中国机械工程

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2021, 32(16): 0.

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基础装备制造及高档集成数控机床研究进展

胡涞, 查俊, 朱永生, 位文明, 李东亚, 罗明, 牛文铁, 陈耀龙

2021, 32(16): 1891-1903. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.001

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为解决航空航天制造领域面临的关键问题以及提高机床行业的服务能力，机床行业提出建设航空航天制造领域高档数控机床创新能力平台。总结了创新平台的基础装备制造及高档数控机床的四个方面研究进展，包括电主轴单元技术（高速主轴刀柄刀具系统动力分析、数字化仿真和样机模态验证分析）、机床设计（直线轴进给系统刚柔耦合机电耦合动力学、多轴联动与高速五坐标混联加工装备、摆动/回转进给系统的机电耦合动力学模型验证分析、MTC1000镗铣磨复合加工中心结构创新设计）、机床控制（高速启停残留振动抑制技术验证分析）和机床验证（航空航天结构件高速加工现场的数据采集、映射与存储技术分析）。最后展望了基础装备制造和高档数控机床的发展方向。

考虑延迟的线控转向二自由度内模控制

杜文龙, 陈俐, 刘文通, 陈峻,

2021, 32(16): 1904-1911，1920. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.002

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针对线控转向系统中由于信号传输、机械间隙和摩擦等因素引起的响应延迟问题，设计了二自由度内模控制策略以提高转角跟踪精度。将延迟模型与线控转向系统模型相结合，构建新的名义模型，为避免引入非最小相位项，采用全极点近似方法将延迟环节线性化，求解跟踪控制器和抗干扰控制器。与名义模型不含延迟环节的二自由度内模控制以及经典PID控制相比较，通过MATLAB/Simulink仿真给出了延迟量对三种方法跟踪性能的影响。比较了延迟量对采用全极点近似、Taylor近似和Padé近似的二自由度内模控制跟踪性能的影响。经线控转向台架试验验证，采用全极点近似的二自由度内模控制跟踪精度较高，对延迟的适应性较好。

面向动力学性能的薄壁加筋板结构阻尼与筋条布局协同优化设计

牛斌, 闫家铭, 毛玉明, 刘海洋

2021, 32(16): 1912-1920. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.003

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为减小薄壁加筋结构在动态环境下的振动，提出了加筋肋布局和阻尼层拓扑一体化设计方法。以含表层阻尼材料的薄壁加筋板结构为研究对象，结合阻尼材料惩罚模型与基结构优化方法，引入筋条密度和阻尼单元密度两类独立设计变量，考虑筋条和阻尼材料的体积约束，建立最小化动态柔度的阻尼材料拓扑和筋条布局的协同优化模型，实现面向动态响应最小化的含阻尼层的薄壁加筋结构最优设计。通过不同阻尼、不同频率下的含表面阻尼层加筋板的多个数值算例，验证了所提方法和模型的有效性。

基于工作空间的踝关节康复广义球面并联机器人运动学参数优化

刘秀莹, 张建军, 刘承磊, 牛建业, 戚开诚, 郭士杰

2021, 32(16): 1921-1929. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.004

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为了解决现有踝关节康复机器人难以完全拟合人体踝关节运动的问题，在仿生学的基础上，提出了一种高匹配度的踝关节运动串联拟合模型，并研发了一款新型的三自由度广义球面并联机器人。为研究该并联机器人的拟合能力，基于螺旋理论分析了其自由度特性，建立了机构的运动学模型，并在逆运动学的基础上阐明该机器人具有部分解耦特性。根据机器人具有双球心的特点，求解了动球心和动平台可达工作空间。最后，以踝关节运动拟合模型的工作空间与机器人的工作空间的匹配度为目标函数，采用遗传算法对运动学参数进行了优化。对比研究机器人与模型的工作空间散点图，并求得有效工作空间比分别为0.79和0.86，结果表明优化后的广义球面并联机器人工作空间能够满足踝关节的运动要求。

倾转变形四旋翼飞行器的设计和实现

刘彦伟, 潘豪, 刘三娃, 李淑娟, 李言

2021, 32(16): 1930-1936. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.005

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针对灾难搜救、军事侦察等应用中的狭窄空间飞行需求，提出一种俯仰姿态可以独立控制的四旋翼飞行器。该飞行器在普通四旋翼飞行器的基础上增加了一个倾转自由度，由一个驱动来独立控制飞行器的俯仰姿态，实现指定倾转角的悬停和飞行。建立了飞行器气动力仿真模型，仿真分析了倾转状态下旋翼间气流干扰对气动力特性的影响。搭建了气动力特性测试平台，通过实验验证了气动力仿真模型的有效性。最后，研制了飞行器原理样机，进行了倾转悬停和倾转飞行实验。研究结果表明，飞行器可以实现接近90°的倾转悬停，同时可以以倾转60°的俯仰姿态稳定飞行，验证了倾转变形四旋翼飞行器穿越狭窄空间的可行性。

基于子结构法的多层级结构拓扑优化

付君健, 孙鹏飞, 杜义贤, 田启华, 高亮

2021, 32(16): 1937-1944，1951. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.006

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为避免多层级结构拓扑优化中的尺度分离问题，保证不同多孔结构之间的连接性，提出了一种基于子结构法的多层级结构拓扑优化方法。采用参数化水平集方法，将多孔结构拓扑优化分为两个层级，在细观层级优化多孔结构拓扑构型，在宏观层级优化多孔结构最优空间分布。采用子结构法建立宏细观结构之间的联系，将细观结构凝聚为超单元，凝聚的超单元又作为宏观结构分析和优化的基本单元。数值算例表明：所提方法可有效实现二维、三维多层级结构的拓扑优化；在多层级结构设计中考虑多种类型的多孔结构时，所提方法能有效保证不同多孔结构之间的连接性。

单颗磨粒刻划氧化镓晶体表面的裂纹成核位置及扩展方向研究

周海, 张杰群, 徐亚萌, 沈军州, 黄梦蝶

2021, 32(16): 1945-1951. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.007

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为了分析新一代光电子材料氧化镓晶体在超精密磨削、研磨加工过程中的裂纹成核位置及扩展方向，建立了单颗磨粒刻划氧化镓(010)晶面的弹性应力场模型，分析了氧化镓(010)晶面的脆塑性转变临界切削深度。通过MATLAB软件分析预测刻划氧化镓晶体过程中表面径向裂纹的成核位置及扩展方向，分析结果表明：当切削深度小于临界切削深度时，径向裂纹成核位置在磨粒的后方，裂纹扩展方向与切削方向之间的夹角在33°左右；当切削深度超过临界切削深度时，径向裂纹成核位置进一步向磨粒后方移动，裂纹生成方向与刻划方向之间的夹角在51°左右。为验证理论分析结果，对氧化镓晶体进行了纳米刻划试验，对比分析表明，氧化镓应力场的解析结果与试验数据高度一致。在线性加载条件下，Cube金刚石压头在氧化镓晶体(010)晶面上产生的径向裂纹偏转角在33.37°~51.45°之间。

基于语义关联的专利有害性能知识挖掘研究

林文广, 赖荣燊, 肖人彬

2021, 32(16): 1952-1962. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.008

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为向产品设计过程提供更加丰富的知识来源，进一步获取专利深层信息，提出了基于语义关联的专利有害性能知识挖掘方法。首先，对产品有害性能进行定义和分类，据此对产品专利分布以及语义特点进行分析；其次，结合行业专利全文信息，引入word2vec算法构建文本向量空间，并利用余弦算法计算不同单词的语义距离，进而实现同义词合并；再次，利用词性组合以及依存关系获取行业专利技术背景中有害性能关键词，结合四种分类规则获取结构对象与有害性能的关联关系，并构建有害性能数据库；最后，针对设计方案元件关键词，检索关联有害性能知识，结合频次公式计算元件不同有害性能发生的概率。选择国内花洒产品专利为应用实例，与其他三种算法进行比较，验证了所提方法的可行性及有效性。

风洞上攻角机器人轨迹规划算法研究与实现

孙晓军, 宋代平, 林敬周, 韩伟航

2021, 32(16): 1963-1971. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.009

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为了提高机械臂跟踪目标轨迹的运动速度，对其目标轨迹进行二次规划。该轨迹规划算法通过引入路径参数s，将关节速度、力/力矩等约束转化为关于路径参数的约束，分别求取关节速度与力/力矩约束限制下路径参数s的最大速度曲线，对最大速度曲线求交集，获得多重约束最大速度曲线。采用模糊推理方法对目标轨迹进行离散化处理，减小优化规模；以0值加速度曲线乘以比例系数Kv替代关节力/力矩约束的最大速度曲线，提高算法的计算效率；通过速度特征点算法与修型射靶算法对规划得到的轨迹进行修形，确保修形后的目标轨迹满足关节速度、力/力矩的约束，并且速度曲线光滑。实验表明，该轨迹规划算法对不同复杂程度的目标轨迹都有着较好的规划性能，能够得到连续平滑的时间近似最优轨迹。

受路网和测量约束的变电站巡检机器人路径规划

路浩, 陈洋, 吴怀宇, 程磊,

2021, 32(16): 1972-1982. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.010

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采用机器人对变电站高压线路测温可以大大提高日常巡检任务的智能化水平，但是巡检过程中存在路网限制和频繁启停能量消耗大等问题，须考虑最优路径与最佳测温停靠地点的相互制约性。为了解决上述问题，基于图论对变电站环境进行建模，通过分析巡检机器人在路网中对目标点测温时相机的位姿约束，建立了以时间消耗最小为目标的路径规划模型。提出了一种基于改进蚁群算法的路径优化方法和基于贪婪思想聚类的巡检停靠点选取方法，通过蚁群算法迭代获得机器人的最优巡检路径、巡检停靠点序列以及各停靠点对应的测温点集。最后，采用仿真案例验证了算法的可行性和鲁棒性，基于巡检机器人的实验结果表明该路径规划模型可用于变电站巡检。

智能网联车即插即用组网模型及决策融合算法

周晓春, 梁军, 陈龙, 王亚飞, 龚进峰

2021, 32(16): 1983-1993. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.011

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针对智能网联车（ICV）多传感器融合前组网流程繁琐的问题，提出了一种车载即插即用（PnP）环境感知传感器“自搜索(SS)自识别(SI)自标定（SC）”组网模型（简称“S-SIC”）。采用深度优先搜索规划算法自搜索PnP传感器并接入ADAS域；采用广播报文自识别PnP传感器并进行初始化；采用车体坐标系坐标转换矩阵及补偿算法自标定PnP传感器。针对ICV多传感器数据及特征级融合时设备难以兼容的问题，提出了K-m.AW决策级融合算法。实验结果表明：S-SIC模型搜索成功率达92%，搜索平均时间为1.79 s；在前车轨迹估计中，基于K-m.AW算法的多场景融合估计准确率较对比算法分别提高了7.6%、11.8%。

人机协同控制的车道保持辅助系统安全性能研究

隋新, 刘春阳, 詹坤, 王张飞, 张毅晖,

2021, 32(16): 1994-2001. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.012

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针对大部分车道保持辅助系统未考虑驾驶员行为和环境因素干扰，驾驶员模式和助力纠偏模式过渡困难，极易造成人机冲突等问题，提出了一种基于人机协同控制的车道保持辅助系统。该系统建立二自由度车辆动力学模型，通过最优线性二次型调节横向控制算法得到最优前轮转角；提出车辆偏离安全评估模型、扭矩控制和安全退出策略，实现了人机友好交互、协同共驾。基于CarSim/Simulink仿真平台对横向控制算法进行联合仿真，验证了控制算法的可行性，并在江淮轻卡试验车上进行了系统安全性能测试。仿真和试验结果表明该系统能够实现车道保持功能，获得较好的安全性。

基于固结磨粒的单晶蓝宝石自旋转磨削加工方法

吴柯, 陆新明, MEHMOOD Awais, 周立波, 袁巨龙

2021, 32(16): 2002-2007，2015. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.013

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利用固结磨粒自旋转磨削加工方法，通过金刚石磨削和化学机械磨削实现了蓝宝石晶片的高效、高质量平坦化加工。采用不同磨粒粒径的金刚石砂轮实现了蓝宝石晶片较高的材料去除率或较好的表面质量。开发了高磨粒浓度Cr2O3砂轮，采用化学机械磨削对金刚石磨削后的蓝宝石晶片进行平坦化加工。实验结果表明，化学机械磨削能够去除金刚石磨削的表面和亚表面缺陷，最终获得表面粗糙度Ra＜1 nm、无/微损伤的蓝宝石晶片。通过理论分析单颗金刚石磨粒的磨削力，发现磨粒粒径是影响材料去除率和表面质量的主要影响因素。通过XPS分析证明了Cr2O3和蓝宝石之间的固相反应过程。

基于改进响应面法的电缆碳纤维增强复合材料集成构件电缆埋置位置优化

杨旭, 周德俭, 庄功伟, 宋微, 刘潇龙, 佘雨来

2021, 32(16): 2008-2015. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.16.014

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针对电缆碳纤维增强复合材料（CFRP）集成构件中电缆埋置位置参数难以确定的问题，建立了集成构件的有限元分析模型和电磁兼容分析模型，提出了一种采用改进响应面法来求解电缆埋置位置参数优化问题的方法。利用该方法，综合考虑电缆的力学性能、电磁兼容性能和制造约束条件，预测得到了一组高质量的电缆埋置位置参数。验证结果表明，使用这组参数得到的集成构件能满足所有的约束条件，所有响应的预测值与实际值的平均误差仅为3%，且埋置电缆对CFRP基体力学性能的影响很小。

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2021, 32(16): 2016-2016.

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