2010年, 第46卷, 第15期　
刊出日期：2010-08-05

  

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  新型3自由度并联机构运动性能及精度分析

  黄鹏;王立平;关立文;姚蕊

  . 2010, 46(15): 1-7.

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  混联机构结合了串、并联机构的优点，已经越来越多地应用在复杂自由曲面零件的加工装备中。提出一种能够实现一个移动和两个转动的3自由度并联3-PSP机构，同时该机构存在伴生运动。通过对3-PSP机构运动模式的分析，简化传统的欧拉角描述方式，采用更适合的倾斜—扭转角描述动平台的运动。在此基础上，建立运动学模型，进行包括伴生运动和被动关节变量的完整运动学求解。基于运动学分析，对3-PSP机构的关节行程、速度特性和精度特性进行分析，证明该机构完全适用于混联结构中的并联模块，并能够满足航空、航天、汽车等领域复杂零件的加工需要。
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  面向可避障域的移动操作机运动规划解析方法

  黄博;赵建文;姚玉峰;孙立宁

  . 2010, 46(15): 8-16.

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  针对传统避障运动规划方法求解时间较长且不能保证避障充分性的不足，从移动平台与串联手臂联合避障的角度出发，通过整体自运动分析和障碍分类来求解可避障区域，进而得到一种移动操作机避障运动规划的新方法。对环境模型、障碍物、操作机关节轴线分布的几何特征进行分析，在此基础上结合8自由度轮式移动操作机自运动的特点，建立典型操作环境下障碍物的可回避性判据，利用此判据求解移动平台的可避障区域，进而面向可避障区域完成移动操作机的运动规划。该方法将空间避障对应的三维搜索问题转化为平面解析问题与一维搜索问题的叠加，虽然还不是一种纯解析方法，但较传统的数值优化方法大大减少了计算量，且保证了避障的充分性。试验结果验证了方法的可行性。
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  仿生攀爬机器人的步态分析

  江励;管贻生;蔡传武;朱海飞;周雪峰;张宪民

  . 2010, 46(15): 17-22.

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  面向农业、林业和建筑等领域的高空作业，提出一种具有攀爬和操作功能的双手爪式模块化仿生机器人，以期代替人们在高空复杂环境中从事危险工作。给出机器人的一种5自由度构型，分析其在空间两杆之间攀爬过渡的能力，然后根据其构型特征提出、分析和比较三种攀爬步态。在ADAMS仿真环境下，对机器人采用这三种步态攀爬各种方位的杆件时主要关节所需的力矩和机器人所消耗的能量进行计算和对比。仿真结果为机器人的攀爬步态规划提供了依据。
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  新型船舶壁面除锈爬壁机器人动力学建模与分析

  衣正尧;弓永军;王祖温;王兴如

  . 2010, 46(15): 23-30.

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  设计一种履带式永磁真空混合吸附的船舶壁面除锈爬壁机器人，该机器人具有负载大、本体重特点，且机器人负载质量以及重心位置随爬壁高度变化。根据机器人爬壁运动原理，建立机器人沿船舶壁面上爬和转弯的动力学模型，运用模糊优化理论对模型进行优化和仿真分析，规划机器人的安全工作范围，分析机器人在典型爬壁高度下的驱动上爬能力，讨论在理论转矩、最大转矩和额定转矩下的机器人上爬的高度与角度关系，研制试验样机进行爬壁转弯试验、定负载上爬试验和变负载上爬试验。仿真和试验结果表明，机器人动力学优化模型可靠，运动性能受永磁吸附力、真空力、射流反击力等影响很小，而受本体重力、爬壁高度和壁面倾角影响较大，所规划的机器人安全工作范围合理。
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  [PP]S类并联机构无伴随运动的结构条件

  李秦川;陈志;陈巧红;武传宇;黄真

  . 2010, 46(15): 31-35.

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  [PP]S类并联机构包括3-PRS、3-RPS、3-RRS和3-PPS四种构型，可实现1移动自由度和2转动自由度，具有广泛的应用前景。伴随运动是[PP]S类并联机构动平台在非独立自由度上发生的运动，是影响[PP]S类并联机构实际应用的关键问题。建立一般3-PRS并联机构伴随运动运动学模型，揭示出一般3-PRS并联机构各项几何结构参数与伴随运动的内在联系，证明3-PRS并联机构无伴随运动所必须满足的结构充要条件，根据这一结构条件可构建无伴随运动的3-PRS并联机构。指出无伴随运动的3-PRS并联机构中存在的局部自由度，给出考虑这一局部自由度的驱动选取方案，对无伴随运动的3-PRS并联机构进行自由度分析，并确定该类机构的2转动自由度的连续转轴。这一结构充要条件适用于全部[PP]S类并联机构。
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  摩擦接触约束下的微小管道机器人管内运动稳定性分析

  徐从启;解旭辉;戴一帆

  . 2010, 46(15): 36-44.

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  针对管径为15～20 mm的细小管道，提出一种新型蠕动式微小管道机器人设计方案，虚拟样机仿真发现机器人管内运动存在不稳定情况。为进一步指导设计、优化系统结构，建立该机器人受摩擦接触约束条件下管内运动的动力学模型，利用线性互补理论对其进行降阶处理，讨论其解的存在性和唯一性问题，利用Kelvin接触模型和奇异摄动理论揭示受限机器人降阶模型接触力稳定性的附加条件，利用该模型对机器人在直管运动的稳定性情况进行仿真，根据仿真结果对机器人结构提出改进方案。通过虚拟样机仿真和试验验证理论分析的正确性及结构改进的合理性。
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  动力响应约束下的结构拓扑优化设计

  张桥;张卫红;朱继宏

  . 2010, 46(15): 45-51.

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  以动力响应为性能设计指标的结构拓扑优化设计技术在航空航天和汽车工业等领域具有重要的应用价值。研究白噪声激励力作用下以结构减重为设计目标、指定位置的均方响应为约束的拓扑优化设计问题。为了消除动力学设计中易出现的局部模态现象，通过在伪密度方法中引入有理近似材料属性模型，建立设计变量和材料属性以及设计函数之间的关系。优化过程采用频域分析方法求解系统均方响应。推导均方响应的灵敏度求解表达式，并利用单元的各阶应变能和动能公式简化系统圆频率和振型的灵敏度求解格式。采用凸线性近似对偶优化算法求解优化模型。列举的3个典型拓扑优化算例验证了所提出的方法的可行性、相对优势以及解决复杂问题的可靠性。
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  基于高斯混合模型的转子碰摩声发射识别方法

  邓艾东;包永强;赵力

  . 2010, 46(15): 52-58.

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  基于模态声发射和窄带信号理论，给出描述多模态特征的声发射信号(Acoustic emission，AE)的表达式，提出基于倒谱系数和分形维相结合作为特征参数的高斯混合模型(Gaussian mixture model，GMM)的碰摩声发射识别方法。该识别模型对碰摩声发射信号中不同模态波的特征矢量所具有的概率密度函数进行建模，将这些特征矢量进行聚类，每一类均作为一个多维高斯分布函数，以每一类的均值、协方差矩阵和出现的概率作为每种模态波的训练模板，识别时将待测碰摩声发射信号的特征矢量代入每个模板，采用最大比合并的方法对高斯模型似然概率进行加权得到总似然概率，当该值大于设定的门限，即可判定存在碰摩声发射。在转子试验台上获得碰摩AE信号，根据AE信号在传播过程中的波型并结合其分形曲线进行分类，由此确定GMM的模型输入类型；然后对所有测试数据叠加不同信噪比的高斯白噪声和非平稳噪声，再利用上述模型进行识别。试验结果表明，该模型具有较高的识别率，并具有较好的抗噪声能力。
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  基于多尺度线调频基稀疏信号分解的广义解调方法及其在齿轮故障诊断中的应用

  皮维;于德介;彭富强

  . 2010, 46(15): 59-64.

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  在基于多尺度线调频基稀疏信号分解的基础上，提出一种基于多尺度线调频基稀疏信号分解的广义解调方法，并将其应用于非平稳转速状态下的齿轮故障诊断。广义解调可以将时频分布呈曲线变化的多分量非平稳信号转化为时频分布平行于时间轴的平稳信号，因此非平稳信号经广义解调后满足傅里叶分析对平稳性的要求,而如何获取多分量信号的广义解调相位函数是广义解调方法的关键和难点。对信号进行基于多尺度线调频基的稀疏信号分解，得到分量信号的相位函数，再对分量信号进行广义解调和频谱分析得到齿轮故障特征频率。该方法非常适合于分析转速波动齿轮的多分量调幅—调频振动信号，仿真算例和应用实例说明了方法对变速齿轮箱故障诊断的有效性。
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  微型土壤动力学试验土槽装置的研制

  李艳洁;徐泳;赵东

  . 2010, 46(15): 65-70.

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  土壤动力学试验是研究机器－土壤相互作用特性的基本试验。为了研究土壤在外界机械作用下的破碎和土块的运动规律，研制一套微型土槽试验装置。该装置利用可编程控制器(Programmable logic controller, PLC)发送脉冲指令到步进电动机驱动器，驱动与之相连的步进电动机正反转，再带动与丝杠螺母相连接的切土零件前进后退，实现往复直线运动。基于电阻应变计法和压力传感器的原理，同时采用称重传感器和人工电桥贴片两套完全独立的方案动态实时采集切土零件水平前进的土壤正面阻力和侧向土壤阻力等受力数据。为了验证该微型土槽装置的精确性和稳定性，还使用推土机铲板、三面楔和铧式犁三种切土零件模型进行土壤动力学切土试验。试验的研究结果显示，两套数据比较吻合。
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  几种不同触土曲面耕作部件的力学性能仿真研究

  郭志军;周德义;周志立

  . 2010, 46(15): 71-75.

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  优化耕作部件触土曲面形状，降低工作阻力，提高工作效率，始终是人们关注的问题。引入纵深比的概念，采用有限元法分析直线、抛物线、摆线、圆弧、仿生曲线(包含小家鼠、田鼠、蝼蛄、公鸡等爪趾触土面轮廓线)等分别作为触土曲面准线时，各种不同触土曲面耕作部件耕作力学性能的优劣。研究结果表明，耕作部件触土曲面准线和纵深比是影响工作阻力的两个重要因素。在小纵深比(0
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  进化小波消噪方法及其在滚动轴承故障诊断中的应用

  张弦;王宏力

  . 2010, 46(15): 76-81.

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  阈值是小波阈值消噪方法中决定消噪结果的关键因素，传统阈值估计方法存在抑制噪声污染与保留信号细节间的矛盾，难以实现对滚动轴承故障信号的有效消噪。为准确估计阈值以改善小波阈值消噪方法的消噪性能，提出一种基于小波变换的进化阈值消噪方法。该方法以小波变换作为含噪信号分解与重构工具，构造含噪信号在各小波分解尺度上硬阈值收缩均方误差的近似函数，利用粒子群优化进化搜索与其最小值对应的最优阈值，以近似实现均方误差最小意义下的最优消噪。模拟信号消噪分析与滚动轴承故障信号消噪实例表明，该方法可有效消除噪声对信号的干扰，并准确提取淹没在噪声背景中的故障特征，消噪性能在信噪比与均方误差意义下优于传统小波阈值消噪方法。
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  摩擦学问题研究的非线性理论方法

  朱华;陆斌斌;历建全;姬翠翠

  . 2010, 46(15): 82-88.

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  In terms of the non-linear dynamic characteristics of a tribological system, the research method of nonlinear theory should be used. In order to fully realize the nonlinear science theory of tribological research and make a quantitative study of complex tribological problems, the latest development of applications of the fractal geometry, chaos theory and wavelet theory in surface characterization, surface contact, wear particles identification, wear prediction, friction signal analysis and the dynamic description of wear process is introduced, and the application results are summarized. It is found that the fractal, chaos and wavelet theories are powerful tools for solving complicated tribological problems as well as effective methods of revealing the law of friction and wear and promoting the quantitative research of tribological problems.
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  轴承钢顺次磨削表面残余应力离散度试验研究

  张雪萍;王和平;卢光辉;高二威

  . 2010, 46(15): 89-94.

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  以轴承钢顺次磨削表面的残余应力离散度为研究对象，基于X射线衍射法顺次测试了轴承套圈淬硬热处理、粗磨、精磨和超精磨削后，轴承滚道表面环向和轴向残余应力。测试结果表明，淬硬热处理工件的残余应力标准差约为超精工序的3倍；淬硬热处理轴承套圈经超精磨削工序，其表面的环向和轴向残余应力离散度降至20 MPa。研究表明淬硬轴承钢热处理及同一道磨削工序工件表面残余应力存在较大离散性，“粗磨－精磨－超精”顺次磨削工艺叠加后，工件表面残余应力离散度呈现收敛性；淬硬热处理轴承套圈经过顺次磨削工序叠加加工后，表面残余压应力平均值获得大幅提高。这为进一步系统揭示磨削工艺对淬硬轴承钢套圈表面残余应力及其离散度影响规律提供了科学数据。
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  计及轴受载变形的粗糙表面轴承热弹性流体动力润滑分析

  邓玫;孙军;符永红;桂长林

  . 2010, 46(15): 95-101.

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  同时计及表面形貌、热效应和轴承表面(热和弹性)变形等，对轴受到载荷作用产生变形，导致轴颈在轴承中倾斜时滑动轴承的热弹性流体动力润滑性能进行研究，主要分析讨论表面热变形等对粗糙表面倾斜轴颈轴承热弹性流体动力润滑性能的影响。计算中，采用基于平均流量模型的广义Reynolds方程进行轴承的润滑分析，采用变形矩阵方法计算轴承表面(热和弹性)变形，采用能量方程和热传导方程计算润滑油和轴承的温度分布。结果表明，计及表面热变形时，半径间隙对轴承最大油膜压力、最小油膜厚度、油膜压力和油膜厚度的分布有较大影响；轴承载荷越大，表面热变形对轴承性能的影响越显著；表面热变形对轴承性能的影响程度与转速高低有直接关系，转速越高，表面热变形的影响越大；相比于表面弹性变形，表面热变形对轴承性能的影响较大；表面形貌是否影响轴承性能以及影响程度与轴承表面变形情况有较大关系，仅考虑热变形时，表面形貌有一定影响，同时考虑热变形和弹性变形时，表面形貌的影响非常小。
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  基于质量守恒边界条件的应力偶流体润滑动载轴承特性

  张俊岩;王晓力

  . 2010, 46(15): 102-106.

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  基于应力偶流体理论和改进的Elrod空穴算法对动载轴承的润滑性能进行数值摸拟。求解质量守恒边界条件的动载Reynolds方程，结果表明：与Reynolds边界条件下的结果相比,采用质量守恒边界条件得到的平均进油流量与平均端泄流量更加接近，更符合实际情况。数值求解基于质量守恒边界条件下，应力偶流体润滑的动载Reynolds方程，比较牛顿流体和应力偶流体对轴承的最大油膜压力、最小油膜厚度和端泄流量的不同影响。结果表明：应力偶流体使得动载轴承的最大油膜压力减小，最小油膜厚度明显增大，端泄流量减小，提高了动载轴承的承载能力。
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  FBS模型中行为与结构创新的商空间表达与实现

  王玉新;张旭光;毛晓辉

  . 2010, 46(15): 107-116.

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  提出一种能够支持专利技术再创新的方法，对于提升我国机电产品的快速创新开发能力具有重要的现实意义。考虑基本结构的多功能属性，用粒度更细的基本操作表达功能—行为—结构(Function-behavior-structure, FBS)模型的功能元和基本结构的行为，以商空间理论作为数学工具，建立创新增强型FBS功能分解与结构匹配的商空间模型。功能层的保序划分或分层递阶划分实现了行为层创新；基于等价关系的结构层划分实现了结构层创新。实例表明，通过结构层和功能层的创新、匹配，能够用较少的简单基本结构的组合匹配原设计问题的总功能。因此，该方法可以有效地支持专利技术的再创新设计。
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  基于灵敏度分析的产品族规划方法

  李柏姝;雒兴刚;唐加福

  . 2010, 46(15): 117-124.

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  产品族规划需要建立一个基于设计域的全局概念和逻辑体系。通过探索表征产品设计域的客户需求、功能属性、结构设计参数以及过程参数之间所固有的灵敏度关系，得到确定产品平台特征和产品族规划的依据，并通过规划家用轿车这一具有复杂的功能结构对应关系的产品实例，验证了该方法的有效性及所具有的实用价值。提出的产品族规划方法整合了企业产品生产过程各环节的数据，为企业市场人员、设计者、产品工程师、决策者等不同的参与者在产品族设计过程中搭建了一个能进行良好沟通的平台，是一个符合企业实际需要的系统化方法。
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  G1连续三角Bézier曲面模型快速生成算法

  孙殿柱;李心成;李延瑞;田中朝

  . 2010, 46(15): 125-129.

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  提出一种由三角网格曲面构造 G1连续三角Bézier曲面算法，该算法基于三角网格曲面动态空间索引结构获取网格顶点的局部型面参考数据，根据三角平面片局部型面参考数据构造三次三角Bézier曲面片，将三次三角Bézier曲面片升阶到五次，解决了五次三角Bézier曲面片G1拼接时的约束几何条件冲突问题，生成了整体G1连续的三角Bézier曲面，实例证明算法数据适应性强，可快速准确生成G1连续的三角Bézier曲面。
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  基于模糊粗糙集的并行装配序列规划方法

  胡小梅;朱文华;俞涛

  . 2010, 46(15): 130-135.

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  复杂产品的并行装配受到各种因素的制约，增加了并行装配序列规划的难度。提出了基于模糊粗糙集的并行装配序列规划方法。定义了并行度作为整个装配体的全局并行装配约束参数，给出了零件装配指标表来描述装配体中各零件的装配特征参数、结构特征参数和约束特征参数。根据这些参数，将待安装零件作为知识论域，提出了适切隶属度函数作为评价指标的不可辨识关系，在基于知识论域和不可辨识关系表示的知识库中采用模糊粗糙集模型，生成装配并行序列。机用台虎钳和等离子体增强化学气相沉积装配实例验证结果表明了该方法的有效性。
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  低温氦透平膨胀机静压气体径向轴承的改进设计

  王学敏;张启勇;庄明;白红宇;付豹;邱立龙

  . 2010, 46(15): 142-145.

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  针对超导托卡马克(Experimental advanced superconducting Tokamak, EAST)氦制冷机中的低温氦透平膨胀机运行不稳定性问题，从雷诺方程出发，推导出可以一次性计算得到静压气体轴承4个性能参数的计算程序：承载能力、刚度系数、气体消耗量和摩擦功耗。做出承载能力和气体消耗量随小孔直径和随半径间隙的变化曲线。在现有条件下提出改进氦透平膨胀机的设计方法，试验结果表明，此方法能有效改善氦透平膨胀机的稳定性，该研究成果是下一步整体改进EAST低温氦透平膨胀机重要理论的前提。
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  基于可拓实例推理的产品族配置设计方法

  赵燕伟;苏楠;张峰;陈建

  . 2010, 46(15): 146-154.

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  围绕产品族配置设计中实例检索过程的准确性问题，提出一种基于可拓距的实例检索方法。分析现有的相似度计算公式的不足，通过对距计算公式的改进，针对检索特征值不同的情况，将局部相似度分为点到点、点到区间和区间到区间3种类型，提出不同的区间值相似度计算方法，建立满足客户定制设计要求的点与区间的相似度模型。给出相似度标准差的动态赋权方法，并与客户的需求偏好进行权重组合进而计算总体相似度。将可拓距相似度计算方法应用于油锯实例配置设计，并在基于VC++6.0/Solidworks的可拓实例检索与配置系统中进行验证，表明该方法具有处理实例检索中确定及其不确定性信息的能力，验证了该方法的可行性与有效性。
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  基于高速数控前瞻控制技术的误差补偿算法

  任锟;陈文华;潘骏;陈换过;林思达

  . 2010, 46(15): 155-160.

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  为减少高速数控切削加工时大误差量补偿产生的有害机械振动，提出基于前瞻控制技术的误差补偿新方法。该方法的实现基于以下步骤：针对误差补偿器对中断服务程序单元位置控制的影响，建立具有前瞻控制功能的控制系统硬件框架与相应软件结构，将误差补偿器从中断服务程序单元位置控制环节去除；为获得误差补偿所需要的速度值，阐述前瞻控制速度规划算法的具体实现；根据误差数据段与插补数据段的位置关系，将误差数据进行分类；根据分类，结合前瞻控制算法所确定的速度规划曲线，误差数据在加工时通过指令解析器与插补数据在一个或多个插补周期内线性融合，从而实现误差的补偿。
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  超精密加工领域科学技术发展研究

  袁巨龙;张飞虎;戴一帆;康仁科;杨辉;吕冰海

  . 2010, 46(15): 161-177.

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  超精密加工是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。随着对产品质量和多样化的要求日益提高，对超精密加工提出更多、更高的要求。超精密加工技术已成为包含当代最新科技成果的一个复杂系统工程。介绍各种超精密加工技术的内涵、应用范围、国内外研究现状、发展过程与趋势以及未来应研究开发的重要科学技术问题。从加工精度、加工质量和加工效率角度对先进的具有代表性的超精密加工机床、超精密切削、超精密磨削和超精密抛光技术进行重点评述和比较。分析我国在超精密加工领域中存在的主要问题以及与国外先进技术的差距，对超精密加工的技术发展趋势进行预测，提出我国本领域基础研究、技术及产业发展策略与对策。
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  结构化表面软性磨粒流精密光整加工方法及其磨粒流动力学数值分析

  计时鸣;唐波;谭大鹏;宫斌;袁巧玲;潘艳

  . 2010, 46(15): 178-184.

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  提出一种基于软性磨粒流的模具结构化表面无工具精密光整加工新方法，通过在被加工的结构化表面附近配置约束模块，使结构化表面成为一条截面几何形状可设计的约束流道的内壁面，利用液固两相软性磨粒流在约束流道内的湍流壁面效应实现对约束流道内壁面的微力微量切削，从而克服光整加工工具难以接触结构化表面的困难，完成对结构化表面的无工具化精密光整加工。基于液固两相流体耦合理论，建立面向结构化表面精密加工的约束流道内液固两相磨粒流动力学模型，利用标准k-ε湍流模型和离散相模型相结合的求解方法，以环形截面约束流道为研究对象，选择不同的约束模块配合参数，对流道内压力/速度分布及湍流动能进行数值分析研究，通过该数值分析方法，可以观察约束流道进口压力、入口与出口截面尺寸的相对变化等工艺参数对湍流形态的影响，为研究软性磨粒流湍流形态调控的基本规律和磨粒流特性提供一种理论工具。
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  面向引线焊线工艺的参数预测模型与规律分析

  高健;刘长宏;陈新;郑德涛

  . 2010, 46(15): 185-190.

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  芯片封装的引线键合质量受键合温度、功率、压力、速度、时间等多参数的影响，各参数间相互耦合，存在着非线性关系，难以用准确的数学模型来表达其间的关系，影响芯片键合质量的提高。应用方差分析法开展正交试验的数据分析，得出各工艺参数对键合质量关键评价指标(剪切力和压扁球直径)的影响程度，确定描述工艺模型的6个关键参数。提出基于自适应神经模糊推理系统的焊线工艺预测模型的构建方法，并通过焊线机上的多组试验数据进行模型训练。将所建模型的预测结果与实际数据相比较，结果显示剪切力和压扁球直径预测模型所产生的平均误差分别为3.16%和1.24%。基于所建预测模型，确定关键工艺参数对键合质量的影响规律，为进一步实现焊线工艺过程的最优参数组合提供支持。
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  热弹性效应分析与机床进给系统热动态特性建模

  夏军勇;胡友民;吴波;史铁林

  . 2010, 46(15): 191-198.

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  通过一维杆的一维传热的分组显式数值求解，分析热弹性效应的存在及规律，得出随着时间的增长，温升—热变形之间的关系会逐渐趋近稳态，但不可能获得绝对的稳态；在传热过程中，随着距离增加，温度衰减很快，离热源越远的点的热弹性效环应越窄。提出用非线性时序模型与前向神经网络相结合的模型(Nonlinear auto-regressive moving average neural network with exogenous inputs，NARMAX-NN)来辨识热弹性效应。用NARMAX-NN模型对高速进给系统试验台的热动态特性进行建模，获得良好的效果。此方法比多变量回归模型、反馈神经网络模型及广义最小二乘输出误差模型有更好的精度和鲁棒性，能精确地对复杂结构、多热源的时变非线性热误差特性进行建模和预测。