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  • 特邀专栏:车载电化学能源系统
    来鑫, 陈权威, 顾黄辉, 韩雪冰, 郑岳久
    机械工程学报. 2022, 58(22): 3-18. https://doi.org/10.3901/JME.2022.22.003
    在国家“双碳”重大战略驱动下,锂离子电池在迎来了重大发展机遇的同时,它的全生命周期碳足迹追踪与环境指标评价成为研究热点,在碳排放计算及减碳措施方面遇到严峻挑战。首先,对全生命周期评价的基本框架、基本方法、评价指标等基础共性问题进行简要概述。然后,从锂离子电池可持续发展出发,提出从“摇篮”到“摇篮”的全生命周期闭环评价路线,对电池全生命周期内(包括电池生产、电池使用、梯次利用、电池回收与再制造等环节)各阶段碳排放计算的研究现状与进展进行详细综述,总结各阶段潜在的研究热点与难点,提出一种“技术-生态-价值”综合评价框架。在此基础上,对锂离子电池生命周期价值评价存在的机遇与挑战进行讨论,对资源风险与供应链风险进行分析与梳理。最后,总结与展望了能源脱碳、体系创新、智能制造、优化管理、材料回收、碳捕集等六大潜在的锂离子电池全生命周期减碳措施。
  • 运载工程
    阳鑫, 唐小林, 杨凯, 徐正平, 胡晓松
    机械工程学报. 2022, 58(22): 349-359. https://doi.org/10.3901/JME.2022.22.349
    针对无人驾驶车辆在极限工况下的运动规划问题,提出一种适应极限工况的无人驾驶车辆运动规划策略。首先,建立了准确描述车辆运动的动力学模型,并采用修正的非线性轮胎模型反映轮胎与不同路面之间的动力学特性;其次,提出一种基于安全制动距离的自适应势场模型,以适应极限工况下外界条件与车辆参数的变化;再次,考虑到车辆在极限工况下易发生横向失稳,设计出横向稳定性指标(Lateral stability index,LSI)作为关键优化参数,并展开车辆横向稳定性分析;然后,基于模型预测控制方法(Model predictive control,MPC),将极限工况下的运动规划问题转化为多目标优化问题;最后,构建出PreScan-Simulink-CarSim联合仿真平台,并在冰雪路面等多种极限工况下对所提出的运动规划策略进行了验证。仿真结果表明,该策略有效提升了无人驾驶车辆在极限工况下的安全性与稳定性。
  • 机器人及机构学
    周长江, 王豪野, 靳广虎, 艾永生
    机械工程学报. 2022, 58(23): 28-38. https://doi.org/10.3901/JME.2022.23.028
    考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现:复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。
  • 机器人及机构学
    王耀军, 张海峰, 李秦川
    机械工程学报. 2022, 58(23): 65-74. https://doi.org/10.3901/JME.2022.23.065
    并联机构引入冗余驱动可消除机构奇异位型,提高刚度和负载能力。但冗余驱动造成驱动力求解不唯一,可能引起内力对抗,造成能量损耗甚至机构损坏。因此冗余驱动并联机构的动力学建模与控制必须考虑驱动力分配和优化。应用自然正交补(NOC)法对Vex4三自由度冗余驱动并联机构进行动力学建模,采用右Moore-Penrose广义逆矩阵通过QR分解转置系数矩阵得到最小驱动力优化解。为平衡驱动力并跟踪轨迹,在力位混合即非冗余支链位置控制、冗余支链力(矩)控制基础上,采用动力学差分提出一种位控、力控支链驱动力同步优化方法,设计同步优化力位混合控制器实现轨迹跟踪控制。搭建Vex4冗余驱动并联机构样机开展轨迹跟踪试验,验证了所提优化和控制方法的有效性。
  • 运载工程
    魏凌涛, 王翔宇, 邱彬, 李亮, 周道林, 林进贵
    机械工程学报. 2022, 58(6): 184-193. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.184
    寻迹控制作为自动驾驶车辆横向控制中最基本环节,其稳定性和跟踪精度通常与车速、转弯曲率等相关,直接影响车辆在复杂行驶工况中的安全性。为提高自动驾驶车辆在复杂工况下的稳定性和跟踪精度,结合路径规划、寻迹控制并考虑车辆稳定性提出基于自适应预瞄路径的自动驾驶车辆寻迹和避障控制方法。首先,基于车辆二自由度模型设计出预瞄距离自适应算法,其根据车辆动力学状态和路面附着调节预瞄距离;其次,通过三次多项式拟合方法给出给定预瞄距离下的预瞄路径;最后,基于避障能力、跟踪精度、车辆稳定性指标设计出粒子群优化算法(PSO),实现了算法参数的寻优。通过硬件在环试验和实车试验验证了算法在寻迹、换道和避障工况下效果,结果表明算法以小运算量实现了跟踪时的预瞄路径自适应调节,兼顾跟踪精度和车辆稳定性。
  • 可再生能源与工程热物理
    汤勇, 于佳栋, 余树东, 王鑫, 李宗涛, 丁鑫锐, 余彬海
    机械工程学报. 2022, 58(6): 221-241. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.221
    太阳能蒸汽发生是一种通过光热转换过程利用太阳能的可靠、环保、成本低廉的技术,其中界面太阳能蒸汽发生系统以其光热转换、热管理、输水逸汽、外围装置的高度集成以及精细设计的特点,借助微结构光子学、材料改性加工、热结构设计、机械设计等技术,能高效(蒸发效率高)、快速(蒸发速率高)地从块状水体甚至大气中吸取水分并通过太阳能转换的热能产生蒸汽,从而产出淡水、无机盐和能量。界面太阳能蒸汽发生技术以其广阔应用前景吸引了学者们的研究兴趣。本综述介绍了界面太阳能蒸汽发生系统的工作原理与组成材料;按光热转换、热管理、疏水逸汽等部分从宏微观结构设计角度总结了设计、优化策略;通过介绍具体的应用展示了界面太阳能蒸汽发生系统的外围装置;最后总结了界面太阳能蒸汽发生系统的研究进展并对其未来发展进行了展望。
  • 仪器科学与技术
    贺雅, 胡明辉, 卢子元, 明煊, 贾彦飞
    机械工程学报. 2022, 58(4): 22-33. https://doi.org/10.3901/JME.2022.04.022
    旋转机械振动信号中的冲击特征通常代表着轴承损伤、齿轮损伤等常发故障的出现,为了准确提取信号中的冲击分量,提出一种基于改进群延迟估计的同步压缩变换时频分析方法。分析时间重分配同步压缩变换原型算法在处理实际强频变信号时的特性,发现其易导致明显的时频模糊问题。构建基于局部最大搜索算法的改进型经典群延迟估计方法,以克服TSST在分析强频变信号时带来的时频模糊问题,并在此基础上提出了群延迟自适应估计策略。形成一种基于改进群延迟估计的自适应同步压缩变换方法,在其基础上提出一种振动信号中脉冲特征提取方法。仿真信号和试验数据分析结果表明,该方法可较准确地提取出振动信号中的冲击特征,相较其他常用时频分析方法能够生成更为聚集的时频表示。
  • 运载工程
    谢树强, 王斌杰, 王文静, 张浩楠, 李强, 姜朝勇
    机械工程学报. 2022, 58(4): 183-190. https://doi.org/10.3901/JME.2022.04.183
    作为轨道车辆走行部的极关键结构,转向架构架的服役安全性受到极大重视与关注。以新设计的地铁车辆动车转向架样本构架为研究对象,基于其在位使用状态下的动应力进行疲劳损伤与疲劳寿命研究。结合车辆运行状态数据,研究构架关键部位的损伤分布特征,分析构架疲劳损伤快速累积的原因。针对样本构架关键部位:计算其裂纹萌生寿命;基于雨流计数后的应力幅子样完成应力幅分布核密度估计;建立裂纹扩展模型,采用蒙特卡洛法与反函数法计算构架关键部位不同运行里程下的累积失效概率。结果表明,构架累积失效概率随运行里程增加而快速增加,裂纹萌生后对应于97.5%可靠度的运营里程为3万km;构架疲劳寿命为裂纹萌生寿命与扩展寿命之和,97.5%可靠度下为48.39万km。研究结果为进一步提升构架抗疲劳设计、优化转向架检修周期提供研究基础。
  • 检测新技术与新方法
    石照耀, 于渤, 宋辉旭, 王笑一
    中国机械工程. 2022, 33(9): 1009-1024. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.09.001
    推动齿轮测量技术发展的力量有两股,一是齿轮产业发展对齿轮测量不断提出的新要求,二是不断进步的关联技术在齿轮测量领域的渗透。21世纪以来,这两股力量的交汇推动了齿轮测量技术的快速发展。在简要回顾20世纪齿轮精度理论和齿轮测量技术演变的基础上,提出了齿轮广义精度理论的基本要义,从齿轮全信息测量技术、面向生产现场的齿轮在线快速分选检测技术、面向特大齿轮和微小齿轮的极端测量技术、高精度齿轮样板及量值传递等多个方面系统归纳了20年来齿轮测量技术的新发展。齿轮精密测量肇始至今已历经百多年,目前处在第三代齿轮测量向下一代齿轮测量跨越的关键阶段。提出了下一代齿轮测量的整体技术构想,列出为实现下一代齿轮测量必须攻克的基础理论和关键技术问题,展望了未来10年齿轮测量的研究重点和科学问题。
  • 智能制造
    董元发, 张文厉, 肖人彬, 田启华, 杜轩
    中国机械工程. 2022, 33(8): 929-942. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.08.007
    目前智能技术自身在通用性、稳健性、安全性等方面并不成熟,智能交互产品极易因在意图表达、信息处理、决策逻辑、交互时序、动作强度等方面与用户行为模式的不匹配而产生“行为冲突”,人机环境系统多领域行为过程的统一建模与优化是实现智能交互产品行为特性调控和正向设计的关键。从如何表征、用什么表征、如何校验、如何优化四个维度系统地梳理了人机环境系统多领域行为过程表征模型、建模语言/工具、模型验证和行为过程优化等方面的研究进展,分析了目前该领域存在的问题和局限性,展望了未来的研究重点和发展趋势。
  • 机器人及机构学
    张文, 丁雨林, 陈咏华, 孙振国
    机械工程学报. 2022, 58(5): 1-7. https://doi.org/10.3901/JME.2022.05.001
    针对相对封闭、磁干扰等特殊环境下传感器应用受限,导致爬壁机器人的姿态估计误差偏大的问题,提出并实现了一种基于惯性测量单元(IMU)和圆柱形状约束的爬壁机器人姿态估计方法(IMU-CC-ATE)。该方法利用爬壁机器人执行工作任务中运动状态和静止状态频繁切换的特点,使用静止状态时IMU的角速度输出值估计相邻运动状态时IMU的角速度漂移值;并结合圆柱形表面约束使机器人姿态估计的横滚角保持不变的特性,设计扩展卡尔曼滤波器(EKF)对机器人的姿态和IMU的角速度漂移进行实时估计。实验结果表明:该方法使爬壁机器人姿态估计的航向角误差从20°以上降低至3.5°,俯仰角误差保持在2°以内,横滚角误差在0.5°以内,有效地提高了机器人姿态估计精度。
  • 机器人及机构学
    田蔚瀚, 罗亚哲, 李逸飞, 陈殿生
    机械工程学报. 2022, 58(5): 69-77. https://doi.org/10.3901/JME.2022.05.69
    针对目前智能家庭场景下,家居服务机器人对不同物品位姿的识别准确度与操作性差等问题,进行机器人手眼协调识别技术与物品灵巧操作规划方法的研究,提出了视觉前馈目标定位与视觉反馈位姿匹配相结合的识别与多位姿抓取方法。首先,基于SSD深度神经网络模型识别待抓取物品,并进行三维测定,以得到物品粗略坐标位置;其次,根据所得三维坐标预设深度相机与物品的相对位姿,采集物品与障碍物的深度信息,并基于Linemod算法与内置三维模型进行位姿匹配,完成对物品精确位姿的测定;最后,依据所得物品与障碍物的位置与姿态,规范臂手系统的抓取位姿,实现灵巧抓取物品。由以上原理,设计手眼协调测试实验进行不同桌面高度的物品抓取成功率与抓取误差测试,实验抓取总成功率高,且误差满足实际精度要求;该研究有利于提高家居服务机器人物品操作的灵巧性与适应性,对于家居服务机器人产业的发展具有重要意义。
  • 机械基础工程
    马廉洁, 李红双
    中国机械工程. 2022, 33(7): 757-768. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.07.001
    表面粗糙度受众多因素影响,脆性材料的特有属性使其表面形成机制更为复杂,导致其加工质量难以控制。通过构建表面粗糙度模型,可以对表面粗糙度进行预测,进而控制加工质量。为更好地借鉴前人的研究成果,总结了表面粗糙度的表征参数,归纳了建立表面粗糙度模型的方法,并对模型的主要研究流派及其发展历程、主要学术贡献、模型特点等进行了详细的分析及总结。最后,对表面粗糙度模型构建的未来研究方向进行了展望。
  • 研究论文
    王泽力, 张天奕, 刁国宁, 徐国敏, 刘黎明
    焊接学报. 2022, 43(1): 1-6. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210627001
    为减小低碳钢焊接热输入、优化焊接变形等缺陷,使用三丝间接电弧焊(triple-wire gas indirect arc welding, TW-GIA焊)方法,并利用红外测温系统及高速成像设备对TW-GIA焊传热机制进行了测量. 结果表明,TW-GIA焊具备显著的小热输入优势,可实现无明显焊接变形的单道焊成形,热影响区宽度小于MIG焊. 与传统电弧焊不同,随着焊接高度的增加,TW-GIA焊热输入逐渐降低,焊接高度从4 mm增至24 mm时,传热模式由电弧热对流 + 熔池热传导转变为仅熔池热传导. TW-GIA焊焊缝及热影响区晶粒尺寸细小,并消除了魏氏体的存在,焊缝区平均显微硬度可达289.8 HV,最大抗拉强度为472 MPa,断后伸长率为26.5%.
  • 研究论文
    杨敬, 吴斌, 焦敬品, 王永贤, 何存富
    焊接学报. 2022, 43(2): 1-10. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210617001
    在焊接热循环作用下,奥氏体不锈钢焊缝内部呈粗大柱状晶组织,且其取向在焊缝不同区域呈各向异性.针对粗大柱状晶引起的超声波散射和晶粒取向不同导致的声束偏折等问题,进行奥氏体不锈钢焊缝超声阵列检测方法研究.针对超声阵列获得全矩阵数据,发展了一种基于时间反转算子分解的超声阵列信号去噪方法.利用射线追踪法,研究了各向异性介质中超声波传播路径确定方法,并将其应用于奥氏体不锈钢焊缝超声阵列全聚焦成像的声束偏折校正.开展了奥氏体不锈钢焊缝超声阵列检测试验研究.结果表明,基于时间反转算子分解方法可以很好剔除检测信号中的散射噪声,凸显特征回波信息,可将全聚焦成像的信噪比提高10 dB,而波束偏折校正则可以提高超声阵列全聚焦成像中缺陷定位的精度.
  • 研究论文
    侯亮, 徐杨, 陈云, 叶超, 郭敬, 胡学满
    焊接学报. 2022, 43(2): 11-19. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210710001
    定向能量沉积(directed energy deposition,DED)热力仿真是有效预测沉积件残余应力和变形、优化工艺参数的重要方法,其仿真精度取决于输入参数的准确性. 针对传统方法难以直接、准确获取输入参数的问题,文中以热源参数为例,提出基于支持向量机和遗传算法的参数反向识别方法,并用于精确构建实际DED工件热力仿真模型.首先基于参数化仿真建模正向获取不同热源参数下单道单层沉积件仿真误差; 其次借助支持向量机构建热源参数与仿真误差的定量映射关系,并利用遗传算法反向识别热源参数,在正向-反向实施过程中,通过闭环迭代优化热源参数识别区间,达到参数精确识别目的;最后以实际DED工件涡轮叶片为案例,构建基于最优参数的热力仿真模型,进一步验证该最优参数反向识别法. 结果表明,由单道单层简单件反向提取的最优热源参数,可用于准确预测实际DED工件制造过程中温度和变形场变化规律,为后续变形补偿等工艺优化提供理论基础.
  • 机械基础工程
    倪华康, 杨泽源, 杨一帆, 陈新渡, 严思杰, 丁汉
    中国机械工程. 2022, 33(6): 647-655. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.003
    提出了一种基于机器人几何参数误差与基坐标系位姿误差的六轴串联型机器人误差标定方法。首先基于MD-H方法建立了IRB6700机器人几何参数误差模型,得到机器人连杆几何参数误差到机器人末端位姿误差的映射关系;然后进一步考虑了基坐标系的位姿误差,并建立了考虑基坐标系误差的机器人误差模型;此外,针对传统标定方法操作繁琐、偶然误差大等问题,提出了一种改进的参数辨识方法,进一步提高了标定过程的可操作性与标定精度。最后,开展了本体标定实验与基坐标系误差扰动实验,结果表明所提方法将机器人位置误差的平均值由3.1928 mm减小至0.1756 mm,位置误差的标准差由0.5494 mm下降到0.0830 mm。基坐标系位姿误差扰动前后参数辨识的结果一致性高于99%,标定精度及稳定性得到显著提高。
  • 综述
    杨简彰, 王成勇, 袁尧辉, 袁松梅, 王西彬, 梁赐乐, 李伟秋
    中国机械工程. 2022, 33(5): 506-528. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.001
    微量润滑技术具有切削液用量少、润滑效率高等优点,但在特定工况下仍存在冷却性不足以及润滑不充分等问题。微量润滑复合增效技术,如低温冷风、液态CO2等,综合了良好冷却和润滑优势,可有效解决难加工材料清洁切削加工难题。综述了各类微量润滑复合增效技术原理、关键装置及其工艺应用最新研究进展,详细剖析了各类装置性能及其参数调控特性。结合微量润滑复合增效应用形式和作用机制,系统分析了其在钛合金、镍基合金、不锈钢等难加工材料的应用性能,并对各类微量润滑复合增效技术进行了可持续性分析,为清洁切削技术的工程应用提供技术支撑和参考。
  • 机器人及机构学
    孙浩然, 王林, 于世民, 代礼周, 张广玉, 李天龙
    机械工程学报. 2022, 58(1): 1-9. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.001
    作为新型机器人一个重要的研究方向,微纳机器人在生物医疗领域取得了大量的成果,尤其是磁场驱动微纳机器人,由于其运动控制精准,不需与被控对象直接接触等特点被广泛应用于药物主动靶向递送中。近年来,由于缺乏对磁驱微纳机器人进行运动控制的同时又能给细胞组织提供合适环境的原位培养系统,严重制约了微纳机器人在促进细胞组织再生领域中的研究。为了实现磁场驱动微纳机器人实验过程中细胞组织的原位培养和监测,设计了一套针对磁驱微纳机器人的细胞原位培养系统,反向利用风冷散热器的原理实现系统的温度输出,并通过COMSOL软件进行了非等温流动仿真,其结果表明本套系统的加热模块的加热效果,加热执行装置的加热能力均满足需求,同时明确了培养箱的进出风口位置,而后通过温控实验验证了该套系统能够实现稳定的温度控制。该套原位培养系统的设计实用性强,适用性广,对于微纳机器人原位培养系统的研究具有一定的指导意义。
  • 机器人及机构学
    刘云平, 蒋长胜, 张婷婷, 赵中原, 邓志良
    机械工程学报. 2022, 58(1): 61-68. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.061
    针对多无人机系统利用有限时间环形编队算法执行环形编队任务时易发生碰撞这一问题,提出一种基于改进人工势场法的多无人机有限时间环形编队控制算法,引入一组与障碍物移动方向垂直的辅助势场,避免了多无人机在快速编队过程中发生内部碰撞,并解决了传统人工势场法易陷入局部最优解的问题。为验证本文算法的有效性,在无人机初始位置、势场影响范围、包围半径等参数相同的情况下进行计算机仿真实验,结果表明算法可有效地避免多无人机在环形编队过程中发生碰撞的问题。为进一步验证算法的实用性,采用三架轴距450 mm的“X型”旋翼无人机进行物理实验,实验结果表明本文算法在有限时间内完成多无人机环形编队时具有较好的避碰效果。
  • 微纳连接新材料
    贾强, 邹贵生, 张宏强, 王文淦, 邓钟炀, 任辉, 刘磊, 彭鹏, 郭伟
    机械工程学报. 2022, 58(2): 2-16. https://doi.org/10.3901/JME.2022.02.002
    随着第三代功率半导体器件的发展,以SiC为代表的宽禁带半导体芯片在大功率电力电子器件中扮演了越来越重要的角色。然而与传统Si芯片匹配的封装材料难以满足其高温服役的要求,成为功率电子器件应用的短板。纳米颗粒材料作中间层用于电子封装能够实现低温连接、高温服役,是目前封装材料的研究热点。本文综述了当前纳米颗粒材料作中间层的存在形式,重点分析单质纳米颗粒烧结连接的优势、影响因素以及局限性,系统阐述了复合纳米颗粒烧结连接的最新进展以及发展趋势,旨在促进纳米颗粒材料作中间层在电子封装中的应用。
  • 微纳连接新工艺
    杭弢, 常鹏飞, 李明
    机械工程学报. 2022, 58(2): 147-158. https://doi.org/10.3901/JME.2022.02.147
    化学机械平坦化(Chemical mechanical planarization,CMP)是芯片制造中的关键技术,用于实现多种结构表面纳米级别的超精细平坦化。互连层金属和芯片结构中的其他材料性质差异较大,其平坦化过程更加依赖于抛光浆料中的化学组分。协同机理适用于描述金属CMP的材料移除过程:抛光浆料中的化学组分对互连层表面进行化学改性,继而在研磨粒子的机械磨削作用下去除。基于此,综述重点介绍了研究研磨粒子微观状态和作用的接触机制和其相关模型的发展;并分别阐述了氧化剂、络合剂和抑制剂等化学组分的作用和金属的反应过程和原理;最后对抛光液组分最新研究进展和发展趋势进行了归纳总结,以期在芯片制造技术发展过程中,对新型浆料的开发提供参考,以满足不同工况条件下所需的材料去除速率,超精细平坦化和超低缺陷的要求。
  • 机器人及机构学
    梁军, 韩冬冬, 盘朝奉, 陈龙, 陈逢强, 杜万兵
    机械工程学报. 2022, 58(3): 1-20. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.001
    近年来基于移动机器人的智能车库(Robot-based intelligent garage,RIG)以高容量、高效率和高安全性的特点,在缓解城市"停车难"问题彰显卓越功效。RIG作为智能交通系统的重要组成部分,其核心组件是移动机器人(Automated guided vehicle,AGV),而AGV运行控制依赖RIG关键技术。在分析RIG相关文献的基础上,首先根据RIG运行特点,从"布局方案""调度策略"和"路径规划"三个方面对现有RIG关键技术梳理。然后,系统回顾了RIG关键技术的理论基础、研究方法、应用现状及优缺点,深入探讨了RIG关键技术在运行过程中所发挥的重要作用。最后,针对RIG运行过程中存在的问题,仍从以上三个方面展望了RIG关键技术的发展趋势。需要强调的是:①运用大数据处理技术,挖掘不同时间段停车需求,指导RIG布局自动优化以平衡停车容量和存取效率需要;②云机器人技术在RIG调度策略应用逐渐广泛,结合出行即服务技术RIG,制定满足用户满意度的RIG调度策略;③随着RIG布局方案、调度策略以及实际环境障碍物的复杂化,利用深度强化学习框架解决AGV的路径规划问题已成为当前发展趋势。系对RIG关键技术研究成果的系统梳理,对未来RIG技术研发和工程应用具有重要的指导意义。
  • 机器人及机构学
    赵智远, 赵京东, 赵亮亮, 杨晓航, 刘宏
    机械工程学报. 2022, 58(3): 21-35. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.021
    SSRMS构型机械臂被广泛应用于空间在轨服务,但是由于冗余自由度以及肩、轴、腕部偏置的存在,导致逆运动学求解困难。关节角参数化方法虽然能求得逆运动学的解析解,但是求解成功与否高度依赖于参数的给定值。基于雅可比矩阵的求解方法考虑避奇异时会损失机械臂的运动性能。为此,提出了一种基于循环坐标下降法与关节角参数化方法联合的逆运动学求解方法(CCDJAP-IK),该方法具有对雅克比矩阵奇异不敏感,避免关节极限以及求出多组逆运动学精确解的优点。将采用循环坐标下降法求得的近似解作为关节角参数化方法中参数的给定值,减少了参数取值的盲目性,增加了求解的成功率。将末端执行器的运动转化为关节6末端点仅y轴方向受约束的达点运动,简化了目标函数以及算法的迭代步骤,提高了计算效率。以HIT-SSRMS构型机械臂为例开展了仿真实验,结果表明:在当前构型和期望位姿均在工作空间内随机选取的情况下,CCDJAP-IK方法的平均计算时间为4.86 ms,求解成功率为99.32%,是一种有效且可靠的求解SSRMS构型机械臂逆运动学的方法;在跟踪笛卡儿路径时,CCDJAP-IK方法的跟踪精度、关节空间连续性以及实时性均满足任务要求,因此可应用于机械臂的实时路径跟踪任务。
  • 机械基础工程
    邱仕诚, 伍剑波, 赵恒忠, 王珅, 胡启凡, 颜荣
    中国机械工程. 2022, 33(3): 270-278. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.003
    对于大型储罐焊缝缺陷自动化检测,爬壁机器人需完成自动化全方位扫查。针对储罐爬壁机器人在不同运行工况下的受力状态,建立爬壁机器人力学模型,分析获得不下滑、不纵向倾覆、不横向侧翻以及复合状态下失稳状态危险点,应用Maxwell软件对永磁吸附轮受力状态进行仿真与优化设计,使之满足吸附要求。同时,设计具有辅助吸附功能的编码轮结构,在反馈位置信息的同时,补充安全吸附力的裕度,以增加其越障和抗失稳能力。最后,依据设计模型制造出爬壁机器人本体并进行测试实验,实验结果证明该机器人能在各种危险点处实现带负载稳定全向驱动运行。
  • 智能机舱技术及系统
    陈甜, 张兴武, 刘金鑫, 陈雪峰, 严如强
    中国机械工程. 2022, 33(4): 482-495. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.011
    舰艇的隐身性能是其重要的性能指标和战术指标。吸振隔振等被动控制技术在舰艇减振降噪领域得到了广泛的应用,但依然无法满足舰艇对声隐身性的需求,因此,开展舰艇的振动与噪声主动控制研究意义重大。频谱塑形主动控制可以通过改变辐射噪声特征的方式对舰艇进行变特性声隐身。介绍了频谱塑形主动控制的内涵,根据自适应频谱塑形主动控制理论的发展,依次从自适应逆控制、自适应主动控制以及自适应频谱塑形主动控制三个方面进行综述,最后以舰艇领域的应用来验证自适应频谱塑形主动控制方法的有效性。
  • 机械基础工程
    吴德志, 陈卓, 海振银, 陈亮, 叶坤, 王凌云, 赵立波
    中国机械工程. 2022, 33(1): 2-14,23. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.01.001
    微区感应加热作为一种局部加热技术,兼具热响应快、非接触及加热特性可控等优势,在微机电系统、微流控芯片等微纳系统领域的应用潜力巨大。介绍了微区感应加热的基本原理,系统阐述了微区感应加热在封装、驱动及材料生长等方向的研究进展,分析了待解决的关键问题,总结并指出了发展方向。
  • 机械基础工程
    赵国龙, 信连甲, 李亮, 王珉, 郝秀清, 何宁
    中国机械工程. 2022, 33(2): 153-159. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.004
    高硅铝合金由于硅含量很高,故切削加工性较差,切削刀具极易磨损且已加工表面存在大量缺陷。为进一步研究材料加工损伤,采用化学气相沉积法制备了金刚石涂层铣刀,开展70%Si/Al(70%指质量分数)合金材料铣削试验。试验研究了铣削力、刀具磨损及加工损伤机理,并与常用TiN涂层铣刀进行了对比。结果表明:铣削过程中由于初晶硅硬质颗粒的冲击和刻划,金刚石涂层刀具的失效形式主要是涂层剥落和磨粒磨损;在金刚石涂层铣刀的正常磨损阶段,铣削力稳定在43.57~48.95 N,而相同切削用量下TiN涂层铣刀的铣削力更大、刀具寿命更短;加工表面存在凹坑、划痕和颗粒破碎等损伤,在保证刃口强度的前提下适当减小切削刃圆弧半径可明显减小加工损伤;铣刀刃口圆弧半径r=12 μm的已加工表面粗糙度(Sa=2.3 μm)远低于r=156 μm时加工的表面粗糙度(Sa=6.7 μm)。
  • 机械基础工程
    栾孝驰, 赵宇, 沙云东, 柳贡民, 赵钱
    中国机械工程. 2021, 32(24): 2899-2908,2914. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.001
    针对某型航空发动机中央传动锥齿轮在实际使用中因行波共振造成的从动轮断裂失效问题,采用仿真分析与试验验证相结合的方法,研究弧齿锥齿轮参数调节状态下的行波共振特性及其影响规律。基于有限元方法对齿轮进行模态分析,讨论辐板厚度和工作温度对齿轮行波共振特性的影响;基于Hertz接触理论对啮合齿轮进行瞬态动力学分析,重点讨论行波共振状态下负载功率、工作温度及阻尼系数对齿轮应力分布的影响。仿真与试验对比结果表明:模态计算和动力学分析的仿真结果误差均在合理范围内。在满足齿轮设计有关要求前提下,调整辐板厚度可避开共振转速或共振频率。在振动应力分布的共振参数敏感性方面:当齿轮在三四节径行波共振状态下工作时,齿根处应力值最大,辐板正面应力值最小;随着齿轮负载功率、工作温度和阻尼系数变化,从动轮辐板正面应力变化较小,辐板背面和齿根处变化较大。在该齿轮改进和优化设计中,需重点针对三四节径行波共振进行处理。
  • 机械基础工程
    黄峰, 王楚晨, 阮晓东
    中国机械工程. 2021, 32(24): 2915-2923. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.24.003
    为研究血泵主动转速调节对血泵内部流场以及血液损伤的影响,采用计算流体动力学(CFD)方法模拟血泵在转速调制下的全流道内部流动。通过集总心血管系统数学模型和旋转血泵模型的联合数值模拟得到血泵辅助条件下的心室和主动脉压力,并设置为血泵CFD模拟的进出口边界条件。分析了匀转速以及正弦波、方波、三角波三种异步转速调制波形下的血泵流场情况,得到了旋转血泵的速度分布图以及剪切应力分布图。结果表明,转速调制下血泵的流量脉动得到了增强,是一种恢复血流搏动性的可行方案。三种速度调制波形中,正弦波转速调制下的血泵流量脉动指数高且血泵内剪切应力小,是相对理想的转速调制波形。
  • Special Issue on AI-Enabled Monitoring Diagnosis & Prognosis
    Zhibin Zhao, Jingyao Wu, Tianfu Li, Chuang Sun, Ruqiang Yan, Xuefeng Chen
    Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2021, 34(3): 56-56. https://doi.org/10.1186/s10033-021-00570-7
    Prognostics and Health Management (PHM), including monitoring, diagnosis, prognosis, and health management, occupies an increasingly important position in reducing costly breakdowns and avoiding catastrophic accidents in modern industry. With the development of artificial intelligence (AI), especially deep learning (DL) approaches, the application of AI-enabled methods to monitor, diagnose and predict potential equipment malfunctions has gone through tremendous progress with verified success in both academia and industry. However, there is still a gap to cover monitoring, diagnosis, and prognosis based on AI-enabled methods, simultaneously, and the importance of an open source community, including open source datasets and codes, has not been fully emphasized. To fill this gap, this paper provides a systematic overview of the current development, common technologies, open source datasets, codes, and challenges of AI-enabled PHM methods from three aspects of monitoring, diagnosis, and prognosis.
  • Tao Peng, Qiqi He, Zheng Zhang, Baicun Wang, Xun Xu
    Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2021, 34(3): 48-48. https://doi.org/10.1186/s10033-021-00573-4
    COVID-19 pandemic has accelerated the re-shaping of globalized manufacturing industry. Achieving a high level of resilience is thereby a recognized, essential ability of future manufacturing systems with the advances in smart manufacturing and Industry 4.0. In this work, a conceptual framework for resilient manufacturing strategy enabled by Industrial Internet is proposed. It is elaborated as a four-phase, closed-loop process that centered on proactive industry assessment. Key enabling technologies for the proposed framework are outlined in data acquisition and management, big data analysis, intelligent services, and others. Industrial Internet-enabled implementations in China in response to COVID-19 have then been reviewed and discussed from 3Rsa€? perspective, i.e. manufacturer capacity Recovery, supply chain Resilience and emergency Response. It is suggested that an industry-specific and comprehensive selection coordinated with the guiding policy and supporting regulations should be performed at the national, at least regional level.
  • Wenwen Wang, Jun Wang, Jinpeng Tian, Jiahuan Lu, Rui Xiong
    Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2021, 34(4): 57-57. https://doi.org/10.1186/s10033-021-00577-0
    Lithium-ion batteries have always been a focus of research on new energy vehicles, however, their internal reactions are complex, and problems such as battery aging and safety have not been fully understood. In view of the research and preliminary application of the digital twin in complex systems such as aerospace, we will have the opportunity to use the digital twin to solve the bottleneck of current battery research. Firstly, this paper arranges the development history, basic concepts and key technologies of the digital twin, and summarizes current research methods and challenges in battery modeling, state estimation, remaining useful life prediction, battery safety and control. Furthermore, based on digital twin we describe the solutions for battery digital modeling, real-time state estimation, dynamic charging control, dynamic thermal management, and dynamic equalization control in the intelligent battery management system. We also give development opportunities for digital twin in the battery field. Finally we summarize the development trends and challenges of smart battery management.
  • Mechanism and Robotics
    Jiankun Yang, Chengwei Ren, Chenghao Yang, Youyu Wang, Shumin Wan, Rongjie Kang
    Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2021, 34(4): 77-77. https://doi.org/10.1186/s10033-021-00594-z
    Robotic grippers have been used in industry as end-effectors but are usually limited to operations in pre-defined workspace. However, few devices can capture irregularly shaped dynamic targets in space, underwater and other unstructured environments. In this paper, a novel continuum arm group mechanism inspired by the morphology and motions of sea anemones is proposed. It is able to dissipate and absorb the kinetic energy of a fast moving target in omni-direction and utilize multiple arms to wrap and lock the target without accurate positioning control. Wire-driven actuation systems are implemented in the individual continuum arms, achieving both bending motion and stiffness regulation. Through finite element method, the influence of different configurations of the continuum arm group on the capture performance is analyzed. A robotic prototype is constructed and tested, showing the presented arm group mechanism has high adaptability to capture targets with different sizes, shapes, and incident angles.
  • 综述
    单忠德, 刘阳, 范聪泽, 汪俊
    中国机械工程. 2021, 32(23): 2774-2784,2831. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.23.001
    从制造工艺和装备研制的角度总结了复合材料预制体成形技术发展历程,分析了复合材料预制体成形制造工艺的技术特点,列举了国内外复合材料预制体成形制造典型的工艺与装备现状以及存在的问题及差距,并分析展望了复合材料预制体成形技术的未来发展方向及趋势。发展高性能复合材料构件数字化精确成形制造技术及装备,能更好推动我国复合材料技术进步,并实现更加广泛的推广应用。
  • 综述
    丁文锋, 李本凯, 傅玉灿, 徐九华
    中国机械工程. 2021, 32(23): 2785-2798. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.23.002
    针对航空发动机和燃气轮机高端动力装备涡轮盘榫槽,从机械加工(包括拉削、铣削、磨削)和特种加工(包括电火花线切割、电解线切割)两方面分析了加工技术的主要特点;从加工工具设计与应用、加工质量评价及控制等方面系统阐述了榫槽加工技术的发展现状,分析了国内外学者在该领域的重要研究成果,最后展望了榫槽加工技术的发展趋势。
  • 机械基础工程
    罗欢, 张定华, 罗明
    中国机械工程. 2021, 32(22): 2647-2666. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.22.001
    航空制造领域因轻量化、强度等特殊的应用需求,大量使用钛合金、镍基合金等难切削材料,刀具磨损速率快,刀具过度磨损会影响产品质量,在保证产品质量的前提下,为了充分发挥刀具使用价值,亟需监测刀具磨损状态和预测刀具剩余寿命。针对刀具剩余寿命预测的定义、分类和主要预测方法进行了阐述,同时,刀具磨损监测作为刀具寿命预测的基础和先决条件,简述了其重要的流程和常见模型。刀具剩余寿命预测模型主要包括基于物理模型的预测、基于数据驱动的预测和混合预测三大类,对不同预测方法的优缺点和适用场景进行总结,并讨论了刀具剩余寿命预测的未来研究方向。
  • 机械基础工程
    潘承怡, 童圆栖, 曹冠群, 赵彦玲
    中国机械工程. 2021, 32(22): 2689-2696. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.22.005
    为了提高AVIKO系列钢球检测系统中展开轮的服役寿命及检测精度,在增大表面摩擦因数的同时减少磨损,将表面微结构应用于展开轮,研究其摩擦磨损特性。利用激光在试件周向外表面加工三种不同直径参数的凹坑微结构,并用自主设计的摩擦磨损试验机进行试验,得到摩擦因数与磨损量,通过数值模拟得到应力分布图和磨损深度图,与光滑表面试件进行对比和分析。结果表明,在干滑动摩擦条件下,微结构表面试件均比光滑表面试件的摩擦因数更大且磨损量更小,微结构表面通过改变应力分布和分散磨损点位置减少了磨损并提高了耐磨性。所建立的数值模拟磨损模型可用于预测微结构表面磨损深度,为微结构表面展开轮的寿命预测提供了基础理论。
  • 机械基础工程
    张建勋, 姚斌, 代煜, 夏光明
    中国机械工程. 2021, 32(21): 2521-2531. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.001
    为了推动机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的深入研究和临床应用,综述了其研究进展。针对有传感器的力感知,将其分为基于电信号和基于光信号两类,分析了传感器在手术器械上的位置分布、机械结构、测量范围、测量精度和电磁兼容性等关键指标,并讨论了其优势和局限;针对无传感器的力感知,将其分为基于视觉和基于动力学模型两类,并分析了其实现方法、技术障碍和误差来源。最后,展望了机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的发展趋势。
  • 智能制造
    房立金, 吴政翰, 王怀震
    中国机械工程. 2021, 32(21): 2590-2597. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.008
    针对固定节点数的渐进最优快速扩展随机树(RRT*FN)算法精度低、对环境缺乏适应性等问题,提出了一种改进RRT*FN的机械臂运动规划算法。在迭代过程中,结合目标偏向随机采样和椭球子集采样的优势,构造新的启发式方法对采样区域进行约束,从而保证搜索路径更优。在扩展节点时,配置树中总节点数的预设值,并通过加权方法对树中叶子节点进行删减,避免了树规模的无限增长。在动态环境下,采用对节点剪枝与连接的启发式重规划方法,有效提高了对动态环境的适应能力。实验结果表明,该算法在规划过程中收敛速度更快,效率更高,具有较强的环境适应性。