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2020年 第31卷 第13期    刊出日期：2020-07-10
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2020, 31(13):  0. 
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[误差建模及精度保证方法]基于稳定裕度的机床轮廓控制器增益设计方法
湛承鹏, 杨磊, 杨啸, 赵万华
2020, 31(13):  1513-1517. 
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机床轮廓控制器通常被设计为P控制器，其控制增益是决定控制效果的关键参数。为定量设计轮廓控制器增益值，提出了基于稳定裕度的控制器增益设计方法。首先基于最小二乘法辨识机床各轴的离散传递函数模型,然后根据传递函数模型及Jury准则确定增益的稳定域，最后根据稳定裕度构造目标函数，并在稳定域内求解满足稳定裕度要求的轮廓控制器增益值。在三轴机床上设计轮廓控制器，实施轨迹联动实验，以验证方法的有效性。实验结果表明，基于稳定裕度设计的轮廓控制器可在保证机床运动平稳性的条件下使螺旋形轨迹的轨迹误差最大值减小39.06%，扇形轨迹的轨迹误差最大值减小少34.33%。
[误差建模及精度保证方法]几何误差贡献值影响下五轴数控机床运动轴误差灵敏度分析方法
付国强, 饶勇建, 谢云鹏, 高宏力, 邓小雷
2020, 31(13):  1518-1528. 
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针对现有误差元素灵敏度分析与后续误差补偿关联性不强的问题，建立运动轴几何误差贡献值模型并提出运动轴几何误差灵敏度分析方法，以获得本身几何误差对机床精度有很大影响的关键运动轴。结合指数积理论和坐标系微分运动理论建立基于误差敏感矩阵的运动轴几何误差贡献值模型，各运动轴几何误差贡献值相加得到机床综合误差模型；计算各运动轴误差权重分量和误差综合权重实现运动轴误差灵敏度分析，选择误差综合权重平均值最大的运动轴为机床关键运动轴，并对关键运动轴的误差补偿方法进行分析讨论。最后，在北京精雕集团的五轴加工中心上进行仿真实验验证。研究结果表明：所建立模型和所提出分析方法是有效的，且只补偿关键运动轴的几何误差贡献值能有效地提高五轴机床加工精度。
[误差建模及精度保证方法]一种五轴数控机床热误差建模方法
黄智, 刘永超, 邓涛, 周涛, 祝云
2020, 31(13):  1529-1538. 
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针对五轴数控机床多个发热源叠加导致的较为复杂的热误差测控难题，提出了一种五轴数控机床热误差建模方法，采用狮群优化算法优化最小二乘支持向量机（LSO-LSSVM）方法对热误差模型的重要参数进行求解，从而有效提高热误差预测模型的效率和精度。使用偏相关分析对大量温度传感器位置进行初步筛选，选取关联性较大的温度变量，根据选取的实测温度数据，分别采用多元线性回归、粒子群优化最小二乘支持向量机与LSO-LSSVM建模方法进行热误差建模，同时对各热误差模型的预测能力进行对比分析，结果表明：使用LSO-LSSVM建立的热误差预测模型的精度和鲁棒性都有很大的提高。对五轴数控机床主要部位实施热误差补偿测试，测试结果表明，采用LSO-LSSVM建模方法可使试件在X、Y、Z三个方向的误差分别减小35.3%、32.2%和43.9%。
[误差建模及精度保证方法]卧式加工中心关键几何误差元素甄别方法
胡腾, 郭曦鹏, 米良, 殷国富
2020, 31(13):  1539-1547. 
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以某卧式加工中心为研究对象，通过定义机床各部件局部坐标系间初始位置特征矩阵和初始位置误差特征矩阵，构建机床空间误差完备模型，解决传统建模方法中若干项几何误差元素缺失的问题。借助体对角线定位精度测量实验，对所建完备模型准确性进行验证，进而在此基础上提出几何误差元素实际参预度的概念及其计算方法，并由此形成基于空间误差完备模型和实际参预度的关键几何误差元素辨识新方法。分别根据计算所得实际参预度和灵敏度，对给定加工中心关键几何误差元素进行甄别。对比分析显示，相较于传统灵敏度分析，所提基于实际参预度的甄别方法具有更高的准确性。甄别结果表明，该加工中心关键几何误差元素有7项，且均与位置相关，与X轴进给相关的关键几何误差元素有4项，说明机床X轴运动组件制造精度可能存在较大缺陷。
[误差建模及精度保证方法]双五轴数控铣削机床旋转轴误差辨识方法
阮大文, 茅健, 刘钢, 马丽
2020, 31(13):  1548-1554. 
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为了快速、系统地辨识双五轴数控铣削机床旋转轴几何误差，提出了一种基于R-test的误差测量辨识方法。根据R-test误差模型研究误差测量值与各项误差参数的关系，辨识旋转轴各个几何误差项以得到旋转轴的安装误差和运动误差；利用最小二乘法原理平面圆拟合和直线拟合的方法分别辨识出2项位移误差和2项垂直度误差；基于多体系统理论及齐次坐标变换方法建立刀具坐标系与工件坐标系的齐次坐标变换模型，并辨识出3项移动误差和3项转动误差；最后，根据所得辨识值对X向和Y向位移误差进行补偿。实验结果表明，补偿后X向和Y向位移误差明显减小，误差补偿结果验证了测量、辨识的准确性和有效性。
[装配技术]一种自动钻铆末端执行器的设计
金洁, 田威, 李波
2020, 31(13):  1555-1561. 
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根据航空航天产品自动装配设备研制需求，提出了一种能够兼顾功能需求和优化目标的产品设计与评估方法，并将该方法用于有减重需求的多功能自动钻铆末端执行器结构设计。针对末端各个功能模块提出多种方案并进行评估，选择模块最佳方案的组合，并对整体结构进行改良。最终确定了一种考虑减重需求，能够实现检测、制孔及铆接等功能的自动钻铆末端执行器结构，通过与其他设计方法的对比分析和最终结构的运动仿真验证了该方法的有效性。
[装配技术]基于偏最小二乘回归的运动机构装配质量关键控制点判定方法
鞠萍华, 陈资, 冉琰, 肖兵
2020, 31(13):  1562-1569. 
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为提高复杂运动机构装配质量，提出了一种基于偏最小二乘回归（PLSR）的运动机构装配质量关键控制点判定方法。基于“功能—运动—动作”的结构化分解方法，定义了元动作和元动作链的概念;将元动作链中最后一个元动作输出运动参数作为装配质量的分析对象，以状态空间模型和分层迭代法为工具构建元动作链动力传递模型，建立装配质量分析对象与各级元动作内部影响因素之间的联系;利用PLSR解决各级元动作内部影响因素之间的多重共线性和样本数据过少的问题，并且以变量投影重要性指标衡量影响因素重要程度。最后，以砂轮架X轴进给运动下的元动作链为例，证明了该方法能有效地提取出与装配质量最密切的影响因素。
[装配技术]九级盘装配连接螺栓预紧力评估与分析
赵兵, 张守阳, 王辉, 吴动波, 乔廷强, 黄鑫
2020, 31(13):  1570-1576. 
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为探明航空发动机九级盘装配中螺栓重复使用有效预紧力范围，以螺纹摩擦试验机为测试手段，搭建九级盘连接模拟装配环境，研究航空发动机螺栓重复拧紧预紧力大小及其变化规律。开展了重复15次拧紧扭拉关系试验，试验设置了充分润滑、局部润滑与无润滑对比组，分析不同润滑条件下重复拧紧对螺栓预紧力变化规律及目标载荷的影响。试验结果表明，润滑对减小接触面的摩擦因数值并提高摩擦因数的稳定性具有积极意义，进而能够提高扭矩转化为预紧力的效率和稳定性；重复拧紧会改变预紧力的转化效率及稳定性，且不同的润滑条件下所表现出的规律也不尽相同。研究结果为九级盘螺栓重复使用预紧力评估提供一定参考。
[刀具及切削工艺]基于元活动的工艺优化决策评估方法
楚王伟, 赵美佳
2020, 31(13):  1576-1584. 
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针对飞机复杂结构零件工艺优化目标多变、优化要素难以确定的问题，引入价值工程理论，提出了基于工艺元活动的工艺优化价值评价方法。面向企业动态变化的优化需求, 提出了价值期望权重分配算法，从工艺元活动功能评价、成本评价、价值评价维度,建立了飞机结构件工艺优化的价值评价模型，针对不同工艺层级进行了优化价值分析。最后，通过一个优化实例验证了该方法的有效性。
[刀具及切削工艺]典型钛合金TC17车削过程鳞刺生成规律及其抑制措施
何耿煌, 鄢国洪, 李凌祥, 程程
2020, 31(13):  1585-1592. 
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为研究钛合金车削过程中鳞刺生成规律及有效抑制措施，分析了影响鳞刺生成的主要因素，采用弯矩法解析了鳞刺折断规律，进而建立了切削参数、刀具几何参数与刀尖弯矩的数学描述模型；通过MATLAB对模型进行求解，获知切削速度对刀尖弯矩的影响最小，而切削深度、进给量、刀尖圆弧以及刀具主偏角4个因素决定了刀尖弯矩的大小。为验证描述模型的正确性，进行了典型钛合金TC17外圆周断续切削实验，采集在恒定切削速度、不同切削深度、不同进给量、不同主偏角及不同刀尖圆弧条件下的鳞刺样本数据，并获得鳞刺折断规律曲线。实验结果表明：在小于临界切削深度和大于临界进给量条件下，实验结果与数学描述模型整体趋势一致，证明了数学描述模型的正确性。研究结果可为钛合金的高品质加工提供工艺技术及刀具优选方面的数据支撑。
[刀具及切削工艺]一种基于几何调控的辊轧叶片前后缘加工曲面自适应重建方法
崔康, 汪文虎, 蒋睿嵩
2020, 31(13):  1593-1600,1605. 
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针对航空发动机压气机辊轧叶片前后缘溢料端数控加工问题，提出了一种基于设计曲面几何调控的前后缘加工曲面自适应重建方法。根据自由变形理论以及曲面能量控制原理，建立了具有变形约束能力的自由曲面几何调控模型；利用该模型建立了基于遗传算法求解的辊轧叶片前后缘加工曲面自适应重建策略。该策略通过微量调整叶片设计曲面几何形状，使其在逼近叶身型面测量数据的同时尽可能维持初始几何形状，最终实现了辊轧叶片前后缘加工曲面的自适应重建。实例验证结果表明：利用该方法获得的辊轧叶片前后缘加工曲面可以在保证叶片形状精度的同时实现其与实际叶身的圆滑转接。
[刀具及切削工艺]高速铣削中TaC（NbC）对硬质合金刀具磨损性能的影响
李友生
2020, 31(13):  1601-1605. 
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针对航空航天钛合金加工时硬质合金刀具磨损过快的难题，制备了主元素一致、微量合金碳化物TaC（NbC）含量不同的两种WC-Co基硬质合金材料。采用高温维氏硬度计检测两种材料的高温硬度和高温断裂韧性，并制备相同几何参数的立铣刀对钛合金TC4进行铣削加工试验。试验结果表明：在硬质合金中添加微量合金碳化物TaC（NbC），可以同时提高材料的高温硬度和高温断裂韧性,在相同的切削条件下，添加微量合金碳化物TaC（NbC）的硬质合金立铣刀比未添加微量合金碳化物的立铣刀耐磨性更好，刃口断裂裂纹更少，刀具使用寿命更长，更适合航空航天钛合金材料的高速铣削加工。
[可靠性建模及试验技术]面向数控机床可靠性试验的多维力随动加载装置
刘红艺, 樊锐, 郭江真, 张维, 赵钦志, 陈五一
2020, 31(13):  1606-1612. 
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面向五轴联动数控机床的可靠性试验提出多维力随动加载方法，对五轴联动进给主轴施加多维力载荷，形成复杂进给抗力，部分模拟主轴复杂切削力环境。基于6-PUS并联机构研制多维力随动加载装置，采用模糊PID控制器建立显式力控制系统，比例和积分增益可随加载误差自适应调节。在五轴联动数控机床上开展多维力随动加载实验，结果表明，加载装置能够跟随机床主轴的单轴、三轴联动和五轴联动进给运动，根据期望值对主轴施加三维力，加载误差小于3.2%，在机床执行多种加工轨迹时形成有效进给抗力，为后续引入动态加载模拟复杂切削力提供理论和装备支撑。研究成果可为数控机床可靠性试验提供低成本、可循环的加载方式，有利于测试的规模化和标准化发展，也可为精度保持性、超载试验、跑合试验等机床性能测试提供新的负载模拟思路。
[可靠性建模及试验技术]重型机床液压元件油液污染退化量分布剖面可靠性建模
金桐彤, 杨兆军, 王大川, 赵新跃, 田海龙, 陈传海,
2020, 31(13):  1613-1620,1628. 
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针对重型机床液压系统故障频繁且多与油液中的固态颗粒污染物相关的问题，进行了油液污染趋势变化试验。通过时域分析获得了油样颗粒数的有量纲和量纲一参数，通过Q-Q图和K-S检验分析有量纲参数，污染颗粒数是退化量服从正态分布的退化数据。进行了油液污染与环境相关性分析试验，采用相关系数法分析得到，颗粒数变化量与一定范围内的温度、流量、压力的相关性小；将液压元件分为管路、阀、过滤器三类，用直径5 μm左右的颗粒和直径大于15 μm的颗粒分别研究管路及阀件的堵塞和磨损情况，以过滤器过滤精度大小的颗粒研究过滤器的堵塞情况，设定ISO4406标准20/17级对应的颗粒数为阈值，利用退化量分布建立了液压元件单一故障模式的可靠性模型；利用竞争失效模型将上述模型融合为多故障模式下的可靠性模型。
[可靠性建模及试验技术]基于元动作模块的多轴数控机床精度分析
杨斌, 冉琰, 张根保
2020, 31(13):  1621-1628. 
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为充分发挥多轴数控机床大数据的价值，降低运动精度的预测难度，提出了基于元动作模块的精度分析方法。采用多体模型描述机床运动系统的结构和运动关系，利用旋量理论和微分方法推导了用于运动精度评价的坐标误差模型；规划了多轴数控机床大数据驱动的精度分析的结构框架，并重点论述了以元动作模块为基本组成单元的分布式元动作数据库的构建方法，该方法充分发挥历史大数据和实时动态数据的价值，保证了机床运动系统的仿真和精度预测的稳定性与准确性。通过对五轴联动加工中心的刀具运动系统的实例分析，验证了精度分析方法的简便性和适用性。
[综述]高速数控转台优化设计方法研究现状与展望
刘世豪, 林茂
2020, 31(13):  1629-1637. 
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在机床的高速加工过程中，因数控转台各种热源发热与变载荷的共同作用而产生热-力耦合效应，但当前的数控转台优化设计方法往往忽略了热-力耦合效应对转台动态特性的影响。在深入剖析国内外数控转台研究成果的基础上，提出探索热-力耦合效应及其产生的机理，建立转台的热-力耦合模型，得到高速数控转台热-力耦合动态特性。鉴于蜂窝结构具有良好的散热性及力学性能，提出研究基于蜂窝的转台仿生原理，获取高速数控转台热-力耦合仿生设计准则。以提高转台热-力耦合动态特性为目的，提出运用仿生设计准则对结构进行多目标优化，进而形成一套新颖的高速数控转台热-力耦合仿生优化设计方法。
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2020, 31(13):  1638. 
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