机械工程学报

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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

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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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机构学与旋量理论的历史渊源以及有限位移旋量的发展

戴建生

机械工程学报. 2015, 51(13): 13-26. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.013

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旋量理论以其简洁的形式，数学的概括性在许多科学领域尤其是机构学领域得到深入而广泛的应用，但其历史发展仍不为学者们所充分了解。从最初的几何体研究导致新机构的发明，到旋量理论与旋量代数、李群与李代数的提出以及发展直至形成旋量理论体系，详尽阐述机构学与旋量理论的历史渊源以及有限位移旋量的发展，进行历史性的详尽查证与研究。引经据典，回顾旋量理论自18世纪的研究开发，以及与其他数学分支的关联，同时回顾有限位移旋量自20世纪50年代后尤其是20世纪90年代的发展，探讨《机构学与机器人学几何基础与旋量代数》专著中阐述的有限位移旋量与瞬时旋量以及李群、李代数的关联。

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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

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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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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

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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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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

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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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机构自由度公式的基本形式、自由度分析及其物理内涵

杨廷力, 沈惠平, 刘安心, 戴建生

机械工程学报. 2015, 51(13): 69-80. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.069

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对近十年提出的7种自由度(Degree of freedom, DOF)公式及其主要特点进行回顾。给出基于约束分析的DOF公式的统一形式与基于运动分析的DOF公式的基本形式。给出基于运动分析的DOF计算方法与基于约束分析的DOF计算方法。基于DOF公式，确定机构的拓扑结构特征，如机构的DOF、动平台的方位特征集及其维数、独立位移方程数、过约束度、冗余自由度，判定消极运动副与选取驱动副等。揭示DOF公式的物理内涵，即DOF公式表述了机构DOF、拓扑结构与运动方位特征三者之间的映射关系，而机构的拓扑结构和方位特征的运动过程不变性是构建这一映射关系的理论基础。

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线变换刚体运动矩阵的群表示方法

杨朔飞, 孙涛, 黄田, 戴建生

机械工程学报. 2015, 51(13): 81-85. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.081

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研究刚体有限和瞬时运动线变换矩阵的群表示方法。利用刚体运动微分方程导出线变换瞬时运动与有限运动的指数积映射显式表达。借助群表示论研究线变换有限及瞬时运动矩阵集合与SE(3)及se(3)在运动合成方面的等价性，证明前者是后者的忠实表示，并揭示出这种表示与伴随表示间的同构关系。工作旨在将描述刚体有限和瞬时运动不同的方法统一在群表示论框架下。

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刚体两次转动姿态描述方法的内在联系

张东胜, 姚建涛, 许允斗, 段艳宾, 侯雨雷, 赵永生

机械工程学报. 2015, 51(13): 86-94. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.086

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并联机构动平台姿态描述的方法有多种，不同描述方法给机构运动学分析的难易程度带来不同的影响，所以选取合适的姿态描述方法对机构分析非常重要。并联机构的动平台可视为受约束的刚体,而描述刚体姿态的方法之间存在着内在联系，所以揭开刚体姿态不同描述方法之间的内在关联性，有助于选取合适的刚体姿态描述方法。对并联机构动平台绕两相交轴线的转动关系进行了分析，得出动平台绕某一轴线转动一定角度后其相对动平台法线的耦合转角，并得到了该角度的解析表达式；基于动平台姿态不同描述方法，得到动平台绕其平面内两相交轴依次转动后，绕动平台平面法线的耦合转角及其解析表达式。确定了动平台不同姿态描述方法的内在联系，对具有两转动自由度并联机构的姿态描述方法的选择原则进行了合理分类,该结论适用于大多数具有两转动自由度并联机构姿态描述方法的选取原则。

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平面含复铰及齿轮-连杆运动链的拓扑描述和结构自动综合

褚金奎, 邹炎火

机械工程学报. 2015, 51(13): 95-100. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.095

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平面含复铰及齿轮-连杆运动链的拓扑结构自动综合可为机构方案创新设计提供各种优选类型，是研究机构结构组成的有效方法，是构思、发明新机构的基础。研究平面含复铰和齿轮-连杆运动链的多色拓扑图描述及借助拓扑图描述实现的单开链迭加结构自动综合方法。详细地讨论平面含复铰和齿轮-连杆运动链的双色拓扑图和三色拓扑图描述，为机构的分析与综合提供良好的数学工具。借助于相应的多色拓扑图描述，给出综合相应输入参数的基于单开链迭加的平面含复铰及齿轮-连杆运动链结构自动综合方法，并给出相应的综合实例来验证该自动综合方法的有效性及可靠性。

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基于方位特征方法的范例并联机构的拓扑特征分析及其启示与应用

沈惠平, 尹洪波, 李菊, 邓嘉鸣, 刘安心

机械工程学报. 2015, 51(13): 101-115. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.101

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机构拓扑结构特征是并联机构固有的拓扑不变量，反映了机构的结构学、运动学及动力学基本特性；剖析在设计与应用上较为成功的范例并联机构的拓扑结构特征，对并联机构的研究具有借鉴和启示作用。应用基于方位特征(Position and orientation characteristic, POC)的并联机构拓扑结构设计理论与方法，对2～6-DOF的34种范例并联机构，即已推广运用的8种著名并联机构Delta、Diamond、Tricept、TriVariant、Exechon、Z3、H4、Steward以及26种具有潜在应用价值的并联机构，进行拓扑结构分析，分别给出其拓扑结构特征，并总结出共性规律。基于此，研发出5自由度混联检测平台和喷涂机器人。研究结果表明，应用基于POC的并联机构拓扑结构设计理论与方法，可较好地揭示出包括范例并联机构在内的所有机构的拓扑结构特征；而从中得到的机构设计与应用的一些共性规律，可对并联机构的理论研究、工业设计和应用提供重要参考和启示。

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平面五杆仿图仪机构

廖啟征, 许贤琳

机械工程学报. 2015, 51(13): 116-124. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.116

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经典的仿图仪有西尔维斯特仿图仪和谢伊涅尔仿图仪，西尔维斯特仿图仪有一个输入点和一个输出点，且输入和输出相互旋转一定角度；谢伊涅尔仿图仪存在一个输入点和两个输出点，虽然谢伊涅尔仿图仪比西尔维斯特仿图仪多出一个输出点，但是输入和输出必须在一条直线上，相互转角始终为0或180°。它们都是平面五杆的平行四边形机构。基于平面五杆机构的拓扑结构，结合仿图仪可以对任意的图形进行成比例放缩的特点，设计一些特殊的输入图形，以此导出仿图仪构成的必要条件。基于此提出一种新型的平面五杆仿图仪机构，并给出构件尺寸的确定方法，推广并统一了两种经典的平面仿图仪。

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地面移动Altmann连杆机构

刘超, 王皓, 姚燕安

机械工程学报. 2015, 51(13): 125-130. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.125

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提出Altmann连杆机构的一个新用途，将其用来作为地面移动机构，以翻跟斗步态实现沿直线的行走运动，并通过自身扭动与整体反转的步态实现转向运动。提出地面移动Altmann连杆机构的设计概念和构型方案。分析地面移动Altmann连杆机构的移动原理，包括利用奇异位形来实现机构的转向运动。规划出直行和转向两种移动步态。分析两种步态的移动轨迹，并计算两种移动步态的关键参数。研究结果表明，通过对直行和转向两种步态的切换控制，可以使Altmann地面移动连杆机构以固定的步长，从平面上一个初始点移动到另一个目标点。该地面移动连杆机构基于空间单闭链六杆机构，结构简单，刚度好，同时具有良好的折叠特性，便于存储和运输。

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1R1T远程运动中心机构的型综合

黄龙, 杨洋, 苏鹏, 肖晶晶

机械工程学报. 2015, 51(13): 131-136. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.131

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多自由度远程运动中心机构是微创手术机器人的关键部分之一。现有的远程运动中心机构通常采用直线运动单元实现器械沿轴线的移动，这种方式占用末端空间大，容易发生干涉。基于仿图仪机构提出一种末端紧凑型1R1T远程运动中心机构的型综合的新方法，这类1R1T远程运动中心机构可用于构造更高自由度的远程运动中心机构。依据仿图仪机构所属几何变换对其进行分类，并定义仿图仪机构之间的等价关系。通过结合两个相互等价的仿图仪机构，提出刚体运动跟踪机构的概念。在此基础上提出一种1R1T远程运动中心机构的型综合方法：通过刚体运动跟踪机构将1R1T机构中输出连杆的运动模式复制到远端，从而构成1R1T远程运动中心机构。通过该方法得到若干适合微创手术机器人的新构型。

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基于运动限定机构的可重构并联机构设计

叶伟, 郭盛, 温如凤

机械工程学报. 2015, 51(13): 137-143. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.137

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分析在特殊杆长条件下一种运动限定机构的运动特性。在不同的构型下，运动限定机构可以分别执行一个转动加一个平移运动、一个平移运动、一个转动运动。将运动限定机构与具有两个转动和两个移动运动的串联支链相结合，设计出一类具有可重构特性的混联支链。基于李群理论，得到了混联支链在不同构型下运动的群论表达式。利用三条同样的混联支链连接动平台和定平台，得到了一类新型可重构并联机构。当所有混联支链中的运动限定机构处于奇异位置时，可重构并联机构具有瞬时的6自由度。通过控制运动限定机构运行至不同的构型，可重构并联机构能切换至不同的自由度模式，可以执行四种不同特性的3自由度运动。

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2-UPR-RPU并联机构奇异分析

柴馨雪, 项济南, 李秦川

机械工程学报. 2015, 51(13): 144-151. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.144

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具有两个转动一个移动(1T2R)的三自由度并联机构是少自由度并联机构中的一个重要分支。1T2R三自由度并联机构根据两条转轴的几何关系和性质可以分为P*U*、UP，PU和RPR等四类：目前对1T2R并联机构的奇异研究主要集中于P*U*类、UP类，而对PU类和RPR类并联机构的奇异研究极少。对一种RPR类的 2-UPR-RPU并联机构进行奇异性分析。运用螺旋理论对2-UPR-RPU并联机构进行自由度分析，推导该机构的运动学反解方程，进而求出机构的雅可比矩阵。根据雅可比矩阵求出2-UPR-RPU机构的三类运动学奇异位形，分析该机构约束奇异。研究表明，2-UPR-RPU并联机构没有运动学反解奇异、运动学正解奇异和约束奇异，但是有两种混合奇异。

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平面2自由度并联机器人的解耦控制和仿真分析

陈炜楠, 刘冠峰, 林协源, 张国英, 管贻生

机械工程学报. 2015, 51(13): 152-157. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.152

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以平面2自由度并联机器人为研究对象，推导其运动学模型，在运动学模型的基础上结合欧拉-拉格朗日动力学方程推导其动力学模型，根据得到的动力学模型引入计算力矩解耦控制方法，并证明该方法在理想估计与非理想估计下，对应的李雅普诺夫函数是全局渐进稳定的，从而得到解耦控制率方程，根据控制率方程和机器人的实际结构参数搭建Simulink仿真模型，进行运动控制仿真，仿真方法有：基于传统PD控制器的计算力矩解耦控制仿真方法和基于自适应模糊控制器的计算力矩解耦控制仿真方法，仿真输出机器人跟踪给定运动轨迹的效果图和误差图。仿真结果表明，无论是在理想或非理想状态下，计算力矩解耦控制方法确实可以使控制系统趋于稳定，且跟踪误差小，通过比较可知，基于自适应模糊控制器的计算力矩解耦控制方法的效果更佳。

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并联式下肢康复外骨骼运动学及工作空间分析

陈伟海, 徐颖俊, 王建华, 张建斌

机械工程学报. 2015, 51(13): 158-166. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.158

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针对下肢瘫痪病人，设计一种新型的平面三自由度并联式下肢外骨骼机构进行研究，运用指数积公式对该机构的位置正反解进行研究分析，同时对该机构的雅可比矩阵和运动奇异性进行分析。以工作空间最大为目标函数，分析影响并联机构工作空间的主要因素，如连杆长度、运动副转角、人体关节角度等对工作空间的约束。采用边界搜索法确定工作空间边界，计算出相应形状的工作空间面积，分析各机构参数对工作空间的影响。在运动学分析的基础上，以满足人体正常行走时髋关节和膝关节运动范围要求，以提高机构运动学性能为目标，进行结构参数优化设计。初步分析结果表明，对机构参数进行优化，能提高运动学性能指标，该机构能够用于下肢瘫痪病人进行康复训练，为进一步并联机构的设计研究奠定了基础。

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一种多功能小行星采样器的设计

李京霖,丁希仑, 张文明, 褚成成, 王康

机械工程学报. 2015, 51(13): 167-175. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.167

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对距离地球较远的小行星表面进行松散土壤和岩石的采样任务时，需要采集不同深度的土壤样品并就地进行分析，并将有价值的数据传回地球。为此研究一种多功能采样器，进行钻进机构、取样机构和密封加热机构等关键组成部分的设计，能实现土壤和岩石样品的采样、体积测量和加热任务。由于钻进过程中，钻杆的约束条件发生变化，为分析钻杆的稳定性，建立动态压杆稳定模型，计算钻杆稳定的临界载荷；考虑钻孔深度变化、钻杆导向约束等不断变化的条件，分析钻杆振动频率的变化规律，利用ANSYS软件仿真，得到了钻杆随钻进深度变化的一阶固有频率区间。对耦合的密封力和加热开关接触力进行计算，得到了满足要求的可靠驱动扭矩。通过原理样机的制作与试验，验证了多功能采样器的设计合理性，达到了质量轻、功耗小、功能多、采样量大的效果。

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微纳操作机构接触面预滑动特性试验研究

张云志,张宪民,魏骏杨

机械工程学报. 2015, 51(13): 176-182. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.176

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对于微纳米级定位机构而言，机构间由于摩擦力导致的黏滞现象严重影响着机构的驱动效率和定位精度。合理描述机构接触面微观形貌是研究摩擦力特性的重要方法，在对比LuGre模型、弹塑性模型、Maxwell-slip模型以及GMS(Generalized Maxwell-slip)模型的基础上，选用GMS模型描述机构接触面微观形貌。通过对微纳米定位机构在预滑动阶段接触面微观变形状态进行试验研究，发现机构接触面间存在纯弹性变形，且最大弹性变形量与机构接触面正压力正相关。对比分析接触面间摩擦力数值与接触面相对位移大小，发现二者在特定区间内存在线性关系，且线性区间大小与接触面正压力相关。研究内容对预滑动阶段机构接触面微观形貌、微元体形变及摩擦力特性的研究具有一定参考价值。

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一种用于狭小操作空间的柔性可回程扳手

马付雷, 刘小院, 陈贵敏

机械工程学报. 2015, 51(13): 183-188. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.183

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棘轮扳手因其可回程特性能够实现连续的装配操作，但其扳手头内部结构复杂且体积较大，难以在狭小空间内进行装配操作，因此提出一种用于狭小操作空间的新型柔性可回程扳手。通过在扳手中引入开口和柔性铰链，并在几何轮廓分析的基础上确定了开口与柔性铰链位置。运用回程过程中相对转动过程的几何约束关系以及旋紧过程中最大旋紧力矩给出柔性铰链及扳手头的关键尺寸的确定准则，实现了类似棘轮扳手的可回程功能，从而使柔性扳手在装配中可以实现连续操作，提高工作效率。柔性扳手结构简单，免于装配，降低了制作成本。进行柔性扳手的样机制作和螺纹紧固件的装配试验，验证了设计的可行性。

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广义三交叉簧片柔性轴承的旋转刚度特性研究

杨其资, 刘浪, 毕树生, 赵宏哲

机械工程学报. 2015, 51(13): 189-195. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.189

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广义三交叉簧片柔性轴承(Generalized triple-cross-spring flexure pivots, GTCSFP)具有较大运动行程和较高精度特性，综合性能优良，可广泛应用于各类精密仪器。在小角度近似和无轴漂假设的前提下，利用梁约束模型应变能理论，建立GTCSFP的旋转刚度解析模型，并给出模型的适用范围和误差估算方法。模型分析结果表明：① 当簧片交叉点位置参数λ=0.127 3时，扭矩与转角呈线性关系；② 扭矩m和切向力f对柔性轴承具有驱动作用，径向力p会影响柔性轴承的旋转刚度；③ 在给定的适用范围内，特别是当λ∈[0.1, 0.2]时，刚度模型准确性较高。GTCSFP的非线性有限元分析结果验证了旋转刚度模型及其分析结论的准确性。对实际加工的GTCSFP进行试验测试，试验结果与有限元分析和刚度模型的结果基本一致，模型准确性得到试验验证。所建立的GTCSFP旋转刚度模型，对其参数设计和优化具有指导意义和参考价值。

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仿生蝗虫机构着陆缓冲过程中的能量分配

陈殿生, 张自强, 陈科位

机械工程学报. 2015, 51(13): 196-202. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.196

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着陆缓冲是仿生蝗虫跳跃机器人研究的重要问题之一，由于蝗虫的前腿、中腿和后腿尺寸不同，因此对缓冲过程中每条腿能量的分配直接影响到机器人受到地面冲击力和腿部肌肉力的大小，从而影响缓冲性能。在对蝗虫形态及着陆过程进行试验观测的基础上，采用弹簧等效代替蝗虫腿部肌肉，建立仿生蝗虫机构模型，并通过对机构进行受力分析，求得地面对机构各条腿支撑力与弹簧刚度系数之间的函数关系式。基于地面支撑力、腿部弹簧力以及每条腿的抗冲击能力的不同，提出了使得力的变化平缓、无冲击载荷的能量分配原则，根据该原则可求得各条腿的弹簧刚度系数。从算例中可以看出，此时仿生蝗虫机构所受到的地面支撑力和腿部弹簧力与不同着陆腿的抗冲击能力相吻合，且力的变化趋势平稳，可实现较好的缓冲效果。分析结果表明了分配方法的可行性，这为仿生蝗虫机构设计时腿部弹簧的选型提供了依据。

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平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制

余跃庆, 梁浩, 张卓

机械工程学报. 2015, 51(13): 203-211. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.203

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基于模糊控制理论，研究水平运动的4自由度欠驱动机器人位置和姿态控制问题。平面4自由度欠驱动机器人是具有冗余度和欠驱动双重特征的复杂二阶非完整系统，利用主动关节和被动关节加速度之间的耦合作用控制被动关节的运动，同时实现机械臂末端的轨迹跟踪和末杆的姿态控制。根据分层控制思想，提出双模态模糊PID复合控制算法，针对两个子任务分别设计控制器。通过Matlab和ADAMS的联合仿真验证算法的有效性，在基于可编程多轴运动控制卡的试验台上实现平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制试验。仿真和试验结果表明，所设计的模糊PID复合控制器对平面4自由度欠驱动机器人末杆的位置和姿态控制是可行、有效的。

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面向任务的力觉交互设备设计

张玉茹, 李朝斌, 王党校, 宋健, 吕培军, 王勇

机械工程学报. 2015, 51(13): 212-217. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.212

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力觉交互是提高手术仿真培训系统逼真度的有效途径之一，如何设计出满足系统性能要求的力觉交互设备对手术仿真系统的开发至关重要。从设计案例出发，讨论了面向任务的力觉交互设备设计方法。先分析牙科手术模拟器对力觉交互设备的性能需求，发现现有商用力觉交互设备不能满足牙科手术仿真对高刚度和大转动工作空间的要求，因而提出一种新型6自由度力觉交互设备的机构方案，采用并联3-RRC机构与串联3R机构的组合，达到了兼顾高刚度和大转动工作空间的目的。物理样机试验表明该设备的工作空间、最大输出力和虚拟刚度等指标均达到设计要求。

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双径向轴承安装三叉杆滑块式万向联轴器机构的运动分析

常德功, 李松梅

机械工程学报. 2015, 51(13): 218-226. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.218

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建立三叉杆滑块式万向联轴器机构输出轴采用双径向轴承安装时的系统坐标系，应用空间机构坐标变换技术建立输入轴与输出轴的关系方程，推导出当输入输出轴存在偏转角运动时输出轴的运动方程。通过数值分析法绘制第一个滑块沿三叉杆方向及沿导向槽方向的相对运动关系曲线，并将实体模型导入ADAMS中进行运动仿真验证。结果表明，安装双径向轴承时联轴器机构具有等角速传动特性，输出轴的运动轨迹为圆柱运动且其旋转半径只与输入、输出轴两轴线的偏转角和导向槽中心线至输入轴中心线的距离有关；在一个旋转周期中滑块对三叉杆的相对位移、相对速度和相对加速度均相似于正弦曲线且沿三叉杆做两倍频于输入轴的往复运动；滑块对导向槽的往复运动与输入轴同频率，其相对位移、相对速度均类似于正弦曲线，但相对加速度曲线明显偏离标准的正弦曲线；运动仿真实例验证了理论分析中建立数学模型和数值分析的正确性。

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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

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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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小子样下机构系统磨损仿真可靠性研究

李文丽, 原大宁, 刘宏昭, 张涛

机械工程学报. 2015, 51(13): 235-244. https://doi.org/10.3901/JME.2015.13.235

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可视化

针对断路器机构系统具有磨损试验小子样、失效阈值不固定、试验成本高的特点，通过模拟仿真试验法、小子样数据处理法、随机性理论，对某大容量发电机断路器传动机构的磨损可靠性进行研究。在考虑运动副非规则磨损对断路器传动机构系统性能退化的影响及制造误差的基础上，基于Archard 磨损模型对运动副不同接触点的磨损量进行计算，利用ADAMS仿真软件获得了该传动机构危险关节运动副服从正态分布的初始间隙量下的磨损数据。采用小子样的虚拟增广法和Boot-strap法对获得的磨损数据进行扩展，根据该机构系统磨损退化量分布规律分别得到扩展前后的可靠度函数曲线，对比结果表明对该样本进行小子样的扩展是必要的。利用扩展数据分别得到固定失效阈值、随机失效阈值下的可靠度曲线，结果表明断路器传动机构磨损随机失效阈值下的可靠度较固定阈值更接近生产实际。研究表明复杂的磨损过程可通过仿真试验预测其可靠性，从而避免了传统的必须依赖试验的研究方法，具有一定的应用价值。

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2015年, 第51卷, 第13期　
刊出日期：2015-07-05

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