2018年, 第54卷, 第17期　
刊出日期：2018-09-05

  

• 全选
  |

特邀专栏：精准微创手术器械创成与制造基础
• Select
  精准微创手术器械创成与制造

  王树新

  机械工程学报. 2018, 54(17): 1-1. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.001

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
• Select
  PTFE涂层抗粘附电极切割效率和抗粘附性能的时变性研究

  万健飞, 郝汝飞, 龙运江, 郑良, 郑靖, 周仲荣

  机械工程学报. 2018, 54(17): 2-7. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.002

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  电外科手术过程中高频电刀手术电极表面的组织粘附会导致电极变"钝"、变粗，切割效率和操作精度降低。近年来，低表面能的PTFE涂层电极被临床用作抗粘附手术电极，然而，这种抗粘附电极的切割效率和抗组织粘附耐久性尚不清楚。因此，利用摩擦学手段实时测量电切割离体猪肝脏组织试验过程中PTFE涂层电极-组织界面的切割阻力，结合微观形貌和组织切片分析，研究了PTFE涂层电极切割效率和抗粘附性能的时变性。结果表明，PTFE涂层电极的切割效率与抗粘附能力呈负相关。在切割初期，电极表面的PTFE涂层完整涂覆，抗组织粘附效果明显，组织热损伤轻，但切割阻力大，切割效率低；随着切割时间增加，PTFE涂层变薄、局部被电弧烧蚀击穿，切割阻力显著减小，但电极的抗粘附性能急剧下降，组织热损伤加重；随着切割时间继续增加，PTFE涂层完全破坏，抗粘附效果丧失，切割阻力降低到最低值。增大高频电刀输出功率能提高PTFE涂层抗粘附手术电极的切割效率，但涂层破坏加剧，涂层的有效抗粘附时间缩短，组织损伤也显著加剧。可见，在复杂的电外科手术工况下，PTFE涂层电极的切割效率低，抗组织粘附耐久性差。
• Select
  腹腔镜夹钳开窗设计对夹持稳定性影响研究

  马力, 王冰瑞, 李炜, 王国慧, 朱晒红, 周仲荣

  机械工程学报. 2018, 54(17): 8-13. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.008

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  在多功能摩擦磨损试验机上模拟微创手术中的组织夹持牵引操作，研究了钳头与猪肝脏组织间的摩擦学行为，并基于钳头与组织间的夹持应力分布数值模拟结果，探讨了不同的腹腔镜开窗钳头与肝脏组织的相互作用行为。结果表明：在接触系数相同的情况下，开窗数量的增加有助于增大滑动摩擦力；三正方形开窗钳头由于开窗轮廓最长，在与组织相互作用过程中，使组织在轮廓边缘产生了更多的变形，有利于嵌入组织，与肝脏组织之间产生的能量耗散及滑动摩擦力最大，夹持稳定性最好；对于相同类型的矩形开窗钳头，接触系数存在一个阈值，当接触系数小于该阈值时，随着接触系数的减小，摩擦力减小，夹持稳定性会降低；钳头与肝脏组织接触过程中，较大的接触应力集中在钳头端部边缘和开窗轮廓边缘与肝脏组织接触处。
• Select
  基于树蛙脚掌湿黏附的仿生手术夹钳表面研究

  张力文, 陈华伟, 王炎, 张鹏飞, 张国凯, 张德远

  机械工程学报. 2018, 54(17): 14-20. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.014

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  手术夹钳是外科手术中常用的夹持器具，传统的手术夹钳主要通过齿形结构使湿滑的软体器官变形产生机械互锁来提高夹持稳定性，这往往会带来严重的组织损伤。为了降低夹钳夹持损伤，需要发展以强湿黏附增摩来取代强夹持增摩的技术，实现湿环境下"松夹而不滑脱"功能。树蛙经过千万年的进化，其脚掌形成了优异的湿摩擦功能。通过表征发现树蛙脚掌表面结构多为密排六棱柱。且随着界面间液量减少，树蛙脚垫由湿变干过程中液膜会出现碎化分散，摩擦力出现近百倍增大的现象，即称为边界强摩擦状态。通过对仿生表面的测试发现，液膜的碎化现象由其特殊的密排棱柱结构所决定，液膜碎化会使液膜更为均匀铺展，产生极强表面张力，从而能够在无任何外界压力的情况下仍能产生极高的摩擦力，有助于达到手术夹钳"松夹而不滑脱"的效果。此外，棱柱结构的各向异性与沟槽的方向性分布使得摩擦力表现出各向异性，鲜猪肝夹持测试发现，与传统齿形夹钳相比仿生六棱柱表面具有更优异的摩擦性能，更适合于仿生手术夹钳表面。基于树蛙脚垫强摩擦机制，提出了仿生手术夹钳设计制造方法，并验证了其降低组织损伤的有效性。
• Select
  载能电刀仿生防粘表面技术

  刘光, 张鹏飞, 陈华伟, 韩志武, 张德远

  机械工程学报. 2018, 54(17): 21-27. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.021

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优点已逐渐成为外科手术主流。微创手术组织的切割、止血常采用载能手术器械如电刀、电凝钩来完成，组织粘刀严重，会引起结痂、粘刀撕裂，造成二次创伤引起医疗事故。如何解决载能手术刀粘刀是微创手术器械面临的重要技术难题，本研究师法自然，从自然中汲取表面超滑防粘创新灵感，在揭示猪笼草湿滑防粘机制的基础上，提出液膜式防粘新策略，研究了仿生防粘表面结构高温防粘机理以及制备工艺方法。通过软组织载能切削试验测试了仿生防粘表面防粘性能、以及组织热损伤与耐久性，试验结果证实了仿生防粘表面的防粘效果得到显著提升，组织粘附力降低80%、组织粘附量降低88%、创口损伤面积减小82.6%、热损伤面积减小71%，满足了载能微创手术器械防粘技术要求。
• Select
  具有折展与变刚度特征的NOTES手术器械臂

  张国凯, 马家耀, 尚祖峰, 陈焱, 由衷, 易波, 王树新

  机械工程学报. 2018, 54(17): 28-35. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.028

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  自然腔道手术（Natural orifice transluminal endoscopic surgery，NOTES）具有恢复快、创伤小、疼痛轻等优点，在临床应用潜力巨大。为适应人体复杂腔道环境，NOTES中常采用长器械臂为手术工具提供通路及支撑。现有的器械臂往往尺寸较大且刚度低，不能满足NOTES的要求。提出一种可折展、变刚度的器械臂，采用编织结构作为骨架实现径向折展，同时借助包覆在编织结构交叉点处的热熔胶实现刚度调节。建立了器械臂的数学模型，得到了柔态和刚态下的刚度解析表达式。试验结果表明，通过加热及冷却热熔胶，器械臂可以实现刚柔两态转化，其刚度比接近20，并且转换时间小于30 s，同时可以实现约2倍的径向展开比。
• Select
  基于厚板折纸理论的微创手术钳

  杨名远, 马家耀, 李建民, 陈焱, 王树新

  机械工程学报. 2018, 54(17): 36-45. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.036

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  微创手术操作器械，作为微创手术机器人的重要组成部分，其性能的优劣直接影响手术的质量。目前的微创手术器械大多是针对手术过程中的夹取、缝合等基本操作设计的，但由于它们通常是通过简单地将传统外科手术工具小型化获得的，造成现有微创器械普遍存在着机械效益低、磨损严重、运动不协调等问题。为了提高手术操作的高效性和稳定性，基于厚板折纸理论设计了一种专门用于微创手术的新型手术钳，分析与试验表明其可提供多于传统微创手术钳1.5倍的夹持力，并具有更大的张角和更好的运动协调性，同时增加了手术操作的灵活性。动物试验表明其夹持组织更加稳定可靠。
• Select
  基于纤维包覆式气动结构的柔性手术臂刚度调节性能研究

  徐晓亮, 王永泉, 温坤, 陈花玲, 王树新, 李涤尘

  机械工程学报. 2018, 54(17): 46-52. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.046

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对未来微创手术操作臂的发展需求，提出了一种利用负压原理来增强离散结构间相互作用以实现柔性手术操作臂刚度调节的方法。据此设计制作了可包覆于管状柔性手术臂外表面的气动型多层纤维束编织结构，可通过抽真空使被密封的纤维束夹层内产生负压，增大轴向交错叠加的纤维丝之间的挤压力与摩擦力，从而起到刚度增强的作用。研究了大变形手术臂抗弯刚度的半解析计算方法。开展了该变刚度柔性手术臂结构性能的试验研究，探索了真空度、纤维丝结构参数（丝径和纤维丝表面粗糙度）、封装膜厚度及纤维层截面等因素对手术臂刚度的影响规律，为柔性手术臂的变刚度设计、优化提供了依据。
• Select
  柔性驱动与刚度可调结构/功能一体化微创手术操作臂设计制造与性能研究

  陈煜宇, 刘磊, 李博, 魏超, 王树新, 李涤尘

  机械工程学报. 2018, 54(17): 53-61. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.053

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  现有手术操作臂多采用刚性直杆结构，难以满足未来自然腔道微创手术的需求。为解决这一关键问题，结合气动人工肌肉技术及纤维堵塞刚度调节机理，设计一种具有多自由度运动和刚度可调能力的手术操作臂。研究获得操作臂单元的一体化制造工艺。搭建试验测试系统，测试获得气动人工肌肉驱动器弯曲变形及输出力与驱动气压的非线性关系。进一步研究操作臂单元的抗弯能力与负压、纤维疏密程度及纤维排布方式等参数的关系，得到优化的设计方案。实现操作臂在复杂环境下的多自由度绕障及刚度调节功能。
• Select
  便携式手术机器人主手附加力位移补偿方法研究

  凌颢, 王国慧, 李政, 李建民, 易波, 孔康, 王树新, 朱晒红

  机械工程学报. 2018, 54(17): 62-68. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.062

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  采用拉格朗日方程和Stribeck摩擦模型，根据便携式手术机器人主手的杆件重力、各关节摩擦力、惯性力对术者真实力感知的影响，建立了含关节摩擦力的动力学模型。基于机器人主手动力学模型，分别建立重力、摩擦力和惯性力三项的补偿模型，通过分析机器人主手力补偿反馈和附加位移的产生原因及补偿原理，提出了相应的补偿反馈力和附加位移补偿方法。通过对初步研究结果进行对比试验，验证该力补偿控制方法可用以平衡主手因自身所带的重力、关节摩擦力和惯性力产生的影响，最终实现术者真实的力感知，提高手术操作精准性。
• Select
  基于术中轨迹的微创手术机器人的主从映射比例评估

  李政, 王国慧, 凌颢, 张国凯, 李炜, 周仲荣, 王树新, 朱晒红

  机械工程学报. 2018, 54(17): 69-75. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.069

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  主从式手术机器人映射关系的设计与优化是提高术者操作效率，减少手术疲劳的关键步骤之一，过去通常依靠机器人搭建完成后基于实体手术平台进行评价，延长了研发周期。以微创手术机器人映射关系为研究对象，选择胆囊切除术作为采样标本，运用微型传感通过临床手术实际测量获得典型器械运动轨迹，综合分析得出手术安全域内运动范围，并运用人机工程分析平台DELMIA，采用我国国家标准人体测量数据为人体建模参数，建立国人典型人体运动模型，通过设定不同映射比例，基于反向运动学计算获得手术机器人环境下典型手术过程中术者姿势与上肢运动轨迹，应用RULA分析对不同映射比例下术者的双侧上肢的疲劳程度进行评估，从而获取特定映射关系下人机界面最佳的映射比例，为微创手术机器人针对人机界面优化的设计制造提出了新的评价方法，为缩短器械设计修改流程、加快器械开发速度提出了新的途径。
特邀专栏：智能制造装备
• Select
  基于电涡流阻尼的薄壁盘加工振动抑制

  程明迪, 郭家杰, 李卓, 李国民

  机械工程学报. 2018, 54(17): 76-84. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.076

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  薄壁零件具有重量轻、相对强度高等优良特性，在航空航天等领域有着广泛应用；然而由于刚度小，薄壁工件在加工过程中容易发生变形和振动，导致产品难以满足尺寸精度和表面质量要求。为此，提出一种非接触式的电涡流阻尼器设计方法，旨在用于抑制加工过程中薄壁盘类工件的多模态振动。通过建立薄壁盘-电涡流阻尼器的耦合动力学模型，描述时空分布的系统惯量、刚度和阻尼；通过物理模型的模态降维和局部线性化，获得电涡流阻尼和薄壁盘振动位移的线性关系式。利用数值计算，分析电涡流在盘面分布的有效范围，揭示永磁铁的尺寸和位置对电涡流阻尼的影响规律，并提出永磁铁的优化布置方案，仿真分析薄壁盘-阻尼器的耦合动力学行为，为电涡流阻尼器的设计提供依据。最后，理论模型和仿真分析结果通过薄壁盘-阻尼器耦合的阶跃振动和车削加工试验验证；试验结果表明，电涡流阻尼器对薄壁盘振动有较好的抑制作用，在薄壁件加工减振应用中提供一种简单可行的有效方案。
• Select
  智能车床的颤振实时辨识与在线抑制系统研究

  熊振华, 孙宇昕, 丁龙杨

  机械工程学报. 2018, 54(17): 85-93. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.085

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  颤振是切削加工中的一种不稳定现象，它会对生产效率、加工表面和机床零部件造成恶劣的影响。因此，在加工过程中避免颤振的发生具有非常重要的意义。提出一种颤振的实时辨识与在线抑制系统，在不额外加装驱动部件的情况下，实现数控机床上加工颤振的智能抑制。该加工颤振智能抑振系统包括三部分：第一，以加权小波包熵作为特征实时地监测车削加工过程，并在颤振开始孕育时就将其辨识出来；第二，一旦检测到颤振，采用基于尺度因子的插值傅里叶算法，将颤振频率实时估计出来；第三，根据颤振频率，计算出主轴转速扰动的幅值和频率，使主轴转速按照指定的幅值和频率周期性变化，及时地将颤振抑制在其孕育阶段。通过薄壁圆盘端面车削试验对该系统进行验证，结果表明，所提颤振实时辨识与在线抑制系统能在颤振的孕育阶段，成功地将颤振检测出来，并及时进行抑制，实现了智能化的颤振抑制。
• Select
  基于铣削动力学的刀具强迫振动抑制研究

  张洁, 刘成颖, 郑烽, 尹腾飞

  机械工程学报. 2018, 54(17): 94-99. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.094

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  铣削是实现高速、高性能金属切削加工最主要的形式，其稳定性、加工精度和加工质量一直是研究的热点。针对柔性双自由度铣削工艺系统，建立了时滞微分动力学模型，模型中的铣削力包含基于刚体运动学的静态切削力成分和基于再生效应的动态切削力成分，并通过全离散法预测了无颤振工艺参数区域。在保证了稳定加工的前提下，在频域内求解了由于断续切削引起的刀齿周期性强迫振动轨迹，利用表面位置误差和最大高度表面粗糙度评价加工精度与质量。理论和试验表明，在刀齿通过频率决定的共振转速下往往能获得较大的无颤振极限切深，而相邻两个共振转速的中间区域虽可避免共振，但较容易发生颤振。通过合理选择工艺参数，可以避免颤振的发生和实现对强迫振动的抑制。
• Select
  磁悬浮分子泵高速转子章动相位裕度跟踪补偿控制

  郑世强, 陈诚, 刘刚, 杨景裕

  机械工程学报. 2018, 54(17): 100-107. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.100

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对磁悬浮分子泵转子在高速运转时章动模态造成的失稳问题，提出一种基于交叉反馈的章动相位裕度跟踪补偿控制方法。利用磁悬浮转子系统的复系数建模方法，定量分析闭环控制作用下扁平转子的阻尼章动频率，确立章动频率与控制系统参数及转速间的解析关系，设计自适应滤波器跟踪提取章动频率信号，应用于交叉反馈的章动控制通道，实现全转速范围内对章动相位裕度的跟踪补偿控制。仿真结果表明，章动频率解算精确，基于交叉反馈的章动模态控制方法可有效解决磁悬浮高速转子全转速范围内的章动模态稳定控制问题。最后，将所提方法应用于所研制的大抽速磁悬浮分子泵控制系统，章动模态振动幅值被抑制在-60 dB以下，消除了章动模态对控制系统稳定性的影响，确保了磁悬浮分子泵长期可靠运行。
• Select
  薄壁件加工误差补偿建模与学习控制方法

  侯尧华, 张定华, 张莹

  机械工程学报. 2018, 54(17): 108-115. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.108

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对薄壁件加工过程中的切削变形问题，提出了加工误差补偿学习控制方法。该方法以弹性变形为基础，建立了加工误差与名义切深的非线性函数关系，并利用补偿思想，构造了薄壁件加工误差补偿通用模型，即下次切削时名义切深的计算方法。在此基础上，利用数学原理和物理方法提出了四种具有不同收敛速度的补偿系数迭代算法。对比分析四种方法的优劣，以及多件单工步零件批量生产的特点，选择初始点割线法搭建误差补偿离散控制系统。该系统利用反馈原理实现了补偿系数的离线学习与加工误差的准确控制。最终以侧铣加工试验验证了该模型的有效性。
• Select
  基于PVDF薄膜传感器的薄壁件铣削振动在线监测与分析

  刘冬生, 张定华, 罗明, 罗欢

  机械工程学报. 2018, 54(17): 116-123. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.116

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  薄壁件的弱刚性导致其在加工过程当中容易产生振动，而薄壁件加工过程中存在的非线性问题使得加工振动难以预测，尚无法建立精确的理论模型。为了研究薄壁件铣削加工过程中的振动，提出一种基于模态理论的悬臂梁工件的动态振动监测模型，利用N个动态位移传感器监测前N阶模态下悬臂梁上任意一点的振动。以铣削加工悬臂薄板为例，采用聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF）薄膜传感器在线监测了铣削过程中工件的振动位移。工件振动位移信号的时频域分析结果表明，PVDF薄膜传感器能够有效监测薄壁件加工过程中周期谐振信号和高频振动信号，其中高频振动易发生在切入、切出阶段，且频率多分散在周期性切削激励倍频附近。最后，只考虑工件一阶模态，计算得到刀具在工件上动态作用点处工件的振动位移，并与工件变形引起的让刀量对比，验证了该方法的有效性。
• Select
  应用PCD刀具铣削砂型的刀具磨损机理和预测模型

  单忠德, 朱福先

  机械工程学报. 2018, 54(17): 124-132. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.124

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对无模铸造成形技术在铸型制作中的优势，基于聚晶金刚石（Polycrystalline diamond，PCD）刀具铣削砂型试验，研究了PCD刀具铣削砂型的磨损机理，构建了刀具磨损率的预测模型。使用扫描电镜观察了PCD刀具刀面磨损带的微观形貌，研究了刀具磨损随加工时间的变化规律和磨损机理。结果表明：在砂型加工过程中，凸起的砂粒对刀具表面的高频刻划和冲击导致刀具表面金刚石颗粒解理断裂和金刚石颗粒间黏结材料被刮除，从而造成金刚石颗粒脱落；刀具中的微观缺陷和砂型中的"硬点"造成刀具微崩刃。基于支持向量机（Support vector machines，SVM）回归分析算法，应用Matlab软件编译了PCD刀具相对加工量的磨损率回归程序，以正交试验结果为训练样本，构建了刀具磨损率预测模型。应用该模型预测了工艺参数对刀具磨损率的影响，为砂型高效加工的刀具磨损控制提供了依据。
• Select
  典型钛合金切削层相变形成机理及其影响因素研究

  何耿煌, 吴明阳, 李凌祥, 邹伶俐, 程程

  机械工程学报. 2018, 54(17): 133-141. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.133

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为研究钛合金已加工表面相变机理及其影响因素，首先通过分析切削过程中切削刃对切削区域的作用机制，采用能量法建立结构参数、切削三要素与切削耗能的数值描述模型，结合Matlab对模型进行求解，获知进给量f的变化对钛合金切削耗能W的影响最大，切削速度v_c次之，而切削深度a_p最小；为验证描述模型的正确性，采用2种不同几何结构不同牌号的硬质合金可转位刀片对典型钛合金TC1、TC4、TA5以及合金钢30CrMnSiA在正常空冷和氩气冷环境下进行对比试验，试验结果与描述模型间的误差较小，有效证明了描述模型的正确性，同时明确了钛合金已加工表面相变形成机理，并揭示了其发展的规律性。研究可为钛合金的高品质加工提供数据支撑。
• Select
  面向机器人砂带打磨的加权手眼标定算法

  张铁, 叶景杨, 刘晓刚

  机械工程学报. 2018, 54(17): 142-148. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.142

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  由于砂带打磨工序中往往存在外部因素干扰，因此研究抗干扰能力强的手眼标定算法是机器人砂带打磨系统的关键问题之一。通过分析机器人打磨系统中的手眼标定数学模型，并利用带尖点的标定工具快速获取测量数据，在原有奇异值分解算法的基础上，提出基于加权的改进方案，在初次计算手眼关系后计算出各个测量数据的误差，并根据测量数据误差的大小重新分配其对应的权重，最后重新计算手眼关系。通过仿真测试可知，改进后的算法较原有算法对测量数据的误差敏感度降低，标定精度稳定性好。通过试验验证可知，改进后的算法较原有算法平均标定误差比SVD算法减少了45.9%，最大误差减少了24.4%，从而验证了改进算法的抗干扰性能，并通过实际打磨测试证实了改进算法更适用于机器人打磨系统手眼标定。
• Select
  单晶硅的电火花线切割过程建模与控制

  路雄, 李淑娟, 辛彬, 武小宇, 赵子瑜, 李言, 蒋百灵, 李玉玺

  机械工程学报. 2018, 54(17): 149-156. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.149

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  电火花线切割半导体加工过程中，工件与钼丝之间的间隙是保证工件表面质量和切割效率的关键参数。分析了单晶硅和钼丝之间的间隙与极间电流的关系，由于该间隙在钼丝切入工件后，无法实时测量，根据电流的变化来实时预估间隙的瞬时变化，从而实时调整工件进给速度以间接保证该间隙。采用系统辨识方法建立极间电流与工件进给速度的控制模型，并利用F检验法估计模型的阶次，选择遗忘因子递推最小二乘在线预估模型参数。设计最小方差自校正控制器对切割过程进行实时控制。试验结果表明所设计的控制器增强了加工系统的稳定性，在保证加工效率的前提下，工件表面有了明显提高。
• Select
  离子凝胶材料的三维打印工艺

  罗斌, 夏华翅, 陈花玲, 朱子才, 何西铭, 李涤尘

  机械工程学报. 2018, 54(17): 157-164. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.157

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  将3D打印技术应用于电活性聚合物材料-离子凝胶材料，采用离子凝胶的材料热压工艺所用的溶液配置方法，重点研究了在不同流量、不同扫描速度组合下，离子凝胶芯层与电极层单点成线、线拼成面后特征尺寸分布规律。实验结果表明：挤出流量的和扫描速度影响单点成线的线宽数值大小，进而影响线拼成面的单层质量。在得到单层质量最佳工艺参数及单层层厚参数的基础上，以圆柱环为例，通过多层叠加打印了厚度为0.5 mm的离子凝胶立体结构，给该结构的测点该施加500 mN的压力，该结构上下表面可产生0.35 mV的电压；采用复合打印技术制造出了离子凝胶的三明治结构，将打印出来的离子凝胶试件在3.5 V的直流电压下驱动，该试件末端18 s内可以发生1.5 mm的变形，传感驱动性能测试结果证明离子凝胶三维打印工艺可行，从而为后续该材料的复杂结构制造以及在软体机器人中的应用奠定基础。
• Select
  基于激光选区熔化的功能零件结构设计优化及制造关键技术研究

  王迪, 陈晓敏, 杨永强, 肖泽锋, 王安民, 张明康, 王艺锰, 叶光照, 宋长辉

  机械工程学报. 2018, 54(17): 165-172. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.165

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为优化现有的门把手功能零件，采用了受力分析及拓扑优化的方法，设计出符合零件内部力场分布特点的功能件，通过激光选区熔化技术（Selective laser melting，SLM）获得打印成型件，并经过尺寸精度、力学性能及质量等方面的测试，获得减重52.5%轻量化效果，力学性能达到传统铸锻件及尺寸精度符合需求的优化设计成品。SLM加工获得的功能件应用于密封舱门，在真空度-30 kPa、氧含量浓度10 ppm条件下测试，模拟分析变形位移6.9 μm。证明基于激光选区熔化技术进行优化设计能使得优化功能零件过程中拥有极高的自由度，故基于激光选熔化技术，采用拓扑与布局优化、结构类型优化等结构优化设计方法，达到减轻产品重量并改善性能等目标的思路是可行的。
• Select
  激光选区烧结马氏体时效钢多孔框架的微结构缺陷及力学性能影响分析

  文聘, 叶红玲, 杨庆生

  机械工程学报. 2018, 54(17): 173-180. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.173

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对SLS快速成型产生的结构内部缺陷问题，利用检测与统计手段建立基于试验数据的仿真预测。对同一多孔结构的CAD模型，提出了设置两种打印方向进行多次成型制备，通过CT分层扫描技术，对3D打印结构进行微结构检测，可以发现微结构中存在缺口、翘曲、孔洞为主的缺陷，其几何方向与打印方向具有一致性。利用三维图像重建模型技术，统计微结构缺陷的几何参数概率分布，研究SLS打印工艺参数对缺陷几何参数统计规律的影响，发现样品放置方向设置为45°时容易引起结构发生翘曲，设置为0°时孔洞容易形成。基于统计建立具有随机缺陷的数值仿真模型，分析随机缺陷引起力学宏观刚度和渗透率、微观应力的性能误差，结果表明随机缺陷使结构刚度变小，使得最大微观应力变动非常大。通过压缩试验验证了宏观刚度数值模拟结果。本研究中关于SLS几何缺陷的统计数据也适用于其他多孔结构的分析和数值计算，对研究SLS打印工艺引起微结构缺陷，及评估对力学性能影响具有重要价值。
• Select
  基于性能退化的数控机床剩余寿命预测

  邓超, 陶志奎, 吴军, 钱有胜, 夏爽

  机械工程学报. 2018, 54(17): 181-189. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.181

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  数控机床寿命预测技术是数控机床健康管理和维修维护的关键技术，面向数控机床研究基于性能退化的剩余寿命预测方法。在分析了剩余寿命与性能退化规律和性能阈值分布有关的基础上，建立单性能退化的维纳过程模型和融合多性能退化的维纳过程模型，从而得到数控机床的多性能退化量分布模型。依据失效原则，得到数控机床的性能阈值分布模型。由此，建立基于阈值分布的剩余寿命预测模型得到剩余寿命概率密度函数。在数控机床进给系统试验平台上进行试验，验证了融合多性能退化的维纳过程模型和剩余寿命预测方法的正确性和有效性。
• Select
  分位数回归在竞争失效加速寿命试验统计分析中的应用

  周易成, 吕震宙, 成凯, 石岩

  机械工程学报. 2018, 54(17): 190-199. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.190

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  利用加速寿命试验的失效数据对产品的分位数寿命进行统计推断时，需要对统计模型做具体的假设。但是在工程实际中，错误的模型设定会严重影响估计精度。针对这个问题，提出了一种基于分位数回归的竞争失效产品分位数寿命的统计分析方法。分位数回归模型不受寿命分布假设的约束，且描述产品寿命与加速应力的关系时更加灵活。考虑到由于逐步Ⅱ型截尾和竞争失效模式而产生的试验数据非完整性，采用基于cause-specific hazard（CSH）的鞅方法为待估的分位数回归模型构造无偏估计方程，并将方程的求解等价为凸函数的极小值的求解。同时采用扰动重抽样方法得到参数的区间估计值。最后应用实例验证了方法的有效性。
• Select
  精密热压成型机关键技术研究与实现

  舒阳, 周志雄, 黄向明, 许亮, 陈永福

  机械工程学报. 2018, 54(17): 200-207. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.200

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  随着光学电子设备在航天航空、仪器仪表和消费电子等领域的广泛应用，其显示屏及装饰面板的设计形式多样，且3D曲面玻璃更是一种潮流。因此，热压成型就成为量大面广的曲面玻璃制造的核心技术。针对精密成型设备的温度分布与控制及其压力控制等问题，开展精密热压成型关键技术研究，建立多工位成型工艺的仿真模型和加热板传热模型，模拟了玻璃在成型过程中温度变化历程以及加热板表面的温度分布，优化设计出一种新型蛇管式加热管；并研制了精密温控系统和精密压力控制系统，测试结果表明，该温控系统精度在±2℃以内，压力控制响应精度为0.001 MPa，能满足热压成型的要求。开发了多工位精密热压成型样机，建立一套可靠的工艺流程，并利用该样机开展了曲面玻璃的热压工艺试验研究。试验结果表明：压型温度为800℃，压力为0.6 MPa时，可实现成型玻璃轮廓度<0.010 mm，表面粗糙度R_a<0.02 μm，良品率达90%以上。
机械动力学
• Select
  利用最优小波尺度循环谱的滚动轴承早期故障特征提取

  杨蕊, 李宏坤, 贺长波, 王奉涛

  机械工程学报. 2018, 54(17): 208-217. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.208

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  滚动轴承微弱故障信号往往包含在二阶循环平稳信号中，但容易受到噪声干扰。对循环平稳信号进行基于短时傅里叶变换的循环周期谱分析可以提高周期故障的识别能力，但其结果受到窗函数大小的影响且对于微弱故障的诊断效果不佳，提出最优小波尺度循环谱进行滚动轴承的早期故障诊断。首先利用连续小波变换对信号进行处理获得小波系数；接着采用相关峭度方法选择最优的分析尺度；然后沿着时间轴对该尺度范围内的小波系数进行循环谱分析；最后对最优尺度下的循环谱平均进行特征提取。与循环周期谱的分析结果进行对比，验证了该方法在早期故障特征提取方面的有效性。
• Select
  螺栓结合部接触区域非线性动态特征的凝聚建模方法

  江和龄, 孔令飞, 李超, 崔博

  机械工程学报. 2018, 54(17): 218-225. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.218

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为研究非线性接触力的影响，提出一种新型螺栓结合部接触区域动态特征的建模方法。基于混合坐标模态缩减技术，将螺栓联接模型中线性自由度的特征模态进行截断，仅保留接触区域的非线性动态特征模态。通过引入可等效表征非线性特征的接触耦合凝聚点，利用坐标变换将接触区域耦合面的非线性接触力凝聚到该作用点上，使得对螺栓结合部的非线性界面接触力转化为凝聚作用点的非线性刚度，从而在保证计算精度的前提下有效降低非线性耦合结合部求解的自由度数，节约计算资源。通过理论计算与试验对比，验证结合部耦合凝聚建模方法的有效性与可行性，这将为精准、高效地预测结构联接体的动态特征与性能评价奠定基础。
• Select
  舰船摇摆作用下滑动轴承-齿轮副系统动力学分析

  刘镇星, 刘占生, 于香宇, 庞学佳

  机械工程学报. 2018, 54(17): 226-234. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.226

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  在舰船摇摆作用下，利用拉格朗日方程建立滑动轴承-齿轮副系统动力学模型。模型中引入非线性油膜力，将齿面、齿背侧啮合力同时考虑。计算了不同输入转速、扭矩作用下齿轮轴静平衡位置，及船体纵横摇摆下齿轮副的振动响应。为研究齿轮副相对于摇心偏置位置的影响作用，计算了不同偏置位置下系统的位移、啮合力及油膜力变化情况，发现随着偏置距离的增加，齿轮的振动响应、轴承油膜力幅值明显增大，油膜力方向大范围波动。此外观察了较小齿侧间隙下摇摆引起的挤齿现象，发现挤齿现象可仅在一侧偏置方向上发生。从齿轮及轴承安全性角度，为舰船设计中齿轮箱布置位置提供理论参考。
制造工艺与装备
• Select
  面向再制造的金属磁记忆检测技术研究综述及工程应用案例

  钱正春, 黄海鸿, 韩刚, 熊斌, 费志洋, 赵伦武

  机械工程学报. 2018, 54(17): 235-245. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.235

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  再制造工程作为一项战略性新兴产业，已经得到社会越来越多的重视；而再制造毛坯损伤检测与评估技术是制约再制造产业发展的瓶颈之一。磁记忆检测技术因其具有的金属材料早期损伤评价优势，在再制造检测与质量控制的研究与工程应用方面得到了较多关注。概述了金属磁记忆检测技术的理论研究现状，并总结其在再制造工程中的应用；结合车桥桥壳和液压油缸等典型结构件的再制造工程实例，详细介绍磁记忆检测技术在铁磁性结构件损伤程度判定和修复质量评价方面所发挥的关键作用；在此基础上指出该技术目前仍存在的一些问题和难点，并对面向再制造应用的金属磁记忆检测技术发展前景进行展望。
• Select
  12CrNi4A材料轴向超声干磨削残余应力计算及试验研究

  唐进元, 郑金超, 廖东日, 邵文

  机械工程学报. 2018, 54(17): 246-254. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.246

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  金属材料12CrNi4A是一种高强度合金钢，研究12CrNi4A材料轴向超声干磨削（Ultrasonic dry grinding，UDG）下的残余应力计算问题。运用逆热法构建一种新的非高斯热源模型，基于有限元软件COMSOL，计算出金属材料12CrNi4A超声磨削温度场分布。用打孔埋布嵌入式热电偶方法测出UAG的磨削区温度历程及分布，通过有限元计算与实测结果进行对比，磨削区温度误差值在5%以内。加载运动学硬化函数，耦合磨削热及磨削力对超声磨削残余应力场进行有限元计算，得到超声磨削表层残余应力分布，与实测值进行对比，误差在10%以内。研究表明：1）超声磨削可有效降低磨削区温度，降低幅值为24.1%；2）超声磨削可有效减少磨削残余拉应力，增加磨削残余压应力。所提出的预测超声干磨削残余应力的方法，对超声磨削的深入研究有借鉴参考价值。
• Select
  超声复合电加工在线参数测控及优化试验

  赵青青, 邓正泉, 朱永伟

  机械工程学报. 2018, 54(17): 255-264. https://doi.org/10.3901/JME.2018.17.255

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  超声复合电加工技术将超声、电解或放电作用有机复合，是难加工材料、异形面零部件微精加工的一种有效方法，但因影响加工过程的参数多而复杂，加工效率与精度常难以保持稳定。分析复合电加工系统机、电、液等参数变化特性，确定各类参数测量、控制或补偿策略；采用激光微位移等多种精密传感器、数字存储示波器及PCI-1706U同步数据采集卡，进行参数在线检测与处理；采用中心计算机、STM32单片机及数字电位器，实时调节超声振幅、设置激光微位移传感器工作参数、调节电加工加电区间；根据极间电参数评定加工状态，进行电参数实时优化调节。利用虚拟仪器技术及LabVIEW平台，开发超声复合电加工实时测控、优化软件。利用研发的测控、参数优化及加工系统，进行微结构超声复合电加工试验，结果表明：加工系统工作稳定，可实现小间隙超声复合同步电加工，在保证加工精度同时，显著提高加工效率。