2010年, 第46卷, 第23期 
刊出日期:2010-12-05
  

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    论文
  • 陈维山;夏丹;刘军考;石胜君
    . 2010, 46(23): 1-7.
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    采用计算流体力学方法对自主游动的仿鱼机器人进行数值模拟,给定相同的物理模型,将鱼体分别按照鲹科模式和鲔科模式运动学进行游动,提取两种模式的力能学和流场结构信息。通过比较二者的收敛速度、推进力和侧向力、功率消耗和推进效率、流场结构的差异,归纳出提高仿鱼机器人游动性能的影响因素。结果表明,鲹科模式中的“波动鱼尾”和鲔科模式中的“摆动鱼尾”在自主游动中起到了极为可观的作用;鲹科模式具有良好的综合游动性能,只有在合理的参数范围内,鲔科模式的游动性能才会较鲹科更为占优;对于鲔科模式而言,欲获得理想的收敛速度和推进效率,应优先选择合理的最大击水角度,再依据快速和高效的不同目标适当调整相位差。研究结果对于理解鲹科和鲔科仿鱼机器人的自主游动机理、开发新型仿鱼机器人具有重要意义。
  • 谢碧云;赵京
    . 2010, 46(23): 8-15.
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    现有灵活性指标——方向可操作度在规划过程中往往会出现条件数较大的情况,不利于控制。针对这一问题,提出基于条件数约束的方向可操作度这一新指标,分析该指标的偏导随条件数增大的变化情况。当条件数较小时,指标主要受方向可操作度的影响;条件数不断增大时,方向可操作度对指标的影响逐渐削弱,条件数对指标的影响不断增大。通过优化侧重点的改变,该指标能使优化结果的条件数小于任务要求的最大条件数的同时最大限度地保留方向可操作度。平面3R、BUAA-RR机器人的数值仿真和平面3R机器人的试验研究证明新指标的优越性。此外,将该指标应用于冗余度机器人的容错操作这一特殊领域,它可以使机器人在运动中任何时刻重构的新机械臂在任务方向上具有较高的操作能力,并且能够保证条件数较小,避免奇异情况的发生。
  • 王宗义;李艳东;朱玲
    . 2010, 46(23): 16-22.
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    针对非完整移动机器人轨迹跟踪控制问题,提出一种基于Backstepping运动学控制器与双自适应神经滑模鲁棒动力学控制的混合鲁棒控制算法。利用两个带自适应调节算法的径向基神经网络(Radial basis function neural network, RBFNN)分别计算滑模的等效控制部分和调节滑模控制的增益,不但解决了移动机器人的参数与非参数不确定性问题,同时也消除了在滑模控制中的输入抖振现象。设计过程采用Lyapunov方法,保证了控制系统的稳定与收敛。仿真结果表明了该方法的有效性,且在多种不确定性存在的情况下,该方法能较好地消除非完整机器人的跟踪误差。
  • 高延峰;张华;肖建华
    . 2010, 46(23): 23-29.
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    研究以旋转电弧作为传感器、采用轮式移动机器人对弯曲角焊缝进行跟踪焊接的控制方法。设计预测模糊控制器控制小车转弯,并在转弯过程中使车轮与横向滑块协调动作,实现对弯曲角焊缝的平滑跟踪。该控制器采用焊枪偏差和倾角信息获得车体运动方向和焊缝走向之间的角度偏差,采用线性化模型预测焊枪下一点的位置,采用加权最小二乘方法预测焊缝下一点位置,采用模糊理论实现小车转弯时车轮和横向滑块的协调控制。利用试验对常规模糊控制器和所提出的预测模糊控制器进行比较,发现所提出的控制方法具有更好的控制效果和跟踪精度。
  • 张彦斐;宫金良
    . 2010, 46(23): 30-35.
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    微机械执行技术是实现微定位操作的关键技术之一,在实现高分辨率的同时,必须满足平台的运动范围要求。基于此,介绍一种具有位移放大功能的多功能微驱动接口模块,研究实际位移放大倍数与输入臂和输出臂比值之间的非线性关系,以及影响多功能微驱动接口模块放大功能的主要因素。将多功能微驱动接口模块和多层折叠梁型移动副结构与2-PPr(P表示移动副,Pr表示平行四边形结构)型二平动并联结构微定位平台结合,提出一种新型二平动大行程微定位平台。分析柔性平行四边形结构中杆件的夹角、平台厚度等关键参数对微动平台位移放大倍数的影响原理,并给出具体的设计方法。采用驱动端点刚度与微定位平台整体刚度相结合的方法,确定压电陶瓷驱动器驱动量与微定位平台末端运动量之间的关系矩阵。结果表明,采用有限元法确定机构参数快速有效,为微动平台的分辨率、行程范围和控制系统设计提供了理论依据。
  • 车林仙;程志红;何兵
    . 2010, 46(23): 36-44.
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    给出1移动3转动(1T3R)对称4-DOF空间4-PRUR并联机构的几何模型,应用螺旋理论分析机构实现1T3R的原理,并讨论输入选取的合理性。根据杆长约束条件,建立机构位置分析的非线性方程组。为改进差分进化算法(Differential evolution, DE)的寻优效率,提出一种基于混沌迁移、最优个体加权处理和群体逃逸策略的自适应双种群差分进化算法(Adaptive differential evolution algorithm with double subpopulations, ADEDS)。将机构位置分析中非线性方程组的求解转化为无约束优化模型,并应用ADEDS求解该问题。数值实例表明,ADEDS能求出并联机构的多组高精度位置正解,并通过位置反解验证位置正解的正确性。
  • 文双全;吴铁军
    . 2010, 46(23): 45-52.
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    多指机械手抓取物体时,需要选取手指和物体的接触位置,最大限度地抑制外来扰动,实现稳定抓取。基于此,考虑n指抓取任意多边形的情况,将各方向上多指手可平衡的最大外力螺旋作为优化指标,提出一种满足力封闭条件的初始抓取位置规划算法。经过仔细分析原始力螺旋集合的特点和优化指标在力螺旋空间的几何意义和物理意义,构造线性规划算法来求取给定初始抓取位置下改进抓取性能的最优方向。从初始位置出发,提出一种不断向最优方向改进抓取性能,最后收敛到最优抓取位置的迭代算法。计算实例表明,初始抓取位置规划算法能获得性能较优的初始抓取位置,同时由于最优抓取位置迭代算法每步均在最优方向上作改进,因此算法迭代步数少,运行效率高,计算结果达到或接近全局最优指标。
  • 何卫东;李欣;李力行;闻邦椿
    . 2010, 46(23): 53-60.
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    双曲柄环板式针摆行星传动是一种高承载能力和高传动效率的新型传动装置。它有多种结构型式,从中选择两种主要结构型式,以提高承载能力为目标进行优化设计,研制出样机进行性能试验,它们都具有高的承载能力和高的传动效率。介绍这两种能传递更大功率且动态特性更优的主要结构型式和进一步提高其动态特性的研究成果。其中,以提高承载能力为目标进行优化设计的三齿轮联动双曲柄四环板针摆行星传动的样机,高转速满负荷工作时的噪声为92 dB;而振动的评级为好。经过以降低振动和噪声为目标的改进优化设计后,高转速满负荷工作时的噪声为85 dB,噪声降低了7 dB,其评级指标也上升为“好”;同时样机的振动性能又得到进一步的改善。
  • 谭继勇;陈雪峰;何正嘉
    . 2010, 46(23): 61-67.
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    针对冲击信号的检测问题,在分析峭度指标和互相关系数衡量冲击信号的优势与不足的基础上,构造加权峭度指标。该指标兼顾两者的优势,弥补它们各自的不足。将加权峭度指标与变尺度随机共振相结合,提出了一种冲击信号的自适应随机共振检测算法,该算法被用于仿真冲击信号与实际工程中的微弱冲击信号的检测,结果表明所提方法有效提高了信噪比,还避免了漏峰现象。同时,所提的优化指标与随机共振算法独立,对其他冲击信号自适应算法也有参考价值。
  • 胡海峰;胡茑庆;秦国军
    . 2010, 46(23): 68-76.
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    振动声调制(Vibro-acoustic modulation, VAM)是一种非线性无损检测方法,利用低频振动信号与高频超声波在结构损伤处产生调制现象来检测损伤。目前振动信号与超声波之间的耦合机理、损伤程度与调制强度的关联关系还不明确。以一块航空铝板为对象开展试验研究,通过对不同裂纹长度下的VAM信号进行AM-FM解调,从时频域分析振动信号与超声波是如何相互耦合的;研究激励参数和裂纹长度对VAM信号调制强度的影响。结果表明,当铝板中存在损伤时,振动信号与超声波之间既存在频率调制也存在幅值调制,调制波为振动信号的基波及各次谐波;VAM信号的调制强度受激励电压、铝板振动模态等因素的影响,与裂纹长度的关联关系并不是单调的,因此无法用于损伤程度的评估。根据非线性弹簧模型和影响VAM信号调幅特征的因素定义可用于损伤评估的相对指标,并进行验证。
  • 岳贵平;张义民
    . 2010, 46(23): 77-81.
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    发动机进气系统噪声是车辆最主要的噪声源之一,为了满足车辆舒适性越来越高的要求,控制和匹配进气系统的声学性能至关重要。依据三维几何模型建立进气系统的声学模型,其中四分之一波长管的声学模型为参数化模型。基于管道声学理论,研究发动机进气系统噪声仿真方法——无源法,并应用“无源法”,进行进气系统管口噪声的模拟仿真。以试验设计分析为基础,研究基于管口噪声的四分之一波长管灵敏度分析方法,并应用该方法,进行四分之一波长管的各个参数灵敏度分析。在不具备发动机仿真模型的情况下,仍然能进行进气系统管口噪声的模拟仿真,并通过灵敏度分析确定四分之一波长管的设计参数。基于管口噪声的四分之一波长管灵敏度分析方法具有很高的工程应用价值,并为进气系统四分之一波长管的参数化设计提供了理论依据。
  • 李巍华;刘雯
    . 2010, 46(23): 82-88.
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    针对机械故障诊断中缺乏大量故障样本进行训练的问题,提出基于图论和直推式支持矢量机(Graph theory and transductive support vector machine, GTSVM)的故障诊断方法。通过建立数据矩阵的完全图,定义一种基于密度敏感的距离描述图中各个节点即样本之间的相异性,有效地利用数据空间结构信息,并以Iris数据进行仿真分析。对齿轮箱在三种运行模式(正常、齿面轻微剥落、齿面严重剥落)下的振动信号进行分析,提取11个时域特征指标,用主元分析对11个特征进行选择,采用图论方法对选择后的特征数据进行处理,然后用梯度下降法训练直推式支持矢量机,实现故障检测和分类。将GTSVM法与支持矢量机法、直推式支持矢量机法进行对比,结果表明,GTSVM法的分类正确率最高。此外,经过主元方法进行特征选择后,故障检测性能也得到较大提高,表明该方法能应用于齿轮早期故障诊断。
  • 金鸿章;王帆
    . 2010, 46(23): 89-92.
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    原有的零航速减摇鳍水动力建模采用单一的解析方法,忽略了减摇鳍的厚度、物理形状等对水动力模型的影响,同时,旋涡作用力的分析也较为粗糙,不但导致所建立的模型中含有较多的待定参数,而且造成模型与真实情况存在较大差距。针对这一问题,采用数值与解析相结合的分析方法,对零航速减摇鳍动态水动力模型及原有的建模方法进行改进与完善,力求使改进后的模型更加准确、细致,且不失工程实用性。将理论计算值与FLUENT仿真数据进行比较,展示了改进模型及建模方法的优越性。
  • 汤勇;周明;韩志武;万珍平
    . 2010, 46(23): 93-105.
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    表面功能结构制造不同于传统的机械加工,是在工件表面加工制造出各种不同形貌、不同尺度、不同维数并具有不同功能的结构。表面功能结构涉及学科多,应用范围广,已成为传统高能耗产业节能降耗的有效途径;是高技术产业如微/光电子、国防、汽车、先进农业机械等进一步提高设备和产品性能的关键;也是促进新兴产业如新能源的发展,增强其自主创新能力的突破口。表面功能结构的研究已从局部工艺性的加工技术研究逐步发展到多学科交叉的整体性设计、制造科学问题及其关键技术的研究。表面功能结构种类繁多,根据尺度、维数和功能对表面功能结构进行分类;综述各类表面功能结构的特点、国内外研究现状以及应用;分析各研究领域存在的问题,并对表面功能结构制造的发展趋势进行预测。
  • 邓朝晖;刘战强;张晓红
    . 2010, 46(23): 106-120.
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    高速高效加工是近年来迅速发展起来的集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术,是机械加工技术的重要发展方向。在航空、航天、汽车、模具、高速机车等行业中应用已取得重大经济效益,对提高加工技术水平,推动机械制造技术的进步具有深远的意义。高速高效加工的研发主要包括加工机理、加工机床、刀具磨具和加工工艺等方面。给出高速切削磨削机理、刀具磨具、机床功能部件及整机设计等方面的新理论、新原理、新观点、新方法、新成果和新技术,介绍高速切削磨削技术在产业发展中的重大应用和重大成果。以汽车制造业为例指出高速加工技术的发展趋势,预测2015~2025年中型高速加工中心的技术指标,结合我国未来几年的战略需求和重点发展方向,提出高速加工技术发展路线,展望未来几年我国高速加工技术的发展重点。
  • 杨文玉;孟富明
    . 2010, 46(23): 121-127.
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    研究操作机的刚度与顺应性能,基于雅可比矩阵的各时变线性关系项对机构的运动学性能进行分析,构造关节速度与操作空间速度变换项的均方差模型,建立运动性能评价矩阵,其中对角项为各速度变换项相对其平均值的波动程度,反对角项为速度变换的耦合程度,具有明确的物理意义。通过构造操作刚度矩阵各项元素的均方差变换模型,建立关节刚度与操作刚度变换的线性耦合度评价指标。建立Matlab程序计算某型操作机的速度变化和刚度耦合关系的函数曲面,对操作机运动性能和各方向顺应性能进行评价。研究操作机运动学参数的优化模型,计算得到了运动学近似解耦的某型操作机关键几何尺寸和关节位置,基于运动性能指标和顺应性能指标对运动学参数进行评价,对优化机构参数和原操作机参数进行对照。所获得的操作机运动性能和顺应性优化结果为操作机本体结构参数设计提供了一种有效的性能优化和评价方法。
  • 李浩;张玉茹;王党校
    . 2010, 46(23): 128-134.
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    奇异是机构的常见特性。在并联机构的奇异点附近,动平台的力/力矩输出能力会明显降低。因此,判定工作空间内一点距离奇异的远近程度是并联机构设计的一个重要问题。针对这一问题,定义两种测度指标,分别用来度量位置奇异和姿态奇异的接近度,并用该指标定义拟奇异空间,该空间由所有接近奇异的点组成。当机构工作在拟奇异空间之外的任务空间,即可保证驱动关节力矩不超出驱动电动机的物理极限。最后以平面3-RRR机构为例,给出两种指标的计算方法和拟奇异空间以及任务空间的求解方法。
  • 张干清;龚宪生;王欢欢;邓小东;王本术
    . 2010, 46(23): 135-145.
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    将方差的概念引入灰色关联度,创造性地提出可靠灰色关联度,以此作为变异策略来驾驭基本粒子群算法,可以很好地避免算法过早陷入局部最优。对要求为整数的各变量,将其初始位置与每次飞行速度均取为整数,即可确保所求得的解为整数解。同时,为易于理解和便于操作,对算法机理与算法流程进行阐述,从而,为复杂非线性约束条件下求解多目标混合整数规划问题提供一套切实可行的便捷方法。在4个假设条件的基础上,建立盾构机行星减速器的轮系在满足配齿、变位系数、干涉、强度、等强度、等寿命等约束条件下其体积最小、效率最高、接触强度与抗弯强度可靠性最高的四目标函数的数学模型,再运用上述可靠灰色粒子群算法编写Matlab程序对所建数学模型进行求解。研究结果表明,该算法的泛化能力不但解决该减速器原第三级强度偏弱的问题,而且在保证高可靠性条件下,使体积减少11.55%,效率提高0.56%,传动比提高3.67%,各级强度与寿命基本相等。
  • 彭旭东;刘伟;白少先;孟祥铠;盛颂恩
    . 2010, 46(23): 146-153.
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    针对核主泵用流体静压型机械密封在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,通过建立收敛台阶端面流体静压型机械密封的稳态传热模型,并考虑流体粘度随压力、温度的变化,建立端面流体膜压力和密封环温度的控制方程,采用有限差分法求解各控制方程,采用有限元法求解密封环热、弹变形,对密封进行流、固、热耦合分析,研究热弹变形对密封性能的影响;同时改变操作参数,研究端面温度、热弹变形、端面流体膜平衡间隙等随之产生的变化规律。结果表明,端面的弹性变形大于热变形;热弹变形的综合影响使端面由外径向内径形成收敛间隙,导致开启力、泄漏率和液膜刚度增加;动环角速度越高,流体温升越大,端面热变形越明显,泄漏率越大;流体注入温度越低,温粘效应越显著;流体注入压力越高,热弹变形量越大,密封端面平衡间隙亦越大。
  • 郭夙昌;黄洪钟;许焕卫;万虎;谢旻
    . 2010, 46(23): 154-160.
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    网格技术是目前学术界和工业界解决计算密集型问题的一种重要工具。由于网格系统的复杂性,网格在可靠性方面仍面临着诸多问题。针对目前网格服务可靠性低的问题,引入本地失效恢复机制,并允许资源自行调节网格任务生存时间以及失效恢复次数,从而建立更加符合实际的网格服务可靠性模型。在建模中,采取网格任务冗余调度方式,以进一步提高网格服务可靠性。基于建立的考虑失效恢复机制的网格服务可靠性模型,建立费用约束下的资源冗余调度优化模型,以获得网格服务可靠性最大的任务调度策略。针对该NP问题,采用遗传算法对该优化问题进行求解,并在求解过程中设计专门的修正算子校正不可行个体,以保障算法的正常运行。算例分析验证了算法的有效性。
  • 王璐;杨洋;孙繁新;王哲;邓世靖
    . 2010, 46(23): 161-165.
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    根据角膜移植手术缝合的技术要求,设计一种应用于角膜移植手术的基于形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA) 的缝合钉。分析SMA的特性,并通过试验验证其与角膜生物组织的相容性。根据角膜的尺寸和参数对缝合钉的尺寸和形状进行设计,利用有限元软件ANSYS建立角膜和缝合钉相互作用的有限元模型,并对设计尺寸进行优化。为角膜移植手术提供一种新思路和新方法,很大程度上简化缝合过程,避免缝线打结和术后拆线的操作,对于发展新型医疗技术有重要意义。
  • 张立彬;史伟民;鲍官军;胥芳;占红武
    . 2010, 46(23): 166-173.
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    针对公理设计和通用设计理论存在约束严格、设计评价不合理等问题,提出将公理设计的独立公理和信息公理与通用设计理论QUINT设计模型相结合,并针对扩展后的通用设计过程模型提出融合耦合度、信息量、技术性指标、经济性指标和社会性指标的设计方案多指标综合评价方法。基于所提出的设计过程模型和评价方法进行机械式邮资机表头结构设计,得到综合最优设计方案并应用于生产实际,达到预期设计目标,证明基于公理设计的通用设计过程模型的有效性。
  • 朱利民;郑刚;丁汉
    . 2010, 46(23): 174-179.
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    三维曲面加工制造是通过刀具刃口的运动扫掠面逼近设计曲面来实现的。针对单行侧铣加工,定义用于评价设计曲面与加工曲面之间偏差的点—刀具包络面有向距离函数。基于刀具包络面的双参数球族包络表示,提出无须构造包络面而直接计算该有向距离的方法,并推导出其关于刀轴轨迹面形状控制参数的一阶梯度表达式,以定量刻画刀具路径的改变对加工曲面法向误差的影响。在此基础上构造基于导数信息的刀具包络面向设计曲面的离散点云的最佳一致逼近算法,并应用序列线性规划算法来求解该约束优化问题,实现圆锥刀五轴侧铣加工刀具路径的整体优化,应用于叶轮叶片加工的实例表明该方法能够显著提高加工精度。有关理论和方法同样也适用于一般回转刀具的侧铣加工规划。
  • 陈明君;李子昂;梁迎春;方针;余波;罗康俊
    . 2010, 46(23): 180-185.
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    针对深凹非球曲面器件及半球谐振子超精密磨削中使用的小直径金属基球头金刚石砂轮,提出一种基于电火花修整原理的精密修整方法。从理论上分析机械误差及修整参数对砂轮修整后面形精度的影响,基于理论分析结果研制金刚石球头砂轮电火花修整装置。通过正交试验研究修整参数对砂轮面形精度的影响规律,得到最优电火花修整参数。试验结果表明,修整后的砂轮面形精度优于0.8 μm,磨粒突出效果良好,可以满足半球谐振子及其他光学零件超精密磨削中砂轮修整需要。
  • 陈逢军;尹韶辉;范玉峰;朱勇建;刘庆
    . 2010, 46(23): 186-191.
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    随着各种小型的非球面光学零部件的广泛应用,其成型模具的制造精度要求也日趋提高。针对目前我国尚未完全掌握非球面模具的超精密磨削技术的情况,对超精密单点磨削和形状误差补偿方法进行研究。利用在位接触式的测量系统的测量数据重构实际的磨削轮廓曲线。根据实际磨削轮廓与目标轮廓之间的法向距离,求解出法向残余误差,并提出基于超精密单点斜轴磨削的形状误差补偿方法。利用超精密磨床对口径为6 mm的超硬碳化钨的非球面光学模具进行超精密磨削、在位测量与误差补偿试验,经过两次循环,其形状精度(Peak to valley, PV)从449 nm改善至182 nm。
  • 杨继平;潘晓勇;向东;郅慧;李中良;龙旦风
    . 2010, 46(23): 192-198.
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    在废旧电路板的资源化途径中,物理拆解方法正日益受到重视。在对废旧电子电器产品的典型电路板的组装与结构特点进行分析的基础上,对废旧电路板拆解分离的加热解焊方法和施力方法进行定性比较和分析,分别针对典型电子产品电路板和典型电器产品电路板提出两种不同的物理拆解分离工艺,并依据这两种工艺研制两种不同的拆解原型装备。分别以废旧计算机主板和废旧电视机主板为拆解对象,在这两种拆解原型装备上进行拆解试验。结果表明,采用上述物理拆解分离工艺,在适当的拆解工艺控制参数下,对于废旧电子产品电路板,插装元器件、体积较大的贴片元器件和体积微小的片式元件的拆解分离率分别达到91.6%、100%和99.1%,对于废旧电器产品电路板,电路板上的插装元器件引脚焊点去除率达到94.9%,有效实现元器件的拆解和焊料的分离,这对研发具有实际应用价值的废旧电路板拆解工艺和装备具有重要指导意义。