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    1. 我国中小企业数字化转型的模式与对策
    王柏村, 朱凯凌, 薛塬, 白洁, 臧冀原, 谢海波, 杨华勇,
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1756-1763.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.013
    摘要752)      PDF (5220KB)(580)    收藏
    推动中小企业数字化转型对我国制造业的全面提质增效具有重大意义。中小企业在数字化转型中存在成本过高、路径模糊、人才短缺等问题,且缺少数字化转型的分析框架与参考范式,因此构建了中小企业数字化转型的分析框架,明确了实现数字化转型关键因素,通过案例研究归纳提出了中小企业数字化转型的四类基本路径模式。基于上述研究,为我国中小企业的数字化转型提出针对性对策建议,以期推动中小企业数字化、智能化发展。
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    2. 融合双重注意力机制与并行门控循环单元的晶圆加工周期预测方法
    戴佳斌, 张洁, 吴立辉
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1640-1646.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.001
    摘要643)      PDF (4600KB)(205)    收藏
    晶圆制造过程中的生产特征数据大规模、特征间复杂关联和特征样本强相关特性导致晶圆加工周期预测效率低与预测精度不高,因此提出了一种融合双重注意力机制与并行门控循环单元的晶圆加工周期预测方法。首先,利用Relief-F算法对生产特征数据进行降维处理;然后,基于模糊C均值算法对数据样本进行工艺相似性聚类,并设计并行门控循环单元网络来挖掘晶圆lot特征样本间的强相关特性;最后,设计了双重注意力机制来学习关键特征内部及特征与加工周期的复杂关联信息。实验结果表明,所提出方法能有效缩短预测训练时间,提高预测精度
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    3. 采用改进两点交叉算子的改进自适应遗传算法求解不相关并行机混合流水车间调度问题
    郑堃, 练志伟, 顾新艳, 朱长建, 徐慧, 冯雪晴
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1647-1658,1671.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.002
    摘要637)      PDF (4458KB)(161)    收藏
    针对不相关并行机的混合流水车间调度问题,提出了改进两点交叉算子(ITPX)的自适应遗传算法。首先,利用精确取点方式提高两点交叉算子的求解性能;其次,论证了基于激素调节的自适应选择概率引导种群的收敛趋势;然后,建立优质染色体池和记忆因子来记录种群迭代的优质解,并实现两种不同区域的交叉。实验结果表明,ITPX可节省优化时间,提高求解性能;自适应概率可增强收敛性;改进两点交叉算子的改进自适应遗传算法(ITPX-IAGA)可缩短40%以上的求解时间,并提高求解性能。
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    4. 基于深度时间卷积神经网络与迁移学习的流程制造工艺过程质量时序关联预测
    阴艳超, 施成娟, 邹朝普, 刘孝保
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1659-1671.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.003
    摘要602)      PDF (13154KB)(138)    收藏
    针对流程生产多工艺参数时序耦合导致的生产质量难以准确预测的问题,提出了基于深度时间卷积神经网络与迁移学习的生产质量快速高效预测方法。借助序列到序列的学习框架,采用深度时间卷积神经网络和时序注意力机制构成的编码器提取多源关键时序特征,采用残差长短期记忆神经网络构成的解码器挖掘质量时序信息,引入迁移学习解决预测模型对生产质量在线预测适应性的问题。实验表明所提方法的预测精度与稳定性优势显著,且在小样本数据预测时具有较高的预测精度和计算效率。
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    5. 智能制造中的人-信息-物理系统协同的人因工程
    杨晓楠, 房浩楠, 李建国, 薛庆
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1710-1722,1740.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.008
    摘要556)      PDF (5740KB)(347)    收藏
    人信息物理系统(HCPS)的智能制造理论体系明确了人在智能制造系统的中心地位。从智能制造人机协同的需求出发,基于人机交互鸿沟理论,在行为、意图、认知三个层面讨论了人因工程在“人本智造”中的研究重点。围绕虚实融合场景、多模态人机交互及认知量化等方法,阐述了人因工程在促进HCPS智能融合的重要作用。最后,从实现HCPS集成的智能制造系统出发,提出了“人本智造”的研究方向和学科发展建议。
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    6. 曲线焊缝的机器人焊接轨迹规划与高频控制
    吴超群, 赵松, 雷艇
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1723-1728.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.009
    摘要536)      PDF (6070KB)(276)    收藏
    机器人实时焊缝跟踪系统中,轨迹规划时间及控制延迟过高会影响跟踪精度和焊接质量。针对这一问题,结合B样条曲线插补算法和外部引导运动模块,提出一种用于曲线焊缝的分段式实时轨迹规划与控制方法。首先根据插补时间最优原则将轨迹分段,然后采用三次非均匀B样条插补每段轨迹并得到插补点,最后设计了机器人高频控制器,利用外部引导运动模块以4 ms为周期将插补点依次发送给机器人,引导机器人运动。试验结果表明,该方法在100 ms内即可完成正弦曲线焊缝的规划并引导机器人焊接,跟踪精度控制在±0.2 mm以内,实现了轨迹的快速规划和高频控制。
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    7. 基于Preston-PSO算法的多方向机器人磨抛轨迹生成方法
    李佳璇, 李论, 周波, 赵吉宾, 朱光, 王正佳,
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1729-1740.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.010
    摘要499)      PDF (13506KB)(142)    收藏
    针对机器人磨抛加工过程中的纹理现象,提出一种基于Preston公式和粒子群优化算法的多方向性机器人磨抛加工轨迹生成方法,获得能自适应曲面模型的光顺无拐角、覆盖均匀且具有多方向性的磨抛加工轨迹。仿真与实验证明,与方向平行轨迹的加工效果相比,此算法生成的轨迹能有效抑制表面条形加工纹理的产生,减小加工表面粗糙度,提高表面质量,获得良好的镜面加工效果。
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    8. 一人多机模式下考虑相似学习效应的车间调度问题
    张维存, 顾洪羽
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1701-1709.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.007
    摘要438)      PDF (4248KB)(204)    收藏
    考虑作业相似性和人员学习效应的影响,建立了一人多机生产模式下多目标作业车间的调度模型,并设计了基于网格筛选外部档案的遗传算法(GFEAGA)对其进行求解。采用两阶段的编解码方式和改进的N6邻域搜索方法以提高求解效率。为平衡人员负荷,设计了人员的选派方法。基于网格排序筛选非支配个体,以提高解集的多样性。实验验证了GFEAGA求解的高效性和优越性,分析了模型中相似性和学习率的灵敏性。
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    9. 基于数据挖掘的注塑产品质量在线故障检测及预测
    陈昱, 项薇, 龚川
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1749-1755.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.012
    摘要428)      PDF (1793KB)(185)    收藏
    注塑件的尺寸精度与注塑工艺参数、注塑过程中各阶段实时条件及实时工况的变化都有关联。开发了一个基于数据挖掘的工件质量诊断模型,利用模内温度、压力、位移等高频传感器采集到的实时数据构建了高维时序特征集,采用三段式特征选择法确定了关键特征子集,并将其用于训练基于LightGBM分类器的质量在线检测模型。基于卷积神经网络长短期记忆网络(CNN-LSTM)的时序模型预测了各特征的未来值,结合分类器完成了产品质量的事前预测。验证结果显示在线检测宏的平均召回率达到89.1%,事前预测宏的平均召回率为81.6%。
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    10. 复杂视觉测量系统的标定参数优化及精度评估
    孙家乐, 罗晨, 周怡君, 王伟, 张刚
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1741-1748,1755.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.011
    摘要416)      PDF (3739KB)(123)    收藏
    复杂视觉测量系统存在多种标定误差,且误差的相互耦合直接影响系统测量的精度,因此提高系统标定参数的准确性是保证系统测量精度的关键。提出了一种基于多维角点误差补偿的标定参数优化方法。首先定义多维角点误差函数,建立相应的优化模型,并利用LM算法求解最优的标定参数;然后以系统标定误差优化率来评价参数优化方法对系统标定优化的效果。实验结果表明系统标定误差优化率可达48%,系统测量精度较高,满足测量需求。
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    11. 需求扰动作用下的供应链库存系统优化模型
    吴迎年, 张晶, 李庆奎, 焦帅,
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1672-1682,1700.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.004
    摘要399)      PDF (7177KB)(87)    收藏
    针对需求扰动作用下的供应链库存系统,设计了一种改进型滑模控制器与扰动观测器相结合的供应链库存系统优化模型。基于供应链系统产品运营逻辑关系建立了三级网状供应链系统的动态库存模型;设计了基于自适应指数趋近律的改进型滑模控制器和扰动观测器相结合的优化模型。在保证系统稳定的前提下,该优化模型能抑制需求扰动对供应链库存系统的影响。仿真对比实验验证了优化模型的有效性。
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    12. 超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展
    黄云, 黄建超, 肖贵坚, 刘帅, 林瓯川, 刘振扬
    中国机械工程    2024, 35 (01): 2-26.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.001
    摘要392)      PDF (50387KB)(531)    收藏
    当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差,因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素,因此,首先基于超疏水表面作用机制,对超疏水表面织构进行了归纳,旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题;然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结,从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施,为拓展超疏水表面加工体系提供思路;进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段,并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法;最后,展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景,以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。
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    13. 基于SAO的专利数据驱动产品创新设计
    林文广, 刘晓东, 肖人彬
    中国机械工程    2023, 34 (15): 1765-1777.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.001
    摘要364)      PDF (5241KB)(357)    收藏
    借助大数据挖掘技术,提出基于主语-谓语-宾语(SAO)的专利数据驱动产品创新设计方法。首先通过语义依存句法挖掘专利文本数据库中的SAO结构,获取产品元件之间的作用关系信息;其次构建面向产品系统的复杂网络知识模型,并引入结构洞理论计算复杂网络中元件约束性系数,以此确定创新目标元件,并借助Word2Vec计算元件语义相似性系数,利用SAO相似性算法计算功能相似性系数;在此基础上,融合推荐算法以及组合矩阵,分别围绕结构创新、功能创新以及功能优化三个方面实现产品创新。最后以具有典型代表性的卫浴花洒产品为例,对所提方法进行了详细的演示,充分证实了所提方法的有效性和先进性。
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    14. 钛合金超声冲击强化研究现状及发展趋势
    查旭明, 袁智, 秦浩, 袭琳清, 张涛, 姜峰
    中国机械工程    2023, 34 (19): 2269-2287.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.19.001
    摘要320)      PDF (36447KB)(226)    收藏
    梳理、介绍了钛合金超声冲击强化技术的工艺原理与研究进展;统计分析了不同超声冲击工艺参数(静压力、超声振幅和滚压次数)对钛合金表面层性能的影响规律,结果表明不同工艺参数的择优对钛合金性能强化有重要影响,同时各工艺参数也会存在优化临界值,超过临界值反而会降低其服役性能;总结了现阶段超声冲击强化技术在工程应用上面临的难点,并结合智能制造提出超声冲击强化技术未来发展方向。
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    15. 仿生六足机器人柔顺腿研究
    王伟, 韦浪, 刘富盛, 王国顺
    中国机械工程    2023, 34 (17): 2089-2094.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.008
    摘要302)      PDF (6492KB)(180)    收藏
    为探索弧形腿柔顺性对仿生六足机器人运动性能的具体影响,首先使用伪刚体模型描述弧形腿的变形特征,并给出了刚度的数学表达;然后基于该刚度模型,在Webots仿真环境中构建虚拟样机,通过设定弧形腿不同的刚度,分析了仿生六足机器人在运动速度、能量消耗等方面的变化;最后通过制作不同刚度的弧形腿在物理样机中进行了验证。研究结果表明,弧形腿的柔顺性可以用伪刚体模型准确描述,它可提高仿生六足机器人的运动速度并减小能量消耗。
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    16. 考虑设备预防性维护的开放车间调度问题
    朱传军, 冯诗健, 张超勇, 金亮亮, 王林琳
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1693-1700.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.006
    摘要294)      PDF (2203KB)(161)    收藏
    依据实际生产车间的运行情况,建立了带设备预防性维护的开放车间调度模型,并设计一种混合遗传禁忌搜索算法来求解该问题。根据问题的特点,设计了混合算法的遗传编码、解码、改进交叉和变异等操作,以及禁忌搜索算法的邻域结构,使算法在集中搜索与分散搜索中达到平衡。所提算法在开放车间调度Taillard基准实例和带预防性维护的开放车间调度案例中的应用验证了其高效性和有效性。
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    17. 负载条件下RV减速器动态传动误差分析与试验
    许立新, 夏晨, 杨博
    中国机械工程    2023, 34 (18): 2143-2152.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.18.001
    摘要290)      PDF (8485KB)(216)    收藏
    目前RV减速器传动精度出厂标定值是在空载条件下检测的,难以反映扭矩加载条件下的真实精度性能,为有效揭示负载作用下RV减速器动态传动误差特性,考虑关键传动件几何形状与位置度多源误差因素影响,提出了两曲柄轴标准型RV减速器接触多体系统动力学理论模型。在建模中,针对RV减速器传动结构特点,首先完成整机动力学参数化建模架构设计,然后针对第一级渐开线齿轮传动、第二级摆线针轮传动以及多组转臂轴承和支承轴承部分,提出详细的动态接触分析方法;在此基础上,以RV20E减速器为对象,探讨扭矩负载作用下减速器动态传动误差特性。研究结果表明,随着负载扭矩的增大,减速器传动误差幅值不断增大,但幅值增长率逐渐减小;相比于空载情况,额定扭矩下的减速器传动误差计算增幅为73.1%,试验测试增幅为58.9%。
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    18. 考虑轮胎非线性的横摆角速度计算与车辆稳定性控制
    闵德垒, 童汝亭, 危银涛
    中国机械工程    2023, 34 (21): 2521-2530.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.001
    摘要290)      PDF (7794KB)(222)    收藏
    基于非线性轮胎模型提出横摆角速度的一种准确计算方法,并将其用于车辆稳定性控制。轮胎的非线性采用刷子模型进行表征,通过摄动分析得到等效稳定性因数,进而得到稳态横摆角速度的精确解析解。对解析解存在性的分析表明轮胎非线性会对车辆稳定性产生影响。实车试验和基于车辆模型的控制仿真表明,考虑轮胎非线性可有效提高作为目标参量的稳态横摆角速度的计算精度,提高车辆稳定性的控制效果。
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    19. RV减速机摆线齿轮接触应力数值分析方法与试验
    黄襄茂
    中国机械工程    2023, 34 (24): 3015-3023.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.013
    摘要287)      PDF (8857KB)(155)    收藏
    计及摆线齿轮齿面弹性变形及侧隙计算了在特定载荷下摆线齿轮齿面的有效接触区域及其周向载荷分布,利用力平衡方程和变形协调方程建立了摆线齿轮齿宽方向的接触应力数学模型并给出计算步骤和流程图。该数学模型为非线性方程组,通过求解该非线性方程组完成了摆线齿轮齿宽方向的接触应力分布和接触宽度的计算。利用接触应力数学模型及计算步骤仿真分析了摆线齿轮理想状态和安装误差的接触齿宽及接触应力分布, 结合试验和仿真结果验证所提方法的正确性和可行性。
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    20. 基于二阶近似扩展卡尔曼滤波的锂离子电池SOC估计
    段林超, 张旭刚, 张华, 宋华伟, 敖秀奕
    中国机械工程    2023, 34 (15): 1797-1804.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.004
    摘要286)      PDF (4607KB)(217)    收藏
    为提高电池荷电状态(SOC)估计的准确性,更高阶的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法被用来估计SOC值。首先建立锂离子电池一阶Thevenin等效电路模型,采用样条函数来表述开路电压(OCV)和SOC值的函数关系。为更加精确地识别等效电路模型参数,提出一种新的带有可变遗忘因子最小二乘法(VFFRLS)的算法来在线识别模型参数。由于VFFRLS解的精度依赖于算法初始值的设定,为此采用改进粒子群算法求得模型初始参数值,进而得到更加精确的VFFRLS初始值。最后采用二阶EKF来估计电池的SOC值,以此提高估计精度。两组不同的数据集用来证明二阶EKF估计SOC值具有普适性。实验结果表明,二阶EKF在估计不同工况条件下的SOC值时,平均绝对误差(MAE)都保持在1%以内,由此证明了所提方法的有效性。
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    21. 基于磨削热变形分析的切入式外圆磨削去除率的修正模型与实验研究
    迟玉伦, 武子轩
    中国机械工程    2023, 34 (15): 1778-1788.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.002
    摘要286)      PDF (13452KB)(179)    收藏
    为解决切入式外圆磨削加工中磨削热变形引起的传统磨削去除率模型与实际磨削偏差较大的问题,基于磨削热变形机理分析,对传统切入式外圆磨削去除率模型进行了修正。通过分析切入式外圆磨削过程中砂轮与工件的磨削热变形量及热变形速率,确定了修正函数,建立了基于磨削热变形的切入式外圆磨削材料去除率修正模型,并通过磨削实验对模型进行了验证。结果表明,修正模型具有更高的准确性。
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    22. 重载工况下行星齿轮传动啮合偏载分析
    谭建军, 李浩, 杨书益, 朱才朝, 宋朝省, 孙章栋
    中国机械工程    2023, 34 (13): 1513-1524.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.001
    摘要285)      PDF (24327KB)(255)    收藏
    为了深入研究重载行星齿轮传动多柔体变形下齿面载荷分布规律,提出一种计入结构柔性与齿轮副动态接触的行星齿轮传动耦合动力学建模方法。以某型兆瓦级风电齿轮箱行星轮系为研究对象,根据内齿圈、行星架结构及其边界特征,采用有限元缩聚理论建立内齿圈轮齿、行星架耦合点与弹性支撑之间的关联关系,利用齿轮副动态承载接触作为界面协调条件将各构件进行耦合,建立行星齿轮传动耦合动力学模型,分析了啮合偏载现象以及结构参数对啮合特性的影响。研究结果表明,作用在行星轮上的合弯矩以及行星架销轴非对称结构变形是造成啮合偏载的主要原因,系统共振会加剧啮合偏载程度;在共振区附近,齿轮动态啮合刚度与静态啮合刚度存在较大差异;增加销轴刚性、增大螺旋角可以改善啮合偏载程度,减小共振区系统振动,但在低转速区不利于系统减振,而增大行星架连接板刚性可以保持低转速区系统振动状态,同时减小共振区系统振动。
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    23. 一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作
    王铠迪, 陈岁繁, 唐威, 秦可成, 李其朋, 杨展, 刘阳, 邹俊
    中国机械工程    2023, 34 (24): 2946-2951.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.006
    摘要283)      PDF (3896KB)(300)    收藏
    为了提高小型机器人的机动性,增加运动步态的多样性,基于蝗虫的身体结构和运动机理设计了一款仿蝗虫弹跳的跳跃机器人,机身主体采用3D打印制作而成。为了复现蝗虫的弹跳动作机理,在机器人主体的连接处安装了扭转弹簧来模拟蝗虫的SLP机构(半月形储能机构),当机器人遇到障碍物时,扭转弹簧将储存的弹性势能释放,产生地面反作用力,实现机器人的弹跳从而越过障碍物。经实验验证,该机器人具有良好的跳跃性能,其跳跃距离可达100 cm,跳跃高度可达120 cm,约为自身身长的15倍。
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    24. 激光辅助水射流微铣削单晶β-Ga2O3衬底的实验研究
    田龙, 黄传真, 刘盾, 姚鹏, 刘含莲, 刘雪飞
    中国机械工程    2023, 34 (13): 1559-1567.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.005
    摘要280)      PDF (7739KB)(182)    收藏
    氧化镓(β-Ga2O3)是一种新型高性能半导体材料,由于其易解理、高脆性、导热性差和各向异性等特点,在传统的精密加工和激光加工过程中易产生微裂纹,这极大地制约了氧化镓单晶的应用。激光辅助水射流加工集成了激光加工效率高、精度高以及水射流加工不产生热损伤的优势,能实现硬脆材料的近无热损伤加工,在半导体晶圆加工领域具有良好的应用前景。对激光辅助水射流微铣削单晶β-Ga2O3衬底进行了全因素实验研究,结果表明,工艺参数对微槽深度和微槽底部表面粗糙度具有显著影响,通过工艺参数优化,激光辅助水射流加工能获得低表面损伤、底部平整且表面粗糙度低(Ra<1 μm)的微槽。
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    25. 滚动轴承接触疲劳裂纹建模与扩展规律研究
    郭伟, 曹宏瑞, 訾艳阳, 尉询楷
    中国机械工程    2023, 34 (16): 1891-1899.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.001
    摘要280)      PDF (19224KB)(187)    收藏
    针对滚动轴承的疲劳剥落损伤演化问题,采用扩展有限元方法研究疲劳裂纹扩展机理,通过算例验证了扩展有限元方法的可靠性。运用断裂力学理论建立了包含次表面初始裂纹的滚动接触疲劳扩展有限元模型,分析了初始裂纹倾斜角度、所处深度和初始裂纹长度对次表面裂纹生长到表面的扩展路径影响机制,通过分析应力强度因子变化研究了裂纹扩展机理。研究结果表明,次表面疲劳裂纹以滑开型裂纹扩展模式为主;初始裂纹角度对疲劳裂纹扩展路径影响较大,初始裂纹角度在15°~45°时裂纹会转向表面发展而形成疲劳剥落;初始裂纹尺寸和深度对裂纹扩展路径形貌的影响较小,但会影响裂纹扩展的难易程度。
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    26. SPCA和OCHD相结合的旋转机械早期微弱故障检测方法
    李鑫, 程军圣, 吴小伟, 王健, 杨宇,
    中国机械工程    2023, 34 (15): 1805-1812.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.005
    摘要277)      PDF (4130KB)(136)    收藏
    针对旋转机械早期微弱故障难以被及时准确检测的问题,提出了一种基于辛主成分分析(SPCA)和单分类超圆盘(OCHD)的智能检测方法。首先,采用SPCA将振动信号映射到辛空间,并提取最能表征信号主要能量和有效信息的辛特征值作为旋转机械故障特征。然后,将超圆盘模型引入单分类领域,提出了OCHD模型,该模型采用超圆盘模型评估已知样本的类别分布,并通过寻找几何模型上距离原点最近的点来构建最优单分类超平面,从而实现早期微弱故障的智能检测。最后,采用辛辛那提大学轴承全寿命周期数据验证所提方法的有效性,实验结果表明:SPCA能够有效提取轴承的敏感故障信息,且OCHD的故障检测性能明显优于其他单分类模型。
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    27. 考虑工人数量配置优化的柔性作业车间调度问题研究
    梁向檩, 宋豫川, 雷琦, 孙爱红
    中国机械工程    2023, 34 (17): 2065-2076.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.006
    摘要272)      PDF (4704KB)(178)    收藏
    在工人资源紧缺且工人成本增加的背景下,以合理的工人数量配置方案完成制造任务变得至关重要。以往考虑工人约束的柔性作业车间调度研究假设工人的数量是给定的。为实现不同技术水平工人的数量配置及柔性作业车间调度集成优化,考虑工件拖期惩罚成本、工人基础及绩效成本,建立了最小化总成本的混合整数规划模型,并提出了一种改进教学优化算法进行求解。在算法中,采用基于工人数量配置、工序排序、机器选择的三层编码并设计了活动调度解码方法,采用混合启发式初始化方法进行初始化,针对问题特征设计了有效的邻域结构。通过多组算例测试验证了所提算法能确定不同技术水平工人的实际数量并获得优异的调度方案,且在性能上优于对比算法。
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    28. 一种改进基尼指数加权的轴承健康指标构建方法
    钱门贵, 陈涛, 于耀翔, 郭亮, 高宏力, 李威霖,
    中国机械工程    2023, 34 (15): 1813-1819,1855.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.006
    摘要268)      PDF (6461KB)(136)    收藏
    在轴承的状态监测中,构建一个可以准确描述轴承退化趋势且能及时识别早期退化点(EDP) 的健康指标(HI) 至关重要。目前大多学者提出的健康指标能较好地描述轴承的退化趋势,但不能准确识别早期退化点。提出了一种改进基尼指数(IGI) 加权的轴承健康指标构建方法。利用集成经验模态分解(EEMD) 对原始信号进行分解,根据各分量的故障特征能量比(FCER),对其进行加权重构得到重构信号;计算重构信号的IGI;将IGI作为重构信号的FCER进行加权计算,得到最终的指标IGI-FCER-HI。通过两个实验验证了所提方法的有效性,并与其他健康指标进行了对比。结果表明,所提方法构建的指标不仅具有良好的单调性和趋势性,而且能准确监测轴承的早期退化点。
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    29. 机器人铣削加工颤振自适应识别方法研究
    籍永建, 姚利诚,
    中国机械工程    2023, 34 (18): 2165-2176.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.18.003
    摘要267)      PDF (12897KB)(151)    收藏
    针对机器人铣削颤振形式复杂、难以有效识别的问题,提出一种机器人铣削加工颤振自适应识别方法。首先对原始振动信号进行信号分离,保留能够表征机器人加工状态的信息;然后采用不同信号功率谱熵之间的差值表征不同铣削状态下振动信号的频率分布特性,采用原始信号的标准偏差表征机器人铣削振动信号的时域特性。采用上述特征指标构建能够表征机器人不同铣削状态的三维特征向量矩阵,将特征向量输入支持向量机,构建机器人铣削加工颤振自适应识别模型。对模型进行验证,并与现有方法进行对比,结果表明,构建的机器人铣削颤振自适应识别模型能够准确识别机器人铣削加工过程中的再生颤振与低频颤振;对于稳定、早期颤振、剧烈颤振、低频颤振以及空载等状态的识别准确率达到93%,优于现有方法。
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    30. 超细微穿孔板构筑轻质结构的吸声特性研究
    刘杰, 翦林杰, 窦泽城, 文桂林, 王锐坤, 李方义
    中国机械工程    2023, 34 (20): 2395-2402.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.001
    摘要267)      PDF (5794KB)(141)    收藏
    为了解决传统微穿孔板中低频有效吸声带宽过窄的问题,设计了一种超细微穿孔板(UMPP)构筑轻质结构,建立了基于微穿孔板理论的吸声理论模型和高保真有限元模型,并搭建了基于声阻抗管的吸声测试系统。研究了单层、双层、三层UMPP吸声结构的吸声特性,发现单层UMPP吸声结构具有较好的有效吸声带宽,但存在明显的吸声波谷,并利用归一化声阻和归一化声抗揭示了其吸声机理。为了进一步改善所提UMPP吸声结构的吸声性能,提出了一种结构优化设计策略,实现了亚波长尺度下(1/8波长),369~7000 Hz频率内的宽频有效吸声。
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    31. 气口参数对环形串联直缸发动机缸内压力的影响
    徐海军, 杨聪楠, 蔡彤, 高雪
    中国机械工程    2023, 34 (17): 2017-2025,2047.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.001
    摘要258)      PDF (10689KB)(168)    收藏
    针对新构型环形串联直缸发动机介绍了一种基于气道复用的动态位置配气系统。结合双转子气缸差速旋转特性,建立了动态位置配气结构的数学模型及环形串联直缸发动机工作过程的热力学模型,分析了配气系统不同结构参数(气口位置角、尺寸和形状)对环形串联直缸发动机缸内压力变化的影响。采用数值计算方法求解热力学方程组,结果表明,中央配气轴进排气口位置角对缸内压力变化的影响较大,而对气口尺寸的影响较小,旋转配气阀气口尺寸对缸内压力变化的影响较大,而对气口形状的影响较小。发动机高压气动实验结果表明,当中央配气轴进气口位置角为78°、排气口位置角为30°、进气口尺寸为10 mm、排气口尺寸为14 mm、旋转配气阀气道口直径为6 mm时,发动机能够处于正确配气状态并稳定工作。
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    32. 考虑加班的无拖期作业车间调度问题多目标金鹰优化算法研究
    史双元, 熊禾根
    中国机械工程    2023, 34 (17): 2077-2088.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.007
    摘要253)      PDF (5011KB)(156)    收藏
    按期交货是面向订单型制造企业生产运作所追求的重要目标之一。当制造系统生产负荷较重时,加班作业是保证交货期最常采用的有效措施。为实现订单的无拖期交付和加班时间的合理优化使用,以面向订单型制造系统为背景,提出了一种考虑加班的多目标无拖期作业车间调度问题,建立了以最小化总加班时间和最大完工时间为目标的数学规划模型。为有效求解该问题,提出了一种多目标金鹰优化算法。在算法中设计了连续解空间映射至问题离散解空间的编码方法;提出了两阶段解码方案;融入了基于精英保留策略的非支配排序选择算子;引入了自适应子代个体生成策略。以23个作业车间调度问题基准算例为实验对象进行了对比实验,实验结果验证了所提出算法的有效性和优越性。
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    33. 地铁小半径曲线钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨成因分析
    王志强, 雷震宇
    中国机械工程    2023, 34 (24): 2899-2908.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.001
    摘要250)      PDF (10660KB)(216)    收藏
    为探究地铁小半径曲线钢弹簧浮置板轨道上的波磨成因,从轮轨黏滑振动层面阐释了钢轨波磨的形成过程。首先,依据线路基本情况建立了轮对浮置板轨道三维有限元模型;然后,利用上述模型分析了轮轨接触黏滑特征和钢轨纵向磨耗特性以量化波磨的发生趋势;最后,基于复模态理论,研究了轮轨系统的固有振动属性与波磨形成的关系。结果显示,在轮对运行过程中,内侧轮轨黏滑分布呈现周期性变化,说明内侧轮轨系统发生了周期性的黏滑振动,进而可能导致内轨出现周期性的波状磨耗,最终形成钢轨波磨;外侧轮轨黏滑分布总体上未有明显变化,说明外侧轮轨系统未出现黏滑振动,从而不易形成钢轨波磨。在钢轨纵向上,内轨滑移量明显大于外轨滑移量,表明内轨纵向磨耗程度更大;在钢轨横向上,内外侧钢轨滑移量相差不大,表明内外侧钢轨横向磨耗程度相近。内外侧钢轨纵横向滑移云图分布均表现出了一定程度的周期性,尤其是内轨纵向滑移云图,其波长28 mm与实测波磨波长25 mm相近,这与内侧轮轨界面接触黏滑状态的周期特性相呼应,从而进一步说明了内轨更容易发生严重的周期性磨耗,即钢轨波磨。综合轮轨接触黏滑与磨耗特征及轮轨系统振动特性分析结果,可以得出实测地铁小半径曲线浮置板轨道上的内轨波磨是由664.1 Hz和665.8 Hz对应的轮轨系统不稳定振型诱发的黏滑振动所致,且该不稳定振型均表现为内轮相对于轨道的弯曲振动。参数敏感性分析表明适当地增大扣件和钢弹簧的垂向刚度能够对波磨控制起到积极作用。
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    34. 外包合同视角下的多设备分阶段成组维护策略
    张馨予, 刘勤明, 叶春明, 谢世锐
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1683-1692.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.005
    摘要248)      PDF (2101KB)(88)    收藏
    针对多设备串联生产系统的维护外包问题,提出了分阶段成组维护策略。将第三方维护特征引入的平均故障响应时间以及系统可用度相结合来衡量工厂对维护服务商的满意度。基于满意度分段,构建了可靠度约束下的分段式利润模型。采用多策略融合的麻雀搜索算法求出不同分阶段策略对应的最优分组及维护方案,并据此制定维修计划以供维护外包合同中的双方参考。算例结果表明,四阶段成组维护策略相较于传统维护模式具有明显优势。
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    35. 行星轮齿轮箱太阳轮齿根裂纹传递特性分析
    沈子钰, 张砦, 王友仁, 李泓锟
    中国机械工程    2023, 34 (18): 2177-2185.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.18.004
    摘要248)      PDF (6748KB)(116)    收藏
    采用集中参数模型,考虑啮合振动的内部激励,分别对齿轮箱内啮合和外啮合两种方式下的振动信号特征进行了分析。引入改进高斯窗的时变路径函数和考虑齿轮箱材料的时不变路径函数,改进行星轮齿轮箱箱体表面振动信号模型,分析太阳轮齿根在正常和裂纹情况下,不同传递路径对箱体表面振动信号调制现象的定量影响规律。仿真和实验对比分析表明:太阳轮齿根裂纹主要影响啮合频率倍频的边频带成分;该模型能够准确分析齿轮箱正常工况和太阳轮齿根裂纹情况下振动信号的频率、幅值和边频信息,可用于太阳轮齿根裂纹故障诊断。
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    36. 无人帆船翼帆桅杆根部应力影响因素及其影响规律研究
    牛温超, 孙朝阳, 盛忠起, 俞建成, 赵宝德, 赵文涛,
    中国机械工程    2023, 34 (22): 2647-2658.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.001
    摘要248)      PDF (15151KB)(170)    收藏
    为研究翼帆桅杆根部应力的影响因素及其影响规律,基于等效原理提出了桅杆根部应力的数值计算模型,并通过有限元计算验证了所提模型的准确性。基于所建模型推导发现,对桅杆根部应力造成影响的参数共包含4个外部参数(无人帆船横摇周期、横摇幅值、横摇角度、翼帆偏转角度)和3个翼帆本体参数(翼帆重心高度、翼帆质量、偏心距离)。基于所建模型分析了上述因素对桅杆根部应力的影响规律,发现应力值与横摇周期成递减的负二次幂函数关系,与横摇幅值、翼帆重心高度、偏心距离和翼帆质量成正比,应力值随偏转角度的变化曲线与正弦曲线相吻合,并且在一个横摇周期内应力值曲线呈现正弦波形。最后,针对应力集中于桅杆根部的情况,提出了一种设置加强筋以优化结构的方法,并通过有限元计算和转台晃动实验分析的方法进行了验证,发现所提方法可以有效减小翼帆桅杆工作过程中根部的应力值。
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    37. 基于多目标混合进化算法的作业车间混排可变分批节能调度方法
    谢法吾, 李玲玲, 李丽, 黄洋鹏
    中国机械工程    2023, 34 (13): 1576-1588,1598.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.007
    摘要247)      PDF (3786KB)(250)    收藏
    针对作业车间分批调度问题,集成可变子批划分和子批混排策略,考虑批量划分约束、子批混排加工约束等,建立了最小化能耗和完工时间的混排可变分批调度优化模型,并提出了一种改进多目标混合进化算法。为了协调算法的全局搜索与局部搜索性能,将Jaya算法种群更新机制引入基于分解的多目标进化算法中,同时结合混排可变分批调度问题特征,设计了一种基于子批拆分/合并与关键链相结合的局部搜索策略。基于不同规模算例,对比分析了所提出的算法与其他经典算法的求解性能。实验结果表明,所提出的算法在Pareto解集收敛性和分布性方面具有明显优势,同时所提出的混排可变分批策略可有效降低能耗、缩短完工时间。
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    38. 基于网格搜索算法的6-RUS并联机器人时间最优轨迹规划
    刘栋财, 董广宇, 杜玉红, 李文鹏,
    中国机械工程    2023, 34 (13): 1589-1598.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.008
    摘要246)      PDF (7882KB)(114)    收藏
    针对6-RUS并联喷涂机器人再现轨迹不平滑、轨迹规划效率低等问题,提出了基于优化贝塞尔曲线节点位置的6-RUS并联机器人时间最优轨迹规划方法。首先,将预处理的轨迹离散化为网格点,更新节点参数并优化贝塞尔曲线弧长,进一步拟合小线段路径获取最优几何路径;然后,计算不同粗网格点对应的最佳速度以及求解时间,选择合适的粗网格点,进一步以较小步长密化网格点间路径,迭代求解正反向最大速度,搜索路径的最佳速度曲线,获取6-RUS并联机器人的最佳运行时间。最后,在自研的6-RUS并联机器人平台上进行实验。结果表明,在相同示教轨迹条件下,基于所提的改进贝塞尔曲线算法得到的路径长为8.12 m,优于传统贝塞尔曲线算法以及G2CBS算法的结果;同时将改进的时间最优轨迹规划算法(TOPP)用于优化后的示教路径,所提算法的最优速度曲线的求解时间为416.4 ms,与TOPP-RA算法的最优速度曲线的求解时间相比缩短了244.7 ms,而且该算法下最优轨迹规划时间也优于TOPP-RA算法,该方法提高了最佳速度的求解速率,缩短了6-RUS并联机器人轨迹再现时间,提高了工作效率。
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    39. 高减比准双曲面齿轮摩擦功耗分析与效率试验
    魏冰阳, 古德万, 王永强, 杨建军,
    中国机械工程    2023, 34 (13): 1525-1532.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.002
    摘要246)      PDF (10205KB)(145)    收藏
    针对高减比准双曲面(HRH)齿轮拓扑曲面复杂的问题,利用对偶等切共轭的方法,构建了HRH齿轮齿面模型与ease-off曲面,解析得到齿面接触点曲率参数、卷吸速度、滑滚比等运动学参数。利用接触线微分单元法建立轮齿刚度、载荷与变形协调方程,进行承载接触分析(LTCA)计算,获得了齿面载荷与接触应力分布规律;结合弹流润滑(EHL)摩擦因数经验公式,解决了瞬时接触区畸变、EHL参数计算问题。分析了齿面上油膜厚度、摩擦因数、摩擦功耗的分布规律。通过传动效率试验验证了所给出的LTCA、摩擦功耗分析与啮合效率计算模型。
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    40. 薄壁易碎圆柱内壁工件的内撑式机械手抓取接触-碰撞仿真与实验研究
    王良文, 孔阳光, 王若澜, 张志刚, 刘旭玲, 李林峰,
    中国机械工程    2023, 34 (17): 2026-2036.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.002
    摘要245)      PDF (12730KB)(184)    收藏
    针对工业生产中抓取薄壁易碎件的作业需求,提出了一种具有指掌协同特征的内撑式机械手构型。为了寻找合适的机械手手指作业参数,探索抓取过程中接触-碰撞时应力的变化规律,采用HyperMesh、LS-PrePost等软件集成建模的方法建立了机械手指的有限元模型,对有限元模型施加相应的约束、载荷、接触类型后,计算得到了手指与易碎件接触碰撞过程中的应力、应变云图。仿真结果表明:随着手指冲击速度的增大,易碎件所受的应力呈线性增大。速度在0.5~2.5 mm/ms变化时,应力增大为原来的3~4倍;随易碎件壁厚的增大,易碎件所受的应力逐渐减小。而在较小壁厚阶段,应力变化明显,壁厚0.5~1.0 mm时的平均应力变化是壁厚1.0~2.5 mm时应力的6~7倍;在机械手抓取易碎件的碰撞瞬间施加不同的加速度时,随加速度的增大,接触应力也相应增大,加速度在1.0~2.5 mm/ms2时的平均应力变化是加速度0.5~1.0 mm/ms2时的8~9倍。根据已有的仿真结果,通过建立Kriging代理模型,计算得到的不同壁厚、抓取速度条件下接触应力大小的预测模型,为确定不同状态下的机械手抓取参数、设计和优化手指结构建立了基础。通过构建实验系统,对相关仿真结果进行了实验验证,证明了仿真结果的正确性。
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