机械工程学报

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丁良宏

机械工程学报. 2015, 51(7): 1-23. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.001

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对BigDog四足机器人的核心技术进行分析，适应复杂地形是BigDog的设计主线。提高横、纵自由度联动能力是BigDog结构设计主要突破点。机体重心颠簸起伏、机体重心自扰动等不良运动特性是四足机器人控制难度大的主要原因。液压动力系统的构成和优点将被剖析，解决腿类移动装置的驱动问题是液压系统研发的根本目的。支撑腿打滑及俯仰和横滚角度是否过大作为监测机体运动安全状态的参数。惯导和关节编码器可检测机身与肢体的状态，借助压力传感器可还原落足点地形，三者合一可构建虚拟模型。借助虚拟模型可求算机体重心等关键控制处理中间参数，运动控制系统可实施粗略的动作预演及精确的运动学和动力学规划。规划模型与样机模型的偏差作为反馈值实施闭环控制。建立以三维激光扫描仪和双目视觉为主的导航系统，视觉地形还原功能可帮助LS3安全跨越岩石地形，软件系统将各种基本功能整合为有机的整体。机器人的自主性与智能性被讨论，利用BigDog/LS3与好奇号火星探测器作对比并加以分析。BigDog目前存在的几个主要问题：液压系统无法瞬时大幅增压、机械传动各种损伤、仿生设计的不彻底性。LS3机器人针对BigDog的不足，多个改进环节被分析。猎豹、野猫、Petman等机器人被简要分析。阿特拉斯双足机器人借助虚拟模型可实现机械臂碰撞保护功能，遭受外力撞击可迅速恢复平衡状态。

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支链末端特征的轴线迁移定理与应用

郭令郭为忠高峰

机械工程学报. 2015, 51(7): 24-29. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.024

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构型设计是机器人创新设计的重要阶段，考虑机构特性建立逻辑运算法则、从运动合成角度建立并联机器人构型设计方法，比较符合基于逻辑推理和形象思维、从无到有根据设计任务构造方案的设计需要。鉴于并联机器人的支链结构决定了末端转动特征的迁移能力，提出支链末端特征的实轴迁移定理和虚轴迁移定理。实轴迁移定理指支链末端的转动特征决定于支链中转动铰链的轴线位置，该转动特征沿移动特征方向具有迁移能力；虚轴迁移定理指支链末端的转动特征在与之垂直的末端移动特征平面上具有平行迁移能力，分6种不同情况采用虚设转动副法分别利用自由度分析加以证明。利用轴线迁移定理分析了两种新机构的末端转动特征。

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一种新型并联变胞机构的设计与分析

吴腾张武翔丁希仑

机械工程学报. 2015, 51(7): 30-37. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.030

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3-UPU并联机构的动静平台虎克铰关节轴线在满足不同的几何约束条件下可分别具有平动和转动的输出特性。根据变胞机构理论中改变运动副方位特征实现构态变换的原理，设计一种3-UPU并联机构构态转换实现机构。此机构由结构相同的上下两部分运动链组成，通过改变其连接关系可实现3-UPU并联机构动静平台虎克铰轴线在平行和汇交之间变化，达到改变其运动输出的目的，从而形成一种新型并联变胞机构。由于变胞机构具有多组耦合关系，合适的构态转换位置是影响后续构态机构工作性能的重要因素，应用螺旋理论分别进行其各构态机构的自由度分析，并以机构工作空间为例分析构态转换位置点对其工作性能的影响。

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一种6自由度混联机器人静刚度分析

窦永磊汪满新王攀峰黄田

机械工程学报. 2015, 51(7): 38-44. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.038

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针对焊接、切割、打磨、抛光等轻型加工需求，提出一种由面对称3-UPU并联机构及3自由度转头组成的6自由度混联机器人，侧重研究其中并联机构刚度的半解析建模与全域快速预估问题。从分析系统的力旋量系和变形协调条件入手，构造出计及所有支链构件及铰链弹性贡献的半解析静刚度模型。通过算例揭示整机静刚度在任务空间中随位形的变化规律，并借助ANSYS有限元分析软件在典型位形验证了所建模型的正确性。

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多楔形效应胶囊机器人花瓣廓形优化

张永顺王履华程存欣迟明路白建卫

机械工程学报. 2015, 51(7): 45-52. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.045

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提出一种花瓣型胶囊机器人，表面偏心花瓣廓形与管壁形成四个收敛楔形空间，使流体运动路径发生改变并产生多楔形效应。建立满足机器人外螺旋肋表面边界条件的流体雷诺差分控制方程和机器人流体动力平衡方程，以游动速度为目标函数，通过遗传算法对花瓣廓形进行优化，流体动压特性和游动速度特性研究结果表明：在一定间隙范围内，优化花瓣廓形机器人表面流体动压力和游动速度均增大，提高了肠道内驱动性能与安全性，该机器人结构简单，非结构化环境适应能力强，可望提高肠道内的窥视与施药等医疗作业效率。

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考虑杆件空间复合弹性变形的过约束并联机构受力分析方法

许允斗姚建涛金林茹赵永生

机械工程学报. 2015, 51(7): 53-60. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.053

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以3-PRRR三自由度移动并联机构为例提出一种考虑杆件空间复合弹性变形(包括弯曲、拉伸和扭转变形)的过约束并联机构受力分析方法。提出并定义分支约束力螺旋系刚度矩阵，建立分支约束力螺旋系幅值与分支末端弹性变形之间的映射关系；然后结合动平台受力平衡方程推导得到了分支约束力螺旋系幅值的一般解析表达式，分析施加给动平台的约束力螺旋与运动副实际约束反力之间的内在联系，从而求解得到了驱动力和所有被动运动副的约束反力。基于ADAMS仿真软件提出了一种建立过约束并联机构受力仿真模型的方法，所建刚柔混合模型与理论模型完全一致，且仿真结果与理论计算结果的最大误差不超过2%，有效地验证了提出的过约束并联机构受力分析的正确性。

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一种全柔顺六稳态机构的设计

勾燕洁张守银陈贵敏

机械工程学报. 2015, 51(7): 61-66. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.061

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多稳态机构因不需输入能量就可保持多个稳定平衡状态而在生产生活中得到越来越广泛的应用。全柔顺多稳态机构免装配、无摩擦、低能耗，但因为柔顺片段大变形时容易产生应力集中、输出非线性等原因，全柔顺多稳态机构的设计难度较大。提出一种全柔顺六稳态机构的设计方法，由两个临界跳转力不同的双稳态机构和一个柔顺片段组成机构，成功实现六个稳定平衡状态。对柔顺片段用伪刚体模型法建模，并通过比较两部分结构的力-位移特性给出机构具有六个稳定平衡状态的条件，从而避免了非线性分析；考虑机构的实际运动给出柔顺片段的刚度范围计算公式，设计者可据此选择合适的刚度完成全柔顺六稳态机构的设计。用ANSYS得到的输出力特性和样机测试证实了该设计方法的正确。

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一种旋转式穴盘苗取苗机构的设计

俞高红　俞腾飞　叶秉良　胡海军　王林伟

机械工程学报. 2015, 51(7): 67-76. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.067

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分析现有穴盘苗取苗机构的发展现状，提出一种新型的旋转式穴盘苗取苗机构。依据旋转式穴盘苗取苗机构的结构特点及工作原理，选取三段合适的传动比函数，构建一种新型非圆齿轮的节曲线方程，建立该穴盘苗自动取苗机构的运动学模型。开发该取苗机构的计算机辅助分析软件，通过人机交互方式得出一组满足旋转式穴盘苗取苗机构工作要求的结构参数。基于参数对该取苗机构进行了设计，提出一种能够实现变化范围较大变速传动的新型非圆齿轮。对新型非圆齿轮完成结构设计及试验，验证了新型非圆齿轮的可行性。通过分析虚拟仿真得到的工作轨迹及取苗爪尖点的速度曲线，验证该取苗机构的可行性及工作的平稳性。

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基于非特征分块插值技术的准双曲面齿轮数字化真实齿面建模方法

李刚汪中厚耿直朱文敏

机械工程学报. 2015, 51(7): 77-84. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.077

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针对含磨损情况的准双曲面齿轮真实齿面数字化模型构造问题，提出基于非特征分块插值技术的准双曲面齿轮数字化齿面构造方法。基于非特征的离散数据分块技术对三坐标测量仪测量获得的真实齿面离散数据进行分块，判断出的齿面磨损区域。再结合插值改进算法对齿面磨损区域进行局部插值。对传统离散数据点光顺算法进行改进，提高插值构造齿面的光顺性。通过实例比较，本方法不仅减少插值算法计算量，提高齿面插值数据点的精度，改善数字化齿面的光顺性。为含磨损情况的准双曲面齿轮动态性能预测打下基础。

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基于摄动法的多股簧冲击载荷改进模型

王时龙田波赵昱周杰程成

机械工程学报. 2015, 51(7): 85-90. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.085

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在多股簧冲击载荷原有模型的基础上引入非线性刚度，建立冲击载荷改进模型；基于强非线性振动求解原理提出一种改进多尺度法，并推导了该模型的非线性响应摄动解；结合冲击试验数据对两种模型进行比较。结果表明，改进模型体现了多股簧刚度非线性及振动频率非线性特性，提高了试验数据拟合精度，对描述多股簧动态运动规律更精确，尤其对受冲击载荷及大振幅工况下的多股簧非线性特性研究具有重要意义。该研究也为课题组正在研究的多股簧动态响应特性提供理论基础。

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基于主观贝叶斯推理的多传感器分布式故障检测融合方法

徐小力刘秀丽蒋章雷任彬

机械工程学报. 2015, 51(7): 91-98. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.091

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针对复杂数控加工中心故障预测中各传感器检测信息呈现不确定性的问题，提出基于不确定性推理的多传感器分布式检测融合算法。该算法通过利用主观贝叶斯推理，获取局部检测装置的判决规则，并选取合适的局部判决规则送到融合规则中心，将来自不同传感器的观测数据进行综合分析，最后产生全局判决。以复杂立式加工中心为对象建立测试平台，利用多传感器样本获取方法进行机床不同运行状态及运行环境下的故障样本获取试验。试验表明在含有大量不确定性信息的故障诊断系统中，基于主观贝叶斯推理的分布式检测融合算法具有故障信息识别率高、诊断速度快的优点，其诊断错误率明显低于单个传感器的诊断错误率，且诊断错误率要低于串行分布式检测融算法。

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一种萤火虫神经网络及在轴承故障诊断中的应用

李巍华翁胜龙张绍辉

机械工程学报. 2015, 51(7): 99-106. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.099

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萤火虫算法作为一种群体智能算法，具有良好的全局寻优特性，可用于解决神经网络在反向传播(Back propagation, BP)算法下易陷入局部极值点、收敛速度慢的问题。但在应用于神经网络时其参数选取缺乏有效依据或经验公式，参数取值不当时，萤火虫神经网络的训练误差无法有效收敛、种群个体之间协同寻优功能易失效。因此，提出一种双层萤火虫改进算法对其参数进行选取。用UCI数据及轴承故障试验对算法进行验证，结果表明，应用所提方法后萤火虫神经网络的训练误差收敛值显著减小，并且在训练效率、故障识别率方面均优于BP神经网络、遗传神经网络、粒子群神经网络。

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基于多指标模糊融合的滚动轴承诊断的最优频带解调方法

李川朱荣荣杨帅

机械工程学报. 2015, 51(7): 107-114. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.107

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轴承运行时会产生较大的振动噪声，采用振动信号统计量指标可以识别其共振频带，并通过共振频带解调来提取故障特征信号。目前常用的峭度图等方法根据经验自顶向下粗略划分轴承振动频谱，而且采用单一指标识别共振频带，常常被噪声所干扰，因而鲁棒性不高。为了提高滚动轴承故障诊断的精度，提出一种多指标模糊融合的最优频带解调方法。采用自底向上的思路，以最小化代价函数为条件，通过细分振动频谱，将细分的频谱进行双向合并，可以提高频带划分的精度。在提出的方法中，代价函数由峭度、平滑因子、峰度系数等多个指标应用模糊贴近度方法进行数据融合构造，可以有效提高识别最优共振频带的鲁棒性。分别采用仿真信号和实际采集信号对所提出的方法进行测试，与现有的单指标方法相比，试验结果表明所提出的方法可以正确诊断滚动轴承的故障。

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基于高斯映射的CAD网格法向聚类分割方法

易兵刘振宇谭建荣

机械工程学报. 2015, 51(7): 115-123. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.115

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网格模型特征的分割和识别，能够极大地提高复杂机械产品设计中模型重用、模型编辑的效率。由此，提出一种基于高斯映射的法向聚类CAD网格分割方法。对网格模型各面片法向进行高斯映射，建立各单元面片边连接邻域与高斯球面法向的对应关系。对各法向在高斯球面上进行k-means聚类分割，依据法向初始聚类类型和二面角阈值细化分割。将过分割的细小区域进行合并处理，根据各区域邻接矩阵及其类型的相似性进行特征识别和归并处理。本算法能够高效地对复杂机械产品的网格模型进行分割和识别，不受网格疏密的限制。

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渐变折射率人工电磁介质设计与3D打印制造

田小永殷鸣李涤尘

机械工程学报. 2015, 51(7): 124-129. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.124

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提出一种以物理性能驱动的人工电磁介质宏/微结构一体化设计与制造方法；以超材料尺度的光子晶体结构为研究对象，建立超材料单胞结构特征参数与等效介电常数及折射率之间的映射关系，实现渐变折射率人工电磁介质的可控设计；在理论计算的基础上，采用基于渐变折射率超材料结构设计了“地毯式隐形罩”、“电磁黑洞”等器件；以光固化3D打印技术为制造手段，光敏树脂为基体材料，实现具有复杂结构的三维电磁器件，并对其性能进行研究；结果表明，所设计器件在Ku波段(12～18 GHz)具有宽频性能，且能够在自由空间实现电磁波的可控传播。研究验证了利用3D打印技术进行人工电磁介质器件制造的可行性，为其进一步推广应用奠定了基础。

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数控机床热误差补偿模型稳健性比较分析

苗恩铭龚亚运徐祗尚周小帅

机械工程学报. 2015, 51(7): 130-135. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.130

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数学模型的精度特性和稳健性特性对数控机床热误差补偿技术在实际中的实施性影响不容忽视。对数控加工中心关键点的温度和主轴z向的热变形量采用多种算法建立了预测模型，对不同算法拟合精度进行分析。同时进行全年热误差跟踪试验，获得了机床在不同环境温度和不同主轴转速的试验条件下的敏感点温度和热误差值。以此为基础，对各种预测模型的预测精度进行比较验证不同模型的稳健性。结果表明，多元线性回归算法的最小一乘、最小二乘估计模型以及分布滞后模型在改变试验条件时预测精度下降，而基于支持向量回归机原理的热误差补偿模型仍能保持较好的预测精度，稳健性强。这为数控机床热误差补偿模型的选择提供了具有实用价值的参考，具有很好工程应用性。

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基于案例推理的夹具设计案例表示与检索

罗晨王欣苏春吴泽

机械工程学报. 2015, 51(7): 136-143. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.136

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夹具具有夹持工件并精确定位的重要作用。由于夹具设计关联因素诸多，过程复杂，设计方案很大程度依赖于设计者经验，最近发展的基于案例推理的夹具设计方法可一定程度上缓解对个人经验的依赖性，但此类设计方法大多仅以工件的几何形状为案例表示和检索依据，影响推理系统的检索效率及准确度，其有效性和实用性也因此减弱。鉴于此，建立了一种夹具设计案例特征表示的新型检索机制，该模型不仅包含工件几何形状，还包含工件材料、加工工艺和其他功能要求等因素，采用统一建模语言(Unified modeling language, UML)面向对象的表示方式实现特征信息存储的结构化和模块化，采用几何形状和位置拓扑关系并行检索的算法，该算法主要通过搜索节点对应约束的最大相似连通子图以确定零件的几何特征相似度，并给出其他影响因素相关的相似度公式。具体实例说明该新型检索模型的有效性和实用性。

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IPC聚类分析与TRIZ相结合的专利群规避设计方法与应用

江屏王川孙建广檀润华

机械工程学报. 2015, 51(7): 144-154. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.144

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专利壁垒已经成为我国企业市场竞争中的重要障碍，借助专利所提供的技术信息，通过专利的IPC聚类分析与技术成熟度结合，确定待规避的专利群及专利规避目标；应用元件权重分析提取专利群的技术特征，根据专利规避目标明确规避现有专利技术范围的技术研发方向；以技术研发方向为指导建立创新中所要解决发明问题的TRIZ标准化模型，并应用TRIZ的知识工具解决该发明问题，得到专利规避设计的原理解，结合现有专利技术的优势开发出具有创新性技术的新产品，从而实现了对现有专利群的创新规避设计。以封隔器为实例，应用IPC聚类分析与TRIZ结合的专利群规避设计流程进行封隔器的专利规避设计，开发了二次坐封封隔器并申请了相关专利。

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滚型纳米压印模具变形机理的研究

兰红波徐方超刘红忠梁森丁玉成

机械工程学报. 2015, 51(7): 155-161. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.155

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滚型纳米压印是一种高效、低成本批量化制造大面积微纳米结构的方法，已经被看成是最具有工业化应用前景的微纳米制造方法之一，同时也被认为是实现纳米压印技术从实验室到工业化应用的一个重要突破口。开展滚型纳米压印过程中模具变形机理和规律的研究，提出滚型纳米压印两种理论模型，揭示柔性接触滚轮模具变形的机理、规律和主要影响因素，阐述硬质接触和柔性接触两种压印方式显著区别和特点。该研究为探索减小弹性滚轮模具变形策略和方法，滚型纳米压印工艺要素的优化，以及提高滚型纳米压印复型精度和压印效率奠定了理论基础。

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基于虚拟墙的汽车起重机吊装防碰撞技术

任卫军王飞史先信焦生杰朱长建

机械工程学报. 2015, 51(7): 162-168. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.162

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为减少汽车起重机在吊装作业过程中吊臂与作业区障碍物发生碰撞的事故，建立障碍物分类模型，采用吊臂臂头自主探测学习方法，准确采集作业区障碍物的外形与位置信息。建立起重机圆柱坐标系，作业区按回转角度分成不同扇区，扇区按距回转中心距离分成不同扇格，以扇格精确存贮作业区环境数据，利用扇格数据生成吊装安全作业三维虚拟墙。以吊臂最近的20个时刻位置信息，用加权线性回归模型预测下一时刻吊臂的动作与位置参数。针对吊臂的预测动作及与虚拟墙的不同距离，采取不干预、限速、微动与禁止等吊臂控制策略。实际作业环境下的功能测试表明，该系统能有效地防止吊臂与作业区障碍物发生碰撞。

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Q235钢单层板对弹体抗撞击特性研究

邓云飞张伟孟凡柱曹宗胜李剑锋

机械工程学报. 2015, 51(7): 169-173. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.169

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为了分析外来撞击物对单层板结构的撞击特性及机理，以及结构防护特性的影响因素，利用一级气炮进行单层金属板撞击试验，同时利用理论模型对试验结果进行分析。根据试验结果分析，特别地，在理论模型中引入一个因子对靶体厚度进行修正。基于撞击试验数据，通过理论模型研究不同厚度的单层金属板对卵形，平头以及半球形头杆弹的抗侵彻特性，揭示了靶体厚度和弹体头部形状对抗侵彻性能与失效模式的影响。理论模型计算结果与试验数据进行了比较，发现二者吻合得较好。理论模型计算结果试验表明：靶体弹道极限随弹体头部曲率直径比(Caliber-radius-head, CRH )先增大后减小，最后变化趋势比较平缓。在一定的厚度范围内，靶体的弹道极限随其厚度增加而增加。

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流体磨料光整加工理论与技术的发展

高航,吴鸣宇付有志,郭东明

机械工程学报. 2015, 51(7): 174-187. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.174

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20世纪60年代发明的挤压磨料流技术在机械零件去毛刺、抛光等光整加工领域产生了重要的影响，特别是自20世纪80年代引入我国之后，国内的科研人员进行了大量的理论研究与应用实践，不断涌现出新的以流体磨料为工具的光整加工技术。从流体磨料的材料去除机理、加工参数对性能优化的影响及应用中存在的均匀性问题及辅助控制技术三个方面综述流体磨料加工过程中的流动特性、去除机理及加工仿真等理论成果，总结近50年来传统黏弹性挤压磨料流技术及近年来针对于松散低黏度流体磨料的光整加工新技术，分析流体磨料加工的研究手段与方法，为今后进行深入的流体磨料光整加工研究，探索在诸如航空叶轮和叶盘等高性能复杂曲面零件高质量抛光中的应用提供了借鉴的方向。

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磨料水射流加工去除模型研究

张成光张勇张飞虎栾殿荣

机械工程学报. 2015, 51(7): 188-196. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.188

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采用ANSYS Fluent对磨粒流场进行瞬态CFD仿真，得到射流过程中磨粒的分布和速度；并研究射流加工区磨粒运动机制，研究表明，新型后混合式磨料水射流加工中磨粒很容易穿过射流加工的静压区直接与工件发生作用进而去除材料。建立磨粒冲击塑性材料的冲击变形磨损模型，并结合Finnie塑性剪切磨损去除模型建立磨料水射流加工去除模型，模型表明，射流加工中心区域的材料去除量最高。根据新型后混合式磨料水射流系统进行塑性材料的磨料水射流加工试验，结果表明，射流加工中心区域材料去除最高，这是由于射流加工中心区域磨粒冲击角度较大、磨粒速度较高，材料以冲击变形磨损去除为主；远离射流冲击中心区域材料去除较低，材料以剪切磨损去除为主，与磨料水射流加工去除模型是完全一致的，证实磨料水射流加工去除模型的正确性。

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磨削过程建模与仿真研究现状

傅玉灿田霖徐九华杨路赵家延

机械工程学报. 2015, 51(7): 197-205. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.197

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概述磨削过程建模与仿真的国内外研究现状，对基于经验分析、理论解析及有限元分析的三类建模与仿真研究发展历程与趋势进行综述，并对各类模型建立方法与仿真结果进行详细论述，同时深入分析这些模型应用的局限性，指出建立在有限试验数据基础上的经验模型预测水平较低；基于理想假设基础上的理论模型建模过程复杂；而由于技术问题，有限元法则仅限于对单颗磨粒磨削过程的仿真，有鉴于此，提出基于超硬磨粒有序排布砂轮的磨削过程建模与仿真方法，并进一步着重阐述其在高速高效磨削过程预测、优化与控制应用前景及意义。

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刀剪三轴端面磨削控制及误差补偿方法研究

焦青松李迪王世勇孔祥洪

机械工程学报. 2015, 51(7): 206-212. https://doi.org/10.3901/JME.2015.07.206

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为实现复杂、异形刀剪的端面磨削，提出一种空间端面磨削三轴联动控制方法。根据端面磨削的工艺特点与卧式端面磨床的结构特点，建立砂轮径向进给量、轴向进给量、旋转角度等加工参数与工件顶面磨削量、底面磨削量、磨削宽度等工艺参数间的函数关系，并结合端面的投影规律，实现一个旋转轴与两个平动轴的三轴联动控制。建立砂轮轴向进给误差与砂轮直径、刃线轮廓以及旋转角度间的函数关系，并提出误差补偿方法。试验结果表明，所提运动控制与误差补偿方法能够实现复杂、异形刀剪的端面磨削。

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2015年, 第51卷, 第7期　
刊出日期：2015-04-05

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