2019年, 第55卷, 第21期　
刊出日期：2019-11-05

  

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机构学及机器人
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  SIASAIL-Ⅰ太阳帆展开机构

  刘金国, 赵鹏远, 吴晨晨, 秦栋, 陈科利

  机械工程学报. 2019, 55(21): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.001

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  结合太阳帆构型及其性能要求，设计三轴稳定、整体张拉式正方形太阳帆的展开机构。对展开机构进行伸展杆同步性设计，并计算验证同步性设计的合理性。采用有限元方法分析了薄壁管状帆桁构型对其抵抗拉伸/弯曲变形的影响，结果表明豆荚形帆桁的综合性能最优。对2根C形杆点焊形成的人字形帆桁和正常人字形帆桁进行了静力学分析对比。分析了人字形帆桁伸展过程出现"鼓包"现象的原因，并提出防"鼓包"设计。对比了3种不同的帆膜折叠方式，给出折叠次数与最大卷绕高度的关系，定义折痕指数Z以比较不同折叠方式在折叠次数、收拢体积等方面优劣，发现折叠方式C特性最优。最后完成了SIASAIL-Ⅰ太阳帆的研制工作，并分别开展了帆桁带膜地面展开试验测试。试验过程平稳，未出现"鼓包"现象，各伸展杆实现了较好的同步性，验证了展开机构的可行性。
  
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  增强爬坡能力的六足机器人分步二次规划足力分配算法及试验验证

  王冠宇, 丁亮, 高海波, 刘逸群, 刘宇飞, 刘振, 邓宗全

  机械工程学报. 2019, 55(21): 11-20. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.011

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  足力分配算法能够通过约束条件及目标函数的设计优化足端接触力，使多足机器人达到提高崎岖地形通过能力、提高行走稳定性以及降低能耗等目的。提出了一种增强六足机器人爬坡能力的分步二次规划足力分配算法，设计了可以减小最大牵引系数（足端切向力与法向力之比）的目标函数，并且建立了六足机器人约束模型。分步二次规划方法分别分配法向力和切向力，前后两步均为二次规划，可以应用于六足机器人实时控制。搭建足力分配算法仿真平台并采用该足力分配算法对不同步态行走的六足机器人进行了仿真分析，结果表明相比于传统方法，分步二次规划足力分配算法的最大爬坡角度更大。采用六足机器人试验平台ElSpider验证了该足力分配算法的性能。在相同坡度条件下，采用不同步态进行爬坡时，该足力分配方法相比于传统方法降低了所需的最大牵引系数。
  
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  柔性二级差动式微位移放大机构优化设计

  李佳杰, 陈贵敏

  机械工程学报. 2019, 55(21): 21-28. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.021

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  微位移放大机构常常用来扩大压电陶瓷致动器的行程范围。鉴于差动式微位移放大机构具有"小结构大倍数"的特点，设计了一种新型二级差动式杠杆微位移放大机构。应用矩阵表示法对其进行了运动静力学分析，在此基础之上，以柔性铰链的分布位置及其几何特征参数为优化变量，并以提高位移放大比和减小最大应力为目标函数建立一种双目标优化模型。机构经过优化设计后位移放大倍数高达48倍，并对其进行有限元仿真分析，计算结果为44倍，理论模型与有限元模型的误差小于10%。结果表明：提出的优化模型具有准确性和高效性，同样可适用于其他柔性铰链机构的优化设计。
  
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  基于粒子群优化神经网络的水下链式机器人直航阻力预报

  康帅, 俞建成, 张进, 金乾隆, 胡峰

  机械工程学报. 2019, 55(21): 29-39. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.029

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  多单体水下机器人串联组成的水下链式机器人具有航行效率高、稳定性能好、搭载能力强等优势，对其直航阻力的精确预报可实现更有效的运动控制和更合理的动力编组。针对由于水下链式机器人各单体间耦合关系复杂及使用计算流体力学分析阻力耗时较长导致无法快速准确进行阻力预报问题，开展了水下链式机器人直航阻力预报研究。利用计算流体力学分析获得大量输入量（单体数量、航速和单体间间距）与输出量（直航阻力）样本数据，使用BP神经网络建立输入量与输出量模型关系，并通过粒子群算法优化神经网络的初始权值和偏差以改善BP神经网络易陷入局部极值点和过拟合等问题。由大量测试样本的预报结果可知：基于粒子群优化的BP神经网络算法比传统BP神经网络算法预报结果更准确，在给定不同速度和间距测试中均方误差分别降低了2.04×10^-5和7.40×10^-6；在5单体水下链式机器人以0.25 m/s²的加速度做匀加速运动过程中，基于粒子群优化的BP神经网络模型预报结果的平均相对误差为0.42%，精度较高。试验结果说明所提方法是可行且有效的。
  
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  基于加速度反馈的平面3-RRR柔性并联机器人自激振动控制

  余龙焕, 邱志成, 张宪民

  机械工程学报. 2019, 55(21): 40-50. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.040

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  平面3-RRR柔性并联机器人在精密定位、物料搬运、宏微结合等领域有着广泛应用，其在运行到某些区域时容易产生自激振动，这极大地影响了系统的精度和稳定性。为了有效抑制并联机器人的自激振动，在并联机器人试验平台上搭建了振动加速度测量系统，利用加速度传感器和伺服电动机实现闭环反馈以及自激振动主动控制。对平面3-RRR柔性并联机器人特定奇异位置自激振动的机理进行分析，考虑加速度信号滤波以及信号传输和处理等因素引起的相位滞后，采用移相技术，给出了基于加速度反馈的控制算法，对平面3-RRR柔性并联机器人的自激振动进行了主动控制试验研究。理论和试验结果表明：提出的基于加速度反馈的主动控制方法能够在奇异位置处有效抑制并联机器人的自激振动。
  
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  基于工作空间分析的9自由度超冗余串联机械臂构型优化

  赵智远, 徐振邦, 何俊培, 贺帅, 徐策

  机械工程学报. 2019, 55(21): 51-63. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.051

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  提出基于工作空间分析解决超冗余串联机械臂构型选择问题的方法。首先，采用正态分布对求取机器人工作空间的蒙特卡洛法进行改进。用归一化可操作度指标分析机械臂运动的灵活性，用数值仿真的方法得到了最大可操作度值与随机关节角组合的数量之间的关系，提出求取灵活工作空间的算法。其次，基于得到的工作空间，提出一种体元化算法求取工作空间的体积，寻找到工作空间的边界部分和非边界部分，通过对边界部分的不断细化，降低了体积求取误差。然后，分析多自由度串联机械臂构型设计方法，针对9自由度超冗余串联机械臂，确定出了36种待选择的构型方案。仿真分析9自由度超冗余串联机械臂的工作空间，在待选构型中选取了一组最优构型。结果表明：改进的蒙特卡洛法生成了精确的工作空间；体积求取算法效率较高，相对误差小于1%；所选构型的工作空间指标优于已研制的构型，其中可达工作空间体积提高了26.49%，灵活工作空间体积提高了36.63%。
  
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  基于柔性并联机构的变刚度夹持器设计分析

  李建钢, 杨桂林, 张林, 张驰

  机械工程学报. 2019, 55(21): 64-72. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.064

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  提出一种新型双夹爪变刚度夹持器，每个夹爪是一个由四根对称旋转柔性支链组成的变刚度柔性并联机构（VSFPM）。夹持器由两个电动机驱动，其中一个宏动电动机用于控制夹爪的开合运动，适应被抓取物体的几何尺寸；另一个微动电动机用于控制柔性支链的旋转角度，以调整夹爪在开合方向的刚度，实现变刚度柔顺抓取，提高对被抓取物体几何形状、材料属性的适应能力。基于刚度投影方法，分析了基于旋转支链柔性并联机构在夹持方向上的变刚度原理；应用基于伴随变换的刚度分析方法，求得了夹爪在任意旋转角度下的刚度模型；通过有限元仿真分析，验证了刚度模型的准确性。此外，有限元分析结果表明，提出的VSFPM机构具有较大的刚度调整范围（0.178~9.663 N/mm），为变刚度柔性夹持器设计提供了新的思路和方法。
  
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  编织型气动人工肌肉迟滞现象建模与应用

  王琦珑, 王伟, 郝大贤, 贠超

  机械工程学报. 2019, 55(21): 73-80. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.073

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  气动人工肌肉被广泛应用于柔性机器人、仿生机器人等多种机器人研究领域。但气动肌肉具有很强的非线性与明显的迟滞现象，直接限制了气动肌肉的精确控制。针对气动肌肉动力学建模问题，建立包含理想项与非线性迟滞项的完整气肌模型。通过仿真分析证明加入滞回模型后气肌的精度得到了提升：去程时精度提高了10%，回程时精度提高了33%。进一步，将该模型应用于机器人力控制关节上。通过曲面轨迹跟踪试验证明力控制精度从±15 N提升到了±5 N，同时将回程段控制精度提高了40%，并有效解决了力控制关节回程输出力不准确的问题。为进一步提高机器人柔性加工和装配领域的力控制精度提供了理论依据。
  
摩擦学
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  外界压力对粗糙表面摩擦与接触的影响研究

  黄文强, 占旺龙, 黄平

  机械工程学报. 2019, 55(21): 81-87. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.081

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  为研究外界压力对粗糙表面摩擦的影响，建立斜面滑块在不同真空度下的模型并进行试验测量在不同真空度下不同摩擦副配伍材料发生初始滑动时的斜面倾角。试验结果表明：随着外界压力增加，滑块发生初始滑动时的倾角增大，静摩擦力也增大。对于硬度小、重量轻以及接触面积大的摩擦副材料和零部件，其所受外界压力的影响更大。当外界压力从真空度-0.095 MPa增加到0 MPa，轴承钢/轴承钢的最大静摩擦力增大11%、轴承钢/聚碳酸酯增大12%，而聚碳酸酯/聚碳酸酯增大39%。由于通常情况下物体间的摩擦性能总是会受到外界压力的影响，因此真实摩擦角应在绝对真空环境下进行测量，而在大气中进行的测量都存在误差。同时可用文中方法测量两物体的实际接触面积。试验表明随着载荷增加实际接触面积增加，跟摩擦学的经验理论一致。
  
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  倾斜轴颈轴向运动对粗糙表面径向滑动轴承润滑性能的影响研究

  李彪, 孙军, 朱少禹, 付杨杨, 苗恩铭, 任燕平, 朱桂香

  机械工程学报. 2019, 55(21): 88-97. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.088

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  通常对轴-径向滑动轴承进行润滑分析时，均忽略多种因素综合作用下轴颈沿轴承轴线方向的运动状况，与轴-轴承系统中轴承的实际工作状况存在较大差异。以轴-轴承系统为研究对象，综合考虑轴颈轴向运动、表面形貌和轴颈倾斜，基于平均Reynolds方程，建立了耦合轴颈轴向运动的粗糙表面径向滑动轴承润滑模型，主要探讨分析轴颈轴向运动对粗糙表面倾斜轴颈轴承润滑特性的影响。结果表明：倾斜轴颈轴向运动对粗糙表面径向滑动轴承润滑特性影响显著；与不考虑滑动表面粗糙度相比，考虑滑动表面粗糙度时轴颈轴向运动对轴承润滑特性的影响程度有所降低；轴颈轴向速度越小，滑动表面粗糙度对轴承最大油膜压力、承载力和稳定工作力矩影响越大；轴颈轴向速度越小，粗糙度模式对轴承润滑特性影响越显著。因此，对粗糙表面倾斜轴颈径向滑动轴承进行润滑分析考虑轴颈轴向运动的影响是非常必要的。
  
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  环面接触复层多孔轴承热流体动压润滑性能及生/传热机制分析

  张国涛, 童宝宏, 尹延国, 解挺

  机械工程学报. 2019, 55(21): 98-107. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.098

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  为分析热效应对多孔环面接触复层含油轴承流体润滑性能的影响，建立环面接触复层含油轴承系统的热流体动压润滑模型，数值分析轴承系统的温度场及速度场分布，讨论考虑热效应时的复层含油轴承流体润滑问题及其生热、传热机制。结果表明：从轴承底面到摩擦对偶面，温度呈先升高后降低趋势，径向上温度随着半径增加而升高，系统的最高温度位于油膜区外环面上的最小膜厚处；轴承系统中的热量主要由油膜相对剪切发生，周向相对运动速度是系统生热的主要影响因素，温度与周向速度的分布形态相似，油膜产生的热量通过对流换热逐渐向多孔轴承中传导，轴承表层厚度或渗透率降低，对流换热效果变差，轴承系统中温度升高，热效应对润滑性能的影响变大；考虑热效应后，油膜润滑性能变差，但数值分析精度提高，数值结果更接近试验实测值。
  
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  变黏度静压滑动轴承高速时油膜动态润滑特性

  张艳芹, 倪世钱, 张志全, 孔鹏睿, 冯雅楠, 孔祥滨

  机械工程学报. 2019, 55(21): 108-117. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.108

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  静压滑动轴承转台直径大（D=4.5 m），高转速运行时产生线速度值很大，其内部润滑油膜受压及剪切发热导致油膜变薄进而影响到机床加工精度和运行可靠性。针对新型Q1-205双矩形腔静压推力轴承，采用动网格技术探索变黏度条件静压轴承高速时的油膜动态润滑特性。建立该静压轴承的流量、承载力、油膜温升等理论模型，自定义用于控制边界层网格运动及变黏度的UDF程序，选取外载荷12 t，转速为80~200 r/min（线速度18~48 m/s）高速下的工况条件参数进行动态润滑特性数值模拟，并进行相同工况参数下的试验验证，揭示出高速时油膜厚度变化对油膜温度、油腔压力、封油边处流量的影响规律。研究发现，该型号轴承在承载12 t时，随着膜厚的减小，油膜剪切发热严重，温升加剧，且高速下受润滑油黏度变化影响造成压力损失严重，研究数据为工程上静压轴承可靠运行提供理论依据。
  
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  异性分形表面合成方法及表面特性研究

  张玲, 郑国磊, 杨荣荣

  机械工程学报. 2019, 55(21): 118-126. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.118

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  针对异性分形表面的建模，提出了一种以二维离散傅里叶变换为基础，以名义维数D_x，D_y为驱动参数的表面合成方法——合成维数法。通过对比名义维数与采用轮廓功率谱公式和数值分析法得到的表面计算维数的关系，验证了该方法的有效性。探讨了名义维数对x，y方向轮廓能量分布以及对表面及轮廓粗糙度的影响。一方面在轮廓功率谱分析的基础上定义了轮廓累计功率比，用于描述表面轮廓的能量分布特性，不仅促进了对名义维数和轮廓能量关系的定性理解，更能定量地解释不同维数值影响下频率和轮廓能量分布的关系。另一方面以能量分析为切入点，建立了名义维数与表面及轮廓粗糙度参数间的联系，并且依据能量守恒定律，证明并揭示了轮廓粗糙度R_qx，R_qy之间以及二者与面粗糙度S_q的关系。同时得出结论，D_x或D_y值越小，低频部分能量占比越高，反之亦然，但是x，y方向轮廓总功率始终相等，并随D_x，D_y增大而增大；D_x，D_y只影响S_q，R_qx，R_qy的绝对数值，二者的增大会引起粗糙度值增加，但并不影响R_qx，R_qy的相对关系。
  
数字化设计与制造
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  面向加工变形控制的航空整体结构件拓扑优化设计方法

  王华敏, 秦国华, 胡政, 林锋, 吴竹溪, 韩雄

  机械工程学报. 2019, 55(21): 127-138. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.127

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  在毛坯制造过程中，材料力学性能的非均匀性导致铝合金厚板内产生残余应力，以致在后续的高速切削加工过程中，随着材料的大量去除，残余应力的释放使得整体结构件发生变形，严重影响着整体结构件的尺寸稳定性。当初始残余应力水平及状态一定时，随着从毛坯上去除材料切削成形为不同的零件结构，零件变形会表现出不同的形式。因此，研究零件变形与零件结构形式之间的关系对于实现加工过程的高效化和精密化至关重要。首先，通过铝厚板的材料去除等效为残余应力的释放，利用弯曲变形理论建立铝厚板厚度方向上加工变形的解析分析模型及有限元分析模型。通过航空企业现场加工、测试零件后可知：加工变形的解析值、仿真值与测量值相比，无论是幅值水平还是变形曲线，解析值与仿真值完全吻合，而两者与实验值之间仅存在不到10%的幅值误差。其次，为了使得加工变形达到最小，构建以结构体积为约束的拓扑优化设计模型，通过利用一系列凸显式子问题逼近目标和约束函数，构建拓扑优化模型的MMA求解技术。最后利用所提出的优化方法计算出C919直梁件的结构，优化前、后的加工变形分别为22.02 mm与0.7414 mm，在相同的材料去除量情况下，通过优化结构可以使得加工变形减小96.63%。
  
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  考虑准备时间和关键目标的柔性作业车间低碳调度研究

  李明, 雷德明

  机械工程学报. 2019, 55(21): 139-149. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.139

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  针对考虑依赖于顺序准备时间的柔性作业车间低碳调度问题（Flexible job shop low carbon scheduling problem，FJSP），提出了一种新型帝国竞争算法（Imperialist competitive algorithm，ICA）以充分优化关键目标最大完成时间和总延迟时间的同时持续改进非关键目标总能耗。该算法采用新的同化策略使得帝国内每个解至少存在多个学习对象并区别对待帝国内的最好解和其他殖民地，新型帝国竞争中给出了归一化总成本新定义并引入了殖民国家的全局搜索。通过试验系统地分析了总能耗的恶化程度与关键目标的改善程度之间的关系，并验证了新型ICA在求解所研究低碳FJSP方面较强的优势。
  
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  融合可拓学与多层次知识建模的仿生原型获取

  刘晓敏, 李娇蓉, 陈亮, 程广驰

  机械工程学报. 2019, 55(21): 150-160. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.150

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  针对仿生原型获取过程中存在的问题，构建融合可拓学与多层次知识建模的总体框架实现模型。描述产品-生物系统多层次语义关系。基于可拓基元理论及形式化的描述方法，构建产品系统功能-原理-行为-结构（Function-principle-behavior-structure，FPBS）和生物系统结构-动作-策略-功能（Structure-action-tactic-function，SATF）实例元本体可拓模型。建立产品FPBS和生物SATF映射关系模型。根据基元拓展性，建立产品-生物两系统的实例元可拓集。在相关可拓集中，引入基元相似度计算方法。借助于两系统各层次间的相似性来搜索仿生原型，再利用可拓综合评价方法进行仿生原型优选。以滤网式过滤器为例，以验证所构建的总体框架实现模型的可行性与有效性。
  
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  厚度无损检测仪器的精度长期稳定性研究

  龚榕, 罗思琦, 叶波, 于亚婷, 田贵云, 易秋吉

  机械工程学报. 2019, 55(21): 161-169. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.161

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  无损检测和结构健康监测是保障工业生产安全、降低维护成本的重要技术。在结构健康监测领域，原位测量仪器的长期稳定性尤为重要。首先介绍电磁、超声无损检测在厚度检测的应用现状，针对随后讨论厚度无损检测检测仪器精度长期稳定性问题。对厚度无损检测仪器现在长期使用过程中的精度变化规律进行研究，探讨三种测厚仪器的工作原理、精密度和准确度与仪器的稳定性的关系。采用三种厚度测量仪器（超声测厚仪、涂覆层测厚仪与楼板测厚仪）测量预标定样本的仪器试验测量方法，得到五年测量数据。再通过分析数据的年平均误差、相对误差和变化速率来讨论电涡流测厚仪、超声测厚仪的长期稳定性，并进行三类仪器间的比较，分析各类型仪器的特点。结果显示电涡流厚度测量仪器具有相对较好的长期稳定性；超声测厚仪和楼板测厚仪精密度维持能力受时间影响，仪器精密度逐年下降，准确度也趋于不稳定。为电磁无损检测技术应用到结构健康监测领域，自校准和补偿奠定了基础。
  
制造工艺与装备
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  轴颈外圆磨削成圆过程的双转子耦合模型及仿真算法

  熊万里, 陈建华, 丁文祥, 曾旭, 郑良钢

  机械工程学报. 2019, 55(21): 170-177. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.170

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  主轴轴颈外圆的圆度对机床主轴部件的回转精度具有直接而重要的影响。磨削加工是实现轴颈外圆高精度加工的最重要的手段。虽然磨削技术在主轴外圆加工上已长期应用，但是利用现有的研究成果，还难以对一个既定的磨削系统的磨削成圆过渡过程进行完整有效的定量仿真，也难以对磨削工件的最终圆度进行科学合理的预测。在吸收国内外磨削转子系统模型成果的基础上，进一步考虑外圆磨削过程中砂轮和工件之间的相互耦合作用、材料去除、转子振动及变形协调规律，建立了外圆磨削系统的双转子耦合振动模型，提出了模拟轴颈材料去除和圆度变化的"磨削力-瞬时磨削深度"迭代算法。利用所建立的双转子模型和迭代算法，对不同磨削策略下轴颈外圆成圆的过渡过程进行了定量仿真，再现了轴颈材料去除和外圆轮廓变化的全过程；比较研究了不同磨削策略对磨削效率和最终加工圆度的影响规律。进行了相应的磨削试验和对比验证，试验结果证实了所提出的轴颈外圆磨削的双转子模型和迭代算法的有效性和合理性。
  
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  高精度动态切削力自感知智能刀具的研究

  赵友, 葛晓慧, 赵玉龙

  机械工程学报. 2019, 55(21): 178-185. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.178

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  切削状态监测是高档数控机床实现智能加工的必备功能，而切削力测量是进行切削状态监测最直接、有效的方法。目前商业化的切削力测力仪由于体积大、价格贵、兼容性差等原因，难以满足实际工业生产的应用要求。针对机械加工过程中动态切削力的准确测量这一研究目标，提出了一种具有切削力自感知功能的智能刀具，该智能刀具以刀杆作为弹性敏感元件、以半导体应变计作为信号转换元件；通过理论计算和有限元仿真，确定了封装半导体应变计的最佳应力区域以及传感器测量电路的设计方案。所研制的智能刀具结构紧凑、兼容性好、精度高、动态特性好，试验结果显示主切削力F_c方向的静态精度为1.799%、横向交叉干扰为2.610%，进给力F_f方向的静态精度为1.628%、横向交叉干扰为0.694%，智能刀具的固有频率为1 778.98 Hz，可以满足在机床主轴转速不超过26 685 r/min的高速切削过程中准确测量动态切削力的应用需求。
  
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  基于混合材料模型的颗粒增强钛基复材高速磨削温度研究

  李征, 丁文锋, 周欢, 苏宏华

  机械工程学报. 2019, 55(21): 186-198. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.186

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  针对颗粒增强钛基复合材料（Particulate reinforced titanium matrix composites，PTMCs）高速磨削加工，建立一种三维混合材料磨削温度场有限元仿真计算模型，既考虑了Ti-6Al-4V基体材料特性，又包含了材料内部的TiC增强颗粒，由此分析了高速磨削过程中温度场特征及其演变规律。结果表明：基于三维混合材料模型的PTMCs磨削温度预测值与试验值相差小（为8%以下），而基于普通均质材料模型的磨削温度预测值与试验值相差大（为16%以上）。PTMCs工件表面磨削温度随着磨削用量的增加逐渐上升。当砂轮线速度为120 m/s、工件进给速度为6 m/min时，磨削深度从20 μm增加到100 μm，PTMCs工件表面磨削温度从346℃增加到987℃，温度梯度值从1 070~624℃/mm增加到1 570~1 310℃/mm。磨削温度及其分布梯度对PTMCs亚表层显微组织变化层深度存在显著影响，磨削深度从40 μm上升到80 μm，显微组织变化层深度从22 μm增大到40 μm；当磨削深度进一步从80 μm增加到100 μm时，显微组织变化层深度增加到53 μm。
  
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  基于混合驱动的大行程快速刀具伺服设计与控制

  周荣晶, 李云峰, 纪宇阳, 陈栎, 孔令豹, 朱志伟

  机械工程学报. 2019, 55(21): 199-207. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.199

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  为获得高精度大行程快速刀具伺服（Long-range fast tool servo，LFTS）系统，以柔性铰链为运动导向机构，提出一种基于洛伦兹电磁力与压电混合串联驱动的LFTS系统构成策略。对于该混合驱动，基于洛伦兹力的音圈电机用于实现大行程运动，而高频响压电则对其进行高精度动态补偿。针对压电驱动，为提高系统输出刚度及寄生运动抑制能力，提出一种改进的具有完全对称构型的桥式柔性放大机构。两种驱动的垂直布置构型及压电驱动的完全对称性有效降低了驱动间动力学耦合。基于试凑法和智能优化算法，结合机-电-磁理论模型分别优化获得了音圈电机及压电驱动系统关键参数，并采用有限元仿真验证了设计的正确性。为获得高精度运动跟踪，提出音圈电机开环逆动力学控制及压电驱动闭环补偿LFTS整体运动误差的控制策略，借助所辨识系统动力学模型最优设计了相应控制器。最终，通过试验样机开闭环性能测试，验证了系统设计与控制策略的有效性。
  
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  半导体硅电极多通道放电机理研究

  邱明波, 傅炯波, 段亚俊, 沈理达, 韩云晓

  机械工程学报. 2019, 55(21): 208-214. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.208

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  为了实现电火花加工同一时刻形成多个放电通道蚀除工件，克服现有放电加工理论中同一时刻仅有一个放电通道蚀除工件的限制，提出了采用半导体材料作为电极进行放电加工的新方法。首先，通过试验证明以半导体硅为电极加工金属可以形成多通道放电；其次，建立了半导体电极单通道放电等效电路模型，发现半导体电极在放电加工时不是一个等势体，并进行了电势差分布试验，验证了多通道放电形成的原因是远离放电点处的电势较高，可以同时形成击穿产生放电；最后，进行了半导体硅电极单脉冲放电试验及成型加工试验。试验结果显示，半导体硅电极通过1次脉冲放电同时形成多个放电通道，有效地分散放电能量，相较于金属电极，每个放电坑的直径和深度都显著减小。在相同放电参数下，对比钢电极，用硅电极进行电火花加工的表面粗糙度值下降71.7%。
  
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  基于遗传算法优化小波神经网络数控机床热误差建模

  李彬, 张云, 王立平, 李学崑

  机械工程学报. 2019, 55(21): 215-220. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.215

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  数控机床的热误差已经成为影响其加工精度的一个关键因素，为最大限度提高数控机床热误差补偿的精度和效率，结合遗传算法自适应全局优化搜索能力和小波神经网络良好的时频局部特性的优点，提出一种基于遗传算法优化小波神经网络的机床热误差补偿模型。以某型号五轴摆动卧式加工中心为试验对象，以机床温度变量和热误差为数据输入样本，建立小波神经网络模型热误差预测模型，然后用遗传算法优化小波神经网络权值、阈值，最终建立热误差预测模型。通过与传统人工神经网络和普通小波神经网络进行对比分析及试验论证表明，该补偿模型具有精度高、抗扰动能力和鲁棒性强等优点，有望在实际加工场合的数控机床的热误差预测和补偿研究中得到更大的推广应用。
  
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  变密度微织构球头铣刀切削性能多目标优化

  佟欣, 杨树财, 何春生, 郑敏利

  机械工程学报. 2019, 55(21): 221-232. https://doi.org/10.3901/JME.2019.21.221

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  为深入研究微织构排列形式对微织构理刀具的抗磨减摩机理的影响，分别从理论、仿真及试验等方面对最优的微织构排布形式进行研究。首先，建立微织构在刀具前刀面的数学模型及仿真模型。其次，通过试验验证仿真结果的准确性。仿真及试验研究均发现，变密度微织构球头铣刀的铣削性能优于均匀分布密度的微织构球头铣刀。最后，运用模糊评价法优选最优的铣削性能的微织构球头铣刀，优化结果表明，两排织构间距先为200 μm，再为150 μm，最后为175 μm的微织构球头铣刀的铣削性能最好。该项研究使刀具具有良好的抗磨减磨性，提高加工效率及被加工工件的表面质量。