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2015年 第26卷 第18期    刊出日期：2015-09-25
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版权页和目次
2015, 26(18):  0. 
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机械基础工程
高速磨床机械结构参数化建模与模态分析
陈桂平, 文桂林
2015, 26(18):  2415-2418. 
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基于动态子结构法建立了高速磨床零部件和整机的实体参数化模型,利用MSC. Patran/Nastran建立了高速磨床机械结构的有限元模型，并对主轴、床身和床身-工作台组合结构进行了模态分析。应用LMS振动及动态信号采集分析系统对主轴、床身和床身-工作台组合结构进行了实验模态测试与分析。实验表明，采用基于假想材料的高速磨床结合部模拟技术可使磨床组合结构的动态实验结果与有限元模态分析结果相吻合，实验测试得到的高速磨床机械结构动态特性和利用有限元软件仿真分析得到的结果是一致的,说明利用子结构法建立高速磨床机械结构实体参数化模型是正确可行的。
一种基于能量守恒原理的数控车削能耗模型
黄拯滔, 张超勇, 罗敏, 谢阳, 周志恒
2015, 26(18):  2419-2426. 
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根据机床系统的能量守恒原理，提出了一种数控车床加工过程能耗精确评估方法。参照机床系统的能量流分布，分离各能量分支的功耗,对各分支分别独立建模，最终建立数控车床系统能耗与主轴转速、进给量和材料去除率之间的函数关系。由于各分支系统建模的独立性，使得能耗模型不仅适用于数控车床系统稳定切削阶段，也适用于稳定的待机、空转和空切阶段。实验结果显示,车削过程能耗评估精度超过98%。在该方法的基础上，进一步提出改进型的机床系统单位体积能耗模型。
智能制造
四足机器人改进型对角小跑步态研究
常青, 韩宝玲, 罗庆生
2015, 26(18):  2426-2431. 
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传统的四足机器人对角小跑步态一般在机体坐标系中进行规划，在实际应用中存在着摆动腿无法同时着地、机体翻转无法有效抑制等问题,这些都降低了机器人运动的稳定性和精确性。针对以上问题,提出了一种在世界坐标系下规划的改进型对角小跑步态方法，该方法通过浮动机体运动学对摆动相进行规划，在足端的雅可比矩阵中引入机体姿态相关项，从而保证了摆动腿能同时着地，同时在支撑相和摆动相之间增加了四腿同时着地的调整相，对机器人机体位姿进行调整。对比仿真和样机试验结果表明：与传统方法相比，所提方法能够使摆动腿同时着地并能连续调整机体位姿，使机器人获得更好的运动稳定性和更高的位移控制精度。
机械基础工程
基于坐标测量机和拟粒子群进化算法的圆柱度误差检测与评定
赵艺兵, 温秀兰, 许有熊
2015, 26(18):  2432-2436. 
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建立了任意位置下基于坐标测量机检测的圆柱度误差最小区域解的数学模型，提出了采用拟粒子群进化算法求解最小区域圆柱度误差新方法。该算法使用实数编码，由拟随机Halton序列产生粒子的初始位置和速度，基于浓缩因子法修改粒子的速度。为了验证算法的有效性，对文献中测量数据采用提出的方法进行圆柱度误差计算并将结果与多种算法计算结果进行比较，同时在加工中心加工大量轴类零件，使用三坐标测量机对零件进行实测,应用该进化算法计算最小区域圆柱度误差并与三坐标测量机给出的结果进行比较。实验结果均证实了提出的方法不仅优化速度快、计算精度高,而且算法简单,需设置参数少，便于推广应用。
压缩机叶轮叶根缺陷相控阵超声检测方法研究
朱学耕, 董世运, 徐滨士
2015, 26(18):  2436-2441. 
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压缩机叶轮叶根易出现疲劳裂纹、气孔等内部缺陷。基于超声脉冲反射法原理，利用相控阵超声检测技术，采用声线模型对缺陷检测位置进行分析,并通过声场分布模拟以及缺陷检测模拟优化实验方案,最后利用聚焦扫描对人工预置平底孔缺陷进行检测。检测结果表明：利用相控阵超声检测技术在叶轮内腔对叶根进行检测，缺陷信号明显，缺陷定位精度高，定位误差仅为0.19%。
基于FPGA脉冲计数的瞬时角加速度测量系统
周逸君, 徐丽娇, 吉小军
2015, 26(18):  2442-2447. 
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设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)脉冲计数原理的瞬时角加速度测量系统。该系统可以跟踪测量转轴的瞬时角加速度，且能够补偿因编码器原理、工艺和安装偏差产生的周期性非线性系统误差，从而显著提高测量精度。该系统利用FPGA高速并行的特点，采用乒乓流水线采集机制，对磁旋转编码器的输出脉冲进行精确实时测量，在校正过程中通过计算测量波形相对于理论波形的偏差特征值来拟合出补偿系数，实现在测量过程中对瞬时角加速度测量误差的补偿。实验表明：该系统具有高精度和高分辨率，可以有效补偿由旋转编码器波形偏差而导致的瞬时测量误差，提高测试精度。
包带式解锁支座的设计与试验
曹乃亮, 杨利伟, 李志来
2015, 26(18):  2447-2451. 
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为了满足空间载荷在发射阶段的复杂动力学特性要求，并满足入轨之后的解锁分离，设计了一种爆炸螺栓驱动的包带式解锁支座，并对其进行了受力分析和爆炸螺栓拧紧力矩加载分析。建立了包带与支座的接触有限元模型，进行了预紧力加载分析和轴向拉伸载荷分析。由分析结果可知，包带上的应力分布沿着远离夹紧区域的方向逐渐减小，同时啮合区域的摩擦因数越大，包带的最大应力越小。分析了两种故障模式及其处理措施。振动试验表明：3个方向的均方根加速度放大倍率都很小，其一阶模态全部大于200Hz，满足刚度和承载能力要求；同时该装置解锁可靠性高，具有良好的冲击响应衰减特性。
二维振动铣削切削厚度及刀尖轨迹数值仿真
李东明, 田野
2015, 26(18):  2452-2455,2465. 
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通过分析二维振动铣削条件下刀尖运动轨迹特点，利用椭圆方程与旋转矩阵建立了描述刀尖运动轨迹最大轮廓的数学模型，在刀具同一转角下，运用距离间计算公式求得任意转角下的切削厚度值。通过对不同加工参数下刀尖轨迹数值仿真分析，获得了实现理想刀尖轨迹和切削厚度曲线的条件，从而为二维振动铣削的理论研究打下基础。
智能制造
飞机复杂零件上大量小尺寸导孔的快速视觉检测
唐君萍, 张丽艳, 刘胜兰, 叶南
2015, 26(18):  2456-2465. 
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设计并实现了一套飞机复杂零件上大量小尺寸导孔的快速视觉检测系统MBMS,对其中的关键技术作了深入研究和讨论。采用将视觉检测与多轴数控运动机构相结合的导孔检测方式，提出了一种系统内外参数精确标定方法；详细讨论了检测程序的生成方法，对检测中导孔的检测顺序进行了规划；针对飞机零件上导孔的成像特征，提出了一种高精度、高稳定性的图像定位技术；最后通过导孔的实际成像与基于虚拟相机技术的理论成像对比分析来得出导孔加工精度的评价。该系统为复杂飞机零件上的大量小尺寸导孔提供了快速有效的数字化检测手段。
基于实时信息驱动的制造过程可视化监控平台
刘明周, 王强, 马靖
2015, 26(18):  2466-2472. 
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针对目前由于缺乏有效的手段支持离散制造过程实时监控,导致生产车间透明程度低、信息流实时性差等问题，采用面向对象的方法构建制造资源本体模型(ROM)和一种支持生产系统实时监控的对象模型(IMPV),并定义了IMPV的对象数据模型、可视化表征模型、对象操作模型和信息交互控制模型。在此基础上，设计并实现了一种支持制造过程实时可视化监控的体系架构，详细讨论了IMPV的实例化方法以及基于规则映射的资源感知与信息集成模式，最后将该可视化监控系统应用于某发动机装配车间中，取得了良好的应用效果。
服务型制造
基于服务满意度的云制造服务综合信任评价模型
谭明智, 易树平, 曾锐
2015, 26(18):  2473-2480. 
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为有效量化云制造服务共享平台中企业间的合作信任关系，分析了共享平台的运营模式,提出了一种综合考虑服务满意度与服务满意度波动性的服务综合信任评价模型。首先，建立评价指标体系量化服务满意度，以时间衰减函数表征服务满意度随时间的变化关系；然后，利用虚拟资源包的历史服务满意度信息，提出计算全局服务满意度的方法；最后，以服务满意度波动大小作为奖惩依据对全局服务满意度进行修正,得到虚拟资源包的服务综合信任值。数值实验验证了该模型使用的时间衰减函数和奖惩机制的可行性以及对监测企业提供不稳定服务的有效性。
机械基础工程
基于叶顶曲率半径变化的变量叶片泵叶片-定子副润滑数值分析
张国涛, 尹延国
2015, 26(18):  2481-2485,2490. 
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针对叶片泵叶片-定子副在预卸压区中易发生对偶面间直接接触而加剧磨损的状况,通过分析叶片-定子副在预卸压区中的润滑状态,建立了叶片-定子副的弹流动压润滑模型，并数值模拟了接触区内压力分布，结合叶顶曲率半径和叶顶承载面积的变化对叶片-定子副间力学特性的影响，分析了叶顶曲率半径和叶顶承载面积的变化对动压油膜润滑性能的影响。结果表明：叶片-定子副处于预卸压区末端时润滑状况最差；承载面积的变化对叶顶载荷和润滑性能的影响不容忽视；增大叶顶半径后能改善摩擦副的润滑状态，许可范围内随叶顶曲率半径增大，接触区内油膜压力分布更趋均匀，叶片-定子副间的润滑状况也更加稳定可靠。
高速HSK热装工具系统结合部的参数辨识
郑登升, 陈建, 陶德飞, 王贵成,
2015, 26(18):  2486-2490. 
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HSK工具系统的动态特性直接影响机床的加工效率与质量,获得准确的工具系统结合部参数又是精确预测HSK工具系统动态特性的基础。将热装刀柄-刀具结合部简化为弹簧-阻尼模型,基于Timoshenko梁理论建立了HSK热装刀柄-刀具结合部的有限元模型,采用弹塑性理论辨识结合部的刚度和阻尼，获得了HSK热装刀柄-刀具结合部内沿轴向不同位置的刚度和阻尼。进而建立了HSK热装工具系统的有限元动力学模型，分析工具系统刀尖点的频响函数。最后进行了HSK热装工具系统频响函数的实验测量，与理论频响函数相比较，验证了将结合部等效为弹簧-阻尼的辨识方法的合理性和有效性。
液压型风力发电机组能量传递与耗散
艾超, 闫桂山, 孔祥东, 董彦武
2015, 26(18):  2491-2496. 
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为分析液压型风力发电机机组能量转化机理，针对其能量传递与耗散问题展开了研究。将整个机组分解为若干个关键子单元，建立机组能量传递模型，分析机组能量传递变化规律；以能量传递模型为基础，对机组能量耗散进行推导分析，得到机组能量耗散数学模型。将30kV·A液压型风力发电机组实验台作为仿真和实验基础，对机组能量传递与耗散进行仿真与实验研究，进而验证理论分析的准确性。研究结果表明：机组在工作过程中其能量特征状态发生改变，并存在一定的能耗，整机效率约为65.7%。
基于遗传算法的高速轧辊磨床磨头液体动静压轴承的优化设计
吴怀超, 令狐克均, 孙官朝, 李哲, 张顺风
2015, 26(18):  2496-2500. 
摘要 ( )   PDF (529KB) ( )  
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液体动静压轴承性能的好坏直接影响着整台磨床的磨削性能。针对一种可调节式的高速轧辊磨床磨头液体动静压轴承，分析了其结构特点和工作原理，并对其结构尺寸和工作参数进行了设计计算。在此基础上，以单位承载量下的总功率损失最小作为优化设计的目标函数，运用遗传算法对该轴承进行了优化设计。优化结果表明：优化后目标函数值从0.0808下降到0.0678，轴承的总功率损失由初始设计的766.9W降低为642.6W，功耗降低约16%，而且轴承的结构尺寸得到减小，其刚度亦得到明显的提高。由此可见，通过优化设计，不仅降低了轴承的制造成本，而且明显改善了轴承的综合性能。
基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法
林献坤, 李裴祥, 朱琳
2015, 26(18):  2501-2505. 
摘要 ( )   PDF (537KB) ( )  
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优化直接进给轴伺服参数对提高进给轴抗干扰性能具有重要作用。分析了数控系统中应用伯德图优化伺服参数存在的问题,研究了一种基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法。通过建立直接进给轴动力学模型，给出了基于脉冲激励的动刚度测量方法,依据测量方法确定进给轴动刚度频谱图,建立了直接进给轴伺服系统动刚度模型,分析得到影响动刚度的主要因素,结合动刚度频谱图,给出了伺服参数快速优化策略。优化策略中依据动刚度频谱图判断共振点所在频段，应用电子滤波器抑制共振频段。以驱动系统为SINUMERIK 840D的自构建直线电机进给轴实验平台为对象，进行了伺服参数优化实验，实验结果表明，该方法能有效避免误判共振频段,可直接确认共振点,与应用伯德图优化伺服参数方法相比,优化后使速度环伯德图0dB频段增加58.6Hz,且首个尖峰延后11.7Hz。
一种基于连续损伤力学的低周疲劳寿命预测模型
陈凌, 张贤明, 欧阳平
2015, 26(18):  2506-2510,2517. 
摘要 ( )   PDF (952KB) ( )  
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基于连续介质基本守恒定律和连续损伤力学,可将材料疲劳损伤造成的有效承载面积减小表示为平均应变的函数，在此基础上，按微裂纹阶段和疲劳裂纹阶段对材料低周疲劳的损伤演化进行了分析，并建立了一种低周疲劳寿命预测模型。对316L钢光滑试样进行420℃环境下应力控制的低周疲劳试验，采用上述方法进行损伤描述和寿命预测。结果表明微裂纹阶段是材料低周疲劳寿命消耗的主要阶段，采用各寿命段采样数据获得的寿命预测结果与试验结果较
符合。
基于有效信息重构的故障旋转机械振动加速度信号积分方法
朱勇, 姜万录, 郑直, 胡浩松,
2015, 26(18):  2511-2517. 
摘要 ( )   PDF (765KB) ( )  
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提出一种基于有效信息重构的故障旋转机械振动加速度信号积分方法。该方法首先利用集总经验模态分解(EEMD)对积分信号进行分解,然后将峭度指标、均方差值和奇异值组合成特征向量对分解信号进行有效特征提取,并通过欧氏距离搜索提取分解信号中隐含的有效特征分量,最后通过阈值限定将有效特征分量进行叠加重构得到所需有效积分信号。仿真分析和实测数据结果表明，该方法在去除噪声和保留有效特征信息方面，比传统积分方法具有更高的精度和优越性。
螺旋驱动杆式行波型超声电机
华顺明, 孟玉明, 李志强, 楼应侯, 李加林,
2015, 26(18):  2518-2524. 
摘要 ( )   PDF (686KB) ( )  
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设计了一种螺旋驱动杆式行波型超声电机，初步分析了其驱动机理。推导了螺纹牙型角与定子长度以及转子直径三者之间的关系，并以提高螺纹驱动效率为目标函数，确定了电机主要结构尺寸，优化了用于放大振幅的定子凹槽结构。加工制作了样机，并搭建了试验装置，测试了电机的主要性能参数。试验表明：电机实际工作频率为24.5kHz，与仿真结果基本一致；调节相差可实现正反转控制，启停灵敏；在220V驱动电压下，电机最大空载转速为40r/min,堵转轴向力为1.7N。
放电等离子烧结工艺对不导电材料整体电阻的影响
骆俊廷, 刘永康, 申江龙, 张春祥
2015, 26(18):  2524-2527. 
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基于Si3N4纳米陶瓷放电等离子烧结(SPS)试验数据,研究了不导电材料烧结过程中烧结系统整体电阻的变化规律。结果表明:烧结温度与烧结粉体高度是影响烧结系统整体电阻的两大因素，在烧结的升温阶段，电阻随着温度的升高和粉体高度的减小逐渐减小，当粉体烧结致密后，如果烧结温度继续升高，则电阻逐渐增大。根据烧结试验结果，得到了总电阻随烧结温度与粉体初始高度的变化曲线，并用SiC陶瓷材料的SPS试验数据对所拟合公式进行了验证，证明了该公式对不导电材料在SPS烧结过程中烧结系统整体电阻变化规律的适用性。
先进材料加工工程
圆锥形凹模径向分块压边拉深工艺实验研究
孔晓华, 秦泗吉, 陆宏, 郑星
2015, 26(18):  2528-2532,2538. 
摘要 ( )   PDF (581KB) ( )  
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采用圆锥形凹模拉深工艺可以提高成形极限，但需要用压边圈将板坯先压成与凹模面吻合的形状，当变形程度较大时，板坯很容易起皱。为了克服这一缺点，提出了将圆锥形凹模与径向分块压边方法结合的工艺，该工艺可有效改善压边圈与板坯的约束状态,从而达到抑制起皱的目的。对圆筒形件的拉深成形，采用了刚柔复合的径向分块压边圈结构，设计了圆锥形凹模径向分块多压边圈拉深模，取不同凹模半锥角的圆锥形凹模进行了圆筒形件的拉深成形实验。实验表明,新的压边方法能有效克服初始成形过程的起皱，可与锥度较小的凹模一起使用。采用凹模半锥角为45°的凹模,得到AA5754、AA6061和08Al三种板材的极限拉深系数分别为0.410、0.431、0.373，显著提高了成形极限。对圆锥形凹模的拉深成形，给出了理论计算成形极限的方法，理论与实验结果非常接近。
机械基础工程
液压支架激光熔覆不锈钢合金涂层的实验研究
申卫国, 方艳, 董玲, 岑虎, 王春娴, 顾振杰
2015, 26(18):  2533-2538. 
摘要 ( )   PDF (624KB) ( )  
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采用激光熔覆技术在硅锰钢样件表面制备了不锈钢涂层，用SEM和能谱仪分析了基体与熔覆层界面以及熔覆层之间的微观组织及成分,开展了试样弯折和冲击强度测试实验。结果表明:在激光功率为6kW、扫描速度为8mm/s、光斑直径为5mm、搭接率30%的工艺条件下,基体与熔覆层界面以及熔覆层之间出现小亮带,形成冶金结合;熔覆方向垂直于观察面的覆层形貌呈蜂窝状,熔覆方向与观察面平行的覆层形貌呈竖直条状;在功率6kW、扫描速度16mm/s、光斑直径5mm、搭接率30%时,熔覆层与基体以及熔覆层之间会产生夹渣；熔覆层具有较好的韧性和冲击强度，熔覆后的试样的冲击强度提高了7.7%。
先进材料加工工程
Ti6Al4V合金整体零件的两步热等静压近净成形工艺探究
黄俊, 薛鹏举, 魏青松, 史玉升
2015, 26(18):  2539-2544. 
摘要 ( )   PDF (755KB) ( )  
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针对热等静压整体成形高温合金零件容易产生部分区域致密度较低、整体性能不均一的问题,提出了热等静压两步成形方法,在较低的温度和压力作用下成形为不带连通孔隙的原始零件,去除控形模具后用合适的温度压力作用使不致密区域致密,提高零件均一性。以Ti6Al4V粉末材料为例,使用有限元模拟和实验测试相结合的方法,确定了两步成形法的工艺参数,并成形了叶盘零件。SEM结果显示：热等静压两步法成形的零件组织由板条状α+β相组成,原始颗粒边界消失,不连通孔隙闭合。断口形貌显示:在合适的两步成形工艺参数加载下,粉末颗粒冶金结合牢固,
不再成为裂纹起始处,拉伸强度提高。两步法拉伸性能略优于常规热等静压拉伸性能,性能达到同规模锻件水平。
机械基础工程
考虑焊点不确定性的车身点焊结构疲劳寿命优化
刘志成, 姜潮, 李源, 白影春
2015, 26(18):  2544-2549. 
摘要 ( )   PDF (549KB) ( )  
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基于区间优化的方法，构建了考虑焊点不确定性的TS、MTS两种点焊结构的疲劳寿命不确定性优化模型。采用修正的Manson-Coffin公式作为点焊结构的疲劳寿命计算公式，同时考虑工艺中焊枪落点的不确定性，将焊点的位置坐标作为区间变量，通过对焊点坐标进行区间优化,获得结构疲劳寿命最大时的焊点坐标。给出了相应标准焊接结构试样疲劳寿命的上下界,为工程实际中点焊结构的疲劳寿命极限的分析及最优设计提供了计算工具。
基于改进LRN k-ε模型的汽车气动特性研究
谷正气, 陈阵, 黄泰明, 丰成杰, 宗轶琦
2015, 26(18):  2550-2555. 
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针对由Jones和Launder提出的LRN（低雷诺数）k-ε湍流模型对转捩预测不足等问题，引入全应力限制（TSL）方法及流线曲率因子以改进湍动能耗散率及湍流黏性系数，最终获得了一种改进的低雷诺数湍流模型，并将其应用于汽车外部流场计算仿真中,利用ISIS-CFD求解器实现计算。将计算结果与其他常用于汽车外部流场仿真的湍流模型以及风洞试验得到的结果进行了对比分析,结果表明，在同等计算条件下改进LRN k-ε湍流模型能更加准确且高效地模拟车身表面的气流分离以及尾部流场。
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2015, 26(18):  2556. 
摘要 ( )   PDF (87KB) ( )  
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