中国机械工程

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1. 基础装备制造及高档集成数控机床研究进展

胡涞, 查俊, 朱永生, 位文明, 李东亚, 罗明, 牛文铁, 陈耀龙

中国机械工程 2021, 32 (16): 1891-1903. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.001

摘要（302）

PDF （26502KB）（409）

为解决航空航天制造领域面临的关键问题以及提高机床行业的服务能力，机床行业提出建设航空航天制造领域高档数控机床创新能力平台。总结了创新平台的基础装备制造及高档数控机床的四个方面研究进展，包括电主轴单元技术（高速主轴刀柄刀具系统动力分析、数字化仿真和样机模态验证分析）、机床设计（直线轴进给系统刚柔耦合机电耦合动力学、多轴联动与高速五坐标混联加工装备、摆动/回转进给系统的机电耦合动力学模型验证分析、MTC1000镗铣磨复合加工中心结构创新设计）、机床控制（高速启停残留振动抑制技术验证分析）和机床验证（航空航天结构件高速加工现场的数据采集、映射与存储技术分析）。最后展望了基础装备制造和高档数控机床的发展方向。

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2. 基于MpCCI方法的密封环双向流固耦合模拟与试验研究

宫燃, 张真宇, 程志高, 徐宜, 张鹤

中国机械工程 2021, 32 (14): 1639-1646. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.001

摘要（299）

PDF （5466KB）（328）

为预测重载越野车辆传动系统中密封系统的流固耦合特征，综合考虑密封环在微小约束空间内的受力状态以及密封间隙流场中的流动特点，建立了密封环双向流固耦合数值模型并提出了求解策略。采用多物理场代码耦合工具MpCCI联合FLUENT与Abaqus软件对旋转密封系统进行双向流固耦合数值计算，获得了旋转密封间隙流场中油液的流动状态。分析了密封环变形对密封系统泄漏量和密封环摩擦转矩的作用特征，通过双向流固耦合的动态模拟考察了传动系统工况对密封环性能的影响。利用车辆传动系统密封环综合性能试验台进行了密封性能的试验测试，对比发现计算值和试验值的变化规律具有一致性，验证了密封流固耦合数值模型及其计算结果的正确性。

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3. 基于4-UPS/CPC并联机构的多维调姿隔振平台设计

张英, 孙豪, 马帅帅

中国机械工程 2021, 32 (13): 1513-1522,1529. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.001

摘要（285）

PDF （9410KB）（208）

提出了一种用于轮腿式机器人载运车的多维调姿隔振平台，该平台以4-UPS/CPC并联机构为主体，辅以弹簧阻尼模块，将调姿与隔振功能相结合，以满足载运车在工作过程中的姿态调整和隔振需求。以并联机构的工作空间、静刚度和灵巧度为目标，进行了4-UPS/CPC并联机构结构参数的优化设计；建立了路面谱模型，使用差分预测算法对载运车在C级路面上行走时保持上平台水平所需的支链长度进行了预测，通过仿真验证了所设计平台调姿功能的有效性；建立了多维隔振系统的振动模型，采用理论及仿真方法研究了系统在受迫振动下的振动响应，结果表明，隔振平台在5个自由度方向的隔振率均在57%以上；设计了隔振平台样机，搭建了实验系统，并进行了X、Y和Z方向的隔振实验，实验结果表明，所设计的多维调姿隔振平台在测试的3个方向上的隔振率均在50%以上，具有良好的隔振性能。

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4. 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（278）

PDF （2230KB）（282）

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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5. 螺栓连接微观摩擦到宏观动力学研究综述

曹军义, 刘清华, 洪军

中国机械工程 2021, 32 (11): 1261-1273. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.001

摘要（263）

PDF （7675KB）（345）

螺栓连接作为一种典型的机械装配结合方式，在航空航天、武器装备、能源化工和交通运输等关键机械装备设计和运行中扮演着至关重要的角色，但螺栓连接也引入了刚度和阻尼非线性因素，给装备的动力学性能预测和服役可靠性带来了新的挑战，这些促使螺栓连接研究涉及界面微观摩擦到宏观结构动力学多个学科。总结分析了螺栓连接界面微观摩擦到宏观动力学研究领域螺栓接头摩擦本构模型的分形表征、统计求和模型和Iwan模型的建模方法，归纳了目前国际上螺栓连接的几种实验测试基准系统，概述了螺栓连接宏观动力学问题中涉及的非线性建模、参数辨识、数值仿真技术和结构健康监测等多方面的最新技术进展，展望了未来螺栓连接动力学需要重点开展研究的方向。

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6. 变胞四足机器人倾覆后的变胞恢复机理及其特性研究

王圣捷, 戴建生,

中国机械工程 2021, 32 (11): 1274-1282,1292. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.002

摘要（200）

PDF （11804KB）（414）

机器人在无人环境下工作时，受外力及地形等因素影响而发生倾覆失去运动能力的情况难以避免，因此机器人需要具备倾覆后的自我恢复能力。在以静态方法为基础的恢复方法中，传统的恢复方式只能依靠腿部的运动来实现,而基于变胞四足机器人的可动躯干，可以提出一种区别于传统方法的利用躯干运动来实现四足机器人自我恢复的策略,该策略借鉴仿生灵感对动作进行规划。从力和能量的角度将这一方法与躯干无变胞的情况进行了对比，得到了优化的质心轨迹与减振方法。此外，利用仿真软件与变胞机器人样机对该策略进行了仿真与实物实验，验证了该方法的可行性并证明其可降低实现静态自我恢复的难度，并且通过不同条件下的实验证明了其在不同地形下具有一定的稳定性与适应性。

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7. 机器人磨抛力柔顺控制研究进展

葛吉民, 邓朝晖, 李尉, 李重阳, 陈曦, 彭德平

中国机械工程 2021, 32 (18): 2217-2230,2238. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.011

摘要（193）

PDF （6054KB）（280）

低成本、高灵巧度机器人在磨抛领域中的应用越来越广，而对机器人磨抛力的柔顺控制是降低工件表面粗糙度、获得高形状精度和表面完整性的关键。综述了国内外学者在机器人磨抛力主动柔顺控制策略、被动柔顺控制装置、主被动柔顺控制方法等方面的主要研究成果，分析了各种典型控制方法的原理及实现过程，比较了各方法的优缺点，并指出了目前研究存在的问题。最后总结了关键技术难点并展望了发展趋势。

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8. 基于相似性理论的轮胎花纹相似度检测与分析

李宏玲, 董玉德, 黄智豪, 高浩宇, 陶森望

中国机械工程 2021, 32 (14): 1646-1652. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.002

摘要（189）

PDF （4852KB）（164）

基于相似性理论分析了轮胎花纹结构的特点。运用灰度直方图、均值哈希算法、共生矩阵法等图像处理方法，在MATLAB软件中搭建了一个轮胎花纹2D相似度检测系统。利用该系统对现有的轮胎花纹进行了相似度检测与分析。将特定花纹的局部改变与原有花纹进行相似度检测，结果验证了系统的稳定性和可靠性。该系统可为不同花纹之间相似度的量化提供依据。

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9. 管道攀爬机器人非接触变磁隙式永磁吸附机构的设计与吸附性能优化

郭登辉, 陈原

中国机械工程 2021, 32 (14): 1659-1668. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.004

摘要（189）

PDF （3267KB）（161）

设计了一种能自适应吸附不同直径管道的非接触变磁隙式攀爬机器人。采用矢量磁位法和有限元法建立了吸附机构的磁场分布模型和磁吸附力模型。基于空间力系统的平衡方程建立了机器人的力学模型，得出爬壁机器人需要的最小磁吸附力。基于磁场和磁吸附力的理论模型与Maxwell仿真，通过离散组合法得到了最优磁铁宽度和磁吸附力。通过不同磁场和磁吸附力的对比计算，在最优磁铁宽度为80 mm时，得出近似圆弧机构单位体积的磁吸附力为0.0078 N/mm3，大于矩形磁铁单位体积的磁吸附力0.0047 N/mm3,它产生的磁吸附力满足单个机构所需的最小磁吸附力2100 N的负载要求。最后，通过实验获得了磁吸附机构的磁吸附力特性，证明了磁吸附机构优化设计的可行性。

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10. 基于局部平衡判别投影的旋转机械故障诊断方法

石明宽, 赵荣珍

中国机械工程 2021, 32 (14): 1653-1658,1668. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.003

摘要（187）

PDF （2566KB）（151）

针对旋转机械故障数据的多类别、高维复杂特性导致的分类困难问题，提出一种基于局部平衡判别投影(LBDP)的故障数据集降维方法。从时域、频域和时频域多个角度提取转子振动信号的混合特征，构建原始高维故障特征集；通过LBDP选择出其中最能反映故障本质的敏感特征子集；将得到的低维特征子集输入到K近邻分类器(KNN)中进行故障模式辨识。通过一个双转子系统的振动信号集合验证了所提出方法的有效性，证明了该方法能够全面地提取出局部判别信息，使故障类别之间的差异性更清晰。

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11. 化学机械磨削技术研究现状与展望

任莹晖, 周家恒, 李伟, 周志雄, 李陈方

中国机械工程 2021, 32 (18): 2143-2152. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.001

摘要（187）

PDF （6455KB）（246）

化学机械磨削能通过化学机械协同过程实现单晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超精密高质低损加工，被广泛应用于半导体以及光学等领域器件的平坦化加工。在综述化学机械磨削技术材料去除机理、磨削工艺以及复合加工工艺等方面研究现状的基础上，对上述研究现阶段存在的问题进行了分析讨论。分析表明，从固固相化学反应机制和化学机械协同效应角度揭示化学机械磨削机理，有助于从材料去除机理、磨具结构设计以及复合加工工艺开发等角度创新得到提高该技术加工效率的可行性方法。最后，对化学机械磨削技术在多样化加工对象、较复杂结构加工、多能场复合加工工艺以及智能数据库开发等方向的发展进行了展望。

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12. 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（187）

PDF （4488KB）（283）

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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13. 大尺度构件重载高精加工机器人本体设计与性能提升关键技术

丰飞, 杨海涛, 唐丽娜, 丁汉,

中国机械工程 2021, 32 (19): 2269-2287. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.001

摘要（186）

PDF （16780KB）（251）

基于典型大尺度构件的移动机器人化加工需求背景与发展现状的总结与分析，提出了大工作空间、高刚度、高精度、重载、轻量化、高动态响应、大负载自重比的大尺度构件加工机器人本体的基本性能要求。围绕上述基本性能要求，从机器人本体构型与机构优化设计，高性能加工机器人专用控制器与加工机器人操作系统开发，加工机器人运动学参数动态标定及位姿误差实时预测与动态补偿，刚柔耦合多体动力学建模，机器人动力学控制及主动振动控制等方面，论证了重载高精度加工机器人本体的优化设计及机器人性能提升方法，并完成了大尺度构件加工机器人本体构型与机构的概念设计。大尺度构件加工机器人本体的创新设计与研制，可为航空航天等领域的典型大尺度构件提供高性能的超柔性机器人化加工系统，并有助于推动国产工业机器人关键性能的提升。

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14. 屏蔽套形变对环形间隙轴向流阻的影响研究

王升德, 姚振强, 沈洪

中国机械工程 2021, 32 (17): 2017-2024. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.001

摘要（185）

PDF （7775KB）（277）

针对核主泵屏蔽电机中内冷回路上下支路流量分配的预测问题，研究了屏蔽电机定子屏蔽套变形规律及其对间隙环流轴向流阻的影响规律。采用有限元方法计算了内冷介质高压作用下定子屏蔽套轮廓的圆角沟槽状变形特征，并进行了实验验证。采用计算流体动力学方法研究了界面非圆轮廓形变对间隙流场的影响，通过变参数分析与数学拟合，建立了核主泵屏蔽电机定子屏蔽套形变后的间隙环流轴向流动阻力系数修正模型。该模型的计算结果表明，在屏蔽式核主泵的额定工作状态，驱动电机定子界面轮廓相较于理想状态存在11%的变形，这种变形会导致电机定转子间隙流动轴向沿程压降值下降到无形变间隙的83%左右。

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15. 基于有限元模拟的Ti6Al4V铣削过程参数多目标优化

黎宇嘉, 黄兵, 鲁娟, 钟奇憬, 陈超逸, 廖小平, 马俊燕

中国机械工程 2021, 32 (13): 1555-1561,1570. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.006

摘要（182）

PDF （2850KB）（151）

为使切削加工过程满足环境意识制造（ECM）的要求，针对质量指标（表面粗糙度）和ECM指标（能耗），针对Ti6Al4V的铣削过程，采用人工蜂群（ABC）算法优化的高斯过程回归（GPR）方法构建有限元代理模型，并采用多目标粒子群优化（MOPSO）算法获得满足最优加工目标的加工参数。为减少试验成本，采用有限元仿真软件Deform-3D获取各铣削参数组合对应的表面粗糙度和能耗数据，并通过物理试验验证其有效性；基于仿真数据，利用改进的GPR方法构建预测表面粗糙度和能耗的代理模型，并对比了该模型与其他两种模型的性能，证明了改进模型在精度和响应时间上的优势；采用MOPSO算法，以最小能耗和优良表面质量为目标，优化得到加工参数的Pareto前沿，并用物理试验验证了ABC-GPR-MOPSO算法的有效性。

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16. 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（178）

PDF （140286KB）（323）

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17. 基于稀疏节点快速扩展随机树的移动机械臂运动规划

李耀仲, 王书亭, 蒋立泉, 孟杰, 谢远龙,

中国机械工程 2021, 32 (12): 1462-1470. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.12.010

摘要（171）

PDF （8708KB）（95）

针对传统移动机械臂运动规划未考虑停靠误差、规划效率低等问题，提出一种基于稀疏节点快速扩展随机树的移动机械臂运动规划方法。研究了停靠误差对移动机械臂运动规划的影响，制定了基于坐标转换的误差补偿措施。针对快速扩展随机树算法在局部空间中过度搜索的问题，改进回归过滤机制，避免了节点重复扩展。考虑边界节点的有效性，提出了随机点边界扩展机制以缩短碰撞检测时间。实验结果表明所提方法提高了运动规划效率。

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18. 基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定

张恩政, 唐宁敏, 陈刚, 刘翠苹

中国机械工程 2021, 32 (13): 1539-1546. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.004

摘要（165）

PDF （3763KB）（136）

在工业机器人的标定过程中，测量粗差数据会对标定结果精度产生影响，为此，提出了一种基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定方法，将改进的IGG3权函数最小二乘辨识算法用于工业机器人距离误差标定中，以进一步提高工业机器人的标定精度。以SR4C型工业机器人为研究对象，建立了机器人距离误差数学模型，进行了IGG3权函数最小二乘辨识算法的理论研究。构建了机器人标定实验系统，进行了基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定实验，实验结果表明，所提方法可有效减小粗差数据对标定精度的影响。该方法可用于工业机器人标定和校准领域，以提高工业机器人定位精度。

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19. 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（165）

PDF （5566KB）（175）

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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20. 碳纤维增强复合材料水导激光切割试验研究

汪建新, 吴耀文, 张广义, 潮阳, 张文武,

中国机械工程 2021, 32 (13): 1608-1616. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.013

摘要（164）

PDF （9818KB）（82）

采用正交试验方法对影响水导激光切割碳纤维增强复合材料（CFRP）的关键工艺参数进行了深入研究，得出了进给速度、水射流速度、脉冲频率和激光功率对切割CFRP的影响规律，并用直接对比法和极差分析法所得最优参数进行单次划槽切割对比。研究结果表明：在极差分析法所得最优参数下切割CFRP时，切缝深度增大3.2%、切缝宽度减小9.2%、切缝锥度减小11.8%、线粗糙度减小40.2%。通过与干式激光加工方法对比发现，水导激光加工技术在切割CFRP方面优势明显，由于水射流的冲刷和冷却作用，材料切割表面几乎无热影响区和纤维拔出。另外，采用正交试验所得最优工艺参数实现了4 mm厚度CFRP的无锥度切割。

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21. 数控车床主轴单元结构节能性优化设计

何吉祥, 李聪波, 吕岩, 李娟

中国机械工程 2021, 32 (11): 1330-1340. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.009

摘要（163）

PDF （9932KB）（100）

为降低数控车床使用过程中的能耗，针对主传动系统中的主轴部件提出一种面向节能的结构优化设计方法。首先构建主轴单元功率模型并分析其动静态性能指标；然后基于均匀试验和灵敏度分析，选取对主轴单元能耗和动静态性能影响较大的尺寸参数作为优化变量，再通过响应面法拟合指标函数；之后利用主成分分析法降低函数维度，建立主轴单元结构节能设计优化模型；最后采用实体实验验证仿真结果的可靠性，并使用模拟退火粒子群混合算法对该优化模型进行求解。优化前后主轴的仿真实验和谐响应分析对比结果表明：相对优化前，优化后主轴最大变形减小1.67%，二阶频率提高6.83%，空载能耗降低3.69%，该优化设计方法在降低主轴能耗的同时提高了主轴动静态性能。

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22. 深空着陆探测足式机器人发展综述

孙俊凯, 孙泽洲, 辛鹏飞, 刘宾, 危清清, 闫楚良

中国机械工程 2021, 32 (15): 1765-1775. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.001

摘要（161）

PDF （9048KB）（312）

介绍了世界主要航天大国关于深空着陆探测足式机器人的研究现状，对比分析了不同类型足式机器人的优缺点，从硬件与软件设计方面剖析了足式机器人在深空着陆探测任务中尚未工程化的主要问题。以此为基础，提炼出感知融合化技术、控制智能化技术、形态可重构技术、多机协同化技术等深空着陆探测足式机器人发展的关键技术，为中国研制深空着陆探测领域可工程应用的足式机器人提供参考。

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23. 五自由度并联驱动机构及其位置分辨能力分析

张金柱, 史汉卿王涛, 黄庆学, 姜力

中国机械工程 2021, 32 (12): 1414-1422，1431. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.12.004

摘要（160）

PDF （5843KB）（97）

提出了一种具有三移动和二转动的多分支耦合并联驱动机构，基于方位特征集法分析了机构自由度及机构末端的运动特征。利用齐次变换法建立了机构的运动学逆解模型，求解了并联驱动机构的全雅可比矩阵。基于牛顿迭代法建立了运动学正解模型，并对理论模型进行了仿真验证。利用CAD变分几何法绘制了机构的可达工作空间。定义了机构的全域位置敏感度系数指标，系统分析了特定工况下的驱动系统分辨率对机构位置分辨能力的影响规律。

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24. 液态金属柔性感知的人机交互软体机械手

刘会聪, 杨梦柯, 袁鑫, 孙立宁, 金国庆,

中国机械工程 2021, 32 (12): 1470-1478. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.12.011

摘要（159）

PDF （9710KB）（233）

利用3D打印技术制作了基于液态金属微流道的应变传感器和弯曲传感器，并将应变传感器集成至人体传感手套，用于人手的手势检测；将弯曲传感器集成至软体机械手，用作软体机械手的姿势及运动控制，通过传感手套控制软体机械手实现了人机交互。实验证明传感手套不仅能控制软体机械手的姿势，还能精确控制每根软体手指的弯曲程度。

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25. 基于Twin-Bennett机构固面可展开天线的优化设计

曾祥, 周怡君, 袁伟钦, 罗晨

中国机械工程 2021, 32 (11): 1361-1369，1376. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.013

摘要（153）

PDF （3894KB）（122）

为了解决Twin-Bennett(TB)机构控制固面可展开天线展开过程的干涉问题从而提高收拢能力，对传统太阳花式天线分割方案进行了改进。通过指数积公式建立了该固面可展开天线设计参数与收拢率之间的数学模型，并以收拢率为目标函数对盘面分割方案进行了优化分析，通过多初值点序列二次规划算法得到了最优设计参数。针对收拢的同步性问题进行了伞状同步展开机构的设计，该同步机构能将直线运动转化为固面可展开天线的展开运动，同时能保证整体固面可展开天线的单自由度和同步性。最后进行了软件仿真和实物模型的制作。整体设计可提高传统太阳花式固面可展开天线的收拢能力，将收拢率从44%降低至37%，同时保证了驱动机构的简易性。仿真分析和3D打印模型结果证明了该方法的可行性和合理性。

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26. 复合轴向力加载装置设计与力控制

杨芳, 司东宏, 马喜强, 薛玉君,

中国机械工程 2021, 32 (11): 1315-1320,1329. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.007

摘要（153）

PDF （3724KB）（125）

为满足航空发动机主轴承试验对轴承精确稳定轴向载荷的需求，分析了复合作用于试验轴系的预压紧弹簧力和液压力的设计原理，设计了具有内置微型力传感器的复合轴向力加载装置，基于抗扰控制理论设计扩张状态观测器对反馈信息进行观测，并结合非线性PID控制器制定复合轴向力控制策略。在航空发动机主轴承双转子试验机上开展应用，试验结果表明:复合轴向力加载装置及其力控制方法能够很好地实现轴向加载力的精确控制。

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27. 车削奥氏体不锈钢时冷却参数对刀具振动和表面粗糙度的影响

刘念聪, 吴圣红, 谢京良, 杨程文, 刘保林, 蒋浩, 陈云

中国机械工程 2021, 32 (11): 1321-1329. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.008

摘要（153）

PDF （12320KB）（191）

针对最小量润滑(MQL)技术在加工难切削材料时冷却能力不足的问题，分析了最小量冷却润滑(MQCL)条件下冷却参数对刀具振动和表面粗糙度的影响规律。设计了以田口法为基础的正交试验方案，并基于MQCL条件进行了相关切削试验。采用方差分析法、主效应图法、响应面法等方法并结合切削理论，分析了冷风温度、油液流量、风速、喷射面类型等冷却参数对刀具振动和表面粗糙度的影响机制，建立了与冷却参数关联的加工刀具振动和表面粗糙度预测模型，同时采用改进的遗传算法对支持向量回归预测模型进行同步优化，得到冷却参数的最优值。试验结果表明，温度对刀具振动的影响最大且随着温度升高刀具振动呈现出增大的趋势；风速对表面粗糙度的影响最大，当风速小于10 m/s时，随着风速增大表面粗糙度增大，当风速大于10 m/s时，随着风速增大表面粗糙度减小。当喷射面为刀具副后刀面时，刀具振动和表面粗糙度均最小。冷却参数优化结果表明，当冷风温度为-2.36 ℃、风速为7.31 m/s、油液流量为300 mL/h、喷射面为副后刀面时，工件表面质量最好，其表面粗糙度Ra为0.6588 μm。验证实验表明，表面粗糙度和振动均方根的预测误差分别为4.4%和5.9%。

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28. 航天工业中胶接技术的研究现状分析

郭磊, 刘检华, 张佳朋, 李夏禹, 张秀敏, 夏焕雄

中国机械工程 2021, 32 (12): 1395-1405. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.12.002

摘要（152）

PDF （5219KB）（219）

针对目前我国航天产品，尤其是航天精密机电产品的胶接装配技术研究不足的现状，介绍了航天胶接技术的应用类型，以及胶接技术在耐超高/低温性、高密封性、多功能性、高稳定性或低蠕变性、低挥发性等方面的应用特点。在此基础上总结分析了胶接装配的机理、关键工艺、静/动态力学性能、疲劳/老化特性等方面的研究进展。最后给出了航天工业胶接装配技术在工艺参数量化、动态力学特性以及先进胶接装备等方面的发展方向。

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29. 面向复杂曲面加工的虚拟夹具辅助机器人示教编程研究

葛科迪, 赵欢, 陈鹏飞, 丁汉

中国机械工程 2021, 32 (14): 1716-1725. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.010

摘要（152）

PDF （7051KB）（106）

为解决面向复杂曲面加工的机器人示教编程中虚拟夹具构造困难、难以依据操作者意图自适应调整等问题,提出一种虚拟夹具离线构造和在线迭代更新的辅助机器人示教编程策略。采用示教曲面流形离线构造先验虚拟夹具，若先验虚拟夹具吻合待加工曲面，则利用弹簧阻尼系统对示教路径偏差进行在线补偿，否则通过虚拟夹具刚柔性自适应调整实现迭代修正。研究结果表明，由曲面流形构造虚拟夹具简单且具有泛化特性，提高了复杂曲面虚拟夹具构造效率；以正弦/风扇轨迹作为虚拟夹具辅助示教，能使辅助示教路径位置误差、姿态误差分别降低至少84%、81%，并能根据操作者意图自适应调整虚拟夹具以更加吻合目标曲面。

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30. 面向动力学性能的薄壁加筋板结构阻尼与筋条布局协同优化设计

牛斌, 闫家铭, 毛玉明, 刘海洋

中国机械工程 2021, 32 (16): 1912-1920. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.003

摘要（150）

PDF （5637KB）（111）

为减小薄壁加筋结构在动态环境下的振动，提出了加筋肋布局和阻尼层拓扑一体化设计方法。以含表层阻尼材料的薄壁加筋板结构为研究对象，结合阻尼材料惩罚模型与基结构优化方法，引入筋条密度和阻尼单元密度两类独立设计变量，考虑筋条和阻尼材料的体积约束，建立最小化动态柔度的阻尼材料拓扑和筋条布局的协同优化模型，实现面向动态响应最小化的含阻尼层的薄壁加筋结构最优设计。通过不同阻尼、不同频率下的含表面阻尼层加筋板的多个数值算例，验证了所提方法和模型的有效性。

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31. 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（147）

PDF （22261KB）（295）

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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32. 基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测

顾震华, 李可, 顾杰斐, 宿磊, 苏文胜

中国机械工程 2021, 32 (14): 1709-1715. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.009

摘要（146）

PDF （4332KB）（129）

针对传统Paris疲劳裂纹扩展模型预测精度低、无法考虑裂纹扩展过程中各种不确定因素影响的问题，提出一种基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测方法。使用基于Paris公式的状态空间方程表征裂纹扩展过程，采用基于Lamb波的监测技术构建观测空间方程，利用实时观测信息修正模型预测值。最后通过Q235钢试件的单边疲劳裂纹扩展实验验证了该预测方法的有效性。实验结果表明，非线性预测滤波算法在疲劳裂纹扩展预测中可以有效地修正Paris公式的预测误差，其预测精度高于扩展卡尔曼滤波和粒子滤波算法的预测精度,同时算法效率较粒子滤波算法有明显提高。

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33. 基于Pareto挖掘的白车身侧碰安全件轻量化优化设计

王登峰, 李慎华

中国机械工程 2021, 32 (13): 1584-1590,1637. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.010

摘要（145）

PDF （9201KB）（67）

为提高白车身轻量化优化效果，提出了熵权灰色关联分析法用于挖掘非支配Pareto解集中的最优解。建立了白车身及整车侧碰有限元模型，通过实车侧碰试验验证了所建模型的准确性。以侧碰安全件料厚为设计变量，综合考虑白车身弯扭刚度、振动频率等基本静-动态性能及侧碰安全性能，构建径向基函数神经网络结合Kriging（RBFNN-Kriging）混合近似模型并联合第二代非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ算法）进行了多目标优化。最后，提出了熵权灰色关联分析法计算所有非支配Pareto解的灰色关联度，并以此为评价指标进行多目标决策。优化决策结果表明：在满足白车身性能设计基线的要求下，白车身侧碰安全件质量减小了2.68 kg，取得了较好的轻量化效果。

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34. 基于整群抽样和支持向量回归模型的高功率半导体激光器剩余使用寿命预测

严建文, 钟小虎, 范煜, 郭三敏,

中国机械工程 2021, 32 (13): 1523-1529. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.002

摘要（143）

PDF （3288KB）（106）

剩余使用寿命（RUL）预测是高功率半导体激光器在各种环境应力作用下可靠性评估的核心问题。在实际应用中，现有支持向量回归（SVR）方法均侧重于保证所训练模型的回归曲线的整体误差最小，以追求方法的泛化性，这往往造成关键预警阶段特别是临近故障失效前的预测结果不理想，不能可靠地支持维护决策。提出了一种基于整群抽样的SVR模型训练方法，对测试样本后期观测数据进行多次整群抽样后用于SVR模型测试，SVR模型中的参数使得SVR模型对训练样本的后期数据拟合得更好。实例分析验证了该方法的有效性和稳健性，研究结果表明，所提方法的预测性能和实用价值优于现有几种代表性的小样本分析方法。

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35. 浸酚醛树脂石墨/SiC密封材料摩擦学特性研究

彭旭东, 何良杰, 江锦波, 孟祥铠, 胡丽国, 郭军刚

中国机械工程 2021, 32 (11): 1283-1292. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.003

摘要（143）

PDF （12476KB）（278）

采用UMT-3多功能摩擦磨损试验机研究了3种国产典型浸酚醛树脂石墨与SiC陶瓷配对副在干摩擦和油润滑条件下的摩擦学特性，结果表明：干摩擦下，摩擦因数随载荷p与速度v的乘积（pv值）的增大呈下降趋势；pv值较小时，磨损机理主要为轻微黏着磨损和磨粒磨损，pv值较大时则变为严重黏着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损；相同条件下的磨损率受速度的影响比受载荷的影响更大；油润滑下，摩擦因数保持在0.1左右，磨损机理主要为黏着磨损和疲劳磨损；pv值增至5 MPa·m/s时，干摩擦下3种浸渍石墨摩擦副表面最大温升为21.1 ℃，油润滑下最大温升为14.9 ℃且H1石墨温升均最低。综合考虑浸渍树脂石墨的力学性能、摩擦学特性和端面温升，推荐石墨化度为45%～55%。

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36. 考虑延迟的线控转向二自由度内模控制

杜文龙, 陈俐, 刘文通, 陈峻,

中国机械工程 2021, 32 (16): 1904-1911，1920. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.002

摘要（143）

PDF （4593KB）（121）

针对线控转向系统中由于信号传输、机械间隙和摩擦等因素引起的响应延迟问题，设计了二自由度内模控制策略以提高转角跟踪精度。将延迟模型与线控转向系统模型相结合，构建新的名义模型，为避免引入非最小相位项，采用全极点近似方法将延迟环节线性化，求解跟踪控制器和抗干扰控制器。与名义模型不含延迟环节的二自由度内模控制以及经典PID控制相比较，通过MATLAB/Simulink仿真给出了延迟量对三种方法跟踪性能的影响。比较了延迟量对采用全极点近似、Taylor近似和Padé近似的二自由度内模控制跟踪性能的影响。经线控转向台架试验验证，采用全极点近似的二自由度内模控制跟踪精度较高，对延迟的适应性较好。

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37. 基于工作空间的踝关节康复广义球面并联机器人运动学参数优化

刘秀莹, 张建军, 刘承磊, 牛建业, 戚开诚, 郭士杰

中国机械工程 2021, 32 (16): 1921-1929. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.004

摘要（142）

PDF （3703KB）（143）

为了解决现有踝关节康复机器人难以完全拟合人体踝关节运动的问题，在仿生学的基础上，提出了一种高匹配度的踝关节运动串联拟合模型，并研发了一款新型的三自由度广义球面并联机器人。为研究该并联机器人的拟合能力，基于螺旋理论分析了其自由度特性，建立了机构的运动学模型，并在逆运动学的基础上阐明该机器人具有部分解耦特性。根据机器人具有双球心的特点，求解了动球心和动平台可达工作空间。最后，以踝关节运动拟合模型的工作空间与机器人的工作空间的匹配度为目标函数，采用遗传算法对运动学参数进行了优化。对比研究机器人与模型的工作空间散点图，并求得有效工作空间比分别为0.79和0.86，结果表明优化后的广义球面并联机器人工作空间能够满足踝关节的运动要求。

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38. 采用改进遗传算法优化神经网络的双目相机标定

张峰峰, 张欣, 陈龙, 孙立宁, 詹蔚

中国机械工程 2021, 32 (12): 1423-1431. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.12.005

摘要（142）

PDF （7128KB）（91）

针对传统BP神经网络在双目相机标定过程中存在的迭代时间长、精度低等问题，提出了基于改进遗传算法优化BP神经网络的方法来完成双目相机标定。使用融合多格算法的Trajkovic算子进行角点检测，利用点对点空间映射和网格运动统计相结合的方法完成同名角点匹配，在此基础上，提取同名角点的像素值并计算其实际的三维坐标值。对遗传算法的交叉和变异概率及选择算子进行改进，利用改进后的遗传算法对BP神经网络进行优化，将像素值和三维坐标值分别作为BP神经网络的输入和输出，进而完成双目相机的标定。实验结果表明：优化前后的平均标定预测精度分别为0.66 mm和0.08 mm,其平均标定预测精度提高了88%。优化前后的标定测试迭代次数分别为736和169，优化后迭代速度提高了3.4倍。改进遗传算法优化BP网络在双目相机标定过程中取得较好的效果，满足了双目相机标定的要求。

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39. 基于磨削痕迹仿真的磨削纹理生成机理

陈冰, 罗良, 焦浩文, 邓朝晖, 姚洪辉

中国机械工程 2021, 32 (14): 1677-1685. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.006

摘要（140）

PDF （11755KB）（295）

针对球面和非球面垂直磨削法加工中出现的磨削纹理，开展了基于磨削痕迹轨迹仿真的磨削纹理生成机理研究，建立了磨削痕迹运动分布方程，仿真分析了磨削痕迹在垂直磨削表面的生成和分布机制，揭示了磨削加工参数变化引起的磨削纹理生成机理。通过仿真结果可以看出，垂直磨削后的工件表面残留磨削痕迹分布为中心区域密集、外缘区域稀疏，并具备周期性、放射分布的特征；砂轮圆周上参与磨削的磨粒残留在工件表面的磨削痕迹长度、形状和分布规律几乎完全相同，磨削痕迹间仅存在一定的相位偏差；砂轮与工件的转速比为整数时，相邻螺旋周期的破碎磨削痕迹首尾相接，使得磨削痕迹交接处发生了破碎的耦合与扩展，加剧了工件表面的破碎，并将破碎的磨削痕迹连接在一起，形成磨削纹理。

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40. 汽车试制车间考虑员工作业能力的多目标优化生产调度

易茜, 何爽, 宁轻, 李聪波, 易树平

中国机械工程 2021, 32 (13): 1617-1629. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.014

摘要（139）

PDF （5652KB）（149）

汽车试制车间员工-任务的合理调度方案是保障汽车企业样车试制生产顺利进行的关键。针对汽车试制车间的生产特点及存在的问题，设计了基于决策制定试验和评估实验室与网络分析流程（DEMATEL-ANP）方法的员工作业能力评价体系。基于员工作业能力量化评估，以最大完工时间、员工技能利用均衡度和人工成本为目标，建立了考虑员工作业能力的车间生产调度优化模型，并采用基于逼近理想解排序法（TOPSIS）的非支配排序遗传算法-Ⅱ（NSGA-Ⅱ）对模型进行优化求解。最后通过某汽车制造企业试制车间实际生产案例，对所提模型及方法的有效性和实用性进行验证。

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