2015年, 第51卷, 第5期　
刊出日期：2015-03-05

  

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机构学及机器人
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  载人月球车等效侧倾刚度和阻尼计算方法

  梁忠超, 高海波, 闫冰, 刘振, 丁亮, 邓宗全, 曲建俊

  机械工程学报. 2015, 51(5): 1-13. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.001

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  载人月球车是月面探测必不可少的探测工具，以载人月球车为主的月面活动技术是载人探月及建立月球基地的关键技术。载人月球车移动系统作为承载平台不仅要承担一定的重量，还要保证宇航员在行驶中安全，需要研究其操纵稳定性，而在进行其操纵动力学建模时，等效侧倾刚度和阻尼取值的准确性直接影响其侧翻安全性计算的准确性。在通过对双横臂扭杆悬架结构的载人月球车瞬时侧倾刚度和阻尼进行数学建模时，发现其随车身的侧倾运动发生变化，而不为定值；当采用整个侧倾运动过程中的能量等效的方法，得到的等效侧倾刚度随车身的侧倾运动变化较小，接近定值。因此对不同的等效侧倾刚度与阻尼的取值方法下操纵动力学方程的计算结果与载人月球车的操纵动力学仿真结果进行对比与分析，得到较为精确的等效侧倾刚度和阻尼的取值方法，为载人月球车的操纵动力学和侧翻安全性的研究奠定基础。
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  操作机器人轴孔装配的行为动力学控制策略

  魏明明, 傅卫平, 蒋家婷, 杨世强, 王雯

  机械工程学报. 2015, 51(5): 14-21. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.014

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  将移动机器人行为动力学理论扩展到操作机器人三维空间，并应用到机器人轴孔装配中。把轴孔装配过程分为趋向装配目标阶段和装配阶段。在趋向装配目标阶段，分别建立趋向装配目标点和避障的行为动力学模型，并将两种行为耦合构成机器人整体的竞争动力学模型；在装配阶段，建立末端执行器姿态调整动力学模型，并推导了侧向误差计算公式；在整个装配过程，利用宏/微平台和视觉/力觉伺服，对轴进行位姿调整，使其满足装配条件。仿真和试验结果表明：在行为动力学方程的控制下，末端执行器在避开障碍物的同时，安全有效地到达装配目标点，顺利完成轴孔装配，证明方法的有效性。
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  双套索系统力矩传动特性与摩擦补偿分析

  吴青聪, 王兴松, 杜峰坡, 陈林

  机械工程学报. 2015, 51(5): 22-29. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.022

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  双套索驱动系统因其简单、灵巧以及远距传动的特点被广泛应用于手术机器人以及搜救机器人设计中。由于套索接触面间的摩擦力以及绳索的柔性所产生的非线性特性是这类机器人控制的主要难题。针对现有双套索传动模型只适用于弹性负载，具有明显的局限性的问题，推导任意负载条件下的双套索力矩传动模型。建立双套索传动特性试验平台，通过试验对力矩传动模型进行验证，并讨论双套索力矩传动效率的影响因素。分析系统松弛现象并计算避免松弛所需的最小预紧力。基于力矩传动模型设计一种无末端反馈的摩擦补偿控制器，使系统的输出能跟随期望的力矩轨迹，并通过试验验证该方案的有效性。针对力矩传动特性的研究，为双套索传动机器人的力矩控制提供了理论基础。
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  整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化设计

  朱大昌, 冯文结, 安梓铭

  机械工程学报. 2015, 51(5): 30-36. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.030

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  基于平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构的微分运动学矢量连续映射关系，建立整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化模型-固体各向同性材料插值(Solid isotropic material with penalization, SIMP)模型，运用优化准则(Optimization criterion, OC)算法对所建立模型求解，采用Heaviside过滤技术处理优化过程中棋盘格和网格依赖问题。基于曲线拟合方法对优化后整体构型轮廓进行拟合，在SolidWorks软件中建立其三维模型，进而应用有限元软件进行静力学仿真分析与对比，结果表明：以微分运动学矢量连续映射关系为拓扑优化设计条件，所得出的平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构具有相同的微分运动特性，定性验证了基于拓扑方法对平面全柔顺并联机构设计的有效性。
机械动力学
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  高速滚珠关节轴承的动力学特性分析

  卓耀彬, 周晓军

  机械工程学报. 2015, 51(5): 37-46. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.037

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  应用外圈滚道控制理论，考虑滚珠陀螺力矩和离心力的影响，分析高速滚珠关节轴承的整体受力平衡、结构尺寸关系、接触点的综合曲率、接触角的变化、弹性变形关系、滚珠的自转和公转、滚珠受力平衡等因素，建立滚珠关节轴承在联合载荷及高速旋转工况下的动力学平衡方程。对动力学平衡方程的求解方法进行分析，得到未知变量可行域的变化规律，建立优化目标方程，提出基于复合形法约束处理遗传算法的优化方程求解方法及步骤。以高速滚珠关节轴承BRF30为例，建立其动力学平衡方程并求解，得到内、外圈相对位移、轴承刚度、接触角、接触角分布、负荷分布、滚旋比等轴承状态量的变化规律。研究内容为此类关节轴承的结构尺寸和工作性能参数的标准化、当量载荷及工作寿命的计算和优化设计等提供理论 基础。
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  考虑多源信息耦合的高速涡轮泵转子动力学公理化设计方法

  张国渊, 赵伟刚, 闫秀天, 卫军朝, 陈垚

  机械工程学报. 2015, 51(5): 47-55. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.047

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  强耦合轴承、密封、平衡盘等部件的高速涡轮泵转子在设计过程需要处理不同领域的信息，如摩擦学、动力学、流体力学等学科的信息。为实现对这些多源信息的解耦和知识融合，提出基于公理设计的高速涡轮泵设计方法。该方法实现了对高速涡轮泵动力学设计的四层次功能需求域(Functional requirements, FRs)分解及其设计参数域(Design paramenters, DPs)映射，将14个DPs集成在5个物理部件(轴承、端面密封、推力轴承、平衡盘、转子)中，并由此发展了14×14的公理设计矩阵；由此矩阵获得了基于多源信息耦合的涡轮泵转子动力学设计顺序的流程图；对在该设计方法的指导中完成了对某涡轮泵转子的动力学设计，并对设计结果进行了评估。结果显示提出的基于公理设计方法优化了高速涡轮泵动力学设计过程和结果。
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  五自由度全永磁轴承系统的稳定悬浮特性分析

  张钢, 孟庆涛, 钟永彦, 张坚, 张海龙, 樊曼

  机械工程学报. 2015, 51(5): 56-63. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.056

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  为探讨永磁悬浮轴承系统的稳定悬浮特性，从轴承刚度角度对五自由度全永磁轴承系统的稳定悬浮特性进行了分析。采用等效磁荷理论建立永磁轴承的承载力、承载力矩和刚度的数学表达式，并利用蒙特卡洛法对表达式中存在的四重积分进行求解。探究转子在受迫进动情况下以及受到外力矩干扰时继续保持稳定旋转所需要的最低临界转速。基于轴向永磁轴承与径向永磁轴承的结构，提出一种六磁环五自由度全永磁轴承系统结构模型，对全永磁轴承的转子系统承受轴向和径向外载荷的承载力、力矩和承载刚度进行分析，得出轴向可以承受外载荷而径向无法承受外载荷，即静态下轴向可以稳定悬浮、径向不能稳定悬浮，符合Earnshaw定理。利用刚性转子的陀螺惯性力矩来承受全永磁轴承系统的不平衡力矩和外力矩，从而保持转子定轴自稳定悬浮，并对系统稳定悬浮特性进行计算，结果表明转子在超过最低临界转速后是可以实现动态稳定悬浮的，具有一定的工程应用价值。
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  航空弧齿锥齿轮接触印痕高度的一种控制方法

  江平, 刘光磊, 张瑞庭, 鲁锐

  机械工程学报. 2015, 51(5): 64-70. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.064

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  为了降低弧齿锥齿轮副的振动与噪声，提升接触齿面的承载能力，从可制造角度出发，提出基于传动误差曲线优化的弧齿锥齿轮接触印痕高度的设计方法。依据给定齿面参考点处的啮合性能，采用局部综合法设计小轮加工参数。进行轮齿接触分析，以轮齿接触分析得到的传动误差曲线与预置的对称型传动误差曲线之差作为优化目标函数，建立了弧齿锥齿轮接触印痕高度的一种控制方法，对传动误差曲线进行优化。量化地分析优化后传动误差曲线的交点与齿面接触印痕高度间的关系。以某型航空弧齿锥齿轮副为对象，采用上述方法获得了齿面接触印痕的高度值。研究发现，传动误差曲线的弯曲程度与齿面接触印痕高度之间呈现负相关。当传动误差曲线的二阶导数在0.01～0.10范围变动时，小轮和大轮齿面接触印痕高度对应的变化范围分别是2.035～1.812 mm和1.969～1.724 mm，相对变动量分别达10.96%和12.44%。所提出的方法有助于设计可制造的齿面接触印痕高度。
摩擦学
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  水油介质下研磨子对轮轨增黏与损伤影响

  王文健, 郭火明, 刘启跃, 朱旻昊

  机械工程学报. 2015, 51(5): 71-75. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.071

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  利用滚动磨损试验机开展轮轨黏着试验，研究水油介质下研磨子对轮轨增黏与损伤行为的影响。结果表明：水油介质下研磨子具有明显轮轨增黏作用，其增黏效果随施加压力的增加而增大，相同压力作用时油介质下研磨子的轮轨增黏效果更佳；水油介质下施加研磨子会加重轮轨试样的磨损，随压力增加轮轨试样磨损量呈增加趋势；水油介质下研磨子对轮轨试样表面损伤具有较大影响作用，增加压力会加重轮轨试样的表面损伤和塑性流动；随施加压力增加，水介质下轮轨试样损伤从轻微磨损向明显的表面剥离损伤转变，油介质下轮轨试样损伤从轻微点蚀转变为明显的表面疲劳损伤。
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  纳米间隙润滑剂季戊四醇四酯的压缩性能分子动力学模拟

  潘伶, 高诚辉

  机械工程学报. 2015, 51(5): 76-82. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.076

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  季戊四醇四酯(Pentaerythritol tetra (2-ethylhexanoate), PETE)是良好的环境友好润滑剂。采用聚合物一致性力场(PCFF)，分别在2种温度、3种初始油膜厚度和8种压力下对纳米间隙中PETE的压缩性能进行分子动力学模拟，研究润滑剂分子和密度的分布规律，并与经典宏观压缩试验得出的Tait方程计算值进行比较。结果表明，随着初始油膜厚度的增加，分子动力学模拟结果越接近Tait方程计算值，当初始油膜厚度为9.17 nm时，相对误差小于5%。在压缩过程中，油膜厚度和润滑剂的可压缩性能随着压力的增大而减小。对于不同初始油膜厚度的油膜，其压缩性能相近。由于PETE的分子结构中有较多且较长的支链，各方向尺度没有太大差异，受压缩后，除了接近固体壁面处有润滑剂原子聚集，其他地方不存在分层现象，且润滑剂与固体壁面之间不存在明显的空隙。
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  假肢材料与人体下肢皮肤界面的摩擦特性

  徐萍, 石磊, 庞强, 李炜

  机械工程学报. 2015, 51(5): 83-89. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.083

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  采用UMT-II多功能摩擦磨损试验机，在往复摩擦模式下模拟假肢接收腔/残肢皮肤界面，研究了4种不同表面结构的硅胶内衬套材料与皮肤的摩擦学行为。结果表明：硅胶材料/皮肤界面、接收腔/硅胶材料界面在往复摩擦模式初期均会产生相对滑动，摩擦因数较大；随着界面间产生黏着，摩擦因数减小，逐渐趋于稳态。硅胶材料反面上的粗大微凸体，增加了与皮肤的粘结性，摩擦能耗减少；正面上的针织结构不但增加了往复摩擦过程中与接受腔之间的相对滑动量及摩擦能耗，而且减少了其反面与皮肤往复摩擦过程中皮肤协调位移时的变形，从而降低了与皮肤之间的摩擦因数和能量损耗，因此，有利于降低皮肤摩擦损伤的风险，提高残肢患者穿戴舒适性。
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  计及弹塑性及硬度随表面深度变化的结合部单次加载模型

  田红亮, 钟先友, 赵春华, 赵新泽, 方子帆, 刘芙蓉, 朱大林, 林卫共, 晏红

  机械工程学报. 2015, 51(5): 90-104. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.090

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  基于分形几何学理论和传统统计接触力学理论的无缝连接，考虑微凸体由弹性变形向弹塑性变形以致最终向塑性流动转化的过程，架构结合部单次加载模型。在此基础上，应用带一个随机相位的Weierstrass-Mandelbrot函数构建粗糙表面的微观几何学形貌。数值仿真曲线图显示，法向总接触载荷随着实际接触面积的增加而微凸弧式增加，在相同实际接触面积下，法向总接触载荷随着分形粗糙度的加大而变大；实际弹塑性接触面积占实际接触面积的百分率随着实际接触面积的增加而凹弧式减小；法向弹塑性接触载荷占法向总接触载荷的比例随着实际接触面积的增加而凹弧式减小，随着分形粗糙度的减小而变小；法向总接触载荷随着分形维数的加大经历首先增加然后减小，随后再增加最后再减小的2次循环过程；随着分形维数的增加，法向弹塑性接触载荷占法向总接触载荷的百分比先减小后增加；实际弹塑性接触面积占实际接触面积的比值随着分形维数的变大先减小后增加；忽略弹塑性变形的CEB模型会导致预测的法向接触力大于弹塑性模型，CEB模型法向接触力与弹塑性模型的相对误差为4.798%～56.58%。结合部单次加载模型可为粗糙表面弹塑性接触的精确求解提供一定的理论 基础。
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  球-平板微动接触的安定和磨损行为研究

  吴爱中, 钱洪, 符栋良

  机械工程学报. 2015, 51(5): 105-113. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.105

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  针对弹塑性球形接触由黏结变微滑进而发生整体滑动的摩擦力学过程，引入一种基于有限元的黏滑分析方法。在此基础上，建立了弹塑性半球与刚性平板微动接触的有限元模型，特别是在输入模型参数中嵌入了材料延性断裂的判据。不考虑材料断裂的分析结果表明，切向力控制的周期重复加载导致接触体弹性安定，而位移控制的重复加载引起塑性安定。采用单元删除法研究了接触面材料因塑性累积造成的疲劳断裂，模拟了微动磨损等复杂接触现象。
数字化设计与制造
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  等几何分析研究概述

  吴紫俊, 黄正东, 左兵权, 刘清华, 殷小亮

  机械工程学报. 2015, 51(5): 114-129. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.114

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  提出等几何分析(Isogeometric analysis, IGA)是一种新的物理场数值求解方法，它可实现CAE数值分析与CAD建模工具的集成，给出一条使设计、分析和优化紧密结合的新途径。以等几何分析方法的计算框架为基础，详细介绍等几何分析方法中样条几何模型的描述方式和建模方法；并以NURBS为例，阐述了IGA中的分析模型的参数化表示以及网格模型的细化方法；结合现有的经典有限元的分析过程，简单介绍IGA的离散方法、边界条件和积分方法；系统总结等几何分析在热、流体、接触和优化方面的应用，并给出了一个简单的二维问题的IGA求解实例。
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  基于模糊关联的复杂产品模块化设计方法及其应用

  郏维强, 刘振宇, 刘达新, 龚勋, 谭建荣

  机械工程学报. 2015, 51(5): 130-142. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.130

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  复杂产品的模块化设计在很大程度上依赖于其零件间关联关系的确定。但是依赖知识与经验的零件间关联评价信息往往存在诸多不确定性，在以往的模块化设计方法中很少被涉及。为了解决这一问题，提出了基于模糊关联分析与求解的复杂产品模块化设计方法。发展了一种模糊证据推理算法用于对零件间的异构多准则关联关系进行融合，从而有效处理了零件间关联关系确定过程中准则多、信息存在模糊与缺失的问题，实现了零件间综合关联关系的量化。以此为基础，构建了以模块内平均模糊聚合度高、模块间平均模糊耦合度低为驱动目标的数学规划模型。将模糊非支配机制引入粒子群算法，发展了一种基于模糊非支配解的多目标离散粒子群算法，对构建的复杂产品模块化数学规划模型进行求解。采用模糊逼近理想解排序法对所求得的模糊非支配解进行优选，从而获得最优的模块化设计方案。结果表明，所提出的方法能够有效处理复杂产品模块化设计过程中不确定信息的转化与传递。以柱塞泵的模块化设计为例进行数值仿真，验证了该方法的可行性与有效性。
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  多色套准系统前馈自抗扰控制器设计

  刘善慧, 梅雪松, 李健, 何奎, 文庆

  机械工程学报. 2015, 51(5): 143-150. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.143

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  针对无轴传动凹印机对多色套准控制系统高精度和高稳定性的要求，提出了一种基于自抗扰控制(Active disturbance rejection control, ADRC)技术设计前馈控制器的方法。根据套准系统的工作机理，建立了多色套准系统的非线性耦合数学模型，并利用一阶泰勒公式对其进行了线性化。为了满足高速、高精度套准控制的要求，以建立的四色套准系统线性模型为基础，利用前馈和ADRC控制技术设计了套准系统前馈ADRC控制器，一方面采用前馈控制对各套准误差的已知干扰进行前馈补偿，另一方面采用ADRC对套准系统输入进行调节并对未知干扰进行主动估计和补偿。仿真结果表明，所设计的多色套准系统控制器有效地抑制了各种干扰对套准误差的影响，实现了高精度套准控制，具有比PID控制器更好的控制性能。
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  一种优化轨迹段间衔接速度的自适应前瞻控制

  潘海鸿, 杨增启, 陈琳, 董海涛, 黄炳琼, 谭华卿

  机械工程学报. 2015, 51(5): 151-159. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.151

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  为实现数控系统中轨迹段的高速高精加工，提出一种优化轨迹段间衔接速度的自适应前瞻控制算法。在传统轨迹段间速度衔接模型的基础上，该前瞻算法增加了非对称S曲线加减速控制的轨迹长度约束，并根据相邻两段轨迹的长度变化，自适应规划出轨迹段间的最优衔接速度。通过自主开发的x-y数控系统平台进行验证，综合加工性能试验的加工精度可以达到0.6 mm，加工效率提高9.8%。结果表明所提出的自适应前瞻算法可避免回溯计算转接点速度时计算量显著增加这一问题，并在加工过程中减少大量微小轨迹段的进给轴频繁启停，从而使相邻轨迹段间衔接速度平滑性、加工效率和加工精度方面相对于传统前瞻算法都有明显提高。
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  大数据环境下的纺织制造执行系统设计

  邵景峰,贺兴时,王进富, 白晓波, 雷霞, 刘聪颖

  机械工程学报. 2015, 51(5): 160-170. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.160

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  为解决纺织制造过程中的系统集成与数据管理问题，依据纺织制造过程工艺流程，对各工序产生的海量数据进行分析，对计划层与车间制造层之间信息无法衔接的问题进行研究。在原有系统数据，以及文本类型的原料、传感器，纱疵检测图像数据的基础上，构架了一种基于Hadoop的三层纺织大数据存储体系。利用D-S证据、增量聚类理论方法，对多源纺织数据融合技术难点进行设计，并提出了相应的算法与模型，进而对系统功能进行设计与实现。通过测试，结果表明该系统通过数据间的相关性实现了计划层与制造层之间信息的有效衔接，解决了信息“孤岛”问题，并为大数据环境下织物质量的实时在线检测提供新方法。
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  基于不确定性测度的再制造曲轴平衡性控制方法

  刘长义, 刘明周, 刘从虎, 温海骏

  机械工程学报. 2015, 51(5): 171-177. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.171

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  再制造发动机平衡性是影响再制造发动机使用性能的重要因素之一。分析影响再制造发动机曲轴平衡性的关键因素，探究曲轴主轴颈径向跳动、直径、圆柱度及曲轴端面跳动、弯曲度等因素不确定性的内涵；考虑各个因素测量值的离散程度及测量值与理想值的偏差程度，构建因素不确定性定量化测度模型；在以上研究基础上，提出基于改进BP神经网络(BPNN)的发动机曲轴再制造平衡性质量控制方法，其中，网络模型采用梯度下降法对输入层到隐层之间的权值和阈值进行调整，采用支持向量机调整隐层到输出层之间的权值和阈值；通过某企业再制造曲轴的质量数据表明，方法能够有效提高再制造曲轴平衡性合格率，降低曲轴加工废品率，应用实例验证了提出方法的可行性和有效性。
制造工艺与装备
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  复杂曲面零件超精密加工方法的研究进展

  李敏, 袁巨龙, 吴喆, 吕冰海, 孙磊, 赵萍

  机械工程学报. 2015, 51(5): 178-191. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.178

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  超精密加工技术是降低工件表面粗糙度、去除损伤层，获得高形状精度、表面精度和表面完整性的终加工手段。复杂曲面零件的广泛应用和精度要求的不断提高，取决于复杂曲面零件的超精密加工技术。概述了复杂曲面零件的超精密成形加工、超精密抛光等加工方法，分析各种典型加工方法和材料去除机理，从加工精度、工具与曲面吻合度、加工效率与成本、环境友好性等方面对几种复杂曲面超精密加工方法进行比较。对复杂曲面零件超精密加工技术的发展趋势进行预测。
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  基于残留高度设计的模具加工用新型圆角端铣刀

  刘献礼, 姜志鹏, 李茂月, 丁云鹏, 王广越, 刘立佳

  机械工程学报. 2015, 51(5): 192-204. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.192

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  针对工厂实际加工编程时用常规圆角端铣刀进行大切深加工造成的加工后表面残留高度大且不均，在初次荒加工后需要建立残留模型进行二次荒加工的情况，对常规圆角端铣刀的R角刃形进行优化设计，设计出一种有效降低被加工工件表面残留高度的大切深高效铣削刀具。建立该新型圆角端铣刀以及常规圆角端铣刀的水平切削行距与表面残留高度的数学模型。模型参数分析表明，该新型圆角端铣刀具有良好的切削效果。对新型圆角端铣刀及常规圆角端铣刀的切削仿真表明，前者的加工效率最高可提高2.4倍。对设计的刀具进行磨制，实际加工实验表明，相比于常规圆角端铣刀，应用该新型圆角端铣刀可降低表面残留高度1.96倍。
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  新型后混合式磨料水射流系统的研制

  张成光, 张勇, 张飞虎, 栾殿荣

  机械工程学报. 2015, 51(5): 205-212. https://doi.org/10.3901/JME.2015.05.205

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  提出一种新型后混合式磨料水射流系统，是对传统后混合式磨料水射流系统的重大改进和发明。采用ANSYS Fluent对所提出的新型喷射系统进行了流场仿真，分析两个磨料入口都与大气相通和一个磨料入口与大气相通、一个磨料入口与浆体溶液相连，对这两种方式喷射系统流场进行了对比分析，并通过相应的试验验证了其流场仿真的正确性，为新型后混合式磨料水射流系统的研制提供了理论基础。然后，研制出了新型后混合式磨料水射流系统，该磨料水射流系统由供压系统、喷射系统、搅拌与输送系统组成，并进行了浆体溶液输入量测试和磨料混合效果测试，试验测试表明，该磨料水射流系统效果好、磨料混合均匀、能够实现磨料浓度的任意调节和精确控制。因此，该新型后混合式磨料水射流系统优于传统的后混合式磨料水射流系统，必将促进后混合式磨料水射流系统的更加广泛的应用。