰动进行观测，通过非线性状态误差反馈控制律进行反馈和总扰动补偿；分析打磨装置所受重力在不同打磨角度下对输出力的影响，通过试验获得比例阀进气和排气的最小工作电压，基于LuGre摩擦模型通过试验拟合出气缸的非线性摩擦力，在此基础上设计重力、比例阀死区和气缸摩擦力补偿，而后在所搭建的实验台上开展了多工况模拟实验。实验结果表明：所设计控制器在50 N加载下的平均误差为0.21 N，小于PID控制的0.27 N；在打磨角度从0°～75°变化的50 N加载中，打磨端输出力的误差最大为1.44 N；在存在干扰的50 N加载下的最大误差为7.24 N，小于常规自抗扰控制的11.79 N和PID控制器的14.77 N。该控制算法相对于传统PID控制具有更好的鲁棒性、跟踪性和抗干扰能力，而且针对打磨姿态变化的末端输出力有较好的补偿效果，提高了系统的恒力控制性能。

关键词：力控制气动系统 LuGre摩擦模型补偿重力补偿自抗扰控制

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基于化学计量学鉴定不同甜橙精油挥发性成分

食品科学 2024年第7期45卷 155-163页

作者：刘菲斐陈晋陈健乐刘东红叶兴乾程焕浙江大学生物系统工程与食品科学学院智能食品加工技术与装备国家地方联合工研究中心馥莉食品研究院浙江省农产品加工技术研究重点实验室浙江省健康食品制造与品质控制国际合作基地浙江杭州310058 浙江大学长三角智慧绿洲创新中心浙江嘉兴314102 浙江大学宁波科创中心浙江宁波315100

采用感官定量描述分析、气相色谱-离子迁移谱(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)及快速气相电子鼻并结合化学计量学,对采用冷压(cold pressing,CP)、微波辅助水蒸气蒸馏(microwaveassisted hydrodistillation,MAHD)和旋转锥蒸馏塔(spinning cone column,SCC)法提取的甜橙(血橙和脐橙为代表)精油进行挥发性成分差异分析。结果表明:3种方式提取的甜橙精油风味组成存在明显差异,CP提取精油喜爱度最高且具有更强的果香、甜香和花香,MAHD精油具有更强的脂香、青香和木香,而SCC萃取液香气浓度较低;GC-IMS共鉴定出64种挥发性化合物,主要为萜烯类、醇类和醛类,其次是酸类、酯类和其他化合物,指纹图谱结果显示,萜烯类在CP和MAHD精油中含量明显高于SCC萃取液,而醇类和醛类在MAHD精油和SCC萃取液中含量明显高于CP精油;基于相对气味活性值鉴定出β-月桂烯和芳樟醇是甜橙精油风味的主要贡献者;GC-IMS结合偏最小二乘法判别分析和变量投影重要性筛选出13种区分6种精油的标志性差异挥发性化合物;此外,快速气相电子鼻结合主成分分析和判别因子分析也能够成功区分6种甜橙精油挥发物差异。

关键词：脐橙血橙精油挥发性化合物化学计量学

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蛋白元件的智能挖掘、改造和从头设计

生物工程学报 2024年

作者：刘翠史振坤马红武廖小平中国科学院天津工业生物技术研究所国家合成生物技术创新中心

天然元件服务于细胞长期进化获得的生存本能，难以满足工程细胞在工业等特殊环境下高效执行生物功能的需求。酶作为生物催化剂，在生物合成途径中发挥着关键作用，它们能够显著提高生化反应的速率和选择性。然而，天然酶的催化效率、稳... 详细信息

天然元件服务于细胞长期进化获得的生存本能，难以满足工程细胞在工业等特殊环境下高效执行生物功能的需求。酶作为生物催化剂，在生物合成途径中发挥着关键作用，它们能够显著提高生化反应的速率和选择性。然而，天然酶的催化效率、稳定性、底物特异性和耐受性等方面往往不能满足工业生产的需求。因此，挖掘和设计改造酶以适应特定的生物制造过程至关重要。近年来，人工智能(artificial intelligence， AI)技术在蛋白的挖掘、评估、改造和从头设计中发挥着越来越重要的作用。AI技术可以通过机器学习和深度学习算法，分析大量的生物信息学数据，预测蛋白的功能和特性，从而加速蛋白的发现和优化过程。此外，AI还可以辅助科研人员从头设计新的蛋白结构，通过模拟和预测其在不同条件下的性能，为蛋白的设计提供指导。本文综述了面向生物制造的蛋白元件挖掘、评估、改造以及从头设计的最新研究进展，探讨了该领域的热点问题、难点以及新兴技术方法，旨在为相关领域的科研工作提供指导。

关键词：生物制造酶挖掘评估蛋白改造从头设计

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金属3D打印数字化制造研究进展

金属学报 2024年第5期60卷 569-584页

作者：刘壮壮丁明路谢建新北京科技大学新材料技术研究院材料先进制备技术教育部重点实验室北京100083 北京科技大学新材料技术研究院现代交通金属材料与加工技术北京实验室北京100083 北京科技大学新材料技术研究院北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083

数字化制造将传统的制造过程转化为数字模型,实现对整个制造流程的智能控制,进而快速生产出满足要求的产品。金属3D打印是一个具有多物理场强耦合作用、过程强时变扰动、内禀关系非线性以及多变量与多目标等特点的复杂物理过程,实现金... 详细信息

数字化制造将传统的制造过程转化为数字模型,实现对整个制造流程的智能控制,进而快速生产出满足要求的产品。金属3D打印是一个具有多物理场强耦合作用、过程强时变扰动、内禀关系非线性以及多变量与多目标等特点的复杂物理过程,实现金属3D打印全流程的数字化控制,有望解决当前3D打印零件质量一致性和性能稳定性低的瓶颈问题,推动高质量3D打印技术的发展。本文首先分析了金属3D打印的技术特征和数字化制造的基本内涵,随后从3D打印过程数据在线监测、数字化仿真、物理与信息系统交互3个方面综述了金属3D打印数字化制造的研究进展,最后讨论了数字化制造在金属3D打印领域的未来研究重点,展望了发展前景。

关键词： 3D打印增材制造机器学习数字化制造

基于积分强化学习的助力型人-机协同搬运研究

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机械设计与研究 2024年第1期40卷 31-36页

作者：齐春雨张树忠陈旭飞王馨裕张弓福建理工大学福建省智能加工技术及装备重点实验室福州350108 广州先进技术研究所前瞻科学与技术研究中心广州511458

日常实践中存在大量人类与人类之间的繁重物件转移和搬运操作,人们需要共同将此类物体笨拙地搬运至目标位置,这都需要耗费大量的时间和人力。随着协作机器人的广泛应用,这些简单、耗时又耗力的任务,都可让协作机器人作为人类的同事,以... 详细信息

日常实践中存在大量人类与人类之间的繁重物件转移和搬运操作,人们需要共同将此类物体笨拙地搬运至目标位置,这都需要耗费大量的时间和人力。随着协作机器人的广泛应用,这些简单、耗时又耗力的任务,都可让协作机器人作为人类的同事,以自然又高效的方式无缝地协同工作,就像人类与人类一样。为此,针对人-机协同搬运中位置精度低,所需操作者交互力过高等问题,提出了一种基于积分强化学习的助力型人-机协同搬运方法。根据人-机协同搬运的动力学模型,重点分析协同搬运的全流程。提出协同搬运的内外环数学模型,然后采用基于积分强化学习的自适应阻抗控制,来实现人与机器人的协同搬运。最后通过人-机协同搬运的实验,验证了所提出方法的有效性。

关键词：人-机协同物体搬运阻抗控制积分强化学习

考虑局部过热约束的自支撑结构等几何拓扑优化

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机械工程学报 2024年第11期60卷 41-52页

作者：宗子凯肖蜜周冕沙伟高亮华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074 华中科技大学国家智能设计与数控技术创新中心武汉430074

等几何拓扑优化方法实现结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺条件,因此,在优化设计阶段考虑制... 详细信息

等几何拓扑优化方法实现结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺条件,因此,在优化设计阶段考虑制造工艺约束显得尤为重要。针对金属增材制造中常见的局部过热现象和悬垂角要求,提出一种约束局部过热的自支撑结构等几何拓扑优化方法。采用基于等几何分析的变密度法,引入可打印密度的概念,将不满足打印要求的单元过滤,实现结构自支撑;采用稳态热过程模拟模型近似评估结构的局部过热程度,并将其引入等几何拓扑优化模型中加以约束。数值算例和仿真结果表明,相比于传统等几何拓扑优化方法和仅考虑自支撑特性的等几何拓扑优化方法,该方法设计的结构在满足自支撑特性的基础上,能有效缓解增材制造中结构的局部过热现象,从而减小结构的热变形,提高尺寸精度。

关键词：等几何拓扑优化悬垂角约束局部过热约束增材制造