2011年, 第47卷, 第13期　
刊出日期：2011-07-05

  

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  具有差动运动功能的管道机器人设计与分析

  唐德威;李庆凯;姜生元;邓宗全;刘航

  . 2011, 47(13): 1-8.

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  研制一种具有差动运动功能的环境自适应轮式管道机器人——三轴差动式管道机器人，该机器人在通过弯管时可根据管道环境利用三轴差动机构自动调节各驱动轮的转速，从而提高机器人通过弯管时的运动柔顺性。为分析三轴差动式管道机器人的运行状况，通过建立机器人在弯管内运行的精确位姿模型，求得机器人驱动轮轮心以及驱动轮与管壁接触点的位置；以位姿模型为基础对机器人各驱动轮的速度进行分析，得到机器人过弯管时各驱动轮的理论速比关系。对机器人驱动轮与管壁的正压力进行分析，并建立机器人的牵引力模型。搭建管道试验环境进行机器人的差速试验和牵引力试验，测试值与理论分析基本一致，说明三轴差动式管道机器人具有良好的弯管通过性能，适合于在工程管道中应用。
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  机器人三维激光扫描视觉系统标定误差

  齐立哲;汤青;贠超;王京;甘中学

  . 2011, 47(13): 9-15.

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  基于三维激光扫描仪的工业机器人视觉系统应用越来越广泛，而扫描仪与机器人之间位姿关系标定精度对于机器人视觉系统的应用有重要的影响。介绍基于三维激光扫描仪的机器人视觉系统的相关原理，然后在此基础上系统分析机器人视觉系统位置和姿态标定误差对工件扫描结果和根据扫描结果对工件进行定位过程的影响，得出在工件无姿态变化或有姿态变化但机器人扫描姿态不变情况下的机器人工件定位系统中无须进行视觉系统位置标定的结论，并试验验证了理论分析结论的有效性，为解释视觉系统标定误差对扫描结果的影响情况及简化视觉系统标定过程提供了理论依据。
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  考虑接触滑移的被动行走器行走步态研究

  张瑾;王天舒

  . 2011, 47(13): 16-22.

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  基于被动行走原理的被动行走器不同于主动控制行走器，它仅靠重力就能在下坡路面上呈现稳定的周期步态，其最大特点在于它的低能耗和自然步态。由于理论计算和试验的局限性，为了更直观地观察被动行走的行走步态,以及深入研究行走的足地接触过程，利用ADAMS建立带有圆弧足的直腿被动行走器三维模型。通过对被动行走器模型参数、接触参数以及初始条件的调整得到周期性稳定行走，并对周期性稳定行走给出极限环描述。同时，利用IMPACT接触模型得到了足地接触过程中的接触力、接触轨迹等信息，进一步对行走过程进行描述。当改变足地接触刚度与接触阻尼时，被动行走器出现了跳跃和周期性跳跃的现象；改变足地之间摩擦因数时，出现了滑动现象。通过对以上现象的研究，定性地分析足地接触参数对行走步态的影响。
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  基于螺旋理论对单环空间RSUR机构受力分析

  刘士昌;陈子明;刘婧芳;黄真

  . 2011, 47(13): 23-28.

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  用传统方法对并联机构或复杂机构进行受力分析是十分不方便的，尤其是要计算所有运动副的约束反力时，常常需要联立大量的方程才能得到最终结果。基于螺旋理论对这类机构进行受力分析会使这个问题简化。运用此方法可以方便地求出在外力作用下机构的主动力和所有运动副的约束反力，并且对于主动力和各运动副的约束反力是以单独构件逐个求解为特点的，可以确保分析每个杆件联立求解的方程数目不多于6个。为详细说明基于螺旋理论对这类机构进行受力分析的方法的优点，以由两个转动副、一个球副和一个万向铰组成的一个单环空间机构为例运用此方法求解其主动力和所有运动副的约束反力，通过求解就可以看出运用此方法可以使机构的受力分析过程大大简化，并且思路清晰容易理解。
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  基于工作空间最大化的平面柔索驱动并联机构优化设计

  张耀军;张玉茹;戴晓伟

  . 2011, 47(13): 29-34.

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  工作空间是并联机构的重要指标，柔索驱动并联机构与杆支撑并联机构相比，其突出的优点是具有较大的工作空间。从平面柔索驱动并联机构出发，探讨柔索与动平台的连接位置对定姿态工作空间大小的影响。建立柔索驱动并联机构静力模型，并对4根柔索驱动的3自由度平面机构的定姿态工作空间进行分析，对此类机构的柔索与动平台的连接位置参数进行建模，通过直接搜索的优化算法对这些位置参数进行优化，得到了最优的结构参数。与常用的平面构型相对比，优化后的机构构型具有更大的定姿态工作空间。
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  绳牵引并联机器人的静刚度解析

  刘欣;仇原鹰;盛英

  . 2011, 47(13): 35-43.

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  基于微分变换和线几何理论，建立包含关节弹性变形以及绳拉力等因素的绳牵引并联机器人的刚度模型，推导刚度矩阵的数学表达式。模型不仅考虑驱动单元、绳的弹性变形对机构刚度的影响，而且考虑机构在广义外力作用下由末端执行器微分运动所引起的结构矩阵的变化。通过线矢量的引入，分步求导模型中结构矩阵对末端执行器位姿变分的三维Hessian矩阵。模型表明，绳牵引并联机器人的系统刚度由两部分组成，其中一部分主要取决于绳的几何布置、末端执行器的位姿、驱动支链的物理特性；另一部分表达为结构矩阵相对末端执行器位姿的变分-Hessian矩阵与绳拉力矢量的乘积。大射电望远镜5 m缩尺模型数值仿真与试验结果的对比验证了该方法的正确有效。
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  机械系统接触碰撞界面显式计算的算法综述

  钟阳;钟志华;李光耀;孙光永;徐峰祥

  . 2011, 47(13): 44-58.

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  接触碰撞界面的计算是机械系统CAE动态分析的关键技术之一，高效、精确、可靠的接触算法，包括接触搜寻算法和接触力算法，是接触碰撞界面计算的核心部分。结合机械系统的动态显式有限元计算，描述接触碰撞界面模型；重点探讨并对比接触碰撞界面计算中常用的计算模型和接触算法，指出其各自的优缺点；给出机械系统的动态显式有限元计算的一般流程；对接触算法的一些影响因素和误差分析作出简要说明，并对接触算法在接触碰撞界面计算中的进一步研究提出一些看法。
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  不平衡磁拉力作用下裂纹转子系统的分岔

  黄志伟;周建中;贺徽;张孝远;王常青

  . 2011, 47(13): 59-64.

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  针对大型旋转机械转子系统机电耦合具有强非线性特征的问题，根据磁拉力与转子偏心的关系，推导出不平衡磁拉力(Unbalanced magnetic pull, UMP)的解析式，建立UMP作用下裂纹转子—轴承系统的动力学模型，并采用数值积分方法研究此类裂纹转子的分岔与混沌特性。通过分岔图、Poincaré图和频谱幅值图分析UMP和裂纹深度对转子运动的影响，结果表明：UMP使转子系统随速度变化的典型动力学响应有所提前，振幅增大，幅值谱图中出现了连续幅值较大的谐波分量；随着裂纹深度的不断增加，转子系统在亚临界转速区出现了短暂的混沌运动，在临界转速附近的混沌区域不断减小，其混沌特征有所变化，且进入混沌区域的倍周期分岔运动基本消失，而在超临界转速区则出现了较长的周期7运动。研究结果为深入解析机电耦合转子系统故障机理提供有益的理论参考。
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  轧机辊系滞后非线性垂直振动系统的振动特性

  刘浩然;侯东晓;时培明;刘飞

  . 2011, 47(13): 65-71.

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  考虑轧件弹塑性变形的滞后非线性作用，建立一种轧机辊系滞后非线性垂直振动动力学模型。运用奇点稳定性理论分析该滞后非线性系统的稳定性，得到了系统出现各种不同奇点的条件。同时采用渐进法求解系统在主共振情况下的解析近似解，得到了系统的主共振幅频特性方程。最后以实际轧机参数为例，分析轧件的非线性刚度、阻尼等参数对轧机主共振幅频响应的影响，并研究轧机在不同外部扰动下的分岔行为，发现在不同的外部扰动下，轧机表现出周期、倍周期以及混沌等多种动力学行为，这为研究和抑制轧机振动问题提供了理论参考。
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  基于分布参数模型的Galfenol智能悬臂梁动力学建模方法及控制

  舒亮;陈定方;卢全国

  . 2011, 47(13): 72-83.

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  研制一种基于Galfenol合金的智能悬臂梁结构，同时考虑粘合层对结构动态性能的影响，建立计及粘合层的分布参数动力学模型，该模型以电磁线圈为驱动源，为减小高频磁场造成的涡流损耗，设计一种叠片结构的U形驱动线圈对智能悬臂梁进行驱动，并通过试验对该结构下的动力学模型进行验证；由于分布参数模型状态输出变量与参考电压没有直接耦合，提出一种基于分布参数模型的滑模变结构解耦控制方法，通过对输出变量矩阵解耦可以实现输入与输出的直接耦合，同时针对柔性结构中存在的次谐波扰动，利用Lyapunov函数证明了在非匹配条件下控制系统的稳定条件，并通过仿真试验对结论进行验证，同时，以比例—积分控制作为对比试验，与提出的滑模变结构解耦控制进行对比，通过比较不同频率下的动态跟踪结果，证明了所提出的控制方法不仅解决了复合悬臂梁分布参数模型中的不耦合问题，同时可以有效抑制Galfenol合金的磁滞非线性，使系统可以较好地跟踪外界参考输入。
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  冲击载荷下的磁流变减振器动力学建模与滑模控制

  胡红生;王炅;钱苏翔;李延成;沈娜;严拱标

  . 2011, 47(13): 84-91.

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  以冲击载荷下的磁流变减振器为对象，设计一单杆长行程冲击型减振器，基于Bingham模型推导建立包括由环形阻尼孔内的摩擦阻尼力、库仑阻尼力、惯性阻尼力、节流阻尼力、结构附加阻尼力和摩擦阻尼力等组成的动力学模型，并利用最小二乘算法辨识模型中关键参数，试验结果证实了拟合的磁流变冲击减振器动力学模型准确性。针对冲击载荷特点，设计基于全状态反馈和指数趋近律控制率的滑模变结构目标跟踪控制器，基于构建的试验平台分析比较On-Off算法、PID算法和滑模控制算法控制效果，结果显示滑模控制算法下的磁流变冲击减振器振动峰值缩减27.33%，活塞行程缩减48.75%，控制效果最为理想。
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  基于多尺度线调频基稀疏信号分解的齿轮故障信号阶比分析

  任凌志;于德介;彭富强;皮维

  . 2011, 47(13): 92-97.

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  针对变转速齿轮箱故障振动信号调制边频带难以识别的问题，提出一种基于多尺度线调频基稀疏信号分解的阶比分析方法。该方法先采用基于多尺度线调频基的稀疏信号分解方法对齿轮箱振动信号进行分解，提取齿轮的啮合分量与调制边频分量，由啮合分量的时频分布曲线得到瞬时转频估计，再基于获得的瞬时转频对啮合分量与调制边频分量之和进行等角度重采样，将非平稳的分量信号转化为平稳信号，对重采样后的信号进行阶比分析，诊断齿轮故障。与传统的直接对齿轮箱故障振动信号进行阶比分析的方法比较，结果表明，提出的基于多尺度线调频基稀疏信号分解的阶比分析方法抗噪性强，调制边频带识别效果好。仿真算例与应用实例验证了本方法的有效性。
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  基于叶尖定时的旋转机械叶片振动信号重建

  李孟麟;段发阶;欧阳涛;叶德超

  . 2011, 47(13): 98-103.

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  基于叶尖定时原理采集的旋转机械叶片振动信号是离散的欠采样信号，利用插值法对其重建的时域信号能反映叶片振动峰值等参数特征，为故障诊断提供依据。通过分析简谐振动的数学模型和信号采样及重构定理，提出在匀转速下利用若干均匀安装在机匣上的叶尖定时传感器采集叶片振动信息进行振动位移信号重建的新方法。利用高阶B样条函数构建的插值核函数具有快速收敛的特点，在减小信号截断误差的同时降低了算法复杂度，利于工程应用。介绍信号重建误差的来源，其测量精度对转速稳定性有较高要求，通过计算机仿真和模拟振动平台气激试验分析该方法性能，验证其在实践中的有效性。
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  主动磁悬浮轴承系统拍振现象分析

  高辉;徐龙祥

  . 2011, 47(13): 104-112.

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  振动分析是研究主动磁悬浮轴承(Active magnetic bearings, AMB)系统的一个重要部分，但是目前结合控制器以及动态不平衡响应建立的系统数学模型相对较少。通过对高速主动磁悬浮轴承转子系统受力分析，参考所使用的不完全微分PID控制器的频率特性对AMB广义动刚度的影响以及对转子动态不平衡激励响应的影响，建立径向子系统的力学振动方程。通过此振动方程的解，得出AMB系统存在的振动形式。一种是由于系统固有频率存在而产生的自由振动，另一种是由于不平衡响应存在而产生的简谐振动，并解释当两种振动频率相近时系统所产生的拍振现象。通过调节控制电流主动控制作用，可以改变磁悬浮轴承广义动刚度，进而改变系统固有频率，最终起到减弱拍振现象作用。仿真和试验能够验证拍振现象以及改变主动控制作用后的减振效果。此力学模型可为AMB系统不平衡振动补偿算法研究提供仿真平台。
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  机械装配模型的复合配置空间

  黄正东;康葳蕤;彭扬平

  . 2011, 47(13): 113-122.

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  提出机械装配模型复合配置空间(Composite configuration space, CCS)的概念并研究相关性质和表达方法。在机械装配模型构成变拓扑机构时，它的不同形态机构的位姿参数区域拼合成该模型的整体运动参数区域，该整体参数区域定义为此装配模型的CCS。重点论述装配模型中不同面—面接触状态及其演变关系与CCS中不同配置参数区域及其邻接关系之间的内在联系，应用拓扑学的方法对CCS进行分类和分析，总结出若干具有一定理论和实际意义的性质；最后还提出一种装配配置的顺序参数化方法及配置参数区域的顺序变端点区间直接表示方法，结合区域边界连接映射一起表达装配模型的复合配置空间，并给出CCS的若干实例。上述工作为最终实现从装配模型生成系统行为范围、进而进行机械系统模型检测的目标打下了理论基础。
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  粒子群优化模糊系统的铣削力建模方法

  王刚;万敏;刘虎;张卫红

  . 2011, 47(13): 123-130.

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  根据铣削力的特点，提出用模糊系统进行铣削力建模的新方法。根据铣削力的特点和研究目的，设计钛合金铣削试验，试验在数控铣床上进行，用测力仪进行铣削力测量，由试验得到铣削力的训练数据和测试数据。在分析基本粒子群算法优缺点的基础上，将梯度下降算法嵌入基本粒子群算法形成改进粒子群算法。通过训练数据分别用梯度下降算法、基本粒子群算法和改进粒子群算法训练模糊系统，改进粒子群算法的收敛效果优于梯度下降算法和基本粒子群算法。用回归分析对铣削力进行建模，回归函数分别取为指数形式与线性全因子多项式形式，这样得到两种铣削力经验公式。用测试数据对各方法得到的模型分别进行测试，改进粒子群算法训练模糊系统的预测效果优于其他方法。预测结果验证了用改进粒子群算法训练的模糊系统进行铣削力建模是可行的。
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  高阶变性椭圆锥齿轮传动模式设计与分析

  林超;侯玉杰;龚海;刘刚;李良军

  . 2011, 47(13): 131-139.

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  高阶变性椭圆锥齿轮是球面大端节曲线为高阶椭圆或变性椭圆的非圆锥齿轮。针对目前非圆锥齿轮的设计与分析方法较繁复的问题，根据齿轮空间啮合原理，提出一种仿真加工获得高阶变性椭圆锥齿轮齿形的方法。模拟加工刀具与高阶变性椭圆锥齿轮的节曲线作纯滚动的齿形生成过程，推导出齿形形成过程中的运动参数，并对其节曲线、齿顶曲线及齿根曲线进行设计。重点分析高阶椭圆锥齿轮与变性椭圆锥齿轮齿廓的传动模式及其运动学特性，建立以高阶变性椭圆为基础的椭圆锥齿轮族的仿真模型，统一各种椭圆锥齿轮的传动模式及其设计过程，获得高阶变性椭圆锥齿轮齿廓在传动过程中的运动变化规律及齿轮副匹配模式的通式。通过试验验证该仿真加工获得高阶变性椭圆锥齿轮齿形的方法的正确性。此齿形获得方法可推广应用到任意球面节曲线形状及任意轴间夹角的非圆锥齿轮，从而实现非圆锥齿轮的通用参数化设计。
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  基于Kriging模型的复杂产品管线敷设顺序粒子群优化

  柳强;王成恩

  . 2011, 47(13): 140-146.

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  复杂产品的管线布局问题十分复杂，除管路路径规划算法外，敷设顺序对管线整体敷设有着十分重要的影响。以往的研究大多将重点集中在管线路径规划方面，而对敷设顺序的研究还比较少。以航空发动机为例，提出一种基于Kriging模型的管线敷设顺序的规划方法。针对敷设顺序规划这一离散优化问题，通过论域连续化处理，建立粒子群算法优化相关函数参数的Kriging近似模型。在Kriging模型的基础上，应用离散粒子群算法搜索最优顺序，避免在优化过程中反复应用管线路径规划算法进行计算，显著提高规划效率。对离散粒子群算法的改进进一步提升算法的搜索性能。所提规划方法具有很好的通用性，仿真试验验证了方法的有效性与高效性。
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  由补偿法构建封闭非圆齿轮节曲线

  刘大伟;任廷志

  . 2011, 47(13): 147-152.

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  由于现有的封闭非圆齿轮设计方法不能满足任意给定的传动要求，提出基于补偿思想的构建封闭非圆齿轮的方法。首先给出该方法的机理与运算步骤，根据曲线的光滑特性和节曲线的封闭条件，推导由传动比函数获得节曲线方程的过程；然后根据连铸机结晶器的非正弦振动形式，构建适用于此运动过程的一对非圆齿轮节曲线，针对传动比范围过大引起的根切或压力角过大的情况，提出由两对非圆齿轮串联组合的方法，并给出两对非圆齿轮节曲线的设计方法。以实际工程应用为例，分别计算由一对和两对非圆齿轮获得非正弦振动方式的节曲线，从而说明该方法的实用性。
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  基于Symlets小波滤波的滚珠丝杠伺服进给系统频响特性辨识

  刘栋;梅雪松;冯斌;张东升

  . 2011, 47(13): 153-159.

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  高速、高加速度条件下，滚珠丝杠进给系统所具有的弹性特性会对其频率响应特性造成很大影响。通过分析转矩输入信号和加速度输出信号的幅值和相位关系可以实现对进给系统频响特性的辨识。通过集中质量方法对弹性滚珠丝杠传动系统进行建模，由拉格朗日能量法和状态空间分析对系统的频响特性进行计算。并进一步利用试验方法完成进给系统频响特性的辨识。为了减少量化噪声、白噪声和有色噪声对辨识信号的影响，提出通过Symlets小波滤波方法对有限差分方法得到的加速度信号进行小波滤波处理后，再进行幅值和相位信号的提取和频响函数的拟合。仿真和试验最终证明Symlets小波滤波方法能有效地减少噪声对加速度信号的影响，提取出有效信号，实现对进给系统频响特性更为精确地辨识。
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  Q460高强度钢内螺纹冷挤压试验研究

  缪宏;左敦稳;张瑞宏;王珉

  . 2011, 47(13): 160-166.

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  传统的内螺纹冷挤压加工仅适合于强度低、塑性好的非铁金属以及低碳钢的加工，而飞机、高速列车等关键部件的内螺纹需要采用高强度钢进行加工。针对高强度钢内螺纹的冷挤压加工过程中，润滑液的选择、挤压速度、工件底孔直径、挤压次数等加工条件对丝锥的磨损与折断以及内螺纹的加工质量影响很大的问题，通过对Q460高强度钢内螺纹冷挤压过程的试验研究，分析了润滑液、工件底孔直径、挤压速度与挤压次数对挤压扭矩与挤压温度的影响，并优选工艺参数获得理想的内螺纹，为进一步提高内螺纹的表面质量和疲劳性能提供新的依据。试验结果表明，Q460高强度钢内螺纹冷挤压加工宜采用一次成形工艺，选用黏度值在10～12的流体薄油膜润滑液进行冷却润滑，工件底孔直径最佳取值范围在21.20～21.30 mm，一般选取的挤压速度为30～60 mm•min–1。
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  曲轴新型非圆随动磨削运动模型的研究

  俞红祥;张昱;潘旭华

  . 2011, 47(13): 167-174.

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  研究一种曲轴新型非圆随动磨削运动模型，提出基于砂轮架水平进给轴、附加升降轴与工件转动轴联动的随动磨削控制方式，通过砂轮架水平进给轴、附加升降轴的连续圆弧插补运动与曲轴连杆颈偏心圆周运动同步，确保曲轴工件绕主轴颈中心回转时砂轮与连杆颈切点始终与砂轮中心、连杆颈中心保持三点一线关系，继而实现连杆颈的恒线速精密磨削加工；从运动学角度分析砂轮架水平进给轴与附加升降轴的垂直度误差、数控系统响应偏差对连杆颈磨削精度的影响规律以及相应解决措施；通过新型非圆随动磨削运动模型计算机仿真分析与样品磨削加工试验表明，所研究随动磨削运动模型具有砂轮磨损适应能力强、机床运动控制简便、曲轴连杆颈磨削精度高的显著特点。
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  基于动态模糊神经网络的机床时变定位误差补偿

  王福吉;贾振元;阳江源;卢晓红

  . 2011, 47(13): 175-179.

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  为提高数控机床的定位精度，提出基于动态模糊神经网络进行数控机床时变定位误差补偿的方法。针对数控机床定位误差影响因素复杂、模糊规则难于获取的情况，改进动态模糊神经网络，使其能够应用于多输入多输出系统，并实现模糊规则的自动在线辨识与生成。通过测量机床温度和定位精度，应用改进后的动态模糊神经网络建立机床时变定位误差预测模型。运用该模型对数控机床进行定位误差补偿试验，并与径向基神经网络模型补偿的效果进行比较，结果显示，基于动态模糊神经网络的数控机床时变定位误差预测模型精度高、泛化能力强、鲁棒性优，适用于对数控机床定位误差的长时间、高精度的实时补偿。
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  不等齿距三刃高速立铣刀的动平衡及设计

  汤爱民;周志雄;曾滔

  . 2011, 47(13): 180-185.

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  根据高速立铣刀容屑槽的几何特点，建立铣刀径向截面槽形曲线的通用数学模型。在此基础上，应用动平衡的基本理论，推导出不等齿距三刃高速立铣刀质量偏心和不平衡量的数学模型。利用动平衡测量仪测得不等齿距三刃高速立铣刀的不平衡量，并将其与理论计算值进行对比，对比结果证明质量偏心和不平衡量数学模型完全可靠。根据质量偏心的数学模型，对其影响因素进行分析，发现铣刀螺旋角和刃长对质量偏心的影响最大，据此提出不等齿距三刃高速立铣刀优化设计的思路。为研究不平衡量和不等齿结构对切削力和振动的影响，进行高速铣削对比试验，试验结果表明，不等齿结构具有抑制振动的作用，但对切削力影响较小；不平衡量的增大会引起切削力和振动的明显增大。
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  铣齿断续切削机理的研究

  张金;黄筱调;彭琪;陆慧慧

  . 2011, 47(13): 186-192.

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  大模数齿轮铣削具有多刃断续切削和变切屑厚度等特点，属于典型的非自由强力切削。主要从切削力、切屑形态、表面质量等方面对铣齿断续切削的机理进行研究。采用指数经验模型，应用微段切削刃受力积分获得单个刀片瞬时合成转矩，随后考虑刀盘上刀片的分布情况，获得刀盘周期性的载荷，提出铣齿断续切削转矩的计算模型。应用间接测量的试验方法，采集三相异步电动机的主轴输入电流，重构得到切削力，另外通过试验测量出切削变形比，应用理论公式获得切削力。将试验数据和理论计算结果与计算模型进行比较，验证了铣齿加工切削转矩模型的正确性。对切削过程中的残余高度进行几何分析，获得其计算方法。初步完成对铣齿断续切削机理的分析，对铣齿加工精度提供指导作用。