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2016年 第27卷 第08期    刊出日期：2016-04-25
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2016, 27(08):  0. 
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机械基础工程
含磁滞补偿的电液伺服系统预设性能跟踪控制
董振乐, 马大为, 姚建勇, 王晓锋
2016, 27(08):  995-1000. 
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针对电液伺服系统普遍存在的参数不确定性、不确定非线性(磁滞、摩擦、外干扰等)，提出一种基于自适应鲁棒控制的含磁滞补偿的预设性能跟踪控制策略。以阀控单出杆液压缸位置伺服系统为例，首先建立了含磁滞非线性的系统数学模型，然后通过定义预设性能函数，实现了对跟踪误差收敛速率、最大超调量和稳态精度的预先规划，基于规划后的转换误差设计了自适应鲁棒控制器，并提高了稳态和瞬态跟踪性能。仿真对比结果表明：该控制策略可以减小磁滞对系统跟踪精度的影响，提高跟踪误差的收敛速度，减小最大超调量，最终实现优良的跟踪性能。

两移动三转动混联机构型综合
秦友蕾, 曹毅, , , 陈海,
2016, 27(08):  1001-1006. 
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基于GF集理论提出一种系统有效的串联、并联混联机构型综合方法。首先介绍GF集的基本概念、运算法则，以及转动特征存在条件。然后通过分析混联机构结构的组成特点，基于GF集元素组合和转动轴线迁移定理，提出了设计混联机构型综合方法，根据机构的拓扑结构和结构参数之间的关系，建立了混联机构数综合方程，给出了混联机构型综合的具体步骤。之后根据混联机构型综合理论，完成了具有2T3R混联机构运动特征的构型设计，得到了大量新构型。最后，针对综合出的一种2T3R混联机构，通过混联机构末端分析方法，验证了所设计出混联机构的运动特征，从而证明了构型综合方法的正确性。

基于横观各向同性假定的固定结合部本构关系及有限元模型
赵金娟, 王世军, 杨超, 王诗义, 杨慧新
2016, 27(08):  1007-1011. 
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提出了一种固定结合部的有限元建模方法。该方法将接触层等效成均质、虚拟的横观各向同性材料。根据结合面的变形和载荷关系，推导了虚拟材料本构矩阵中5个独立变量与法向应力之间的非线性关系。将这个本构关系引入到有限元分析中用以建立机器的固定联接面模型。分析结果与试验结果的对比证实了该方法的有效性。
汽车电泳涂装输送用新型混联机构的动力学控制
高国琴, 范杜娟, 方志明
2016, 27(08):  1012-1018. 
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由于汽车电泳涂装输送用新型混联机构存在高度非线性和耦合性，因此难以实现高性能控制。为此，首先采用拉格朗日法推导该机构的动力学模型。然后，在任务空间设计一种PD滑模神经网络动力学控制器并进行稳定性证明。最后，对该控制器进行了仿真，并将所得结果与PD滑模控制器仿真结果进行比较。比较结果表明：该动力学控制器通过神经网络前馈控制的作用有效解决了PD滑模控制器存在的剧烈抖振问题，使得汽车电泳涂装输送控制系统呈现良好的控制性能。
工业机器人机械本体模块化设计
肖超, 周玉林, 盛海泳, 侯雨雷
2016, 27(08):  1018-1025. 
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基于工业机器人机械本体模块化设计思想，以机器人的结构功能分解为基础，创建了标准机械结构模块库并实现了模块的自动装配。将人体手臂参数作为标准结构模块缩放的内置参数，建立了尺寸不同、功能相似的扩展结构模块库。基于边界曲线的几何特征对工作空间进行了类型划分，并依据关键点位置分析法及改进的CAD变量几何法将工作空间求解模块化。将坐标系模块库生成的D-H参数作为各模块的共享数据，实现了运动学与工作空间的自动求解。以库卡机器人KR6-2的正运动学与工作空间模块化自主求解为例，对比分析软件运行结果与理论计算结果，验证了该方法可满足机器人柔性化自主设计需求。
基于非对称夹持的压电旋转驱动器设计
温建明, 程光明, 马继杰, 曾平, 阚君武
2016, 27(08):  1026-1031. 
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设计了一种新型非对称夹持压电旋转驱动器。通过对称性电信号激励粘贴在基板上的压电晶片，使基板自由端带动质量块非对称地往复摆动，进而产生非对称的惯性驱动力，实现压电旋转驱动器的定向运动。研制了非对称压电惯性旋转驱动器样机，搭建了驱动器的测试系统，对驱动器步长、摩擦力矩、载荷特性等进行了测试。结果表明，驱动器在电压为15V、频率为10Hz、夹持差为3mm时，步长分辨率为1.82μrad，摩擦力矩为2.475N·mm条件下的最大输出载荷为0.122N。

可持续制造
开式变量泵控油压机系统控制特性研究
宋豫, 孔祥东, 姚静, 王卓
2016, 27(08):  1031-1038. 
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为解决大功率自由锻造油压机高能耗的问题，设计了一种开式变量泵控油压机系统。采用ADAMS和AMESim建立了开式变量泵控油压机系统联合仿真平台，对其常锻工况和快锻工况的控制特性进行了仿真研究。基于600kN锻造油压机实验平台，对其常锻工况和快锻工况的控制特性进行了验证，并将验证结果与仿真结果进行了对比。研究结果表明:开式变量泵控油压机系统能够满足技术要求，即常锻时操控性好，卸压无冲击，运行平稳；快锻（锻造频次80次/min）时，位置控制精度小于1mm。

机械基础工程
小型异构件抛光机运动系统分析
刘建春, 陈雄风, 廖妮兰
2016, 27(08):  1039-1042,1052. 
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为解决小型异构件全自动抛光机在抛光复杂曲面零件时夹具体相对于布轮位姿的精确控制难题，基于抛光机结构，分析其三直线轴和三旋转轴的运动系统，建立机台的D-H坐标系。通过运动学正反向运算推导出其位姿方程并求得逆解，确定夹具体位姿与各个关节变量的对应关系。以水龙头为例，提取三维模型表面关键点坐标，借助MATLAB和ADAMS逆解出各关节变量数值，实现各关节的运动学仿真。抛光实验获得的表面粗糙度Rz=0.36μm，满足抛光要求。

导电聚合物驱动器电化学机械特性的研究
田素坤, 王湘江
2016, 27(08):  1043-1046. 
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采用自行搭建的导电聚合物驱动器弯曲特性测试实验系统，研究其电化学机械特性。对不同长度的驱动器施加0~1V低电压，测量其顶端弯曲变形量；通过分析驱动器弯曲位移与电压的关系及位移与频率的关系，建立电机械转换模型。实验测试结果表明，电压与驱动器顶端力成线性关系；当电压为0.8V、采样周期为0.02s时，随着频率的增大，驱动器的弯曲位移逐渐减小。最后通过不同尺寸驱动器举起重物，验证了驱动器宽度越大，顶端弯曲力越大；驱动器长度越长，顶端弯曲力越小。
基于典型工况的汽车后桥壳结构轻量化优化设计
丁晓明, 吕俊成, 王伟
2016, 27(08):  1047-1052. 
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基于典型工况下的后桥连接点载荷，运用惯性释放的方法对搭配多连杆悬架的后桥壳进行了轻量化设计。分析可知：单侧过深坑工况下的后桥壳应力最大；套管厚度和桥包厚度对最大应力有影响，而且随着两者厚度的变化，最大应力位置也会转移。优化后的桥壳比原桥壳减重11.6%，经过疲劳试验和耐久性路试验证，未出现耐久性问题，满足设计要求。


气缸冲击动力学建模与仿真分析
杜群贵, 孙智权, 黄崇溪, 翟晓晨
2016, 27(08):  1053-1058. 
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将气缸在行程末端的冲击问题看成一个由细长活塞杆、质量负载、活塞以及端盖组成的振动系统。首先应用弹性体的一维波动方程建立细长活塞杆纵向振动变形的数学模型，用模态叠加方法解析了冲击力、接触位移以及接触时间。然后利用非线性有限元软件LS-DYNA对气缸冲击过程进行数值仿真计算分析，详细研究了当驱动负载质量以及活塞初始冲击速度不同时，活塞冲击接触面接触合力和接触作用时间的变化情况。对比分析了理论解析解与LS-DYNA数值解，验证了解析解的准确性，得出了冲击力分别随速度和负载的变化规律；进一步对冲击振动响应进行了频率分析，并研究了气缸冲击力的变化原因。研究结果为气缸的设计和使用提供了理论和实际参考。

智能制造
基于改进人工鱼群算法的柔性作业车间调度
赵敏, 殷欢, 孙棣华, 郑林江, 何伟, 袁川
2016, 27(08):  1059-1065. 
摘要 ( )   PDF (603KB) ( )  
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提出了一种基于改进人工鱼群算法的柔性作业车间调度问题的求解方法。该方法针对基本人工鱼群算法后期搜索盲目性大、精度不高的不足，在分析算法各个参数影响的基础上，提出了步长参数分解和采用柔性参数设置等改进策略，并在算法后期融入局部遍历搜索，提高了算法寻优能力和寻优精度。标准MK算例和对比试验表明了改进人工鱼群算法对求解柔性作业车间调度问题的有效性。

机械基础工程
精密硬车加工轴承套圈的表面完整性试验研究
丁红汉, 杭鲁滨, 陈有光
2016, 27(08):  1066-1071. 
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针对磨削加工中套圈精密加工存在的不足，进行精密硬车削加工轴承套圈新工艺的开发，通过加工试验分析了精密硬车加工轴承套圈的表面完整性，探究了基准面平面度、刀具磨损量等工艺参数与加工精度的对应关系。基于精密硬车削套圈试样的表面粗糙度、沟道圆度、显微硬度、热损伤、金相组织、残余应力分布、加工效率等方面的研究，得出了精密硬车削可达到磨削加工精度的结论，且金相组织稳定，不易存在热损伤，具有可控的残余应力分布和较高的加工效率，有利于产业化生产高精密轴承。利用磁性卡盘装夹套圈，分析试样基准面平面度对精密硬车削套圈沟道圆度的影响，发现提高基准面平面度可以有效提高加工套圈的沟道圆度；分析了刀具磨损对硬车削套圈加工精度的影响，得出在精密加工阶段刀具磨损量是控制套圈圆度的重要监控工艺参数的结论。

智能制造
基于非负矩阵分解的产品结构相似性判断及其应用
徐新胜, 王诚, 肖颖
2016, 27(08):  1072-1077. 
摘要 ( )   PDF (612KB) ( )  
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为了快速发现可重用产品结构，提出了基于非负矩阵分解的产品结构相似性判断方法。通过将产品结构邻接矩阵转化为邻接向量，构建包含全部结构信息的库矩阵；利用Multiplicative Updates(MU)算法对库矩阵进行非负矩阵分解，实现以低维空间向量描述的产品结构；在此基础上，通过计算低维向量的欧氏距离，可以判断产品结构之间的相似性；最后通过实例对所提出原理和方法进行了验证，结果表明，该方法比目前的相似性判断方法更高效。

多质量特性产品参数设计灰靶模型
李亚平, 刘思峰, 方志耕, 陈洪转, 徐兰
2016, 27(08):  1078-1083. 
摘要 ( )   PDF (475KB) ( )  
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提出一种多质量特性的产品参数选择灰靶模型来辅助工程设计者进行决策。结合正交试验设计，针对多质量特性产品参数选择的具体问题，研究了灰靶模型的要素及相互间关系；提出一组改进型田口质量损失函数，并将其损失值作为灰靶模型效果的基本测度。该模型能兼顾设计过程中的内外影响因素，判断出可取和不可取的参数组合，从而确定方案的满意区域；根据效果测度值可以确定多质量特性产品的最优参数水平组合。
机械基础工程
模具边界邻域气压砂轮进动光整轨迹优化
蔡东海, 计时鸣, 张鹤腾, 金明生
2016, 27(08):  1084-1089. 
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针对气压砂轮进动光整在模具边界区域的振动加剧和边界棱线过度磨损等问题，提出在进动光整轨迹规划过程中对气压砂轮与工件相对切削速度方向进行约束的方案，推导出边界约束条件，并编写具有边界约束条件的进动光整轨迹生成程序。优化后的进动光整轨迹在连续曲面/平面内采用常规的进动光整方法，在边界附近采用具有约束的进动光整方法，因此兼具了进动光整方法切削速度方向的无序性优势，又避免了在工件边界附近引起剧烈振动和材料过度去除等问题。应用边界约束条件后的进动光整轨迹相比无约束的进动光整轨迹，在边界附近具有更小的振动和更完好的边界线，对加工过程和加工结果的改善在实际加工中得到了验证。

基于相对熵排序的装配序列质量模糊评价方法
张根保, 罗冬梅, 冉琰, 佘林
2016, 27(08):  1089-1095. 
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在界定装配序列质量内涵的基础上，利用解释结构模型建立了可全面反映装配序列总体质量的评价指标体系，并利用各影响因素间的层次结构关系来定量计算各指标属性值。然后采用基于Vague集的模糊评判获得指标权重，同时引入基于相对熵的多属性排序方法对各装配序列质量进行综合评价，从而选出最优装配序列。最后用实例验证该方法的正确性与有效性。

六自由度柔性关节机械臂的动力学分析
王海, 付邦晨, 薛彬, 杨春来
2016, 27(08):  1096-1101. 
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大多数的机器人都是在刚体动力学假设的基础上进行运动控制设计的，因此其在实际操作中的精度和效率受到一定的限制，而柔性机械臂可以很好地解决此类问题。首先给出了六自由度的柔性关节机械臂的简化模型，利用拉格朗日方法建立其动力学方程；然后以单自由度柔性关节机械臂为例，基于神经网络反演法对其控制率进行了设计；最后基于Simulink验证了控制器设计的有效性。

智能制造
基于时频特征的汽车点焊质量自动化超声评价
聂昕, 郭志福, 何智成
2016, 27(08):  1102-1106. 
摘要 ( )   PDF (520KB) ( )  
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通过定义超声回波相关时频特征量，提出基于超声回波时频特征量的焊点质量自动评价方法。通过数据统计分析，建立了便于在线自动检测的量化焊点质量评价标准，实现了汽车点焊质量的自动化评价。实际检测效果表明，基于该方法的检测系统能够快速有效地自动识别八种焊点质量类型，能够初步运用于汽车点焊质量的在线自动检测。

增材制造
基于临界倾角约束的树形支撑结构生成算法
沈振宏, 戴宁, 李大伟, 吴长友
2016, 27(08):  1107-1112. 
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为节省三维打印的材料和时间，针对支撑结构体积优化的问题，提出了一种基于临界倾角约束的树形支撑结构生成算法。首先识别待支撑区域，并基于面积自适应采样获得待支撑点；再利用临界倾角约束进行树形结构节点的计算，并存储同一棵树上各节点的连接关系；采用扫掠和泊松曲面重建方法，生成树形支撑实体，最后通过实例进行了验证。实验结果表明，所提出的方法在保证打印稳定性的前提下，有效减少了支撑材料，缩短了打印时间。

先进材料加工工程
拉弯矫直延伸率的计算及试验分析
戚向东, 连家创, 董志奎
2016, 27(08):  1113-1116. 
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针对目前拉弯矫直过程缺少完整的数学求解模型的问题，根据矫直带材在拉弯过程中，中性层偏移量及延伸率的计算模型，给出了拉弯矫直张力、矫直力和延伸率的计算方法。通过计算与工业试验，分析了拉弯矫直机矫直规程对残余延伸率的影响，并验证了计算模型的精确性。

应变强化对022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢显微组织和力学行为的影响
孔韦海, 陈学东, 闫永超, 胡盼
2016, 27(08):  1117-1122. 
摘要 ( )   PDF (671KB) ( )  
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采用电液伺服万能试验机、X射线衍射仪、金相显微镜和透射电子显微镜，研究了应变强化对022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢微观组织和力学行为的影响。结果表明：前期预应变强化过程中，材料没有发生相变，形变孪晶数量的增加使材料的屈服强度和硬度得到大幅提高，但塑性有所降低，发生形变孪晶诱发强度效应。随着预应变量的增大，应变强化能力减弱，瞬变应变有所降低，位错的滑移模式发生转变，从单系滑移和平面滑移向多系滑移和交滑移转变。

机械基础工程
装备单环路系统的整车行驶动力学研究
王振, 崔亚辉, 刘凯, 徐琳
2016, 27(08):  1123-1129. 
摘要 ( )   PDF (922KB) ( )  
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给出了单环路系统实现功率分流的结构方案，建立了装备XP型和PX型功率分流式无级变速系统的整车键合图模型，并推导出该系统的状态方程。以MATLAB/Simulink为平台建立了整车仿真模型，选取UDDS循环工况，采用最佳燃油经济性控制策略，对XP型和PX型功率分流式单环路系统进行经济性选型，发现XP型单环路系统经济性更好。当循环工况的加速度突变时，发动机转矩和单环路系统传动比突变，导致差动轮系的基本构件振动。


基于区间分隔的卡车车架轻量化设计
胡朝辉, 张健, 李光耀, 袁智军
2016, 27(08):  1130-1135. 
摘要 ( )   PDF (637KB) ( )  
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采用拓扑优化方法进行轻量化设计时，若模型较大，则直接拓扑计算的结果会比较混乱，针对此问题，提出一种基于区间分隔的车架轻量化设计方法。先根据使用要求把拓扑区间分隔成几个小的区域以使计算结果更加清晰；然后采用基于拓扑计算的高强度螺栓优化布置方法以bar单元模拟螺栓并计算其相对密度；最后，根据计算结果准确地确定零件中高强度螺栓的位置。在对某型卡车车架结构进行轻量化设计的过程中，始终以保证其刚度和强度等性能满足典型工况的使用要求为前提，同时根据设计目标的不同不断调整、细化设计变量与约束条件，再综合使用拓扑优化和尺寸优化法求解。结果显示，该车架优化设计后总质量减小了60.4kg，减重率超过10%。

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2016, 27(08):  1136. 
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