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2012年 第23卷 第12期    刊出日期：2012-06-25
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2012, 23(12):  0. 
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机械基础工程
数控机床转动轴进给系统轮廓误差分析
谢东1, 2, 丁杰雄1, 霍彦波1, 杜丽1, 王伟1
2012, 23(12):  1387-1392. 
摘要 ( )   PDF (633KB) ( )  
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在五轴联动数控机床中,转动轴进给系统的动态精度对轮廓误差的影响是不可忽视的。采用不同空间位置上的外形轮廓,对五轴联动数控机床转动轴的联动运动产生的轮廓误差进行分析。在建立转动轴进给系统模型的基础上,利用刀具位置系统到加工系统的转换得到转动轴指令,通过进给系统动态误差模型得到仿真输出指令,再将输出指令从加工系统转换回刀具位置系统,比较刀具位置的偏差,从而得到轮廓误差。找出轮廓误差点与外形轮廓空间位置之间的对应关系,利用这种关系可快速通过轮廓误差来考察转动轴进给系统的动态性能,为机床快速调整和维修提供一种手段。
基于优选级评定的能量设计因子耦合分解机制
周丹1, 刘光复1, 何平1, 2
2012, 23(12):  1393-1399. 
摘要 ( )   PDF (682KB) ( )  
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能量设计因子作为产品设计信息与能量特性的联系桥梁,一般与众多设计元素存在耦合关系，难以直接转换成设计过程需要的设计参数或控制措施，针对此问题，建立了能量设计因子耦合分解机制。耦合分解机制的主体由耦合性质分析、耦合元素关系矩阵构造、耦合元素设计优先级评定、能量设计参数与取值建议（或控制措施与控制目标)获取四个核心环节构成。以数控机床的耦合能量设计因子极限切削宽度
bDlim为例,对耦合分解机制进行了说明。
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微气体轴承-转子系统动力特性研究
张海军1, 祝长生2
2012, 23(12):  1400-1403. 
摘要 ( )   PDF (489KB) ( )  
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针对微气体轴承，基于1阶速度滑移边界，推导得到修正Reynolds方程，然后采用双向隐式算法（ADI）求解动态Reynolds方程，得到轴承非线性气膜力，并结合刚性转子运动方程，计算转子系统不平衡响应，得到了转子轴心轨迹、时间历程、功率谱和Poincare图等，分析了微气体轴承-转子系统的动力特性。分析表明，随着转子转速的升高，转子系统运动表现出倍周期和概周期等复杂的动力特性。
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基于自适应成长法的散热通道构建技术
杨东升, 丁晓红, 季学荣, 刘炜
2012, 23(12):  1404-1407,1432. 
摘要 ( )   PDF (592KB) ( )  
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应用自然界生物分枝网形态成长机理的自适应成长法对体-点问题进行求解,以每一单元的材料热导率作为设计变量，以设计区域的最高温度最低为设计目标，根据设计领域的温度梯度，逐步将高导热材料填充到设计区域,实现自适应成长。以若干典型体-点问题为算例，通过与现有设计方法的结果进行比较,说明提出的自适应成长技术可有效地应用于散热通道的构建。
基于带漂移布朗运动的滚轮滑轨可靠性预测方法研究
蔡景, 任淑红, 陆晓华
2012, 23(12):  1408-1412. 
摘要 ( )   PDF (498KB) ( )  
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针对滚轮滑轨的高耐磨性、少失效信息的特点，运用性能退化可靠性理论和随机过程方法，对滚轮滑轨的可靠性进行了研究。通过分析滚轮滑轨的磨损失效过程,建立了基于带漂移布朗运动的滚轮滑轨可靠度模型，并利用布朗运动特性研究了基于当前状态的寿命预测方法，从而实现滚轮滑轨可靠性的实时预测。实例证明了该方法的合理性和有效性。研究结果为滚轮滑轨的维修决策提供了理论方法。
轮式装载机传动系载荷谱编制方法研究
刘永臣, 常绿, 孙丽
2012, 23(12):  1412-1416. 
摘要 ( )   PDF (634KB) ( )  
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为指导轮式装载机可靠性设计，提出一种轮式装载机传动系载荷谱编制方法。采用“五段法”测试了轮式装载机传动系载荷时间历程信号;通过频谱分析，确定载荷信号频率不超过1Hz的特征;按照“空载运行-铲掘装载-满载运行-卸载”四段的循环特征，对信号进行分割与合并，完成信号的平稳处理;通过雨流计数与工况合成法，获得载荷均值符合正态分布、幅值符合威布尔分布的特征，完成载荷幅值极值的统计推断;根据波动中心法，编制出了轮式装载机传动系各部件的八级载荷谱与程序加载谱。研究表明，轮式装载机传动系载荷信号可依特征分四段平稳处理，且具有显著的概率分布特征，编制的载荷谱符合装载机真实工况。
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导流式液流悬浮加工流场特性研究
计时鸣, 何剑敏, 洪, 滔, 於加峰
2012, 23(12):  1417-1422. 
摘要 ( )   PDF (620KB) ( )  
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为提高液流悬浮加工的效率，提出一种应用导流模块来改变悬浮液流场特性的液流悬浮加工方法。基于流体动压理论和可实现的k-ε湍流理论，建立导流式液流悬浮加工的动力学模型。研究发现,该加工方法的压力、速度参数在数值上与传统液流悬浮加工方法相比分别提高了5.04%和1%，且流体动压力和流体速度的大小与转速成正比，其流体动压力及速度最大值均出现在加工区最小间隙处。实验结果表明：当转速达到6500r/min时，工件加工区表面在加工90min后粗糙度值降至0.018μm，可得到比较理想的加工效果。
尺蠖式仿生微型机器人的结构和致动机理研究
李宇鹏, 孙洪胜, 单彦霞
2012, 23(12):  1423-1427. 
摘要 ( )   PDF (565KB) ( )  
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提出并设计了一种新型偏动式双程SMA驱动器，以此驱动器为基础研发出一种靠交替摩擦自锁方式行走的尺蠖运动式仿生微型机器人。提出一种四杆机构无关节新型腿，这种新型腿可以有效改变SMA驱动器输出力的方向。分析了四杆机构新型腿的摩擦自锁机理,并求解出腿实现摩擦自锁的条件，使微型机器人能可靠地实现摩擦自锁作用下的稳步行进。阐述了新型微型机器人的定向运动机理,对微型机器人的尺蠖式收缩和伸张运动规律、步幅、频率等进行了分析及求解。
一种多传感器测量系统全局标定方法
牟鲁西, 尹周平, 熊有伦
2012, 23(12):  1428-1432. 
摘要 ( )   PDF (534KB) ( )  
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针对复杂曲面零件加工中由触发式测头－关节臂激光扫描仪组成的多传感器测量系统，提出了六面体零件作为模板的全局标定方法,建立了基于单位四元数的全局标定数学模型,并用数学形态学方法在单位四元数球上进行聚类分析以确定最优的刚体变换矩阵。仿真和试验结果表明，该方法应用简单、鲁棒性好、精度高，适用于加工现场的在机测量系统标定。
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深孔钻机离合器接合过程动力学特性分析
伍亦文, 卜长根
2012, 23(12):  1433-1437. 
摘要 ( )   PDF (623KB) ( )  
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以深孔立轴岩心钻机深孔钻进启动时离合器为研究对象,建立离合器接合过程动力学模型,利用MATLAB编程求解微分方程数值解,
研究了离合器操纵、启动挡位和钻孔深度等因素对接合时间、滑摩功率、滑摩功等接合过程参数的影响。研究发现:随着钻孔深度的增大离合器接合时间延长，
滑摩功线性增大。挡位传动比对离合器从动部分的等效转动惯量、等效阻力矩影响大,对于特定钻机可以在500米以浅采用二挡直接启动。 
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信息技术
基于SysML的模型驱动复杂产品设计的信息集成框架研究
刘玉生, 袁文强, 樊红日, 曹悦
2012, 23(12):  1438-1445. 
摘要 ( )   PDF (798KB) ( )  
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针对如何为复杂机电产品建立不同层次、不同物理域的设计信息及其与仿真信息间的关联这一重要问题，以系统建模语言SysML为基础，提出了支持模型驱动多域复杂产品多层次设计与仿真信息集成框架;建立了基于SysML扩展的核心集成信息模型，以支持系统设计与仿真集成及不同层次设计过程的信息集成。以此为基础，重点研究了SysML和Simscape建模语言的元模型及其间的映射规则，以及基于三元图文法的系统层设计信息与仿真信息动态关联与集成的方法。最后给出了实例进行分析验证。
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ABC算法在非线性系统辨识与控制中的应用
周海峰, 王荣杰
2012, 23(12):  1446-1451. 
摘要 ( )   PDF (551KB) ( )  
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针对非线性系统辨识和控制器的设计,提出一种混沌映射产生初值的人工蜂群优化算法,并将该算法应用于非线性系统中的参数辨识和PID控制器的设计。参数辨识的仿真结果表明,基于混沌映射理论的人工蜂群优化算法比其他传统的算法具有更好的收敛特性和辨识性能;自动电压调节系统的仿真结果表明，基于混沌人工蜂群优化的PID控制自动电压调节系统是可行性的,且具有良好的动态调节性能。
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一种新型齿轮的数学模型及有限元分析
李海翔, 陈兵奎, 谭儒龙
2012, 23(12):  1451-1455. 
摘要 ( )   PDF (529KB) ( )  
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提出了一种具有新型齿廓的“S”形齿轮。利用齿轮啮合原理，建立了“S”形齿轮的数学模型，包括“S”形齿轮的齿廓曲线方程和齿面方程，利用UnigraphicsNX、Hypermesh和ANSYS建模及有限元分析软件精确建立了“S”形齿轮的单齿啮合有限元模型，并对其进行了接触有限元分析。分析结果表明，“S”形齿轮具有传动精度高、承载能力大等优点。
机械基础工程
基于ABAQUS显式动力学的PCB板跌落研究
刘志峰, 张敬东, 成焕波
2012, 23(12):  1456-1461. 
摘要 ( )   PDF (626KB) ( )  
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分析了ABAQUS/Explicit动力学的中心差分算法、稳定时间极限、能量平衡理论,研究了材料刚度、密度等力学参数以及网格密度对稳定时间极限和能量平衡的影响。建立了PCB板跌落的有限元模型，并采用惠斯通电桥测量应变法验证了有限元模型的准确性,在此基础上进行PCB板跌落研究。结果表明：ABAQUS/Explicit能够非常精确地处理冲击载荷问题;运用能量平衡理论可以在满足精度的前提下尽可能减小计算量。
旋转机械耦合传动系统参激振动分析与控制
刘爽, 李延树, 刘彬, 李海滨
2012, 23(12):  1461-1466. 
摘要 ( )   PDF (514KB) ( )  
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以一类旋转机械传动系统的扭振为研究对象，考虑轴系时变刚度变化和非线性摩擦阻尼力的影响，根据Lagrange原理建立了一类旋转机械传动系统的耦合非线性动力学方程，利用多尺度方法推导出了系统的平均方程，并根据Hopf分岔理论给出了系统发生Hopf分岔的充要条件及周期运动稳定性的判别方法，分析了参数共振和内共振条件下系统的分岔特性。为抑制传动系统因亚临界Hopf分岔引起的失稳振荡，引入非线性反馈控制，对系统的Hopf分岔点进行转移并控制周期运动的稳定性和幅值。研究结果为非线性旋转机械参激振动的分析及控制提供了有效方法。
倾斜微孔表面气体润滑动压特性实验研究
柏林清,马媛媛, 白少先, 孟祥铠, 彭旭东
2012, 23(12):  1467-1469,1474. 
摘要 ( )   PDF (537KB) ( )  
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以倾斜椭圆微孔表面为研究对象,开展了微孔排布方式对倾斜微孔气体润滑动压特性的实验研究。实验中对部分开孔、全开孔以及双列开孔3种典型分布形式倾斜微孔表面的气膜厚度和摩擦扭矩进行了测量,结果表明:倾斜微孔表面可保证摩擦配副表面迅速打开;在相同孔型几何参数条件下,微孔的排布方式对倾斜微孔表面的动压性能影响明显,部分开孔表面优于全开孔表面，而双列开孔表面的动压效果最好;转速越高，倾斜微孔结构的导向作用越明显,动压效应越强,气体润滑成膜能力越好。实验结果与理论分析一致,为多孔端面结构设计提供了实验依据。
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基于D-H矩阵的球面5R并联机构误差建模及灵敏度分析
李永泉, 张立杰, 郭志民, 郭菲
2012, 23(12):  1470-1474. 
摘要 ( )   PDF (555KB) ( )  
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以D-H变换矩阵为建模工具，采用环路增量法,建立了包含杆件D-H参数的球面5R并联机构的误差模型，该模型不仅考虑了机构的结构参数误差，还考虑了由于加工和装配等原因出现的各转动副轴线和球心之间的偏差，使得误差模型更接近于工程实际;根据误差模型进一步计算得到了各从动件运动参数误差以及轴向间隙量的显式函数关系;最后对该机构进行灵敏度分析，研究了各几何误差源对该机构末端执行器位姿误差的影响程度。研究结果为该机构样机的标定、运动学补偿及应用提供了理论基础。
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空间凸轮-螺旋组合式折叠翼面展开机构设计及其运动特性分析
胡明, 黎德蓓, 陈文华, 张苗苗, 钱萍
2012, 23(12):  1475-1478. 
摘要 ( )   PDF (479KB) ( )  
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提出新型空间凸轮—螺旋组合式折叠翼面展开机构，分析其工作原理，确定其相关技术参数。基于解析法与反转法，对折叠翼面展开机构的功能执行部件——空间圆柱凸轮机构进行了运动规律设计和包括凸轮槽道廓线、压力角及廓线曲率半径的设计，建立了折叠翼面展开机构展开运动学理论模型并进行了求解,结果证明折叠翼面展开机构符合设计要求，其运动规律设计正确。

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圆柱轴类零件径向与轴向热变形异常现象研究
罗哉, 陆艺, 郭斌, 范伟军
2012, 23(12):  1479-1481. 
摘要 ( )   PDF (380KB) ( )  
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通过实验发现了直径和长度相同的轴在径向和轴向具有不同的热变形量，传统的热力学理论不能解释这一现象。利用固体物理学晶格振动理论，推导了晶体体积膨胀系数与线膨胀系数之间的关系;将金属材料近似为晶体材料，利用线膨胀系数与体积膨胀系数的关系并结合对材料线膨胀系数研究的成果，建立了轴类零件径向热变形模型，理论分析证实了轴类零件径向热膨胀系数与轴向热膨胀系数不同。实验结果表明：轴类零件径向热变形模型计算结果较传统热力学计算结果更接近实验结果，且径向和轴向具有不同的热膨胀系数，在高精度领域，轴类零件的径向热变形不能使用轴向热膨胀系数进行计算。
基于阈值判定法的白光干涉仪自动扫描技术研究
吴志顺, 崔长彩, 叶瑞芳, 黄辉, 李兵, 黄春棋
2012, 23(12):  1482-1486. 
摘要 ( )   PDF (620KB) ( )  
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为了解决实际操作中人工寻找干涉条纹费时、不准确和干涉扫描范围难以精确确定等问题，提出了一种自动扫描技术，实现了白光干涉仪的自动对焦和干涉扫描范围的自动确定。该技术采用全新的基于图像灰度方差变化的方法。首先，计算图像灰度方差变化比值;然后,将该比值与预先设定的阈值进行比较，判断干涉条纹初始和结束位置;最后，根据这两个位置自动确定干涉扫描范围。实验证明：当阈值取0.5时，采用粗精双级结构的白光干涉仪能在3min内准确完成1.2μm被测高度的自动扫描过程，约是手动调节速度的两倍。该技术提高了白光干涉仪的自动化水平及使用效率。
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基于FAHP和改进蚁群算法的网络化制造资源链构建研究
王正成, 谢先文
2012, 23(12):  1487-1492. 
摘要 ( )   PDF (618KB) ( )  
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网络化制造资源集成共享与优化配置主要包括协同制造总任务的分解、单任务驱动的制造资源的评价选择、时序约束关联单任务链驱动制造资源链的构建三个阶段。首先根据协同制造总任务分解的特点,提出了跨组织协同制造任务分解过程模型和相应的分解算法。然后提出了单任务约束驱动网络化制造资源评价指标体系与评价算法,在此基础上对单任务驱动检索的候选资源集，提出了基于改进蚁群算法的时序约束关联单任务链驱动网络化制造资源服务链构建模型与算法。最后通过仿真算例说明了研究成果的有效性。
异种钢焊接接头脉冲放电强化与力学性能分析
郑丽娟, 向龙, 刘会莹, 李辉, 付宇明
2012, 23(12):  1492-1495. 
摘要 ( )   PDF (544KB) ( )  
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采用电磁热止裂强化方法对异种材料焊接接头进行强化研究,对含椭圆形埋藏裂纹缺陷的焊接接头进行了脉冲放电数值分析,得到放电瞬间的热应力场和冷却到常温时的残余应力场,结果表明,脉冲放电瞬间焊接接头中的裂纹尖端温升超过材料熔点，裂尖钝化并产生了有利的残余压应力;对Q235和1Cr18Ni9焊接接头进行了电磁热强化试验研究,结果表明,试件通过放电强化，焊接接头的力学性能得到改善，抗拉强度提高19.4%，冲击韧性提高12.07%。
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车辆工程
基于SDRE方法的汽车线控转向系统控制方法研究
陈新1, 2, 张桂香1
2012, 23(12):  1496-1501. 
摘要 ( )   PDF (575KB) ( )  
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利用状态相关Riccati方程(SDRE)方法对汽车线控转向系统控制器进行研究。通过车辆动力学和轮胎模型,建立线控转向系统的状态相关系数结构 (SDC)方程;针对动力学方程具有高度非线性的特点,设计了基于SDRE方法的控制器;最后采用θ-D方法对SDRE控制器进行求解,以提高计算效率并保证足够的控制精度。实验平台仿真结果表明:采用SDRE方法设计的线控转向系统控制器具有较高的跟踪精度，可提高车辆操纵稳定性并减少电机能量消耗等。
汽车驱动桥准双曲面齿轮齿面测量误差精确计算
邓效忠1, 李天兴1, 2, 李聚波3, 周广才4
2012, 23(12):  1502-1508. 
摘要 ( )   PDF (752KB) ( )  
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为精确获取汽车驱动桥齿轮实际加工齿面的真实误差,改善汽车齿轮的齿面精度,结合汽车驱动桥齿轮在传动方面的优越性及其在机床调整计算、加工方法和齿面测量等方面的特殊性,对其齿面数控展成与数字化检测的运动关系进行了深入分析;鉴于汽车驱动桥齿轮齿面拓扑结构的复杂性，结合齿面误差计算原理，在实际加工齿面检测信息的基础上,提出了一种汽车驱动桥齿轮齿面误差的精确计算方法;最后，通过齿轮齿面加工测量结果的比对，验证了该齿面误差精确计算方法的正确性和有效性。
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车轮残余应力测试方法研究
丁涛, 王广科
2012, 23(12):  1508-1511. 
摘要 ( )   PDF (502KB) ( )  
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采用仿真分析的方法研究了火车轮径向锯切过程中锯缝宽度的变化以及锯缝附近踏面上应力/应变的变化规律。分析表明，当锯切深度达到轮辋与辐板连接处时，锯缝附近残余应力的释放已经十分充分，可根据残余应力的释放情况计算踏面上残余应力的大小。按照径向锯切方法，在锯缝附近粘贴应变片,径向锯切到轮辋与辐板连接圆弧处时停止锯切，依据应变片记录的应变值可计算踏面上的残余应力。
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