研究领域与方向

3.装备原型开发与系统集成

发布时间:2015年12月24日 作者: 浏览次数:9186

在役缆索索力时空变换电磁检测原理研究(武新军)

     钢缆索具有高强质轻等突出优点,广泛应用于大型桥梁、旅游索道等基础设施;为了保证这些基础设施的安全运行,对在役缆索进行定期检测具有重要意义,其中缆索的索力测量是所有检测项目中的重中之重,直接关系到缆索的安全运行;而现有的索力测量方法不能很好地解决在役缆索的在线检测。已有研究表明,起始微分磁化率的倒数值(RVIDS, reciprocal value of initial differential susceptibility)与材料应力成线性关系,如何测量铁磁材料的起始磁化曲线对探索新的索力测量方法具有重要意义。现有测量方法采用随时间变化磁场作为激励磁场,通过改变激励磁场大小,逐步改变试件内的磁场及磁感应强度并进行测量以得到起始磁化曲线,效率较低,准备繁琐。

     为此,从基本的磁学物理定理出发,提出一种基于时空变换的起始磁化曲线推算方法。该方法以细长棒状试件或环形试件作为被测试件,采用恒定磁化在被测试件内产生空间变化磁场作为激励磁场,通过测量试件表面的磁场值来推算试件内磁场值,从而获取铁磁材料起始磁化曲线。直流线圈恒定磁化环形和棒状试件仿真实验验证了该方法的理论正确性。进一步地,考虑实际应用限制因素的推算结果表明了该方法在实际应用中是可行的,可为探索新的起始磁化曲线测量方法提供理论指导。相关研究结果已投Journal of Magnetism and Magnetic Materials,《物理学报》(已录用)等期刊。

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图 起始磁化曲线推算方法       缆索索力时空变换电磁检测实验平台

敏捷制造系统的多机器人协同控制技术(张海涛)

     现代制造的复杂作业需要多机器人协同完成(如图),然而目前的多机器人生产线难以适应小批量、多品种的生产,缺乏敏捷制造的能力。针对敏捷制造对多机器人协同控制的需求,本工作贡献在于:挖掘自然界鸽群、鱼群等群体中低等的个体生物智能对高度协调的群集动力学涌现行为的作用规律,提炼了个体预测智能对群集构型稳定性和协同效率的改善作用,揭示了“蜂拥/涡旋/迁徙”三种典型多机器人协作构型的动力学演化和自组织相变规律,阐明了多机器人系统的协调控制对数字化制造系统效率和顺应性的改善作用,提出了狭小空间下多机器人的预测控制策略和协作构型的自组织控制方法(如图),研究成果已在封闭加工操作曲线上的多机器人往复运动协调作业控制中取得了成功应用,提高了多机器人协作效率。同时,成果也应用于多个企业,创造了超过1700万元的经济效益。十八篇论文发表于IEEE会刊和Automatica,七篇论文发表于国际物理评论、欧洲物理快报和新物理学期刊。获得了德国科学院院士Helbing、美国科学院院士Stanley、美国工程院院士、澳大利亚科学院前院长Anderson、美国工程院院士R.Murray及其他二十余位IEEE Fellow的肯定,指出“通过有限距离通信实现机器人群体的分布式控制”、“提出了一系列预测控制方法,加快了多机器人系统到达同步一致的速度”。研究成果获得了2015年度湖北省自然科学一等奖(排名第一)。基于上述成果,张海涛教授受美国科学院院长Ralph J Cicerone的邀请,在加州尔湾举办的第15届中美青年科学前沿科学会议中做有关多机器人协同控制的大会报告。

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图 多机器人自组织协同建造、装配等,及本工作提出的多机器人协同往复运动控制方法及应用

高性能无线射频识别标签制造核心技术与装备(陶波、陈建魁、尹周平)

     无线射频识别(RFID)技术是物联网核心技术之一,可广泛应用于制造、医疗、国防等领域,是实现智能制造系统构建的核心使能技术。随着RFID 技术在制造、国防等领域的深度应用,复杂工况下RFID 标签的微薄化、抗金属、长寿命的性能需求与其高效、高精、高可靠的制造要求相互制约,对高性能RFID 标签制造提出了挑战。在国家自然科学基金、973等项目持续资助下,尹周平、陶波、陈建魁等就高性能RFID标签制造工艺机理与装备技术展开了多年的研究。主要进展包括:研究了超薄芯片倒装键合界面形成机理,发现了导电胶倒装键合中接触电阻“弯曲效应”,提出了基于加热因子的RFID键合性能定量评价与在线调控方法,解决了RFID接触电阻失稳导致键合性能难以精确控制的难题;研究了倒装贴片过程中超薄芯片的剥离拾取问题,从理论上解释了芯片尺寸、厚度等对拾取工艺与成功率的影响,研制了柔性顶针剥离装置和气动驱动翻转装置,实现了100�m 的RFID芯片高效高可靠拾取,剥离成功率 > 99.9%;研究了精密视觉引导下的微小芯片高效高精贴片方法,实现了飞行视觉引导下,微薄RFID芯片高效高精贴片(贴片精度±20�m,贴片效率>5000UPH);自主研制了我国第一台高性能RFID标签封装设备,实现了抗金属、长寿命的高性能RFID标签高效高精制造。相关研究成果发表在IEEE Trans.、ASME、SSMT、MR等国际重要学术期刊,在三一重工、西电集团、武重、武船、上汽通用五菱、美的、华为等10余家大型企业得到成功应用。

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图(a): RFID键合界面接触电阻的“弯曲效应”

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图(b):RFID键合性能的在线调控

 

 

轴承的显微漏磁探伤设备研制(康宜华)

     铁磁性零部件的精度和可靠性对主机性能更是起着决定性作用,为此更高精度和速度探伤需求不断涌现。为突破漏磁设备探伤灵敏度和探伤速度极限,着重开展了显微漏磁探伤方法的研究,进行了显微漏磁探伤设备的开发。

     磁场测量传感器实现磁场信号的转换,是漏磁无损检测新技术的核心,决定着检测电信号的信噪比、分辨率及稳定性等多项性能。不同的磁电转换元件和磁场测量方法将带来不同的探头结构。常规的漏磁探伤方法主要针对的是毫米级、厘米级的缺陷,感应线圈和霍尔元件等传感器一般采    

     用非接触状态下的在线探伤。显微漏磁探伤的目标是解决微米级缺陷的探伤,磁测量方法和测量提离设计至关重要。基于磁头及巨磁阻检测原理,采用桥式前处理信号系统,提出了零提离下微弱磁场的拾取方法,发明了零提离的弱磁阵列传感器系统。显微电磁检测工位采用零提离弱磁阵列浮动式传感器实现轴承圈内外表面及上下端面的全覆盖自动化检测,检测速度可达3秒一件,目前可探测的最小裂纹深度为10-30μm、宽度为10-30μm,有效提升了漏磁探伤的精度和速度。

     该项研究,以磁探针为基础的数字化显示技术取代以磁粉为基础的磁痕人工观察,将极大地提升微细缺陷的探伤可靠性和速度,提升电磁探伤整体水平。

 

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图 轮毂轴承电磁探伤设备

 

自动铺带工艺关键理论与技术研究进展(孙容磊)

     碳纤维树脂基复合材料构件具有质量轻、强度高、抗疲劳和耐蚀性的特点,是新一代航空航天器的关键基础部件,其在飞机上的应用已从次承力结构(舱门、整流罩、安定面等)扩展到主承力结构(机翼、机身等),国外四代机的复合材料用量占结构件重量的24%~40%,波音B787复合材料的应用更是高达50%。自动铺带是复合材料成型制造的关键技术,数字制造装备与技术国家重点实验室孙容磊课题组围绕自动铺带路径规划与铺放工艺参数优化开展了深入的研究。

     课题组建立了以粘性、铺覆性、带宽选择为基础的铺放适宜性判据,用于指导铺放工艺规划,相关成果发表在Chin. J. Aeronaut.(2015; 28(5): 1574-1581),核心算法已集成于大型三维软件UG 6.0,实现了与铺放软件的集成,并获得软件著作权 (登记号:2013SR016580)。揭示了铺放压力、铺放速度、模具温度以及压辊形状对铺层贴合力的影响规律,建立了相邻铺层贴合成形模型,相关成果已发表在“复合材料学报”(2014; 1: 40-48)。提出了一种适用于自动铺带工艺的高效测地线计算方法,提高铺放质量和材料利用率,相关成果已发表在国际权威学术期刊Comput. Aided Geom. Des.(2015; 38: 24-37)。上述研究成果已应用于大型自动铺带机,铺放实验表明,所提出的方法提高了铺放质量和铺放效率。

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图 自动铺带关键技术研究进展

 

柔性电子喷印装备研制(黄永安、尹周平)

     在电喷印原理样机的基础上研制了多功能电流体喷印装备:1)提出了硅基阵列化喷印喷头设计方法,并开发出与Me-Jet Printing相适应的阵列化喷头;2)提出了多级电压控制方法,实现阵列化喷嘴的独立可控,并降低了柔性基板电击穿现象;3)提出了电喷印的表面响应参数优化算法,实现工艺参数智能选取;4)集成电流体打印系统、微环境控制系统、多运动模式系统、多相机视觉系统、卷到卷系统,研制了第二代(Me-Jet Printer XR1)、第三代(Me-Jet Printer D1)多功能电流体喷印装备。相关成果发表在J. Nanosci & Nanotech(2014),申请国家发明专利20项,授权8项,申请国际发明专利1项。

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图 Me-Jet Printer XR1装备

 

针对有限缓冲区约束的大规模混合流水车间调度问题的研究(潘全科)

     有限缓冲区约束是实际生产过程中典型存在的约束条件,在经典的流水车间调度问题中得到了较多的研究和关注。混合流水车间调度问题中考虑有限缓冲区约束,由于其复杂性较高,相关研究的文献还很少。针对带有有限缓冲区约束的大规模混合流水车间调度问题:(1)给出了一种结合人工蜂群优化算法和禁忌搜索算法的混合算法;(2)结合问题约束条件,给出了一种有效的解码方案,该方案充分考虑有限缓冲区约束,降低了解码过程的复杂性;(3)结合问题特征,给出了四种邻域结构,有效平衡了算法的全局搜索和局部搜索能力;(4)给出了一种新的变邻域自适应机制,该机制结合禁忌搜索算法的特点,充分挖掘较优邻域的搜索能力和算法跳出局部最优的能力,有效实现了全局和局部搜索的平衡;(5)提出了一种新的基于禁忌搜索的局部搜索方法,该方法有效地提高了算法的搜索能力;(6)结合实验分析,证明了所提出了各个算法或机制的有效性;(7)通过在经典算例和随机生成算例的大量实验,并与经典算法进行对比分析,验证了混合算法的有效性和鲁棒性。

 

离散车间制造系统高效低碳运行优化理论与关键技术(张超勇、李培根)

     (1)建立了车间制造系统能量效率体系和碳排放量化方法,基于时段能量模型的机床机电主传动系统服役过程能量效率模型,以及机械制造系统能效评估指标体系,提出了一种机械加工过程能量效率在线获取方法。(2)提出了数控加工的高效低碳切削参数、工艺路线优化方法,建立了以最小加工时间(高效)和最低碳排放(低碳)为优化的多目标模型,设计智能算法优化求解,揭示了工艺参数与碳排放的关联规律。(3)深入系统研究调度问题邻域结构,根据问题本质特征设计混合算法,使算法在集中搜索和分散搜索之间达到更合理的平衡。基于周期与事件驱动的再调度策略,考虑机器故障/修复、紧急订单到达、普通订单到达等动态事件,研究在不同的再调度周期下调度的差异,用于指导生产实践。(4)针对并行机、流水车间,设计了最小生产效率、能量消耗和峰值载荷的智能调度算法;针对作业车间,建立了综合考虑能耗、效率与调度稳定性的多目标模型,设计了多目标智能求解算法。(5)建立基于车间设备能耗知识库和数据库的车间制造系统能效监测和优化支持系统,研发面向能效管控的制造执行系统,在某商用车发动机厂推广应用。

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图(a)切削参数高效低碳优化实验平台 (b)机械加工车间能效管控系统

 

基于拓扑优化的智能设计技术(高亮、李培根)

     拓扑优化是指在限定的结构设计空间中,通过优化方法和技术,寻找满足设计约束的结构最优拓扑,以尽可能少的成本和材料,尽可能短的设计周期,实现结构智能化、自动化的创新设计,以替代传统的经验式设计方式。然而,基于拓扑优化的智能设计技术在实际工程应用中仍然面临困难:现有研究主要采用基于单元密度的插值方法,缺乏对结构边界的精确描述能力,导致优化结果难以与CAD/CAE软件集成;经过拓扑优化设计后的结构域内存在复杂的材料分布路径,使得最优拓扑结构难以加工制造。

     围绕结构拓扑优化设计技术的科学挑战,提出了基于离散小波分解和紧支撑径向基函数的参数化水平集方法,构建了结构边界的高效追踪技术,实现了最优结构拓扑与CAD/CAE软件的无缝集成;以参数化水平集方法为基础,扩展了其在多工况结构拓扑优化设计、动力学结构拓扑优化设计、材料微结构拓扑优化设计以及结构/材料一体化拓扑优化设计等方面的应用,为基于隐式边界描述的拓扑优化技术研究与应用奠定了理论基础;突破了面向可制造性的结构拓扑优化技术,打破了基于结构拓扑优化的智能设计技术在工程应用中的困局。相关成果发表于力学、结构设计领域国际顶级期刊IJNME、SMO等,并在WCCM等顶级国际会议宣讲,被国际知名学者正面评述。

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图 基于拓扑优化的宏观及细观结构智能设计

 

超高压浮力调节海水泵研制(刘银水)

     大深度载人或无人潜器是海洋开发走向深海的重要载体。海水浮力调节系统是潜器重要的子系统,海水泵是海水浮力调节系统的核心,。对于大深度潜器,该泵属于超高压范畴,被列为大深度潜器的三大关键技术之一,已成为制约我国大深度潜器发展的瓶颈技术之一。

     以 “4500米载人潜器”为工程应用背景,对水介质的理化和悬沙特性、超高压海水泵的结构型式、关键配对副的新型材料与工艺、柱塞副的腐蚀磨损机理及对工作介质的适应性、海水泵性能随工况变化的迁移特征等关键技术问题进行了系统深入的研究,重点解决如下科学问题:A. 大深度环境下精密配合尺寸的协调控制与补偿;B. 开式高压环境下高速重载摩擦副的失效;C. 极端工况下的高效密封。

     成功研制出最高压力为48MPa,流量≥5L/min,容积效率≥80%的海水泵,从而使我国掌握大深度潜器又一核心技术,具备4500米以浅海水浮力调节系统的配套能力,并已研制出系列化产品,批量应用于多个型号的水下潜器和机器人,用户有中船重工集团公司第702所、710所。同时将相关技术进行推广应用到武汉钢铁公司、潍柴动力股份有限公司以及南京消防设备有限公司等行业重点企业。获得国际专利三项,中国专利15项。部分成果发表于Wear、Ocean Eng.、Int. J. Refract. Met. Hard Mat.等国际期刊。

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图 4500米级浮力调节超高压海水泵及模拟环境试验

 

高精度宽光谱穆勒矩阵椭偏仪研制(刘世元、张传维)

     椭偏仪是一种利用光的偏振态改变信息来分析样品的重要科学仪器,广泛应用于基础科学研究、材料光学常数与膜厚测量,近期也开始用于纳米结构测量。穆勒矩阵椭偏仪代表了椭偏仪中的最高水平,但其技术和产品一直为国外极少数单位和企业所垄断,目前国内只能提供单波长、低精度的中低端产品。穆勒矩阵椭偏仪的基本原理,是通过复杂的偏振态调制与解调过程,实现4x4阶全穆勒矩阵光谱的测量,其技术挑战主要体现在,如何同时保证全穆勒矩阵测量中的宽光谱与高精度。

     自主研制出国内第一台高精度宽光谱穆勒矩阵椭偏仪,发明了宽光谱消色差补偿器、超微光斑探测器、双旋转补偿器同步控制、仪器精密校准算法等核心部件与关键技术,具有完全自主知识产权。可以一次性获得全部16个Mueller矩阵元素;波长范围200~1000 nm;入射角范围45~90°;单点测量时间1~8 s。根据中国计量科学研究院出具的测试报告显示,仪器各项性能指标均达到国际先进水平,其中100nm厚度SiO2标准薄膜样件重复测量精度优于0.0012nm,为目前国际上最高水平。

     上研究成果获授权国际发明专利3件、中国发明专利22件。仪器在比利时微电子研究中心(IMEC)、瑞士保罗谢勒研究所(PSI)等国内外10家单位获得成功应用,产生了重要的国际影响。应Thin Solid Films邀请,发表特邀综述论文“Development of a broadband Mueller matrix ellipsometer as a powerful tool for nanostructure metrology”,从测量原理与方法、仪器研制与应用等方面,系统介绍了纳米结构穆勒矩阵椭偏散射计算测量方面的研究进展。

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图 高精度宽光谱穆勒矩阵椭偏仪原理样机与工程样机

 

高超音速流场实时精确测量系统的研制与应用(杨华、熊有伦)

     针对高速时变流场精确测量需求,提出了实时自适应PIV测量原理,研制了第一代Real Time Adaptive-PIV(RTA-PIV)测量仪器并搭建了测试平台。测试平台能够产生低声速空气流动,流动区域达到100×100×600 mm3的大小,能够容纳足够大小的空气动力学模型。传统PIV测量采用开环的测量方式,采集粒子图像的时间间隔是固定的,无法适应时变空气流场的精确测量需求。为此,研究小组研制了第一代RTA-PIV测量仪,该仪器能根据流场特征自适应调整粒子图像采集时间间隔,提高测量的精度和准度。第一代RTA-PIV测量仪包含高速分光相机(200fps@130wpixels)、高速图像处理机(实时并行处理数字图像)以及RTA-PIV测量软件三部分。      

     针对实时精确测量需求,提出了一种分层迭代光流PIV测量算法,能够快速处理图片模糊带来的测量不准确的问题;针对流场估计中出现明显错误的特征与流场重构问题,提出了一种基于PIV信号模型的贝叶斯检测算法,能够有效的、更高精度的检测和处理坏点。相关的理论成果分别发表在Exp. Fluids论文1篇和国际会议论文4篇。

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图 RTA-PIV测试平台

 

集成式工艺规划与车间调度理论与方法(李新宇、高亮)

     (1)针对IPPS问题缺乏数学模型的现状,建立了该问题的混合整数规划模型。基于JSP问题的数学模型,并考虑到可选工艺路线约束,给出了IPPS问题目标函数和约束条件的数学表达式。为单目标和多目标IPPS问题的求解提供了理论模型;(2)针对IPPS问题传统串行优化策略的不足,提出了集成优化的新策略。提出了多段式编码方法用于解的表达,能同时对工艺路线和车间调度进行协同优化,提高了求解效率,解决了传统串行优化策略无法同时优化工艺路线和调度方案的难题。基于该策略,进一步提出了基于Agent的IPPS问题求解方法。采用已有文献中的6个实例进行测试,刷新了5个问题的世界最好解(第6个已求得最优解);(3)针对IPPS问题求解算法单一的现状,提出了基于改进遗传算法/混合遗传禁忌搜索的求解方法。第一种方法提出了针对IPPS问题分段编码策略,解决了传统编码策略解码方法复杂的难题;第二种方法将全局搜索能力较强的遗传算法和局部搜索能力较强的禁忌搜索算法相混合,并在全局搜索和局部搜索之间进行有效的平衡,大大提高了算法的搜索性能,解决了单一算法易陷入局部最优的难题。对国际通用的Kim标准测试集的24个问题进行求解,刷新了18个问题的世界最好解。近两年,发表论文SCI收录/录用论文10余篇;2014年1月获得教育部自然科学一等奖(排名第4);2015年入选武汉市青年科技晨光计划。

 

 

 

 

 

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