2013年, 第49卷, 第7期　
刊出日期：2013-04-05

  

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  纳米压痕法测量等离子喷涂铁基涂层

  王海斗;朱丽娜;徐滨士

  . 2013, 49(7): 1-4.

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  利用无损的绿色检测技术——纳米压痕法测量等离子喷涂铁基涂层表面的残余应力。通过对比无应力和有应力涂层的载荷-位移曲线，得出涂层表面存在残余拉应力。由于无应力和有应力涂层的压痕周围均有明显的凸起变形，目前广泛使用的Oliver法提取残余应力的特征参量——真实接触面积的公式已不适用。利用之前建立的适用于压痕周围有凸起变形的材料的真实接触面积计算公式得到无应力和有应力涂层的真实接触面积，分析两者之间的差异，最终计算出涂层表面的应力值为188 MPa，与X射线法得到的162 MPa较为符合。
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  数控机床多源能量流的系统数学模型

  王秋莲;刘飞

  . 2013, 49(7): 5-12.

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  机床能量消耗建模研究是机床能量特性及能效优化研究的基础。现有机床能量模型研究主要是从机床总能耗统计分析或主传动系统建模出发的，缺乏机床特别是数控机床全部能量流数学模型的系统研究。针对数控机床多能量源的特性，从能量源构成出发对其能量流的数学模型进行研究。分析数控机床多能量源的系统构成，将数控机床能量源分成加工动力系统、加工关联辅助系统、动力关联辅助系统和其他等4类；基于数控机床各能量流的功率平衡方程分析，建立数控机床多源能量流的能量流程；在数控机床能量流程的基础上，结合4类能量源的运行特点建立数控机床多源能量流的系统数学模型。案例分析结果表明，上述模型可为数控机床运行过程的能量效率分析，能量消耗预测和节能优化等实际问题的解决提供一种基础支持，具有较广阔的应用前景。
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  节省光刻胶的超声雾化喷涂工艺雾锥特性研究

  向东;瞿德刚;牟鹏;王汉;刘楠

  . 2013, 49(7): 13-20.

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  光刻胶在集成电路(Integrated circuit, IC)制造、微机电系统(Micro electro-mechanical systems, MEMS)等工艺中广泛使用，价格昂贵、有毒。由于传统光刻胶薄膜制备多采用旋涂工艺，约95%的光刻胶浪费，且无害化处置成本高。为此，提高光刻胶的利用率一直是涂胶工艺追逐的目标之一。针对节省光刻胶的超声雾化喷涂薄膜制备工艺面临的薄膜均匀性问题，在自行开发的100 kHz的超声雾化喷嘴的基础上，通过分析载气的流场分布，建立雾化液滴在旋转、对称载气流场中的受力模型和碰撞模型，提出超声雾化液滴输运的数值模拟计算流程。超声雾化液滴输运的数值模拟有效地描述了供气流量、供液流量以及雾锥截面高度对雾锥液滴粒径和液滴浓度分布的影响。利用对AZ4999光刻胶雾锥特性的分析，在满足喷涂生产率的前提下，进行304.8 mm晶圆实际喷涂试验。试验结果表明超声雾化喷嘴不仅能够有效地实现光刻胶薄膜制备均匀性，而且较旋涂工艺节约80%以上的光刻胶，光刻胶利用率高。
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  电磁场的热效应在再制造毛坯裂纹止裂中的应用

  张洪潮;于静;郝胜智;彭艳芳

  . 2013, 49(7): 21-28.

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  再制造是装备制造业可持续发展的必由之路，对于含有裂纹的再制造毛坯，首先要遏制裂纹的进一步扩展，才能保证后续再制造工艺的有效性。在试件两端通入脉冲电流，由于裂纹的存在，裂纹尖端局部温度急剧升高超过材料的熔点，使裂纹尖端钝化。采用复变函数的方法，推导出裂纹尖端电流密度、温度场和残余应力的理论模型。以压缩机转子叶轮材料FV520B为例，模拟含裂纹试件在通电瞬间的电流密度、温度场和应力场的分布。在自行研制的HCPD-I型强流脉冲放电装置上进行止裂试验，并对比止裂前后裂纹尖端的宏微观形貌。试验结果与理论和数值模拟较好地吻合，该方法能够有效地阻止裂纹进一步扩展，完全适用于再制造过程。
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  基于博弈论及神经网络的主动再制造时间区域抉择方法研究

  刘光复;刘涛;柯庆镝;宋守许;周丹

  . 2013, 49(7): 29-35.

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  针对再制造中再制造毛坯所出现的不确定问题，提出主动再制造的理念，在再制造的最佳时间段内对产品“主动”地进行再制造，以达到最好的效果。进一步阐述主动再制造的重要特征，并研究主动再制造的时间区域，探讨了该时间区域上限和下限的预判方法。时间区域上限是用来界定产品生命周期内各项性能指标已出现劣化应予再制造的时刻，在确定区域上限过程中采用生命周期能耗和生命周期成本作为优化要素进行分析，并基于博弈论方法，将能耗、成本要素之间的冲突问题转化为数学模型，进行冲突消解；时间区域下限是标志产品由于再制造技术难度和经济成本过高进而失去再制造价值的时刻，在确定区域下限时，基于人工神经网络方法，提出表征零部件性能退化的特征量值指标，通过建立各项指标与服役时间的映射关系，对零部件丧失再制造价值临界状态时刻进行预测。以某款变速箱输入轴系零部件为例，验证了主动再制造及其再制造时间区域抉择方法的有效性。
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  高速干切滚齿机床热变形误差模型及试验研究

  陈永鹏;曹华军;李先广;陈鹏;黄强

  . 2013, 49(7): 36-42.

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  切削油在齿轮滚切工艺中的大量使用，是造成齿轮加工车间环境污染和工人职业健康危害的主要源头。绿色高效的高速干式滚切工艺消除了切削油的使用，是齿轮绿色成形加工发展的重要方向。但由于缺少切削油的冷却，干式滚切工艺将导致更为严重的机床热变形，影响齿轮加工精度。以某新型结构的高速干切滚齿机床为研究对象，基于齐次坐标变换原理研究高速干切滚齿机床的热变形误差建模方法，根据机床结构特点及部件运动关系建立热变形误差模型，推导出热变形误差计算公式，建立机床部件热变形误差对整机热变形误差的影响关系。设计并进行高速干切滚齿机热变形试验，根据试验数据对模型进行了应用验证。
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  基于稀疏网格的近似模型及其在轻量化设计中的应用

  马石磊;李方义;李剑峰;何洋

  . 2013, 49(7): 43-50.

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  在复杂工程系统的多学科设计优化(Multidisciplinary design optimization, MDO)中，由于学科种类和设计变量多，学科分析中存在计算量大和优化效率低等难题。将稀疏网格方法引入多学科近似模型的建立过程，该方法集试验设计和近似模型建立于一体，可以缓解样本点数目对设计空间维度的指数依赖，因此在处理高维问题时仍有较高的效率，同时在近似模型的拟合精度方面具有先验性。将该近似模型应用于Haupt函数预测和NASA减速器优化设计实例，与传统多项式和Kriging近似模型方法进行对比分析，结果证明了该方法在拟合高维问题时的精确性、高效性和在高维优化设计中的适用性。构建基于稀疏网格近似模型的多学科设计优化流程，并以此为基础对某型驱动桥壳进行轻量化设计，所得设计方案减轻了驱动桥壳的质量，前六阶模态频率变化较小，且满足驱动桥壳静强度指标和疲劳寿命指标。
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  基于剩余使用寿命评估的再制造方案决策模型及应用

  张旭刚;张华;江志刚

  . 2013, 49(7): 51-57.

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  为了实现废旧零部件资源的最优化利用，从剩余使用寿命的角度建立废旧零部件再制造方案决策模型。以零部件失效数据和历史服役工况数据为基础，联合威布尔分布和人工神经网络模型来评估废旧零部件的剩余使用寿命。对于具有剩余使用寿命的废旧零部件，以定量的方式分析其第一次寿命末期和剩余寿命末期的可靠性，并结合企业制定的零部件可靠性阈值，确定废旧零部件的再制造方案，即再利用、再制造或再循环。以发动机叶片为例，验证了上述模型的可行性。
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  基于低碳约束的产品概念设计方法研究

  徐锋;顾新建;纪杨建;祁国宁

  . 2013, 49(7): 58-65.

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  概念设计对产品的生命周期综合成本具有决定性影响，当低碳成为衡量产品性能的重要指标时，为了在产品概念设计阶段就能提供其全生命周期碳足迹可参考的依据，提出基于低碳约束的产品概念设计思路，确定低碳产品概念设计的目标和边界，讨论低碳概念设计考虑的诸多因素，给出概念设计阶段引入的碳足迹计算模型和以功能结构展开为原理的基于低碳约束的产品概念设计方法。以高耗能产品变压器为例，详解变压器的重要部件之一——铁心的低碳设计方法和模式，对变压器的整体低碳设计具有指导意义。
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  绿色铁基合金镀层的结构与性能

  崔秀芳;钟景高;侯丁丁;王阳;金国

  . 2013, 49(7): 66-71.

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  基于铁基电刷镀层在绿色再制造工程中的巨大优势和潜力，在铁基电刷镀体系的基础上添加可共沉积的化学离子制备铁基合金镀层，并通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、摩擦磨损试验机等分析测试手段，研究添加离子对镀层形貌、成分、结构、硬度、摩擦磨损性能的影响，同时研究镀层的热稳定性。结果表明：添加与Fe离子共沉积的W元素可以提高铁镀层的硬度，降低应力开裂现象，但镀层致密度低，耐磨性差；通过进一步添加具有润滑和优异塑性流动能力的Cu元素可以细化镀层组织，改善耐磨性。三种铁基镀层在热处理过程中均有新相Fe3C形成，随着温度的升高，镀层晶粒长大；Fe和Fe-W镀层在450～650 ℃区间出现二次硬化现象。
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  绿色产品概念设计中的知识重用

  张雷;彭宏伟;刘志峰;鲍宏;卞本羊

  . 2013, 49(7): 72-79.

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  为解决由产品生命周期阶段的延拓及环境因素导入而引起的产品绿色设计实施周期较长及效率低的问题，将知识重用方法引入到绿色产品的概念设计中。对绿色设计单元进行可拓物元表达，建立绿色设计知识的多域多级迭代过程模型；通过K均值聚类方法对绿色设计单元实例进行分类处理，基于功能域、行为域、结构域与绿色设计域映射关系提出绿色设计单元实例检索方法，采用考虑方案主观偏好的不确定多属性效用决策方法优选出绿色属性综合表现最佳的方案。以食品搅拌机的概念设计为例，对所提方法进行了验证与分析。应用实例表明，该设计知识重用方法可以较大幅度的提高绿色产品概念设计的效率。
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  高端机械装备再制造无损检测综述

  张元良;张洪潮;赵嘉旭;周志民;王金龙

  . 2013, 49(7): 80-90.

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  无损检测是机械装备再制造工程的重要组成部分，关系到再制造产品的服役安全。高端机械装备再制造损伤检测的特殊性，使得无损检测工作面临挑战。研究采用激光超声等具有高灵敏度、易于实现自动化检测的新技术成为国内外无损检测工作者关注的热点。归纳高端机械装备再制造无损检测特点。概述常规无损检测方法，并进行对比分析。简述当前无损检测领域的几个研究热点。总结当前再制造无损检测存在的问题与难点。指出高端机械装备再制造无损检测的发展趋势，为今后进行深入的再制造无损检测研究提供可以借鉴的研究方向。
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  面向绿色制造的加工工艺参数决策方法及应用

  伍晓榕;张树有;裘乐淼;孙良峰

  . 2013, 49(7): 91-100.

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  通过构建绿色制造过程灰色模型，将工艺参数优化过程转化为多属性目标决策过程。运用模糊集理论对绿色制造评估专家不确定、不准确的模糊知识进行处理，提出采用决策试验与评价实验室(Decision making trial and evaluation laboratory , DEMATEL)方法建立绿色工艺评估指标的直接影响关联矩阵和综合影响矩阵，获得各评估指标的原因度和中心度，进而分析绿色工艺评估指标间的关联性，并依据影响程度进行权重大小分配。在考虑群体效益最大化与个体遗憾最小化的前提下，运用DEMATEL-VIKOR理论进行绿色工艺参数决策，获得考虑决策者主观偏好的绿色工艺参数或折中工艺参数集，并确定最优绿色工艺参数的调控优先次序。最后，结合某电火花制造过程绿色工艺参数的决策对所述方法进行了说明和验证。
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  冷焊工艺参数对HT250表面修复层性能的影响

  徐庆钟;李方义;秦顺顺;马石磊

  . 2013, 49(7): 101-105.

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  冷焊技术是一种新型金属零件表面修复技术，具有精密、经济、便捷等优点，已应用在发动机再制造等领域。利用冷焊技术对发动机缸体材料HT250表面缺陷进行修复，采用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计和拉伸试验机等设备对修复区域的微观组织、硬度和结合强度进行测试分析，同时揭示不同冷焊工艺参数对修复层性能的影响。研究结果表明：基体与修复层结合良好，无孔隙和裂纹，熔合区存在元素扩散，说明修复层与基体间是微区冶金结合；修复层硬度低于基体硬度，便于后续加工处理，热影响区较小；冷焊修复技术能提高修复对象的抗拉强度。同时，热影响区宽度和硬度随冷焊时间和能量工艺参数的增大而增大；抗拉强度的变化随冷焊时间和能量工艺参数的增大先有减小趋势，后逐渐增大。
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  等离子堆焊技术的现状及发展趋势

  邓德伟;陈蕊;张洪潮

  . 2013, 49(7): 106-112.

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  等离子堆焊技术具有节能、高效和质量稳定等特点，使其成为重要的绿色制造及再制造技术之一。随着国内制造业的迅速发展，焊接技术尤其是等离子堆焊技术也得到较快的发展。概述等离子堆焊技术与钨极氩弧焊、手工电弧焊及埋弧焊的区别与联系，综合论述等离子堆焊设备的应用情况及其发展趋势，并分析等离子堆焊这一表面强化方法的研究进展，归纳等离子堆焊技术存在的主要问题及未来发展趋势。
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  摇臂转向架式星球车单索重力补偿

  刘振;高海波;邓宗全;陶建国

  . 2013, 49(7): 113-124.

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  为简单、准确地进行摇臂转向架式星球车(简称星球车)低重力模拟，研究其单索重力补偿的问题。提出使用单根补偿吊索和摇臂配重模拟星球车所有姿态下全部车轮地面接触力的方法。以四、六轮星球车为例，建立崎岖地型上轮地接触力模型；通过分析模型的解结构，证明“正确补偿接触力”等价于“正确补偿狭义接触力(全部接触力水平分量为零时的特例)”；给出吊索和配重(补偿力系)的施加方法；通过证明补偿后的狭义接触力与低重力环境中一致，证明补偿方法正确。仿真结果验证了此方法的优势和正确性。针对向车厢(封闭体)内部点施加补偿力的问题，提出相似悬挂原理：利用悬挂体和封闭体上关节点、受力点的全等位置关系，使连接于悬挂体上的吊索始终向封闭体内部点施加等效补偿力。为避免拆解星球车进行质心测量，提出使用不同姿态下的狭义接触力计算、校正补偿力系的方法；相应地，给出狭义接触力的测量原理和测量平台结构。实践证明，研究为星球车的低重力模拟提供了简单、精确的方案原理和方法。
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  一种计算平面机构自由度的新方法

  郭卫东;于靖军

  . 2013, 49(7): 125-129.

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  计算平面机构自由度的契贝谢夫-克鲁伯(Grübler-Kutzbach)经典公式看似简单，但使用起来却经常出错。在对现行多数《机械原理》和《机械设计基础》等教材中关于平面机构自由度计算中存在问题进行深入分析的基础上，也可得到相似的结论。为此提出一种计算平面机构自由度的新方法，并对相应的Grübler-Kutzbach公式进行变异。即通过引入实约束高副、虚约束高副、全约束低副和半约束低副等新概念，解决了目前在平面机构自由度计算中存在的问题，为平面机构自由度计算的严谨性和科学性进行了有益的探索。
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  医药输液视觉检测机器人关键技术综述

  王耀南;吴成中;张辉;葛继;周博文;赵科

  . 2013, 49(7): 130-140.

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  食品药品安全是重大的民生和公共安全问题，医用注射液在注入人体之前必须经过严格的质量检测，否则，将引发各种危害性疾病，甚至危及生命。目前，医药生产企业对注射液的检测方式多为人工检测，存在效率低、可靠性差、质量安全得不到保障等诸多缺点，所以视觉检测机器人替代人工检测是一种必然趋势。基于此，详细探讨视觉检测机器人开发过程中遇到的核心技术难题，从视觉检测方案、高精密机械结构设计、主从运动机构高度协同控制、高速高精度图像采集系统及微弱目标检测识别与分类方法等多个方面入手，具体阐述制约视觉检测机器人目前研发所遇到的瓶颈问题及可行性解决方案。并陈述视觉检测机器人的下一步发展趋势。
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  无机械调节器的自行车机器人圆周运动实现

  黄用华;廖启征;魏世民;郭磊

  . 2013, 49(7): 141-147.

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  为了研究无机械调节器自行车机器人的曲线运动平衡能力，给出一种前轮驱动自行车机器人的欠驱动力学模型以及这种机器人在水平面上实现小半径圆周运动的方法。根据几何关系得到车体的转弯半径，以此为基础推导出后轮转角速度和车架航向角速率，进一步采用拉格朗日方程建立系统的力学模型；分析圆周运动下重力矩和向心力矩的动态平衡条件，得到前轮驱动速度、车架横滚角以及车把转角之间的量化关系；基于部分反馈线性化方法，将模型中的欠驱动子系统线性化，设计出圆周运动控制器，并通过动态平衡条件设定车架横滚角和前轮驱动速度期望值来加速算法收敛。仿真控制和样机试验结果表明，控制器可以提供合理的驱动力矩实现自行车机器人的圆周平衡行走，并且给定不同的车架横滚角期望值可以对应得到不同的圆周运动周期，期望值越大，圆周运动周期越短。
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  球面2-DOF冗余驱动并联机器人机构误差分析

  张立杰;李永泉

  . 2013, 49(7): 148-154.

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  将环路增量法应用于多环路并联机构的误差分析中，并提出环路选取原则。基于D-H参数，结合冗余驱动机构特点，采用环路增量法，建立兼顾位置和姿态两类误差的球面2-DOF冗余驱动并联机器人机构误差模型。该误差模型除包含机构的结构参数误差外，同时还将由于加工和装配等原因出现的各转动副轴线和球心之间的偏差考虑进来，更全面地反映了机构的工程实际情况。基于该误差模型进一步分析球面机构出现卡死现象的原因，预估了机构误差，为该机构样机的运动学标定研究奠定了理论基础。
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  复合式移动探测机器人行驶平顺性研究与分析

  尚伟燕;邱法聚;李舜酩;程晓民

  . 2013, 49(7): 155-161.

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  为提高移动机器人的行驶平顺性，设计适合野外探测的复合式移动系统。该移动系统具有摇臂转向架机构以连接前后轮履，并设计差速平衡机构将左右摇臂转角进行线性平均。通过悬架系统简化建立移动机器人振动模型并对其进行动力学分析；确定车身加速度的有效值和最大值、车轮动载荷最大值与有效值及前、后轮悬架系统不会被撞击的概率作为移动机器人行驶平顺性评价的统计量，并分别对几个评价统计量进行分析；提供适合于复合式移动机器人悬架参数优化的数学模型，确立设计变量和目标函数，建立相应的约束条件，采用NSGA-II对设计变量进行优化，计算出合适的悬架结构参数；通过试验验证优化仿真的正确性，并为复合式野外探测机器人行驶平顺性的提高提供有效的结构参数。
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  基于应力波驱动的金属微滴按需喷射装置开发及试验研究

  陶院;杨方;罗俊;晁艳普;齐乐华

  . 2013, 49(7): 162-167.

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  针对现有金属微滴按需喷射装置难以喷射产生小于喷嘴径向尺寸的微滴的问题，设计开发一种基于应力波驱动的新型金属微滴喷射装置，采用锡铅合金(Sn-质量分数40%Pb)在加热温度为300 ℃下进行了喷射试验，试验表明：当脉冲宽度5 ms，脉冲频率5 Hz，电磁冲击杆冲击行程以及传振杆下端距离喷嘴分别为3 mm和1.5 mm时，在同轴供气流量大于6 L/min的气氛环境中，该喷射装置能够喷射产生平均直径约为喷嘴直径60%的金属微滴，且微滴尺寸标准方差为9.2 μm，证明应力波驱动金属微滴按需喷射装置能够喷射出小于喷嘴尺寸的微滴。试验结果也显示，在满足微滴喷射的条件下，微滴直径随着脉冲宽度的增大而线性增大，随着脉冲频率的增大而呈指数形式减小，且微滴喷射过程受到冲击杆行程S的影响，说明此装置在喷嘴尺寸不变的条件下，具有微滴尺寸可调节、易控制等优点，为金属微滴喷射技术的进一步应用奠定了基础。
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  栓接结合部动态特性辨识方法

  李玲;蔡安江;蔡力钢;郭铁能;阮晓光

  . 2013, 49(7): 168-175.

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  由于栓接结合部自身非线性特性、测试时噪声信号的干扰以及求解时引起数值误差的影响，使得在利用频响函数(Frequency response functions, FRFs)进行参数辨识时会出现不适定问题。为避免产生不适定问题，使得辨识结果更能真实反映栓接结合部特性，利用子结构综合法建立法向与切向栓接结合部动力学模型，并利用加权函数法使每个辨识方程式的系数都维持在同一水准。运用FRFs法对栓接结合部等效动力学参数进行辨识，并将其作为初始值，采用迭代法求出栓接结合部参数在整个频段的灵敏度，根据灵敏度确定选取的试验数据，再进行参数辨识。通过试验研究比较，结果表明采用频响函数辨识栓接结合部等效参数时，利用灵敏度法能够提高辨识精度，消除辨识时不适定问题的产生。
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  回转刀具侧铣加工扫掠包络面几何造型及其应用

  朱利民;卢耀安

  . 2013, 49(7): 176-183.

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  三维曲面加工是通过刀具扫掠包络面逼近设计曲面来实现的。针对侧铣加工，提出一般回转刀具扫掠体包络面的双参数球族包络表示方法，建立刀具包络面及其第一和第二基本型的解析表达式。定义两种用于评价设计曲面与包络曲面之间偏差的法向误差函数，并推导出其关于刀具回转面和刀轴轨迹面形状控制参数的一阶梯度表达式，在此基础上提出了刀具扫掠包络面最佳逼近设计曲面的扫掠造型方法，为研究五轴侧铣加工所关心的各类运动几何学问题提供了理论框架。侧铣加工离散刀位优化的应用实例验证了所提方法的有效性。
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  复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究

  周波;赵吉宾;刘伟军

  . 2013, 49(7): 184-192.

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  现有的五轴加工轨迹生成方法在处理加工过程中的曲面形状突变及干涉情况时，会在前后加工点处产生刀轴矢量的剧烈变化，这将不可避免地造成刀具的破损并直接影响加工质量，解决这一问题的常用方法是生成刀轴光顺轨迹。针对光顺刀轴矢量的生成问题，该方法首先在非干涉域内有效插入限定的加工点位，保证刀轴矢量的整体优化；同时在干涉域内采用改进的C-Space法，生成刀轴矢量光顺可行域。实例表明，将该方法应用在复杂型面的加工中可以有效地生成光顺刀轴矢量、高效处理加工过程中全局及局部干涉情况，避免过切加工的同时不增加加工点的数目，实现了刀轴矢量的优化。
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  基于中心复合设计试验的SiC单晶片超声振动加工工艺参数优化

  刘永;李淑娟;李言;孔令飞;万波

  . 2013, 49(7): 193-198.

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  由于超声振动复合加工过程很难通过动力学分析得到有效的切割机理的数学模型，而试验研究不失为解决该问题的一种有效方法。采用中心复合设计(Central composite design，CCD)试验方法，设计四因素三水平的SiC单晶片超声振动复合加工试验方案；引入响应曲面法建立切向锯切力、表面粗糙度与主要工艺参数(线锯速度、工件进给速度、工件转速和超声波振幅)的二阶关系模型，通过对试验数据的多元二次拟合，分别获得切削力和表面粗糙度的二次方程表达式；进一步分析实际加工条件对工艺参数的约束，并以提高SiC单晶片表面的加工质量(即最小化加工表面粗糙度)为目标建立工艺参数优化模型；设计粒子群优化算法及其流程进行优化问题求解，通过实例验证，该算法可以快速有效地获得满足多约束的最佳工艺参数。