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机构学及机器人学研究进展——纪念张启先院士诞辰九十周年专辑

高速凸轮机构动力学分析及模态截断

金国光, 魏展, 秦凯旋, 张阳演

机械工程学报. 2015, 51(13): 227-234. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.227

摘要 (468) PDF全文 (150183)

可视化

高速凸轮机构广泛应用于车辆、纺织和印刷等机械中，对其进行动力学问题研究是提高机械性能的基础和关键。采用有限元法对凸轮机构柔性构件进行离散化处理，结合模态综合技术和Kane方程建立刚柔耦合凸轮系统动力学模型，所得动力学方程是一个更具一般性的柔性梁类动力学方程，且该方程在模态坐标下更便于计算机求解运算。通过对系统模态分析和动力学方程求解来分析其动态性能，在了解系统动态性能的同时进行模态截断研究。对截取不同阶数的动力学模型进行仿真，分析模态截取阶数对计算精度和计算速度的影响。研究结果对判断实际应用中的高速凸轮系统是否需要进行动力学分析具有重要指导意义，也为该类机构的动力学建模和模态特性研究提供依据。

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机构学及机器人学研究进展——纪念张启先院士诞辰九十周年专辑

当前中国机构学面临的机遇

刘辛军, 谢福贵, 汪劲松

机械工程学报. 2015, 51(13): 2-12. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.002

摘要 (820) PDF全文 (92442)

可视化

工业4.0以及智能制造是工业发展的必然趋势，但它们的发展必然是要建立在单元化装备尤其是机器人和高端制造装备的高品质基础之上的。近两年，机器人高调卷土重来，市场前景巨大；高端制造装备尤其是高档数控机床在我国需求依旧迫切。但不管机器人还是高档数控机床在我国的发展仍然不容乐观，它们仍然低迷的共同特征是所必需的基础元器件和数控系统依赖舶来品，受制于人，关键功能部件例如摆角头、高性能减速器(例如RV减速器)等制造技术缺失，导轨、丝杠等部件可靠性和性能保持性不足。尤其是，由于结构原理以及实现技术的原因，摆角头和高性能减速器均是串联式高端机床和机器人的核心功能部件，极大地决定了机床和机器人的功能和性能，也是机床和机器人行业能否达到和赶超世界先进水平的重要屏障。机构学是装备结构设计的基础学科，机构创新是装备创新的根本，在我国机床与机器人需要跨越式发展的当前，机构学领域担负着重要的创新责任。结合机床与机器人的结构、功能和应用特点，分析和探讨我国机构学在现阶段面临的机遇，为我国机构学者的研究与工业界对高端装备的需求实现有效结合提供参考。

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仪器科学与技术

钢轨中导波传播模式的半解析有限元分析与实验测量

卢超, 杨雪娟, 戴翔, 常俊杰

机械工程学报. 2015, 51(6): 79-86. https://doi.org/10.3901/JME.2015.06.079

摘要 (2099) PDF全文 (91070)

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导波传播模式分析是钢轨长距离导波检测和振动噪声控制的基础。钢轨中的导波传播模式可以通过波数频率关系和对应的结构形变来有效识别。应用半解析有限元法(Semi-analytical finite element method，SAFE)，基于虚功原理构建导波在任意截面弹性波导中传播的控制方程，求解弹性波导中导波传播的频散曲线和结构形变。应用该方法求解0～8 kHz频率范围自由状态CHN60型钢轨中导波传播的波数频散关系和结构形变，并讨论8个基本传播模式的特点。采用模态力锤及多传感器测量钢轨截面形变的模态分析试验方法得到钢轨横向和垂直振动模态导波的波数-频率系数，数值分析与试验结果相符合。

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机构学及机器人学研究进展——纪念张启先院士诞辰九十周年专辑

医疗机器人技术发展综述

倪自强, 王田苗, 刘达

机械工程学报. 2015, 51(13): 45-52. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.045

摘要 (740) PDF全文 (84024)

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医疗机器人在过去几十年获得了飞速发展，根据医疗机器人的功能和用途将医疗机器人分为：神经外科机器人、骨科机器人、腹腔镜机器人、血管介入机器人、假肢外骨骼机器人、辅助康复机器人和胶囊机器人。分别对当前已经商用化的代表性的医疗机器人做了介绍，对其功能、主要技术指标、优缺点做出对比和描述。探讨医疗机器人当前主要的前沿研究问题，对医疗机器人关键技术和难点问题做出分析和讨论，对医疗机器人未来的发展方向和机遇做了展望。

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仪器科学与技术

基于外穿式交流电磁场检测的钻杆轴向裂纹在役检测技术研究

李伟, 袁新安, 陈国明, 葛玖浩, 姜永胜, 贾廷亮

机械工程学报. 2015, 51(12): 8-15. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.008

摘要 (331) PDF全文 (49850)

可视化

钻杆是钻井过程中易受破坏的关键部件，在其服役过程中进行检测，对于减少钻具失效事故具有重要意义。针对钻杆在役检测的特点，提出一种新型外穿式交流电磁场检测方法，建立针对钻杆外表面轴向裂纹的外穿式交流电磁场检测有限元仿真模型，分析钻杆表面感应电磁场分布以及裂纹引起的电磁场畸变信号与裂纹尺寸关系，在此基础上提取裂纹识别特征信号，基于仿真模型分析激励线圈提离高度影响，设计开发井口钻杆外表面轴向裂纹在役检测系统，并进行试验测试，仿真和试验结果表明：外穿式交流电磁场检测探头所提取的钻杆轴向裂纹特征信号Bx和Bz分别反映裂纹深度和长度，具有定量识别能力；激励线圈提离高度可满足在役检测需要；外穿式交流电磁场检测系统利用周向阵列检测线圈可有效检测钻杆表面轴向裂纹。

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质量控制与失效分析

超临界锅炉T91钢过热器管爆管原因分析

白佳, 刘明

理化检验—物理分册. 2020, 56(2): 44-47,54. https://doi.org/10.11973/lhjy-wl202002011

摘要 (160) PDF全文 (20343)

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某国产火焰锅炉投产运行一个月后，屏式过热器管发生爆管泄漏。通过宏观检验、化学成分分析、硬度测试、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法对过热器管发生爆管的原因进行了分析。结果表明：爆管为长时间超温运行所致，过热器管接头环焊缝内部的焊瘤阻碍了蒸汽流动，同时氧化皮影响了热量传递，导致管壁局部长时间过热；爆口处显微组织严重老化，且有明显蠕变损伤，降低了管材的强度，管壁承压能力下降，最终导致爆管泄漏。

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机构学及机器人学研究进展——纪念张启先院士诞辰九十周年专辑

柔性机构及其应用研究进展

于靖军, 郝广波, 陈贵敏, 毕树生

机械工程学报. 2015, 51(13): 53-68. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.053

摘要 (673) PDF全文 (18355)

可视化

柔性机构自20世纪80年代提出以来迅猛发展，已成为现代机构学一个重要分支。短短不足30年间，柔性机构设计理论的构建与发展，为柔性机构成功应用奠定了坚实基础。随着对柔性及柔性机构认识不断深入，柔性机构得到了广泛应用，不断涌现新的成功实例。继5年前综述了柔性机构设计方法研究进展之后，尝试从应用的视角鸟瞰一下柔性机构的最新进展。通过将柔性机构的主体应用划分为精密工程、仿生机器人、智能材料结构三大主阵地，概述柔性机构在每个阵地中的应用进展及研究热点情况，并对其发展做了展望。对四种最具发展潜力和应用前景的新型柔性机构(胞元式柔性机构、辅助接触式柔性机构、平面折展机构、柔性静平衡机构)进行简单描述。

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机械动力学

u-SVD降噪算法及其在齿轮故障诊断中的应用

曾鸣, 杨宇, 郑近德, 程军圣

机械工程学报. 2015, 51(3): 95-103. https://doi.org/10.3901/JME.2015.03.095

摘要 (372) PDF全文 (17825)

可视化

为了提取机械设备被强背景噪声淹没的故障特征，采用一种具有通用意义的基于奇异值分解(Singular value decomposition, SVD)的子空间降噪算法对信号进行处理，即u-SVD降噪算法。传统的SVD降噪算法是u-SVD降噪算法中拉格朗日乘子时的一种特殊情况。u-SVD降噪算法包含滤值因子，能够抑制以噪声贡献占主导的奇异值对降噪后信号的信息贡献量。u-SVD降噪算法涉及延迟时间、嵌入维数、降噪阶次、噪声功率和拉格朗日乘子等5个参数。讨论了u-SVD降噪算法的参数选择方法，并着重研究降噪阶次和拉格朗日乘子对降噪效果的影响。齿轮故障仿真信号和齿轮早期裂纹故障振动信号的试验结果表明，u-SVD降噪算法在降噪效果方面要优于传统的SVD降噪算法，可以在强背景噪声情况下更好地提取出齿轮的故障特征。

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仪器科学与技术

基于Rife-Vincent窗衰减信号插值离散傅里叶变换

刁瑞朋, 孟庆丰, 范虹

机械工程学报. 2015, 51(4): 1-7. https://doi.org/10.3901/JME.2015.04.001

摘要 (467) PDF全文 (17547)

可视化

频谱泄漏和栅栏效应是影响衰减信号离散傅里叶变换精度的主要因素。为了提高多频衰减信号离散傅里叶变换频谱参数的校正精度，提出一种加窗两点矢量插值校正算法。对信号加M阶余弦窗并计算加窗后信号的离散傅里叶变换，利用真实频率附近的两根谱线的矢量比建立方程，通过求解方程获得频率偏移量和衰减因子，利用上述获得的两个参数计算出信号的频率、幅值和相位。余弦窗的最大旁瓣衰减特性能有效的降低频谱泄漏的影响，两点矢量频域插值可以消除栅栏效应，两者结合极大地提高了算法的参数校正精度。仿真和试验结果表明，算法具有较高的参数校正精度和稳定性，且计算效率较高，适用于实时处理及对计算资源要求苛刻的场合，为多频衰减信号的特征提取提供了一种可选的方法。

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运载工程

空投装备气囊缓冲系统评价方法

洪煌杰, 王红岩, 李建阳, 芮强, 张芳

机械工程学报. 2015, 51(4): 148-154. https://doi.org/10.3901/JME.2015.04.148

摘要 (237) PDF全文 (16229)

可视化

以热力学理论和有限元法为基础，建立装备-气囊系统有限元模型，并利用试验数据对模型进行验证。对比结果表明，所建模型系统的精度较高，可以用在下一步的仿真分析工作中。针对缓冲气囊的复杂非线性模型计算规模大、难以进行大规模计算的问题，以着陆初速度、初始侧倾角、初始俯仰角、横向速度和地面坡度为变量，分别以最大冲击加速度、最大侧倾角、最大俯仰角以及气囊最大内压为响应，结合扩展拉丁超立方设计，采用径向基函数构建多工况响应代理模型。考虑空投装备在着陆过程中环境因素以及空投装备着陆姿态的影响，利用蒙特卡罗法结合代理模型对多工况下的空投装备着陆成功概率进行计算。通过计算得到着陆成功概率为95.84%，冲击加速度为其主要影响因素，气囊内压为次要因素。

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数字化设计与制造

等几何分析研究概述

吴紫俊, 黄正东, 左兵权, 刘清华, 殷小亮

机械工程学报. 2015, 51(5): 114-129. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.114

摘要 (921) PDF全文 (15172)

可视化

提出等几何分析(Isogeometric analysis, IGA)是一种新的物理场数值求解方法，它可实现CAE数值分析与CAD建模工具的集成，给出一条使设计、分析和优化紧密结合的新途径。以等几何分析方法的计算框架为基础，详细介绍等几何分析方法中样条几何模型的描述方式和建模方法；并以NURBS为例，阐述了IGA中的分析模型的参数化表示以及网格模型的细化方法；结合现有的经典有限元的分析过程，简单介绍IGA的离散方法、边界条件和积分方法；系统总结等几何分析在热、流体、接触和优化方面的应用，并给出了一个简单的二维问题的IGA求解实例。

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机构学及机器人

硅片传输机器人手臂结构优化设计方法

刘延杰,吴明月,王刚,蔡鹤皋

机械工程学报. 2015, 51(1): 1-9. https://doi.org/10.3901/JME.2015.01.001

摘要 (4777) PDF全文 (14826)

可视化

提出一种以硅片传输机器人末端竖直方向上由手臂静变形引起的静偏移为约束、以刚性杆柔性关节系统固有频率为优化目标、以各手臂壁厚为优化参数的硅片传输机器人手臂结构优化设计方法。建立硅片传输机器人刚性杆柔性关节动力学模型，通过系统固有频率分析以及模态分析确定对轨迹精度影响较大的模态为一阶模态与二阶模态；通过分析结构参数对一阶与二阶固有频率影响的灵敏度以及权值选择小臂与末端手臂的质量作为优化参数；建立以手臂厚度为变量、以手臂结构尺寸为约束的手臂挠度模型与末端竖直方向静偏移模型，分析手臂厚度对末端竖直方向静偏移的影响规律并对末端手臂与小臂的厚度尺寸进行优化设计；对结构优化设计前后硅片传输机器人手臂的性能进行对比分析。结果表明：该方法在大幅度降低手臂质量的同时可显著提高硅片传输机器人手臂的一阶与二阶固有频率，大幅度降低了末端竖直方向上的静态偏移及内应力，大幅提高了系统竖直方向上的振动频率。

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仪器科学与技术

基于PVDF的三维纳米谐振触发测头及定位系统

李志渤,黄强先,史科迪,韩彬,余惠娟

机械工程学报. 2015, 51(2): 1-6. https://doi.org/10.3901/JME.2015.02.001

摘要 (657) PDF全文 (13782)

可视化

微纳米三坐标测量机(Coordinate measuring machining, CMM)是目前微纳米三维测量领域的一个研究热点，针对微纳米CMM中三维纳米测头的研究瓶颈，提出一种与现有机械接触式测头和光学非接触式测头工作原理完全不同的、可达到纳米/亚纳米量级触发分辨力的新型谐振测头。利用聚偏氟乙烯(Poly vinylidene fluoride, PVDF)薄膜的压电特性和其谐振参数对微小作用力的高敏感性，PVDF薄膜与一体式光纤微测杆测球相结合构建成了基于PVDF薄膜的三维纳米谐振触发测头。该测头在z向以轻敲模式接触，在x、y向以摩擦模式接触。经过试验验证，由该测头与三维纳米定位平台、数据处理及反馈控制系统相结合构建成的三维谐振纳米触发定位系统在x、y、z三个方向的触发分辨力都达到了亚纳米量级，分别为0.12 nm、0.10 nm、0.12 nm；三维重复性误差分别为26 nm、36 nm、10 nm。试验结果证实了新型三维谐振测头及其系统的有效性。

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特邀专栏：高速铁路钢轨检测监测与应用

基于电涡流脉冲热成像偏度特征的钢轨自然裂纹量化评估

严俨, 刘怡, 朱俊臻, 苗玲, 陈笑天, 周宇, 卢艳平, 高斌, 田贵云

机械工程学报. 2021, 57(18): 75-85. https://doi.org/10.3901/JME.2021.18.075

摘要 (254) PDF全文 (9627)

可视化

钢轨在服役过程中长期承受列车轮对的压力和冲击载荷，会使其表面及浅层区域产生滚动接触疲劳裂纹。该种裂纹具有典型的三维空间特征，常规无损检测方法难以对裂纹的三维特征进行量化评估。以不同承载的钢轨试件中含有的滚动接触疲劳裂纹为研究对象，采用基于多物理场耦合的电涡流脉冲热成像检测技术，分析钢轨车轮踏面加热及冷却阶段的热图像序列偏度分布，表征裂纹三维特征，并与工业计算机层析成像扫描得到的裂纹形貌进行校验。试验结果表明，热图像序列的偏度特征能有效表征钢轨滚动接触疲劳裂纹的位置、走向、长度以及深度信息，偏度表征的裂纹沿钢轨表面走向角度与工业计算机层析成像扫描所得的结果线性相关，相关系数约0.97；偏度表征裂纹沿钢轨内部纵向扩展的空间角度与工业计算机层析成像扫描空间角度相关系数约0.89；偏度表征的钢轨内部闭合裂纹长度值与工业计算机层析成像扫描结果相关系数约0.94；偏度值与对应裂纹深度呈近似线性关系，相关系数约0.98。因此，基于电涡流脉冲热成像技术的偏度特征提取可用于钢轨滚动接触疲劳裂纹的量化评估，并得到工业层析成像结果校验。电涡流热成像及偏度量化评估方法对在役钢轨滚动接触疲劳裂纹的早期诊断、量化评估、三维可视化以及运营维护具有广阔的应用前景。

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可再生能源与工程热物理

浅水域探测型无人水下航行器波浪能发电系统设计

丁文俊, 宋保维, 毛昭勇, 赵晓哲

机械工程学报. 2015, 51(2): 141-147. https://doi.org/10.3901/JME.2015.02.141

摘要 (834) PDF全文 (9470)

可视化

为了实现浅水域探测型无人水下航行器(Unmanned underwater vehicle, UUV)探测设备水下长时间工作，提出波浪能发电系统，可以将近水面的波浪能收集转化为电能。详细叙述永磁发电机的原理结构及设计参数;根据Lagrange方程建立系统的数学模型;采用Runge-Kutta方法求解简化的运动方程，研究不同海况条件下对发电性能的影响。研究结果表明提出的波浪能发电系统是合理可行的，在一般海况下，能够满足探测设备的能源需求。同时表明频率与幅度以及耦合横摇对发电性能影响比较大，而耦合垂荡对其影响基本可以忽略。研究结果将为后期波浪能发电系统的工程试验提供一定的理论依据。

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特邀专栏：设计思维及在创新设计中的应用

设计思维研究综述

李彦, 刘红围, 李梦蝶, 袁萍

机械工程学报. 2017, 53(15): 1-20. https://doi.org/10.3901/JME.2017.15.001

摘要 (3557) PDF全文 (3444)

可视化

设计与创新是当前时代的主题。创新不等同于技术发明，而是通过设计将技术传递给用户的过程中创造价值，实现这种创新过程的思维方式就是设计思维。设计思维是一种有影响力、高效、可广泛采用的创新方式。设计思维可以广泛地扩展和整合到社会各领域、各层次，任何人或团体都可以利用设计思维高效地创造出新想法、实现这些想法，并使之发挥作用。目前，国内外学者对于设计思维及其相关方面已展开较为广泛的研究工作。从设计思维的内涵、设计思维的实施过程、设计思维方法和工具、以及设计思维的研究方法等方面系统地评述国内外学者对设计思维的研究现状，并给出目前研究存在的问题以及进一步研究的一些建议。

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特邀专栏：智能制造装备

典型钛合金切削层相变形成机理及其影响因素研究

何耿煌, 吴明阳, 李凌祥, 邹伶俐, 程程

机械工程学报. 2018, 54(17): 133-141. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.133

摘要 (222081) PDF全文 (2911)

可视化

为研究钛合金已加工表面相变机理及其影响因素，首先通过分析切削过程中切削刃对切削区域的作用机制，采用能量法建立结构参数、切削三要素与切削耗能的数值描述模型，结合Matlab对模型进行求解，获知进给量f的变化对钛合金切削耗能W的影响最大，切削速度v_c次之，而切削深度a_p最小；为验证描述模型的正确性，采用2种不同几何结构不同牌号的硬质合金可转位刀片对典型钛合金TC1、TC4、TA5以及合金钢30CrMnSiA在正常空冷和氩气冷环境下进行对比试验，试验结果与描述模型间的误差较小，有效证明了描述模型的正确性，同时明确了钛合金已加工表面相变形成机理，并揭示了其发展的规律性。研究可为钛合金的高品质加工提供数据支撑。

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材料科学与工程

镁合金带内筋筒形件热强旋织构演变模型构建

袁帅, 夏琴香, 龙锦川, 肖刚锋

机械工程学报. 2023, 59(14): 54-63. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.054

摘要 (25) PDF全文 (2459)

可视化

镁合金塑性变形过程中易形成织构，带内筋筒形件热强旋成形时的热变形、内筋结构等对织构的影响规律复杂。通过宏观成形模拟获得材料的热强旋变形场信息，采用插值算法及宏-细观耦合方法构建织构演变模型，研究镁合金带内筋筒形件热强旋过程中的织构演变，探讨旋压件壁部及筋部变形织构的差异。结果表明，热强旋过程中坯料的基面板织构将逐渐转变为旋压件的基面纤维织构，且晶粒c轴将由平行于管坯切向朝平行于旋压件径向偏转，壁部相比筋部晶粒具有更大的偏转角度；以最大织构强度位置的偏转角度及极图中最大极密度作为评价指标进行模型可靠性分析，壁部及筋部预测值与试验值的相对误差均小于10%，所构建的宏-细观耦合模型准确地预测了织构类型及强度的转变。

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仪器科学与技术

基于机器学习的设备剩余寿命预测方法综述

裴洪, 胡昌华, 司小胜, 张建勋, 庞哲楠, 张鹏

机械工程学报. 2019, 55(8): 1-13. https://doi.org/10.3901/JME.2019.08.001

摘要 (1867) PDF全文 (2381)

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随着科学技术的发展和生产工艺的进步，当代设备日益朝着大型化、复杂化、自动化以及智能化方向发展。为保障设备安全性与可靠性，剩余寿命（Remaining useful life，RUL）预测技术受到了普遍关注，同时得到了广泛应用。传统的统计数据驱动方法受模型的选择影响明显，而机器学习具有强大的数据处理能力，并且无需确切的物理模型和专家先验知识，因而机器学习在剩余寿命预测领域表现出了广阔的应用前景。鉴于此，详细分析和阐述了基于机器学习的设备剩余寿命预测方法。根据机器学习模型结构的深度，将其分为基于浅层机器学习的方法和基于深度学习的方法。同时疏理了每类方法的发展分支与研究现状，并且总结了相应的优势和缺点，最后探讨了基于机器学习的剩余寿命预测方法的未来研究方向。

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特邀专栏：动力电池系统关键技术

大数据分析技术在新能源汽车行业的应用综述——基于新能源汽车运行大数据

佘承其, 张照生, 刘鹏, 孙逢春

机械工程学报. 2019, 55(20): 3-16. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.003

摘要 (1137) PDF全文 (2364)

可视化

为应对化石能源危机和环境污染问题，新能源汽车技术的发展与应用引起广泛重视。新能源汽车具有高信息化的特点和智能网联化的发展趋势，在日常运行中会产生大量行驶数据信息。利用海量多源异构数据进行安全预警与监管、车辆技术分析，是推动我国新能源汽车行业发展的关键。综述了大数据分析技术在新能源汽车行业的应用情况，概述了大数据分析技术的基础理论、发展历程，介绍了新能源汽车国家监测与管理平台的架构和功能，并着重阐述了新能源汽车大数据分析过程。分别从动力电池数据、汽车运行数据和充电数据的角度出发，分析了现有的研究方向和研究方法，列举了部分研究成果和应用情况。最后，对当前新能源汽车大数据分析领域存在的问题和发展应用前景进行了总结和展望。

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机械动力学

基于深度学习理论的机械装备大数据健康监测方法

雷亚国,贾峰,周昕,林京

机械工程学报. 2015, 51(21): 49-56. https://doi.org/10.3901/JME.2015.21.049

摘要 (1403) PDF全文 (2138)

可视化

机械装备正在朝着高速、高精、高效方向发展，为了确保这些装备的健康运行，健康监测系统采集了海量数据来反映机械的健康状况，促使机械健康监测领域进入了“大数据”时代。机械大数据具有大容量、多样性与高速率的特点，研究和利用先进的理论与方法，从机械装备大数据中挖掘信息，高效、准确地识别装备的健康状况，成为机械装备健康监测领域面临的新问题。深度学习理论作为模式识别和机器学习领域最新的研究成果，以强大的建模和表征能力在图像和语音处理等领域的大数据处理方面取得了丰硕的成果。结合机械大数据的特点与深度学习的优势，提出了一种新的机械装备健康监测方法。该方法通过深度学习利用机械频域信号训练深度神经网络，其优势在于能够摆脱对大量信号处理技术与诊断经验的依赖，完成故障特征的自适应提取与健康状况的智能诊断，因此克服了传统智能诊断方法的两大缺陷：需要掌握大量的信号处理技术结合丰富的工程实践经验来提取故障特征；使用浅层模型难以表征大数据情况下信号与健康状况之间复杂的映射关系。试验结果表明，该方法实现了多种工况、大量样本下多级齿轮传动系统不同故障位置不同故障类型的故障特征自适应提取与健康状况准确识别。

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制造工艺与装备

面向航空发动机的镍基合金磨削技术研究进展

丁文锋, 苗情, 李本凯, 徐九华

机械工程学报. 2019, 55(1): 189-215. https://doi.org/10.3901/JME.2019.01.189

摘要 (1684) PDF全文 (2138)

可视化

磨削加工是制造航空发动机镍基合金零件的重要方法。为进一步提高镍基合金磨削加工的材料去除效率、提升工件表面质量，国内外学者开展了诸多基础理论与工艺探索工作。在概述镍基合金材料磨削加工技术发展过程的基础上，全面总结了国内外学者在镍基合金材料磨削去除机理、磨削工艺特性、磨削加工新方法等方面的主要研究成果，并对镍基合金磨削加工技术的难点与发展趋势进行了展望。

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特邀专栏：电源系统设计、管理与大数据

新能源汽车动力电池系统故障诊断研究综述

孙振宇, 王震坡, 刘鹏, 张照生, 陈勇, 曲昌辉

机械工程学报. 2021, 57(14): 87-104. https://doi.org/10.3901/JME.2021.14.087

摘要 (859) PDF全文 (2021)

可视化

随着新能源汽车保有量的增加，新能源汽车安全问题日益突出，严重威胁着驾乘人员的生命财产安全，制约了新能源汽车产业发展。动力电池问题是新能源汽车着火事故发生的主要原因（占着火事故60%以上），发展先进的动力电池系统故障诊断技术已成为新能源汽车安全防护领域的热点。为填补该领域最新中文综述的空白，基于动力电池系统故障发生位置的差异，将故障分类为内部故障和外部故障，描述过充电、过放电、外部短路、内部短路、过热、热失控、传感器故障、连接件故障、冷却系统故障的失效机理。从内部故障和外部故障两个角度出发，总结锂离子动力电池的基于知识、模型、数据驱动三类故障诊断方法的研究现状与最新进展。讨论当前动力电池系统故障诊断技术研究中存在的主要问题，提出电池故障诊断技术的未来发展趋势，以期实现动力电池系统故障的准确诊断和早期防控，提高新能源汽车安全性，保障驾乘人员生命财产安全，推动新能源汽车产业进一步发展。

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机器人及机构学

机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战

蔡世波, 陶志成, 万伟伟, 喻豪勇, 鲍官军

机械工程学报. 2021, 57(15): 1-14. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.001

摘要 (1027) PDF全文 (1984)

可视化

机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器，因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力，半个多世纪以来得到持续的研发投入和广泛关注，备受社会各界期待。综述分析了仿人型机器人多指灵巧手的演化过程、研究与开发现状。从仿生结构、驱动、传动、感知、复合/智能材料、建模与控制等方面分析了机器人多指灵巧手的本体复杂性，在部分功能复现、灵巧操作功能复现和人手功能的增强三个层次上分析了机器人多指灵巧手的应用复杂性，进而论述了基于多指灵巧手的复杂应用简化实现模式，阐明了机器人多指灵巧手的复杂性与易用性的辩证关系。最后从深度仿生、柔性感知技术、操作过程规划与控制策略、成本控制四个方面分析了多指灵巧手本体研究的趋势与挑战。

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综述

工业机器人关节空间轨迹规划及优化研究综述

郭勇, 赖广

机械传动. 2020, 44(2): 154-165. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2020.02.024

摘要 (521) PDF全文 (1917)

可视化

随着机器人技术的发展,工业机器人广泛应用于自动化生产之中,极大地提高了生产效率以及自动化程度。轨迹规划是完成作业任务的关键环节,而轨迹优化则进一步提高了任务完成质量,也顺应了工业发展的需要。对工业机器人关节空间的轨迹规划及优化研究进展进行了综述。首先,简述了关节空间轨迹规划算法,指出多项式插值是主要方式,B样条曲线因其优良特性是今后发展的必然趋势。然后,对不同目标下的轨迹优化进行了全面综述,指出优化目标的确定以及算法的改进等还存在的问题。最后,对今后的发展方向进行了展望,多目标优化求解方式以及约束的动态调整等将是今后的研究重点。

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制造工艺与装备

一种刮削加工切削齿刃形计算与加工运动仿真方法

贾康, 郑帅, 郭俊康, 洪军

机械工程学报. 2019, 55(1): 216-224. https://doi.org/10.3901/JME.2019.01.216

摘要 (366) PDF全文 (1886)

可视化

针对非特定内外廓形的刮削加工，基于刮削加工原理与展成运动，提出一种基于离散廓形包络的切削齿刃形曲线通用计算方法，适用于任意结构前刀面，并给出切触点的求解方法与相应的空间刮削切触运动的计算仿真方法。首先剖析了刮削加工原理，从工件、刀具和运动配置参数角度构建了刮削加工的运动学模型；然后，基于曲面共轭原理分析了刮削加工的正逆问题，提出基于相对刀具运动的工件曲面与前刀面相交内包络的切削刃曲线求解方法，给出了详细的计算流程与方法以及切削刃可行性的判定规则；随后，进一步提出了基于切削刃的刮削过程切触点计算方法，并给出了时序对应的空间切触运动仿真分析方法；最后，分别以内外廓形的刮削加工为例，对所提出的切削刃计算方法和加工运动仿真方法的有效性进行了验证。

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论文

果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制

金波;林龙贤

机械工程学报. 2014, 50(19): 1-8.

摘要 (10952) PDF全文 (1867)

可视化

为了实现果蔬的无损采摘，采用欠驱动原理设计出一种结构更简单、通用性更强的末端执行器。欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构，基于欠驱动原理设计的机械手结构简单可靠，抓取物体时具有形状自适应能力，手指可完全包络物体，可以通过最大接触力的闭环力反馈控制来实现无损采摘。基于这一设计思想设计出仅靠一个电动机驱动三个手指的机械手爪，通过理论分析、手爪机构设计与建模、结构参数优化，确定设计尺寸制出机械手爪，设计控制电路结合力反馈控制进行抓取试验。试验结果表明该手爪能实现期望的抓取与最大接触力控制功能，并具有控制简单可靠、抓取稳定、不损伤果实等特点。

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机构学及机器人学研究进展——纪念张启先院士诞辰九十周年专辑

仿生机器人研究现状与发展趋势

王国彪, 陈殿生, 陈科位, 张自强

机械工程学报. 2015, 51(13): 27-44. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.027

摘要 (1475) PDF全文 (1840)

可视化

仿生机器人是指依据仿生学原理，模仿生物结构、运动特性等设计的性能优越的机电系统，已逐渐在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等不适合由人来承担任务的环境中凸显出良好的应用前景。按照工作环境可将仿生机器人分为陆面仿生机器人、空中仿生机器人以及水下仿生机器人三类。指出仿生机器人经历了原始探索、宏观仿形与运动仿生、机电系统与生物性能部分融合三个阶段，并概述三类仿生机器人国内外研究现状。分析发现当前研究还存在着生物运动机理研究不深，结构设计、材料应用、驱动及控制方式大多较为传统、能量利用率低等问题，导致了仿生机器人从宏观到微观与生物都存在较大差异，“形似而神不似”，远未达到实际应用程度。指出了仿生机器人正向着刚柔混合结构，仿生结构、材料、驱动一体化，神经元精细控制，高效的能量转换的类生命系统方向发展。

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软体机器人专栏

软体机械手研究综述

张进华, 王韬, 洪军, 王煜

机械工程学报. 2017, 53(13): 19-28. https://doi.org/10.3901/JME.2017.13.019

摘要 (1164) PDF全文 (1690)

可视化

软体机械手(下面简称软体手)是一种由柔性材料制成的新型机械装置。凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性，软体机械手具有了高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点，受到国内外学者和机构的广泛研究，并表现出良好的应用前景。综述了软体机械手的应用领域、驱动方式、材料与制造、建模与控制的相关问题，并梳理了软体机械手研究中依旧存在的问题和可能的解决方案以及软体机械手的发展趋势。软体机械手是软体机器人领域的一个重要分支，其研究涉及材料学、力学、化学、机械设计与制造、电子与控制科学以及仿生学等诸多领域的交叉和融合。对软体机械手的研究将极大丰富人们对柔性材料的复杂、丰富特性的理解，也将为更好地把柔性材料融入产品的设计提供理论和技术指导。

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机械动力学

大数据下机械智能故障诊断的机遇与挑战

雷亚国, 贾峰, 孔德同, 林京, 邢赛博

机械工程学报. 2018, 54(5): 94-104. https://doi.org/10.3901/JME.2018.05.094

摘要 (1971) PDF全文 (1668)

可视化

机械故障是风力发电设备、航空发动机、高档数控机床等大型机械装备安全可靠运行的“潜在杀手”。故障诊断是保障机械装备安全运行的“杀手锏”。由于诊断的装备量大面广、每台装备测点多、数据采样频率高、装备服役历时长，所以获取了海量的诊断数据，推动故障诊断领域进入了“大数据”时代。而机械智能故障诊断有望成为大数据下诊断机械装备故障的“一把利器”。与此同时，大数据给机械智能故障诊断的深入研究和应用提供了新的机遇：“数据为王”的学术思想有望成为主流、诊断整机或系统级对象成为可能、全面解析故障演化过程成为趋势等；但也遇到了新的挑战：数据大而不全呈“碎片化”、故障特征提取受制于人为经验、浅层诊断模型诊断精度低等。阐述了机械智能故障诊断大数据的特点；从信号获取、特征提取、故障识别与预测三个环节，综述了机械智能故障诊断的国内外研究进展和发展动态；指出了机械智能故障诊断理论与方法在大数据背景下的挑战；最后讨论了应对这些挑战的解决途径与发展趋势。

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论文

基于无线射频识别传感标签的形状记忆合金增强复合结构低速冲击响应监测

袁江;邱自学;邵建新;吴静雅;陈宇天;俞云雷;郭永海

. 2012, 48(18): 89-96.

摘要 (168) PDF全文 (1644)

可视化

对埋入形状记忆合金(Shape memory alloy，SMA)丝的增强复合材料结构，提出一种利用传感标签技术实现结构健康无线分布监测的新方法，以解决传统有线监测方法存在的布线难、系统扩展和移动性能差等问题。采用基于高精度时间数字转换技术的专用电容测量芯片PS021测量复合结构中的SMA丝间的微小电容信号，可以很好抑制寄生电容的影响提高电容的测量精度；分布的传感标签获取PS021的电容测量信号，并与时间、位置编码信息打包后无线传输给读写器，传感标签之间无须通信，能耗要求低；组网采用三层读写器网络拓扑结构，通信协议简单、实时处理能力强。低速冲击响应监测试验表明，系统能实现对埋入结构中NiTi超弹性自传感元件的监测，根据冲击试验获取的多通道电容测量数据可分析判断损伤的位置和程度。

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制造工艺与装备

超声振动对单颗金刚石工具划擦RB-SiC材料去除行为的影响

郑非非, 董志刚, 张嘉桐, 刘津廷, 康仁科

机械工程学报. 2019, 55(1): 225-232. https://doi.org/10.3901/JME.2019.01.225

摘要 (342) PDF全文 (1588)

可视化

超声辅助磨削在硬脆材料加工领域的诸多优势已被广泛认可，研究超声辅助磨削机理对于促进超声辅助磨削工艺技术的应用有重要价值。通过单颗金刚石压头模拟砂轮磨粒，在反应烧结碳化硅（Reaction bonded silicon carbide，RB-SiC）上进行超声振动辅助的划擦试验，研究超声辅助磨削的材料去除行为。对比分析了划擦过程中不同超声振幅下的法向划擦力和切向划擦力的变化规律，通过对划痕宽度、划痕深度和划痕截面积的统计分析研究了不同振幅下划痕的三维形貌特征。在综合分析划擦力、划痕微观形貌和金刚石压头磨损的基础上，讨论了超声振动对硬脆材料加工的去除行为的影响。相比于常规的划擦试验，引入超声振动作用后，划擦力显著下降，而划擦导致的材料去除体积显著增加。超声振动划擦中金刚石压头对工件表面独特的高频冲击作用及断续的能量输入方式被认为是导致上述现象的根本原因。

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数字化设计与制造

纵扭超声换能器设计及其性能测试研究

袁松梅, 唐志祥, 吴奇, 宋衡

机械工程学报. 2019, 55(1): 139-148. https://doi.org/10.3901/JME.2019.01.139

摘要 (410) PDF全文 (1575)

可视化

纵扭超声振动加工在碳纤维复合材料等硬脆性材料上的应用越来越得到重视，针对现有纵扭超声换能器存在扭振分量较小或纵扭节面不重合等问题，设计一种新型的纵扭超声换能器。通过理论解析法设计了一种指数型变截面杆纵振超声换能器，然后在指数型变截面杆上设计螺旋槽，将一部分纵向振动转换为扭转振动；利用有限元软件分析螺旋槽结构参数对纵、扭谐振效果的影响规律，优选出最佳的螺旋槽参数；在此基础上对换能器进行模态分析和瞬态分析，结果表明换能器能够实现纵扭超声振动，且谐振频率与设计值误差较小，振幅值满足一般加工要求；最后对设计好的换能器实物进行阻抗分析和振幅测试，结果表明谐振频率与仿真值相差较小，纵振振幅9.4 μm，扭振振幅5.3 μm，能够适用于大部分的超声加工，也验证了设计方法的正确性。

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机械科学

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

中国机械工程. 2016, 27(08): 1053-1058.

摘要 (230) PDF全文 (1489)

可视化

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。

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机器人及机构学

智能喷涂机器人关键技术研究现状及进展

刘亚军, 訾斌, 王正雨, 游玮, 郑磊

机械工程学报. 2022, 58(7): 53-74. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.053

摘要 (257) PDF全文 (1455)

可视化

喷涂作为现代产品制造工艺中的一个重要环节，不仅起到美观、防护以及其他特殊作用，也日益成为产品价值的重要组成部分，在家具、航空航天、军工等领域中占据着重要地位。智能喷涂机器人是由计算机、传感、视觉、智能控制等多学科技术交叉综合而构成的复杂机电系统。智能喷涂机器人作为智能喷涂技术的核心，其发展与新材料、新设计和新方法的应用密不可分。针对智能喷涂机器人关键技术研究的共性问题，从喷涂机器人机构设计、喷涂系统动态性能监控、喷涂轨迹自动规划、喷涂质量检测方面综述了当前取得的研究成果；而后针对喷涂系统智能化进程中在机器人机构设计和柔性喷涂系统集成研究面临的挑战进行了分析和讨论；最后，对智能喷涂机器人关键技术研究方面未来的发展方向进行了展望和总结，为喷涂机器人发展方向与关键技术性能提升提供参考，推动喷涂技术全面进入智能化。

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特邀专栏：柔性机构及机器人

负泊松比超材料研究进展

于靖军, 谢岩, 裴旭

机械工程学报. 2018, 54(13): 1-14. https://doi.org/10.3901/JME.2018.13.001

摘要 (1420) PDF全文 (1439)

可视化

超材料自21世纪初诞生以来，历经近20年的发展已逐渐发展成为新材料技术的一个重要学科。近年来，功能迥异的超材料在各个领域层出不穷，综述了声、光、热、力、电磁学超材料的发展历史概况。针对机械超材料中的负泊松比超材料，从负泊松比结构的变形机理角度，着重详述了内凹多边形结构、旋转刚体结构、手性结构等物理模型。对基于负泊松比胞元结构的热学和声学超材料，从功能原理到基本特性进行了系统性的调研，综述分析了其研究现状，并对负泊松比超材料未来面临的挑战与发展趋势进行了展望。

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功能设计专栏

基于TRIZ及功能类比的产品概念设计创新^*

刘晓敏, 黄水平, 王建辉, 林贵杰

机械工程学报. 2016, 52(23): 34-42. https://doi.org/10.3901/JME.2016.23.034

摘要 (510) PDF全文 (1434)

可视化

介绍了类比源设计与功能类比作用原理，从两者作用原理及发明问题求解理论(Theory of inventive problem solving，TRIZ)的相关性描述得到启发，提出基于TRIZ的类比源设计求解过程模型。首先，借助于所建立的产品功能结构模型，找出用户需求与产品各功能之间的关联性。其次，将用户需求权重值赋予相关的产品各分功能，从而得到产品功能相似度矩阵，再利用Matlab工具对该矩阵进行标准化，这有利于类比源设计与待设计问题之间相关性的定量化表示。最后，构建出一种基于TRIZ及功能类比的概念设计过程模型。以紫外光油烟净化机为例，对其功能类比源设计的功能相似度进行分析，并利用有效价值分析法对所获得的功能原理解方案进行评价，验证了所构建模型的正确性。

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试验与研究

基于SolidWorks的异形瓶转瓶螺杆设计

胡祯, 杨志军, 毕辉

机床与液压. 2021, 49(15): 97-100.

摘要 (219) PDF全文 (1371)

可视化

分件供送螺杆装置可完成规则或不规则的成批量包装容器的增距、减距、分流、合流、升降、起伏、转向、翻身等动作。基于SolidWorks软件,利用范成法原理完成复杂瓶形的转向螺杆设计。将操作过程模板化,直接修改对应的模型即可完成新瓶形的螺杆设计。通过对比分析转动加速度曲线,提供了一种合适的转动曲线。同时,对建模误差和输送平稳性进行了分析。

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专题报道(电子陶瓷)

压电传感器测量原理及其敏感元件材料的研究进展

赵程, 蒋春燕, 张学伍, 史秀梅

机械工程材料. 2020, 44(6): 93-98. https://doi.org/10.11973/jxgccl202006020

摘要 (260) PDF全文 (1354)

可视化

随着社会智能化的不断发展，压电传感器的应用越来越广泛。介绍了压电传感器的种类、结构、测量原理及其应用场景，综述了敏感元件材料的研究进展，总结了高温压电材料和无铅压电材料的应用情况。最后对压电传感器未来发展方向进行了展望。

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机构学及机器人

2自由度绳索牵引并联机器人的高速点到点轨迹规划方法

张文佳,尚伟伟

机械工程学报. 2016, 52(3): 1-8. https://doi.org/10.3901/JME.2016.03.001

摘要 (3312) PDF全文 (1290)

可视化

合理的轨迹规划方法可以提高机器人运动控制的平稳性、快速性和工作效率。当前绳索牵引并联机器人的轨迹规划方法主要采用多项式函数和三角函数满足平稳性要求，但规划算法复杂、快速性较差。针对一种2自由度绳索牵引并联机器人，根据动力学模型推导绳索拉力的单向性约束条件，提出一种新的点到点轨迹规划方法——S型-梯形组合规划方法。考虑到具体的点到点轨迹包含若干个需要依次到达的目标点，构成起始段、中间段和终止段三种不同的运动段，故采用S型-梯形组合规划方法分别设计这三种运动段的速度曲线，使得机器人在起始点和终止点的加速度为零，而中间若干点的加速度不为零，实现动态轨迹规划。仿真试验表明所提出的规划方法不仅可以满足绳索拉力的单向性约束条件，且加速度为简单的一次曲线，可以实现高速的点到点运动。

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