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    1. 航空难加工材料切削刀具磨损与剩余寿命预测研究进展
    罗欢, 张定华, 罗明
    中国机械工程    2021, 32 (22): 2647-2666.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.22.001
    摘要367)      PDF (2230KB)(375)    收藏
    航空制造领域因轻量化、强度等特殊的应用需求,大量使用钛合金、镍基合金等难切削材料,刀具磨损速率快,刀具过度磨损会影响产品质量,在保证产品质量的前提下,为了充分发挥刀具使用价值,亟需监测刀具磨损状态和预测刀具剩余寿命。针对刀具剩余寿命预测的定义、分类和主要预测方法进行了阐述,同时,刀具磨损监测作为刀具寿命预测的基础和先决条件,简述了其重要的流程和常见模型。刀具剩余寿命预测模型主要包括基于物理模型的预测、基于数据驱动的预测和混合预测三大类,对不同预测方法的优缺点和适用场景进行总结,并讨论了刀具剩余寿命预测的未来研究方向。
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    2. 机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的研究进展
    张建勋, 姚斌, 代煜, 夏光明,
    中国机械工程    2021, 32 (21): 2521-2531.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.001
    摘要231)      PDF (4488KB)(329)    收藏
    为了推动机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的深入研究和临床应用,综述了其研究进展。针对有传感器的力感知,将其分为基于电信号和基于光信号两类,分析了传感器在手术器械上的位置分布、机械结构、测量范围、测量精度和电磁兼容性等关键指标,并讨论了其优势和局限;针对无传感器的力感知,将其分为基于视觉和基于动力学模型两类,并分析了其实现方法、技术障碍和误差来源。最后,展望了机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的发展趋势。
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    3. 数字孪生驱动的数控铣削刀具磨损在线监测方法
    李聪波, 孙鑫, 侯晓博, 赵希坤, 吴少卿
    中国机械工程    2022, 33 (01): 78-87.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.01.009
    摘要225)      PDF (11516KB)(369)    收藏
    针对数控铣床不断老化导致刀具磨损预测模型误差较大,加工过程中动态数据难以在线采集等问题,提出一种数字孪生驱动的刀具磨损在线监测方法。采用神经网络对加工过程中的多源数据进行特征提取,建立考虑机床老化的刀具磨损时变偏差量化模型,并在此基础上提出数控铣削刀具磨损的在线预测方法;开发了面向刀具磨损的数控铣削数字孪生系统,在线感知加工过程中的动态数据并实时仿真刀具磨损过程;最后,将该方法应用于实际加工中并与其他的预测方法进行了对比,结果表明该方法有效降低了机床老化带来的误差,实现了刀具磨损的精确预测。
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    4. 航空航天先进制造技术与装备专辑(电子版)
    中国机械工程    2021, 32 (23): 1-.  
    摘要218)      PDF (140286KB)(366)    收藏
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    5. 运行工况下风电传动系统机电耦合建模及其动态特性分析
    秦大同, 吕雪慧, 陈锐博, 杨战斌
    中国机械工程    2022, 33 (03): 253-260.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.001
    摘要210)      PDF (5566KB)(215)    收藏
    为研究风电传动系统在变速变载运行工况下的机电耦合动态特性,构建的包括齿轮系统动力学模型、永磁同步发电机有限元模型以及风机运行控制模型的风电传动系统机电耦合模型,计入了齿轮时变啮合刚度以及发电机齿槽效应、磁饱和等非线性因素。仿真分析了风电传动系统在启动、发电运行工况下的动态响应和机电耦合动态特性。研究结果表明:启动工况下,风电传动系统动态响应平稳;发电运行工况下,风电传动系统处于变速变载状态,易被激起低频振荡,动态响应复杂。在发电机齿槽效应、磁饱和等因素作用下,电流和电磁转矩产生由时间谐波和空间谐波引起的主谐波频率波动;经机电耦合作用,齿轮振动特性与发电机电磁特性相互影响,电流和电磁转矩中含有更多与齿轮啮合相关的机械振动频率成分,同时电磁转矩反作用于齿轮系统,激发齿轮系统产生丰富的结构频率。
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    6. 基于凸多面体碰撞检测的虚拟砂轮建模研究
    陈豪, 赵继, 徐秀玲, 于天彪
    中国机械工程    2022, 33 (02): 127-133.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.001
    摘要184)      PDF (9130KB)(206)    收藏
    虚拟砂轮建模时大多采用包围球对磨粒进行碰撞检测,而包围球相互接触时凸多面体磨粒之间仍存在间隙,导致虚拟砂轮表面与实际砂轮表面差异较大,影响后续磨削过程仿真的准确性。针对这一问题,提出了一种基于凸多面体碰撞检测的虚拟砂轮建模方法。推导了砂轮表面磨粒随机位置的数学模型,基于凸多面体碰撞检测判断磨粒干涉状况,最终生成虚拟砂轮。对基于凸多面体和包围球碰撞检测方法生成的虚拟砂轮表面进行对比分析,发现前者的磨粒位置更具随机性,且可以生成磨粒率为60%的虚拟砂轮,后者则不能生成磨粒率大于50%的虚拟砂轮。最后将虚拟砂轮与真实砂轮进行对比分析,结果表明虚拟砂轮与真实砂轮的表面特征一致,证明了该方法的优越性。
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    7. 基于人工侧线的履带装备水阻力计算方法
    吴家雄, 申焱华, 杨舒迪, 冯志鹏
    中国机械工程    2022, 33 (10): 1135-1141.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.001
    摘要184)      PDF (7590KB)(285)    收藏
    针对水下装备的水阻力无法实时测量的问题,提出了一种基于人工侧线的履带装备水阻力计算方法。通过履带装备模型的人工侧线系统,提取不同来流速度和来流角度的传感器压力值,应用压力值的分布规律对履带装备模型的局部流场信息进行感知。通过履带装备模型水阻力拘束实验结合计算流体动力学(CFD)仿真的方式对水阻力系数进行辨识,建立履带装备模型的迎流面外形与黏性水阻力系数的函数关系。将人工侧线的流场感知结果作为输入,实时计算履带装备模型的水阻力。履带装备模型的人工侧线和水动力验证结果表明,人工侧线的压力分布特性可以有效地识别流场的来流速度和来流角度,履带装备模型的水阻力计算误差在工程应用可接受范围内。
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    8. 微量润滑复合增效技术及其应用研究进展
    杨简彰, 王成勇, 袁尧辉, 袁松梅, 王西彬, 梁赐乐, 李伟秋
    中国机械工程    2022, 33 (05): 506-528.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.001
    摘要182)      PDF (22261KB)(316)    收藏
    微量润滑技术具有切削液用量少、润滑效率高等优点,但在特定工况下仍存在冷却性不足以及润滑不充分等问题。微量润滑复合增效技术,如低温冷风、液态CO2等,综合了良好冷却和润滑优势,可有效解决难加工材料清洁切削加工难题。综述了各类微量润滑复合增效技术原理、关键装置及其工艺应用最新研究进展,详细剖析了各类装置性能及其参数调控特性。结合微量润滑复合增效应用形式和作用机制,系统分析了其在钛合金、镍基合金、不锈钢等难加工材料的应用性能,并对各类微量润滑复合增效技术进行了可持续性分析,为清洁切削技术的工程应用提供技术支撑和参考。
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    9. 20年来齿轮测量技术的发展
    石照耀, 于渤, 宋辉旭, 王笑一
    中国机械工程    2022, 33 (09): 1009-1024.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.09.001
    摘要174)      PDF (72652KB)(303)    收藏
    推动齿轮测量技术发展的力量有两股,一是齿轮产业发展对齿轮测量不断提出的新要求,二是不断进步的关联技术在齿轮测量领域的渗透。21世纪以来,这两股力量的交汇推动了齿轮测量技术的快速发展。在简要回顾20世纪齿轮精度理论和齿轮测量技术演变的基础上,提出了齿轮广义精度理论的基本要义,从齿轮全信息测量技术、面向生产现场的齿轮在线快速分选检测技术、面向特大齿轮和微小齿轮的极端测量技术、高精度齿轮样板及量值传递等多个方面系统归纳了20年来齿轮测量技术的新发展。齿轮精密测量肇始至今已历经百多年,目前处在第三代齿轮测量向下一代齿轮测量跨越的关键阶段。提出了下一代齿轮测量的整体技术构想,列出为实现下一代齿轮测量必须攻克的基础理论和关键技术问题,展望了未来10年齿轮测量的研究重点和科学问题。
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    10. 一种基于磁力吸附的储罐爬壁机器人本体设计
    邱仕诚, 伍剑波, 赵恒忠, 王珅, 胡启凡, 颜荣
    中国机械工程    2022, 33 (03): 270-278.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.003
    摘要165)      PDF (11924KB)(195)    收藏
    对于大型储罐焊缝缺陷自动化检测,爬壁机器人需完成自动化全方位扫查。针对储罐爬壁机器人在不同运行工况下的受力状态,建立爬壁机器人力学模型,分析获得不下滑、不纵向倾覆、不横向侧翻以及复合状态下失稳状态危险点,应用Maxwell软件对永磁吸附轮受力状态进行仿真与优化设计,使之满足吸附要求。同时,设计具有辅助吸附功能的编码轮结构,在反馈位置信息的同时,补充安全吸附力的裕度,以增加其越障和抗失稳能力。最后,依据设计模型制造出爬壁机器人本体并进行测试实验,实验结果证明该机器人能在各种危险点处实现带负载稳定全向驱动运行。
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    11. 弧齿锥齿轮参数调节状态下行波共振特性及其影响规律研究
    栾孝驰, 赵宇, 沙云东, 柳贡民, 赵钱,
    中国机械工程    2021, 32 (24): 2899-2908,2914.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.001
    摘要162)      PDF (7272KB)(105)    收藏
    针对某型航空发动机中央传动锥齿轮在实际使用中因行波共振造成的从动轮断裂失效问题,采用仿真分析与试验验证相结合的方法,研究弧齿锥齿轮参数调节状态下的行波共振特性及其影响规律。基于有限元方法对齿轮进行模态分析,讨论辐板厚度和工作温度对齿轮行波共振特性的影响;基于Hertz接触理论对啮合齿轮进行瞬态动力学分析,重点讨论行波共振状态下负载功率、工作温度及阻尼系数对齿轮应力分布的影响。仿真与试验对比结果表明:模态计算和动力学分析的仿真结果误差均在合理范围内。在满足齿轮设计有关要求前提下,调整辐板厚度可避开共振转速或共振频率。在振动应力分布的共振参数敏感性方面:当齿轮在三四节径行波共振状态下工作时,齿根处应力值最大,辐板正面应力值最小;随着齿轮负载功率、工作温度和阻尼系数变化,从动轮辐板正面应力变化较小,辐板背面和齿根处变化较大。在该齿轮改进和优化设计中,需重点针对三四节径行波共振进行处理。
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    12. 具备温度感知的船用智能水润滑尾轴承设计及性能验证
    薛恩驰, 郭智威, 袁成清,
    中国机械工程    2022, 33 (14): 1639-1645.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.14.001
    摘要157)      PDF (3728KB)(107)    收藏
    提出了一种船用智能水润滑尾轴承的创新设计方法,以此辅助船舶尾轴系统在苛刻环境下的运行状态监测与性能预测。基于微型嵌入式自供电监测系统和水润滑轴承结构与材料设计,实时采集与分析船舶航行中水润滑轴承的关键性能参数,实现其运行状态辨识、评估与寿命预测。以苛刻工况下轴承内部温度变化特性及其表征为例,利用CBZ-1摩擦磨损试验机进行智能水润滑尾轴承设计方案的可行性验证。试验结果表明,轴承内部温度可以很好地反映其润滑与工作状态,常温水润滑条件下,其初期升温速度为0.1~0.4 ℃/min、末期升温速度为0~0.01 ℃/min、平稳运行时温度为29~33 ℃,而在干摩擦条件下,以上三项数据分别为0.6~1.4 ℃/min、0.03~0.25 ℃/min、36~45 ℃。不同润滑状态下的巨大差异使得通过温度判断轴承润滑状态成为可能,温度监测的实现将大大提高水润滑轴承的可靠性。
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    13. 多关节连续体机器人的运动分析与遥操作技术
    吉爱红, 刘荣兴, 陈辉, 孙克
    中国机械工程    2021, 32 (23): 2883-2889.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.23.013
    摘要153)      PDF (7316KB)(128)    收藏
    设计了一种多关节线驱动连续体机器人,该机器人共有4个弯曲自由度和1个进给自由度。建立了该连续体机器人的运动学模型,利用MATLAB对其工作空间进行了分析。针对Geomagic Touch设计了三种主从映射算法,实现了连续体机器人的主从异构遥操作控制。通过实验验证了主从控制算法的正确性,展示了连续体机器人良好的弯曲能力,表明该连续体机器人具有一定的控制精度和良好的跟随能力。
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    14. 复合材料预制体成形制造工艺与装备研究
    单忠德, 刘阳, 范聪泽, 汪俊
    中国机械工程    2021, 32 (23): 2774-2784,2931.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.23.001
    摘要153)      PDF (13069KB)(129)    收藏
    从制造工艺和装备研制的角度总结了复合材料预制体成形技术发展历程,分析了复合材料预制体成形制造工艺的技术特点,列举了国内外复合材料预制体成形制造典型的工艺与装备现状以及存在的问题及差距,并分析展望了复合材料预制体成形技术的未来发展方向及趋势。发展高性能复合材料构件数字化精确成形制造技术及装备,能更好推动我国复合材料技术进步,并实现更加广泛的推广应用。
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    15. 基于改进RRT*FN算法的机械臂多场景运动规划
    房立金, 吴政翰, 王怀震
    中国机械工程    2021, 32 (21): 2590-2597.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.008
    摘要151)      PDF (7704KB)(91)    收藏
    针对固定节点数的渐进最优快速扩展随机树(RRT*FN)算法精度低、对环境缺乏适应性等问题,提出了一种改进RRT*FN的机械臂运动规划算法。在迭代过程中,结合目标偏向随机采样和椭球子集采样的优势,构造新的启发式方法对采样区域进行约束,从而保证搜索路径更优。在扩展节点时,配置树中总节点数的预设值,并通过加权方法对树中叶子节点进行删减,避免了树规模的无限增长。在动态环境下,采用对节点剪枝与连接的启发式重规划方法,有效提高了对动态环境的适应能力。实验结果表明,该算法在规划过程中收敛速度更快,效率更高,具有较强的环境适应性。
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    16. 极端环境表面工程专辑
    中国机械工程    2022, 33 (12): 1-.  
    摘要151)      PDF (181211KB)(462)    收藏
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    17. 仿真与实测多信息融合的机械结构外载荷反演技术
    刘纯琨, 丁晓红, 倪维宇, 李官运
    中国机械工程    2022, 33 (06): 639-646,655.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.002
    摘要150)      PDF (7689KB)(136)    收藏
    针对机械结构在复杂工况下载荷边界条件难以确定的问题,提出一种仿真与实测多信息融合的外载荷反演技术。首先建立待研究结构的有限元模型,在结构外载荷作用位置施加单位载荷,计算构件全场应变响应;然后基于D-最优设计原则得到应变测试的测点最佳布置方案和最优载荷系数矩阵,据此建立外载荷与应变间的动态响应关系;根据得到的测点布置方案,在结构上粘贴应变片,测得机械结构在实际工作过程中的动态应变历程,基于该实测应变历程以及载荷与应变的响应关系,反演结构的动态外载荷历程。以液压挖掘机工作装置为例,通过提出的方法确定其动臂的铰点载荷,并将载荷反演结果作为动臂瞬态动力学分析的输入,计算得到基底测点和非基底应变仿真值,将实测值与仿真值进行对比分析,证明了提出方法的有效性。
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    18. 基于多模型融合的内河船舶航行轨迹预测方法
    张阳, 高曙, 何伟, 蔡菁
    中国机械工程    2022, 33 (10): 1142-1152.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.002
    摘要146)      PDF (2807KB)(67)    收藏
    内河航运是现代综合运输体系的重要组成部分,实时和高精度的船舶轨迹预测方法能够有效规避水上交通事故、增强船舶自动化与智能化监管能力。针对现有内河船舶轨迹预测方法精度不高的问题,以提高船舶轨迹短期预测精度为目标,综合使用待测船舶近期船舶自动识别系统(AIS)数据和历史AIS数据,基于轨迹与航速和航向间的内在联系以及内河航道特点,构建了面向航速和航向预测的时域卷积网络模型、船舶轨迹动力学方程模型、自适应双隐层径向基函数网络等模型,提出了基于多模型融合的船舶轨迹预测方法。实验结果表明,所提方法轨迹预测精度有明显提高,并能满足实时性要求。
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    19. 模型驱动复杂机电系统软件与物理并行概念设计
    曹悦, 吴凌九, 秦绪佳, 陈佳舟, 刘玉生
    中国机械工程    2021, 32 (21): 2532-2541.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.002
    摘要145)      PDF (10251KB)(71)    收藏
    并行设计是机电一体化系统概念设计的重要发展趋势,而软件作为复杂机电系统的重要组成部分,其早期设计通常与物理子系统串行开展,这极大限制了软件设计空间并导致严重的早期设计缺陷。为在复杂机电系统概念设计阶段实现软件与物理子系统的并行设计,提出了一种基于SysML的模型驱动软件与物理并行概念设计方法。将基于流的物理功能表示与基于数据/控制流图的软件功能表示相结合,提出了基于SysML的混合功能模型,通过该模型驱动软件与物理子系统设计的并行开展。在物理设计方面,基于功能效应匹配及时序规则模板实现带隐含时序约束的工作原理检索与筛选;在软件设计方面,基于分布式控制应用设计模式提出软件组件及其行为模型自动生成方法。最后,以移动机器人系统为例,展示了复杂机电系统软件与物理并行概念设计过程。
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    20. 一种新型非对称五自由度混联机器人的尺度综合
    董成林, 刘海涛, 杨俊豪
    中国机械工程    2021, 32 (20): 2418-2426.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.004
    摘要143)      PDF (6446KB)(106)    收藏
    提出一种新型非对称五自由度混联机器人,由三自由度1T2R位置型并联机构和二自由度A/C转头串接组成。为保证机器人具有近似面对称的性能,围绕其中的并联机构开展尺度综合研究。通过定义并联机构的参考位形,提出一种凝练独立尺度参数的方法,并定义出可评价工作空间、运动/力传递特性及其面对称程度的运动学性能指标。在此基础上,将机构尺度综合问题归结为一类有约束多目标优化问题,并采用范数理想点法,得到一组可使机构兼具优良的运动/力传递特性及大作业空间/机构占地比的尺度参数,同时运动/力传递特性在全域内具有近似面对称乃至轴对称分布。在相同尺度参数下与Exechon和TriMule机器人的对比分析表明,该机器人具有与二者近似的全域运动学性能。
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    21. 小样本下混合自注意力原型网络的风电齿轮箱故障诊断方法
    余浩帅, 汤宝平, 张楷, 谭骞, 魏静
    中国机械工程    2021, 32 (20): 2475-2481.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.010
    摘要143)      PDF (4907KB)(119)    收藏
    针对部分风场因有标签故障样本数据稀少而导致风电齿轮箱故障诊断准确率不高的问题,提出了一种小样本下混合自注意力原型网络的故障诊断方法。首先,通过原型网络将振动信号映射到故障特征度量空间;然后采用位置自注意力机制和通道自注意力机制进行矩阵融合构建混合自注意力模块,建立原始振动信号的全局依赖关系,获取更具判别性的特征信息,学习风电齿轮箱各健康状态下的度量原型;最后通过度量分类器进行模式识别,实现小样本条件下风电齿轮箱的故障诊断。实验结果表明,所提出的混合自注意力原型网络故障诊断方法在不同小样本数据集上均能实现风电齿轮箱高精度故障诊断。
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    22. 大视场室内移动机器人高精度动态定位方法
    田明锐, 杨皓, 胡永彪
    中国机械工程    2022, 33 (02): 194-201.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.009
    摘要143)      PDF (5717KB)(104)    收藏
    高精度室内定位是移动机器人实现自主导航、运动控制和协同作业等任务的前提条件。利用单目视觉定位原理,提出了一种针对大视场的室内移动机器人绝对定位方法。该方法适用于室内多移动机器人同步动态定位,解决了大视场环境下多相机非线性标定和视场融合问题,相机标定精度提高了52.6%。为提高移动机器人动态定位精度,设计了基于光信标的高速定位算法,提高了定位系统的图像处理速度,并对定位系统动态误差进行了预测和补偿。对定位方法中各算法进行实验验证,结果表明提出的方法可以对多个室内高速移动机器人进行高精度动态定位,当机器人移动速度小于3.2 m/s时,系统位置平均动态定位误差低于5 cm,姿态角平均动态定位误差低于0.6°。
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    23. 船用低速机关键摩擦副建模分析与摩擦力无线测量验证
    李瑞, 孟祥慧, 谢友柏
    中国机械工程    2022, 33 (04): 380-387,396.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.001
    摘要140)      PDF (7506KB)(94)    收藏
    低速机结构复杂,其关键摩擦副的性能对船舶运营的经济性、安全性和稳定性有重要影响,然而,目前对低速机摩擦学问题的理论和试验研究很少。对船用低速机关键摩擦副进行建模分析,并对摩擦力进行无线测量验证。结合多体动力学和混合润滑理论建立了低速机关键摩擦副的多学科耦合仿真模型,实现对各摩擦副性能的预测;进而,基于间接测量思想,提出了低速机移动副摩擦力无线测量方法并开发了测量系统,在发火工况下实现了摩擦力的在线测量。研究结果显示:低速机摩擦力的仿真结果与试验结果趋势吻合,仿真和试验的最大摩擦力误差小于5%;十字头轴承的仿真载荷与试验载荷也吻合较好;低速机填料函的系统油消耗量仿真结果与试验观测值的误差小于3%。相关结果证明了所提建模和测量方法的可行性,为低速机摩擦学设计和节能减排提供了支持。
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    24. 微纳系统微区感应加热技术的研究进展
    吴德志, 陈卓, 海振银, 陈亮, 叶坤, 王凌云, 赵立波
    中国机械工程    2022, 33 (01): 2-14,23.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.01.001
    摘要140)      PDF (9420KB)(105)    收藏
    微区感应加热作为一种局部加热技术,兼具热响应快、非接触及加热特性可控等优势,在微机电系统、微流控芯片等微纳系统领域的应用潜力巨大。介绍了微区感应加热的基本原理,系统阐述了微区感应加热在封装、驱动及材料生长等方向的研究进展,分析了待解决的关键问题,总结并指出了发展方向。
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    25. 脆性材料机械加工表面粗糙度模型的研究进展
    马廉洁, 李红双
    中国机械工程    2022, 33 (07): 757-768.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.07.001
    摘要138)      PDF (3344KB)(120)    收藏
    表面粗糙度受众多因素影响,脆性材料的特有属性使其表面形成机制更为复杂,导致其加工质量难以控制。通过构建表面粗糙度模型,可以对表面粗糙度进行预测,进而控制加工质量。为更好地借鉴前人的研究成果,总结了表面粗糙度的表征参数,归纳了建立表面粗糙度模型的方法,并对模型的主要研究流派及其发展历程、主要学术贡献、模型特点等进行了详细的分析及总结。最后,对表面粗糙度模型构建的未来研究方向进行了展望。
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    26. 低温液氮冷却下高速切削淬硬钢的切屑形成及刀具磨损
    吴世雄, 张文锋, 刘广东, 王成勇
    中国机械工程    2022, 33 (05): 551-559.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.003
    摘要137)      PDF (7443KB)(73)    收藏
    针对低温液氮冷却下淬硬钢高速车削过程中切屑形成及刀具磨损机理尚缺乏相关研究的问题,开展了液氮冷却下的淬硬钢高速切削研究,并与干切进行了对比。分析了切削力、切削温度、切屑特征以及刀具磨损特征,讨论了冷却润滑、切屑形成及刀具磨损机理。结果表明: 与干切相比,各组实验中低温液氮冷却切削的切削温度降低了6.9%~9.9%,因材料硬化使得切削力增大了10.1%~12.8%;低温液氮冷却下,切屑锯齿化程度相比干切明显增大,这与第一变形区应力应变更大、切屑形成存在从热塑性剪切失稳到周期性脆性断裂的过渡有关;低温液氮对切削界面的润滑降低了切削热,液氮强射流吹离了高热切屑,强传热换热能力可迅速置换切削区热量;与干切相比,低温液氮明显减小了黏结磨损,通过冷却增强刀体减缓了刀具微剥落,刀具寿命延长了28.6%~47.1%;低温液氮冷却下,黏结不再是主要磨损机理之一,磨粒磨损、冲击磨损为主要磨损机理,后刀面片状剥落和微崩刃为主要刀具破损形式。
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    27. 基于深度学习与子域适配的齿轮故障诊断
    揭震国, 王细洋, 龚廷恺
    中国机械工程    2021, 32 (22): 2716-2723.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.22.008
    摘要137)      PDF (3700KB)(288)    收藏
    针对生产实际中标注故障数据不足的问题,提出了基于深度学习与子域适配的齿轮故障诊断方法。首先构建域共享的一维卷积神经网络,从故障数据中提取可迁移特征;然后采用多核局部最大均值差异来测量可迁移特征相关子域的分布差异,并将测得的分布差异加入目标函数中训练;最后将训练完成的模型用于目标域健康状态的识别。实验结果表明,所提方法能在无标签目标域数据的情况下得到较高的准确率。
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    28. 铺丝成形复合材料格栅筋条的纤维形态与弯曲性能评价
    赵聪, 肖军, 周来水, 安鲁陵
    中国机械工程    2021, 32 (23): 2823-2831.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.23.006
    摘要136)      PDF (8617KB)(72)    收藏
    为进一步提高复合材料格栅筋条结构承载效率,提出了基于“剪断-续铺”的格栅节点纤维形态调控方法,采用显微观察、有限元仿真、试验验证的手段,研究了不同剪断续铺层含量和分布位置对复合材料格栅节点处纤维形态和格栅筋条弯曲性能的影响。结果表明,复合材料格栅筋条铺丝成形过程中,合理的非连续铺层在提高筋条极限弯曲载荷的同时,还会在其内部引入伪韧性弯曲行为。仿真结果与试验结果误差小于8%,具有良好的一致性。利用建立的有限元模型分析了含非连续铺层的格栅结构失效机理。综合分析非连续铺层对格栅节点纤维形态、格栅结构弯曲载荷承载能力和力学行为的影响,对于常见格栅筋条,其最优的格栅筋条节点非连续层含量为25%且在节点顶部集中分布。
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    29. 水上应急救援关键装备技术现状与发展
    赵杰超, 金浩, 陈健, 潘长城, 张英香, 王吉武, 翁大涛
    中国机械工程    2022, 33 (04): 432-451,458.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.007
    摘要136)      PDF (3281KB)(94)    收藏
    为推进国家应急管理体系和能力现代化,结合我国水上应急救援能力建设现状,深度剖析近年来一些典型水上应急救援案例暴露出的关键问题,指出“体系建设”是我国应急救援装备技术建设亟待加强的核心问题。从“陆海空天”一体化建设的角度出发,瞄准人命救助、环境救助、财产救助和应急抢险打捞四大使命任务,系统性地将水上应急救援关键装备技术按照天基、空基、水面和水下4个维度划分为7大类型。针对每种类型关键装备技术建设现状及存在的问题,综合采用德尔菲法、头脑风暴法和文献计量法针对性地开展发展趋势研判,从七大类关键装备技术中遴选出13项亟需重点关注的关键装备技术,系统分析了每项关键装备技术当前面临的挑战,给出了其在未来5~15年发展目标和核心建设任务的建议。
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    30. 低温切削7075铝合金鳞刺形成规律及抑制措施
    刘枭, 邓文君, 陈海涛, 张保玉
    中国机械工程    2022, 33 (03): 261-269.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.002
    摘要135)      PDF (14895KB)(151)    收藏
    针对干切削铝合金工件表面易产生鳞刺、表面完整性较差的问题,采用液氮冷却方式在不同切削参数下对7075铝合金进行了正交切削试验,使用扫描电子显微镜和3D光学轮廓仪分别表征了已加工表面形貌、鳞刺分布和鳞刺尺寸,分析了切削速度、进给量、刀具前角和冷却方式(干切削、液氮冷却、切削液)对已加工表面鳞刺分布和尺寸的影响,并基于鳞刺形成理论讨论了切削参数和液氮冷却对鳞刺形成过程的影响。金属层积是鳞刺形成的充分必要条件,通过改善刀屑接触摩擦特性能够抑制鳞刺的形成。试验结果表明,较高切削速度、小进给量和大刀具前角能减小金属层积厚度,抑制鳞刺的形成。低温切削下已加工表面鳞刺分布密度和尺寸均小于常温切削,可得到较为光整的已加工表面。
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    31. 在刀-屑界面持续润滑刀具切削45钢的性能及润滑机理
    曹同坤, 徐英涛, 谈庆瑶
    中国机械工程    2021, 32 (20): 2411-2417,.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.003
    摘要135)      PDF (7227KB)(43)    收藏
    为提高刀具润滑性能,尽量减少切削液的使用,制备出在刀屑界面持续润滑的新型刀具,能够将切削液通过微通道直接输送到刀屑接触界面内部。采用该新型刀具与普通刀具在干切削和浇注切削液条件下分别进行切削45钢试验,测量了切削三向力,对刀具前刀面磨损面进行SEM微观形貌分析及元素检测,分析了刀具的摩擦磨损特性及润滑机理。试验结果表明,与普通刀具在干切削和浇注切削液条件下相比,刀屑界面持续润滑刀具能够有效减少切削过程中的摩擦磨损,而切削液用量只有传统浇注式切削的1/120。分析前刀面的元素可知,切削液能够更加深入到离主切削刃更近的区域,并能持续供给,这是该刀具具有更好的减摩抗磨效果的主要原因。尽管新型刀具的黏结情况大大缓解,但刀具的磨损机理仍然以黏结磨损和氧化磨损为主。
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    32. 基于多源同步信号与深度学习的刀具磨损在线识别方法
    尹晨, 周世超, 何建樑, 孙宇昕, 王禹林
    中国机械工程    2021, 32 (20): 2482-2491.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.20.011
    摘要133)      PDF (8009KB)(50)    收藏
    为提高刀具状态监测系统的实用性、避免实际加工过程中工序变换产生的信号干扰,提出一种基于多源同步信号与深度学习的刀具磨损在线识别方法。该方法利用自动触发的方式实现了机床运行在特定工序时的刀具振动、主轴功率、数控系统参数等多源信号的同步在线采集,保证信号同步性的同时有效避免了因工序变换而产生的信号波动干扰;进一步利用高频振动特征实现了 “切削过程”与“切削间隙”采集样本的准确划分,并基于皮尔逊积矩相关系数筛选出强关联特征,保证了多源监测信号融合样本的可用性;最后基于一维卷积神经网络建立了刀具磨损在线识别模型。实验结果表明,该方法无论从识别精度还是诊断效率,均能实现实际加工过程中刀具磨损状态的在线识别。
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    33. 基于增强深度自编码网络的滚动轴承故障诊断方法
    童靳于, 罗金, 郑近德
    中国机械工程    2021, 32 (21): 2617-2624.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.011
    摘要133)      PDF (6049KB)(140)    收藏
    为了提高深度自编码网络的特征挖掘能力,自适应地选取网络超参数,提出了一种增强深度自编码网络,并将其应用于滚动轴承故障诊断。采用最大相关熵代替均方误差作为自编码器的损失函数,加入稀疏惩罚项和嵌入非负约束因子的收缩惩罚项,进一步减小重构误差;通过灰狼优化算法自适应地选取网络关键参数。实验分析结果表明,与现有方法相比,该方法具有更强的特征提取能力与稳定性,对变工况下的轴承振动数据也能达到较高的识别精度。
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    34. 煤矿救援机器人可折展水弹轮式结构分析与优化
    尚祖恩, 赵丽娟, 刘雄豪, 金鑫
    中国机械工程    2021, 32 (24): 2924-2933.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.004
    摘要133)      PDF (11377KB)(181)    收藏
    设计了一种适用于煤矿井下救援机器人的水弹轮式结构,以提高救援机器人在复杂条件下的工作可靠性和非结构化环境下的适应性。提出以平行四边形为基本单元的水弹轮式结构径向运动学建模方法,研究不同基本单元水弹轮式结构的承载特性。基于连续介质损伤力学理论对轴向压缩载荷下平行四边形水弹轮式结构的疲劳寿命进行预测,以折展比为约束条件,以极限承载力、疲劳寿命作为评价函数对关键设计参数进行多目标优化。研究结果表明,在质量相同情况下平行四边形水弹轮式结构具有较好的极限承载力,优化后平行四边形水弹轮折展比、极限承载力、裂纹萌生疲劳寿命分别提高15.8%、40.7%、55.4%,水弹轮式结构的工作可靠性得到提高,实际疲劳寿命破坏区域与理论计算结果一致,试验结果验证了分析过程的准确性和优化方法的有效性。
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    35. 机械传动系统运动精度优化分配新方法
    李健, 冉琰, 张根保, 王勇勤
    中国机械工程    2022, 33 (09): 1034-1043.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.09.003
    摘要133)      PDF (2446KB)(108)    收藏
    为对机械传动系统的运动精度进行合理分配,结合元动作理论,提出了一种机械传动系统运动精度优化分配新方法。首先利用“功能-运动-动作”结构化分解树对机械系统进行结构化分解,得到基本的元动作和元动作链;然后以元动作链为研究对象,分析运动精度形成机理,建立运动误差传递模型;考虑成本因素和运动误差灵敏度因素,建立了成本函数和鲁棒性函数。在此基础上建立了元动作链运动精度优化分配模型,得到了元动作运动误差。工程实例证明了该方法的有效性。
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    36. 考虑任务行程时间的多载量自动导引车系统防死锁任务调度
    武星, 翟晶晶, 楼佩煌, 胡亚, 肖海宁
    中国机械工程    2021, 32 (23): 2840-2849.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.23.008
    摘要132)      PDF (2563KB)(104)    收藏
    针对多载量自动导引车(AGV)系统的任务调度和缓冲区死锁问题,提出了考虑任务行程时间的防死锁任务调度方案。以最小化延迟率和交通负荷不均衡度为目标,建立了任务调度模型;分析了任务调度中的实际约束,并在任务行程时间约束下构建了预测模型;针对任务调度模型,提出了一种基于人工免疫-灰狼优化(AI-GWO)算法的多目标防死锁任务调度方法,利用死锁避免规则禁止即将引发工位缓冲区死锁的任务运行,并融合AI-GWO算法对任务执行顺序进行多目标优化;最后,根据AGV负载均衡度进行AGV任务分配。仿真结果表明,上述任务行程时间预测模型具有较高的准确率,任务调度模型及防死锁调度方法具有较好的优化性能和计算效率,从而显著提高了物流系统的任务准时率和路径网络的交通负荷均衡度。
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    37. 基于图像深度学习的零件加工特征信息提取方法
    张胜文, 周曦, 李滨城, , 程德俊, , 陈文笛
    中国机械工程    2022, 33 (03): 348-355.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.011
    摘要130)      PDF (5249KB)(157)    收藏
    针对各类基于模型定义(MBD)的零件模型加工特征的信息集成问题,提出一种多层次提取架构的加工特征全息信息提取方法。通过对零件的结构特点进行分析,以具有制造语义且无法拆分的最简化特征实现加工特征的分类;在阐述提取策略的基础上,构建了基于深度学习图像识别技术的加工特征分类器;依据MBD模型信息标注的特点快速定位、抽取加工特征的拓扑结构,并利用多角度捕捉降维方法将加工特征彩色图像化,在此基础上设计了加工特征多角度图像识别综合分析方法;基于查询视图对MBD模型的标注信息进行过滤,构建了加工特征几何信息双层过滤式提取方法。最后开发了加工特征全息信息提取软件,并以船用柴油机关键件为实例验证了该方法的有效性。
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    38. 极端环境表面工程及其共性科学问题研究进展
    常可可, 陈雷雷, 周若男, 肖雪莲, 王方明, 王立平
    中国机械工程    2022, 33 (12): 1388-1417.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.001
    摘要130)      PDF (51339KB)(232)    收藏
    “三深一极”(深空、深海、深地、极地)典型极端环境的多因素强耦合作用,导致材料腐蚀、磨损、疲劳、断裂等多模式损伤失效共存,给机械系统的高精度、高可靠性和超长寿命服役带来了严峻挑战。表面工程技术是最有效的表面强化和延寿途径之一,相关方法和基础科学问题的研究是极端环境高安全、高可靠机械工程装备结构优化和材料设计的重要支撑。介绍了常用的表面工程技术方法及其在极端环境相关领域中的应用,分析了极端环境表面工程的共性基础科学问题,着重探讨了理论计算方法在解决问题中的实践,评述了极端环境表面工程的发展方向。
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    39. 绳驱动连续体机器人标定方法
    李法民, 郑天江, 沈雯钧, 王会肖, 方灶军, 梁冬泰
    中国机械工程    2022, 33 (02): 202-208.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.010
    摘要128)      PDF (4575KB)(103)    收藏
    为提高绳驱动连续体机器人的定位精度,提出了一种针对此类机器人的误差标定与补偿方法。该方法利用指数积(POE)公式建立连续体机器人关节模块的运动学模型,并利用运动学模型推导出误差传递模型。针对误差模型采用最小二乘方法进行误差的辨识,将辨识后的误差补偿至机器人的运动学模型,从而提高机器人关节模块的模型精度。制作了基于柔性支撑的绳驱动连续体机器人样机,并对标定算法进行了仿真和实验验证,实验结果显示机器人末端位置精度提高了32.23%,姿态精度提高了81.64%,证明了标定算法的有效性。
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    40. 基于法向量区域聚类分割的点云特征线提取
    史红霞, 王建民
    中国机械工程    2021, 32 (21): 2552-2561.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.004
    摘要127)      PDF (7172KB)(60)    收藏
    针对逆向工程领域中散乱点云模型过渡线及细节特征线提取不完整问题,提出一种法向量区域聚类的特征线提取方法。采用自适应邻域的主成分分析法估算模型的法向量,利用萤火虫算法优化的模糊C均值聚类算法对法向量的进行聚类实现模型的有效分割。构造点集剔除与合并准则从各分割块边界点集中析取候选特征点,再以局部邻域主轴方向为基准提取特征点。实验结果表明:简单模型的特征线基本可准确完整提取,相对复杂模型的特征线数量提取率可达90%,长度提取率达到了85%。算法具有良好的自适应性和准确性,能有效提取点云模型尖锐特征和细节特征,并尽可能多地保留模型过渡特征。
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