中国机械工程

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2021, 32(13): 0.

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基于4-UPS/CPC并联机构的多维调姿隔振平台设计

张英, 孙豪, 马帅帅

2021, 32(13): 1513-1522,1529. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.001

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提出了一种用于轮腿式机器人载运车的多维调姿隔振平台，该平台以4-UPS/CPC并联机构为主体，辅以弹簧阻尼模块，将调姿与隔振功能相结合，以满足载运车在工作过程中的姿态调整和隔振需求。以并联机构的工作空间、静刚度和灵巧度为目标，进行了4-UPS/CPC并联机构结构参数的优化设计；建立了路面谱模型，使用差分预测算法对载运车在C级路面上行走时保持上平台水平所需的支链长度进行了预测，通过仿真验证了所设计平台调姿功能的有效性；建立了多维隔振系统的振动模型，采用理论及仿真方法研究了系统在受迫振动下的振动响应，结果表明，隔振平台在5个自由度方向的隔振率均在57%以上；设计了隔振平台样机，搭建了实验系统，并进行了X、Y和Z方向的隔振实验，实验结果表明，所设计的多维调姿隔振平台在测试的3个方向上的隔振率均在50%以上，具有良好的隔振性能。

基于整群抽样和支持向量回归模型的高功率半导体激光器剩余使用寿命预测

严建文, 钟小虎, 范煜, 郭三敏,

2021, 32(13): 1523-1529. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.002

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剩余使用寿命（RUL）预测是高功率半导体激光器在各种环境应力作用下可靠性评估的核心问题。在实际应用中，现有支持向量回归（SVR）方法均侧重于保证所训练模型的回归曲线的整体误差最小，以追求方法的泛化性，这往往造成关键预警阶段特别是临近故障失效前的预测结果不理想，不能可靠地支持维护决策。提出了一种基于整群抽样的SVR模型训练方法，对测试样本后期观测数据进行多次整群抽样后用于SVR模型测试，SVR模型中的参数使得SVR模型对训练样本的后期数据拟合得更好。实例分析验证了该方法的有效性和稳健性，研究结果表明，所提方法的预测性能和实用价值优于现有几种代表性的小样本分析方法。

尺寸关联更改传播路径生成方法

杨波, 尚俊芝, 马宁, 高常青

2021, 32(13): 1530-1538. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.003

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从更改尺寸在零件间以及零件相关尺寸间传播的角度，探讨了基于关联的尺寸更改传播路径搜索方法。建立了尺寸关联更改传播模型，用以描述尺寸特性间的逻辑与层次关系；运用矩阵运算方法，基于零件间的尺寸关联，建立了以零件为节点的关联更改传播网络，将尺寸更改传播系数作为路径评价指标对路径进行了优选；建立了表征更改零件的尺寸参数与被影响零件之间关联的集值矩阵、中间转换矩阵及向量值矩阵;采用内积运算方法，建立了更改尺寸与被影响零件尺寸参数间的关联映射关系，确定了更改尺寸在产品中的传递过程与路径；最后，以尺寸更改在印纸覆膜机中的传播过程为例验证了本方法的有效性。

基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定

张恩政, 唐宁敏, 陈刚, 刘翠苹

2021, 32(13): 1539-1546. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.004

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在工业机器人的标定过程中，测量粗差数据会对标定结果精度产生影响，为此，提出了一种基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定方法，将改进的IGG3权函数最小二乘辨识算法用于工业机器人距离误差标定中，以进一步提高工业机器人的标定精度。以SR4C型工业机器人为研究对象，建立了机器人距离误差数学模型，进行了IGG3权函数最小二乘辨识算法的理论研究。构建了机器人标定实验系统，进行了基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定实验，实验结果表明，所提方法可有效减小粗差数据对标定精度的影响。该方法可用于工业机器人标定和校准领域，以提高工业机器人定位精度。

交变磁场下焊接缺陷磁光成像特征分析

李彦峰, 季玉坤, 高向东, 张艳喜, 孙友松, 肖小亭, 潘春荣

2021, 32(13): 1547-1554. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.005

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研究焊接缺陷磁光成像检测方法，基于法拉第旋转效应，分析交变磁场下焊接缺陷磁光成像特征与漏磁场之间的关系。建立焊接缺陷的三维有限元模型，对不同类型和宽度的焊接缺陷漏磁场分布进行模拟，并在交变磁场激励下对不同焊接缺陷进行磁光成像无损检测试验，通过试验验证了焊接缺陷检测模型的有效性。研究结果表明，漏磁场分布与缺陷的类型和宽度密切相关，随着宽度增大，缺陷漏磁场的磁感应强度垂直分量亦增大；在相同宽度下，未熔合、表面裂纹、亚表面裂纹和无缺陷磁光图像灰度峰谷差值呈递减趋势，磁光图像灰度值可与漏磁场强度相匹配；所建焊接缺陷模型和磁光成像试验能有效地描述不同焊接缺陷对漏磁信号和图像灰度值分布的影响，有助于提高焊接缺陷检测和质量评估。

基于有限元模拟的Ti6Al4V铣削过程参数多目标优化

黎宇嘉, 黄兵, 鲁娟, 钟奇憬, 陈超逸, 廖小平, 马俊燕

2021, 32(13): 1555-1561,1570. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.006

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为使切削加工过程满足环境意识制造（ECM）的要求，针对质量指标（表面粗糙度）和ECM指标（能耗），针对Ti6Al4V的铣削过程，采用人工蜂群（ABC）算法优化的高斯过程回归（GPR）方法构建有限元代理模型，并采用多目标粒子群优化（MOPSO）算法获得满足最优加工目标的加工参数。为减少试验成本，采用有限元仿真软件Deform-3D获取各铣削参数组合对应的表面粗糙度和能耗数据，并通过物理试验验证其有效性；基于仿真数据，利用改进的GPR方法构建预测表面粗糙度和能耗的代理模型，并对比了该模型与其他两种模型的性能，证明了改进模型在精度和响应时间上的优势；采用MOPSO算法，以最小能耗和优良表面质量为目标，优化得到加工参数的Pareto前沿，并用物理试验验证了ABC-GPR-MOPSO算法的有效性。

渐开线内花键电解加工流场设计及工艺稳定性研究

王轶禹, 赵建社, 谷民凯, 纪涛

2021, 32(13): 1562-1570. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.007

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为进一步提高渐开线内花键电解加工的工艺稳定性，基于数值分析方法探讨了电解液流动方式、工具阴极结构、电解液参数对流场分布的影响规律。数值分析结果表明：电解液侧向流动可以改善加工区入口处电解液流速分布均匀性；带有导流段的变截面阴极能够降低工件表面流速波动。针对工艺稳定性及加工定域性，开展了渐开线内花键电解加工试验研究。试验结果表明：进给速度可达2.1 mm/min以上，齿形误差可控制在0.015 mm以内，当加工深度为30 mm时，齿向误差在0.02 mm以内。该加工方式的效率及精度能够满足很多实际需求，具有明显的技术经济优势。

面向小偏置碰的轮毂断裂模拟研究

郑颢, 欧阳俊, 王玉超, 李伟, 曾子聪, 黄毅, 刘衡

2021, 32(13): 1571-1576,1583. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.008

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为准确地模拟轮毂的碰撞断裂失效行为，开展了AlSi7（铸铝）材料的断裂力学试验，基于CrachFEM失效准则研究了材料特性参数拟合方法。根据轮毂的准静态和动态试验与仿真对比分析，提出了适用于轮毂断裂模拟的有限元建模规则和材料失效参数调整方法，使轮毂碰撞断裂模式的仿真结果更贴合试验结果。研究结果表明：利用所提建模规则与方法显著提高了碰撞模拟的失效预测精度，可为小偏置碰的安全性能开发提供有效的虚拟仿真评估手段。

基于彩色图像奇异值熵指标的磨削表面粗糙度视觉测量方法

易怀安, 赵欣佳, 唐乐, 陈永伦

2021, 32(13): 1577-1583. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.009

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机器视觉测量表面粗糙度所采用的评价指标大多是根据灰度图像进行统计分析的，而当前研究的一些基于颜色信息的评价指标并未给出合理的数理结构表达。针对此问题，提出了一种基于彩色图像奇异值熵评价磨削表面粗糙度的检测方法。根据色块在不同等级粗糙度表面所形成的虚像能量分布差异，通过纯四元数的数据结构来表征一幅彩色图像，并对其进行数据分析，抽取奇异值熵作为评价指标，论证基于奇异值熵指标评价磨削表面粗糙度的可行性。实验结果表明，彩色图像奇异值熵不仅是一种合理可行的表面粗糙度评价指标，而且该指标在数学意义上具有合理的数据结构表达方式。相关指标的对比分析证明了该指标与表面粗糙度的相关性和适用性相对色差指标更优，回归预测结果也相对较为精准，具备向工程应用领域推广的潜力。

基于Pareto挖掘的白车身侧碰安全件轻量化优化设计

王登峰, 李慎华

2021, 32(13): 1584-1590,1637. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.010

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为提高白车身轻量化优化效果，提出了熵权灰色关联分析法用于挖掘非支配Pareto解集中的最优解。建立了白车身及整车侧碰有限元模型，通过实车侧碰试验验证了所建模型的准确性。以侧碰安全件料厚为设计变量，综合考虑白车身弯扭刚度、振动频率等基本静-动态性能及侧碰安全性能，构建径向基函数神经网络结合Kriging（RBFNN-Kriging）混合近似模型并联合第二代非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ算法）进行了多目标优化。最后，提出了熵权灰色关联分析法计算所有非支配Pareto解的灰色关联度，并以此为评价指标进行多目标决策。优化决策结果表明：在满足白车身性能设计基线的要求下，白车身侧碰安全件质量减小了2.68 kg，取得了较好的轻量化效果。

水基混合纳米流体对内冷却磨削性能的影响

彭锐涛, 彭兴, 童佳威, 赵林峰, 陈美良, 贺湘波

2021, 32(13): 1591-1599. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.011

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添加多壁碳纳米管（MWCNTs）、二硫化钼（MoS2)、离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，［EMIm］BF4）和阿拉伯树胶（GA）制备成稳定分散的水基ILs-MWCNTs/MoS2混合纳米流体。研究了混合纳米流体的摩擦学性能和热物性，并与传统磨削液进行内冷却磨削对比试验，分析了两种磨削液条件下的磨削温度和表面完整性。研究结果表明：混合纳米流体的磨削温度、表面粗糙度和显微硬度分别降低了8.1%、21.4%和6.56%，残余压应力增大了11.6 MPa，表面形貌也更为光滑规整，混合纳米流体体现出了更好的磨削性能。能谱仪（EDS）分析结果表明，在离子液体与纳米颗粒的物理协同强化作用下，混合纳米流体表现出了优异的冷却与润滑性能，改善了磨削性能。

梯度功能研抛盘力学模型与材料均匀去除试验

董晓星, 鲁聪达, 金明生, 文东辉, 计时鸣, 王礼明, , 朱栋杰,

2021, 32(13): 1600-1607. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.012

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针对材料非均匀去除问题，提出了一种基于梯度功能研抛盘的新颖加工方法。以Preston方程为理论基础，开展了梯度功能研抛盘与工件接触应力的数值模拟和弹性力学计算，通过半逆解法推导接触应力方程，建立了一套关于梯度功能研抛盘的双层结构力学模型与工件材料去除水平的预测体系。在ZrO2陶瓷上进行了不同部位材料去除速率研磨试验，以平均材料去除速率的标准差为各区域均匀性去除的评价标准，试验结果表明，在0~30 min、30~60 min、60~90 min三个时间段，采用梯度功能研抛盘加工后的标准差分别为6.47 nm/min、3.76 nm/min、5.09 nm/min，而普通研抛盘加工后的标准差分别为55.23 nm/min、54.73 nm/min、35.92 nm/min。两种盘均维持在150~400 nm/min的材料去除速率，但梯度功能研抛盘在加工过程中能同时实现材料的均匀去除，减少工件研磨后的修整工序，使加工过程简单高效。

碳纤维增强复合材料水导激光切割试验研究

汪建新, 吴耀文, 张广义, 潮阳, 张文武,

2021, 32(13): 1608-1616. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.013

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采用正交试验方法对影响水导激光切割碳纤维增强复合材料（CFRP）的关键工艺参数进行了深入研究，得出了进给速度、水射流速度、脉冲频率和激光功率对切割CFRP的影响规律，并用直接对比法和极差分析法所得最优参数进行单次划槽切割对比。研究结果表明：在极差分析法所得最优参数下切割CFRP时，切缝深度增大3.2%、切缝宽度减小9.2%、切缝锥度减小11.8%、线粗糙度减小40.2%。通过与干式激光加工方法对比发现，水导激光加工技术在切割CFRP方面优势明显，由于水射流的冲刷和冷却作用，材料切割表面几乎无热影响区和纤维拔出。另外，采用正交试验所得最优工艺参数实现了4 mm厚度CFRP的无锥度切割。

汽车试制车间考虑员工作业能力的多目标优化生产调度

易茜, 何爽, 宁轻, 李聪波, 易树平

2021, 32(13): 1617-1629. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.014

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汽车试制车间员工-任务的合理调度方案是保障汽车企业样车试制生产顺利进行的关键。针对汽车试制车间的生产特点及存在的问题，设计了基于决策制定试验和评估实验室与网络分析流程（DEMATEL-ANP）方法的员工作业能力评价体系。基于员工作业能力量化评估，以最大完工时间、员工技能利用均衡度和人工成本为目标，建立了考虑员工作业能力的车间生产调度优化模型，并采用基于逼近理想解排序法（TOPSIS）的非支配排序遗传算法-Ⅱ（NSGA-Ⅱ）对模型进行优化求解。最后通过某汽车制造企业试制车间实际生产案例，对所提模型及方法的有效性和实用性进行验证。

板翅式换热器中新型微凸翅片结构设计及性能分析

彭翔, 李登洪, 李吉泉, 姜少飞

2021, 32(13): 1630-1637. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.015

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为提高翅片区域的换热效率、改善板翅式换热器的整体换热性能，提出了一种新型微凸翅片结构。基于结构参数多采样点处的热力学性能仿真结果构建近似模型，以翅片热功率最高为优化目标、压降为约束，使用序列二次规划法确定了微凸体结构参数（微凸高度、微凸夹角、微凸开口长度）的最优值；对微凸体排列间距、排列方式进行优化，确定了改进微凸翅片结构的具体参数值。通过对翅片流道内温度场、压力场分析，以及与相同尺寸的平直翅片的换热性能对比，验证了所提出的新型微凸翅片结构的有效性。

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2021, 32(13): 1638.

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