机械工程学报

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梁军, 韩冬冬, 盘朝奉, 陈龙, 陈逢强, 杜万兵

机械工程学报. 2022, 58(3): 1-20. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.001

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近年来基于移动机器人的智能车库（Robot-based intelligent garage，RIG）以高容量、高效率和高安全性的特点，在缓解城市"停车难"问题彰显卓越功效。RIG作为智能交通系统的重要组成部分，其核心组件是移动机器人（Automated guided vehicle，AGV），而AGV运行控制依赖RIG关键技术。在分析RIG相关文献的基础上，首先根据RIG运行特点，从"布局方案""调度策略"和"路径规划"三个方面对现有RIG关键技术梳理。然后，系统回顾了RIG关键技术的理论基础、研究方法、应用现状及优缺点，深入探讨了RIG关键技术在运行过程中所发挥的重要作用。最后，针对RIG运行过程中存在的问题，仍从以上三个方面展望了RIG关键技术的发展趋势。需要强调的是：①运用大数据处理技术，挖掘不同时间段停车需求，指导RIG布局自动优化以平衡停车容量和存取效率需要；②云机器人技术在RIG调度策略应用逐渐广泛，结合出行即服务技术RIG，制定满足用户满意度的RIG调度策略；③随着RIG布局方案、调度策略以及实际环境障碍物的复杂化，利用深度强化学习框架解决AGV的路径规划问题已成为当前发展趋势。系对RIG关键技术研究成果的系统梳理，对未来RIG技术研发和工程应用具有重要的指导意义。

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求解SSRMS构型空间机械臂逆运动学的方法

赵智远, 赵京东, 赵亮亮, 杨晓航, 刘宏

机械工程学报. 2022, 58(3): 21-35. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.021

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SSRMS构型机械臂被广泛应用于空间在轨服务，但是由于冗余自由度以及肩、轴、腕部偏置的存在，导致逆运动学求解困难。关节角参数化方法虽然能求得逆运动学的解析解，但是求解成功与否高度依赖于参数的给定值。基于雅可比矩阵的求解方法考虑避奇异时会损失机械臂的运动性能。为此，提出了一种基于循环坐标下降法与关节角参数化方法联合的逆运动学求解方法（CCDJAP-IK），该方法具有对雅克比矩阵奇异不敏感，避免关节极限以及求出多组逆运动学精确解的优点。将采用循环坐标下降法求得的近似解作为关节角参数化方法中参数的给定值，减少了参数取值的盲目性，增加了求解的成功率。将末端执行器的运动转化为关节6末端点仅y轴方向受约束的达点运动，简化了目标函数以及算法的迭代步骤，提高了计算效率。以HIT-SSRMS构型机械臂为例开展了仿真实验，结果表明：在当前构型和期望位姿均在工作空间内随机选取的情况下，CCDJAP-IK方法的平均计算时间为4.86 ms，求解成功率为99.32%，是一种有效且可靠的求解SSRMS构型机械臂逆运动学的方法；在跟踪笛卡儿路径时，CCDJAP-IK方法的跟踪精度、关节空间连续性以及实时性均满足任务要求，因此可应用于机械臂的实时路径跟踪任务。

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一种用于眼内手术的混联机构设计与运动学分析

杨洋, 陈子路, 广晨汉, 郑昱, 林闯

机械工程学报. 2022, 58(3): 36-44. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.036

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为利用机器人实现眼内手术操作所需的远程运动中心（Remote center of motion，RCM）运动模式，提出了一种新型六自由度混联机构（RP+PPRRP/PPRR）。首先受U副结构形式的启发，利用两组RPPRP平面五杆机构单元重构出PPRRP/PPRR并联构型。根据螺旋理论计算该机构的自由度，并分析自由度性质，从而确认机构对RCM运动模式的兼容性。利用坐标变换方法建立机构的正运动学模型以及包含RCM参数（算法）的逆运动学模型。然后基于机构构型，设计、构建了物理样机。最后采用主从控制方式进行物理样机运动实验，验证运动学模型（算法）的正确性以及机构对眼内手术的适配性。

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基于动力学模型辨识的全臂柔顺控制

李洋, 朱立爽, 刘今越, 郭士杰

机械工程学报. 2022, 58(3): 45-54. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.045

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基于动力学模型的阻抗控制无须力传感器，可降低系统复杂性，实现机械臂的全臂柔顺，但现实系统的动力学模型往往难以精确确定。监督学习可以通过关节状态回归辨识动力学模型，但辨识精度取决于观测数据的数量和质量，且难以泛化到未观测空间。提出一种基于先验动力学知识的递归参数辨识方法，可提高数据效率及泛化能力。辨识过程结合递推牛顿-欧拉动力学算法，逐一递归辨识关节参数，减少鞍点数量，克服辨识结果对初值的依赖性。在此基础上，设计了柔顺控制器；其外环为阻抗控制，通过辨识模型实现了无力传感器的全臂柔顺；内环采用滑模控制器，以辨识力矩作为动力学前馈，并通过径向基函数神经网络补偿系统的动态不确定性。实验结果表明，所提出的递归辨识算法可通过少量观测数据辨识完备的动力学模型，并实现全臂柔顺控制。

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一种并联下肢康复机构的综合与分析

李双, 李艳文, 赵美欣, 陈子明, 朱为国

机械工程学报. 2022, 58(3): 55-64. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.055

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针对具有下肢运动障碍的偏瘫及脑卒中患者，提出一类基于并联机构的下肢康复机构，此类机构具有三平移的运动自由度，其结构关于单一平面对称。康复训练机构基于站姿康复，通过动平台带动踝关节的运动完成人体下肢康复训练，使康复训练形式多样化，康复过程中患者能够获得一定的适应性以及舒适性。基于螺旋理论型综合方法给出四种分支自由度为4的基础构型，择优选取了一种分支结构为PRPR的并联机构作为康复执行机构；对该机构进行了运动学分析，求取了机构的工作空间；基于不同的康复形式进行了轨迹规划；通过冠状面和矢状面的角度实验验证了机构具有运动不受平面限制的性能。

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一种新型可变形轮腿式机器人的设计与分析

刘超, 谭稀岑, 姚燕安, 付志洋

机械工程学报. 2022, 58(3): 65-74. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.065

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提出一种新型可变形轮腿式地面移动机器人，采用相同动力源实现轮式和腿式两种移动模式。将Chebyshev机构与平行四边形机构结合，提出了具有两种单自由度运动形式的单环闭链2RP3R变胞机构，进行了构型设计和运动学分析。将2个单环闭链变胞机构构造成轮腿式移动模块，进而构建一种可变形轮腿式机器人。机器人具有256种运动形式，这些运动形式均采用相同的动力源，实现多足切换，通过不同高度的空间，在曲柄与机架共线时进行移动模式切换，实现倾倒后恢复。然后，分析了机器人的移动性能，得到腿式模式下的平均越障能力和两种模式下的平均速度比。建立虚拟样机模型，完成了机器人平地行走、越障、转向和模式切换仿真试验。研制一台样机，进行了两种模式下的移动试验，验证了机器人方案的可行性。

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百米级多超弹性铰链抛物柱面天线折展机构设计与运动学分析

杨慧, 冯健, 刘永斌, 刘荣强

机械工程学报. 2022, 58(3): 75-83. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.075

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为了满足空间任务需要，对可折展薄膜天线应用需求非常迫切，且朝着大展收比、高精度化、轻质化的方向发展。提出一种百米级多超弹性铰链抛物柱面天线折展机构，该机构主要由超弹性铰链、三棱柱伸展臂、横向折展肋、同步铰链和索网组成；三棱柱伸展臂能够进行纵向折展，横向肋进行横向二次折展。该机构采用模块化设计，依靠横向和纵向分布的超弹性铰链弯曲变形时存储的弹性势能实现展开和锁定，具有无源驱动的特点。考虑了超弹性铰链和绳索的非线性影响对该机构进行静刚度分析；采用位移坐标分析法和拉格朗日方程，分别建立了横向肋展开、三棱柱伸展臂纵向展开的运动学模型，为抛物柱面天线折展机构的宇航应用提供了理论基础。

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空间机械臂在轨插、拔孔操作力/位姿阻抗控制

曾晨东, 艾海平, 陈力

机械工程学报. 2022, 58(3): 84-94. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.084

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利用空间机械臂进行在轨组装、维护、燃料加注等已成为必然趋势，而插、拔孔操作是实现上述任务的基础。讨论了空间机械臂在轨插、拔孔操作的阻抗控制问题。首先，建立了载体位置、姿态均不受控下，空间机械臂在轨插、拔孔操作过程系统动力学方程；由末端部件插头位姿及其输出主动力之间的动态关系以及阻抗控制原理，建立了阻抗控制模型。在此基础上，针对系统同时存在动力学不确定与外部扰动的情况，基于事件触发机制，设计了空间机械臂在轨插、拔孔操作事件触发滑模阻抗控制策略；并通过李雅普诺夫理论，证明了控制系统的稳定性。该控制策略的作用机理即：当系统保持稳定时，控制输入不更新；当系统趋于不稳定时，控制输入更新。由于不必时时更新控制律，系统内部传输及计算的数据量较少，更适于空间站计算机运算、存储能力有限的情况。系统数值仿真，验证了上述控制策略的有效性。

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齿轮接触疲劳理论研究进展

刘怀举, 张博宇, 朱才朝, 魏沛堂

机械工程学报. 2022, 58(3): 95-120. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.095

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随着航空、风电、重载车辆等装备对齿轮传动功率密度、承载能力、疲劳寿命要求的提高，以微点蚀、点蚀、深层齿面断裂等多种形式存在的齿轮接触疲劳失效成为限制现代齿轮及装备服役性能与可靠性的重要瓶颈。通过调研国内外相关研究现状，描述了齿轮接触疲劳失效模式，归纳了现有齿轮接触疲劳理论与寿命预测方法，介绍了连续损伤理论、微结构力学理论在齿轮接触疲劳研究中的作用，辨识了影响齿轮接触疲劳性能的轮齿界面状态、硬化层与残余应力、材料缺陷等结构-工况-材料要素体系，强调了齿面时变滑滚下宏微观形貌-润滑耦合热弹塑接触机理、粗糙齿面疲劳-棘轮-磨损多源损伤机理、多尺度齿轮材料损伤与性能退化、齿轮抗疲劳制造中的表面完整性及其演化机理等科学问题，总结了超精加工、涂层、喷丸等对提高齿轮接触疲劳性能的影响，为进一步理解齿轮接触疲劳失效机理、形成高性能齿轮抗疲劳设计制造方法提供了参考。

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硬盘头盘界面的微观接触模型及动力学响应分析

王宇, 张帆, 晁世麟, 訾艳阳

机械工程学报. 2022, 58(3): 121-130. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.121

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针对硬盘头盘界面纳米级别微观接触问题，提出改进的GW接触模型计算微观接触力并引入分子间作用力建立头盘界面微观接触的力学模型，在此基础上建立头盘界面的两自由度动力学模型。利用龙格库塔方法求解不同接触状态下磁头的动态响应，结果表明：当磁头降低到一定飞行高度，头盘接触会导致磁头的自激振动，该动力学行为是造成磁头飞行失稳的关键因素。为了验证上述头盘界面接触动力学模型的准确性，选用物理参数相同的磁头开展过载状态下的动态响应测试，发现模型理论计算值与实验测试结果的相对误差不超过8%，验证了模型的准确性。

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共轭参数驱动的谐波传动齿廓设计与分析方法

唐挺, 李俊阳, 王家序, 曾星宇, 肖科

机械工程学报. 2022, 58(3): 131-139. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.131

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以谐波传动中凸轮轮廓曲线为共轭齿廓形成的原始驱动参数，基于运动轨迹映射与共轭方程，提出了共轭参数驱动的谐波传动齿廓设计方法。对非共轭参数驱动与共轭参数驱动设计方法设计的共轭齿廓进行了啮合特性对比分析，研究了凸轮径向变形量系数和凸轮形式对谐波传动啮合与接触特性的影响规律。结果表明：共轭参数驱动的齿廓设计方法无须参数调整便可同时实现二次共轭和两点共轭，并且不会出现无解；凸轮径向变形量系数的减小可增大啮合区间与啮入区的啮合侧隙，并使齿面接触的综合曲率半径减小；凸轮形式虽然对啮合区间影响较小，但是对啮合侧隙和综合曲率半径影响较大，选取凸轮形式及结构参数时应综合考虑对谐波传动啮合、接触与润滑特性的影响。

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基于小波包敏感频带选择的复材铣边颤振监测研究

张磊, 郑侃, 孙连军, 孙红伟, 薛枫, 王涛

机械工程学报. 2022, 58(3): 140-148. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.140

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针对航空蒙皮类复合材料零件铣边颤振初期频率淹没问题，提出了一种基于小波包敏感频带选择的能量熵颤振监测方法。首先使用频率消除算法（Frequency elimination algorithm，FEA）对铣边采集信号进行去主轴转频、刀齿齿频及其倍频处理。其次对去频后的信号进行小波包分解（Wavelet packet decomposition，WPD），分析WPD的频带分布特性。然后基于频带相关系数ρ和能量比波动方差σ²选取颤振敏感频带作为颤振研究对象，提取分解后信号能量熵作为颤振监测量并基于拉依达准则确定系统颤振监测阈值。最后通过仿真信号和试验验证了所提算法的有效性。结果表明，经FEA和敏感频带筛选后信号的能量熵值分辨率提高了205%，且相较于未去频信号系统颤振监测响应时间能提前0.5 s。

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小样本条件下元学习门控神经网络的齿轮退化趋势预测研究

余晓霞, 邓蕾, 汤宝平, 夏乙, 李琪康

机械工程学报. 2022, 58(3): 149-156. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.149

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针对齿轮小样本条件下深度神经网络训练容易过拟合导致齿轮退化趋势预测不精准的难题，提出了元学习门控神经网络网络齿轮退化趋势预测模型（Meta-learning gated recurrent neural networks，MLGRU）。将齿轮原始振动信号经过征提取、特征筛选以及特征融合后的指标作为门控神经网络的输入；在元学习网络框架下搭建门控神经网络，在防止齿轮预测模型过拟合的同时通过多任务的训练方式优化元学习门控神经网络，使其在小样本条件下快速收敛；通过门控神经单元深度学习齿轮演化规律并进行退化趋势预测。试验结果表明所提元学习门控神经网络能够充分学习齿轮演化机理，实现齿轮退化趋势预测。

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基于改进函数拟合法的冲击载荷识别研究

邱雨晴, 王磊, 王晓宇, 曾福明, 季宏丽, 裘进浩

机械工程学报. 2022, 58(3): 157-166. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.157

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冲击载荷识别在结构设计、振动控制、健康监测等领域具有重要作用。基于经典Tikhonov正则化的冲击载荷识别方法存在识别精度、稳定性等方面存在一定的局限，近年来兴起的函数拟合法为冲击载荷识别提供了新的思路。根据冲击载荷的稀疏性质以及考虑冲击载荷的加载、卸载过程，提出基于半余弦函数拟合的冲击载荷识别方法，通过遗传算法优化半余弦基函数的区间参数，建立基于半余弦函数拟合的冲击载荷识别正则化模型，解决基于函数拟合的冲击载荷识别方法的稳定性问题。将基于半余弦函数拟合的冲击载荷识别方法、经典Tikhonov正则化方法和正交多项式拟合法分别对梁结构、桁架结构与薄板结构的有限元模型进行冲击载荷识别计算，对悬臂梁结构进行试验验证。结果表明：基于半余弦函数拟合的冲击载荷识别方法能够得到时域上的稀疏信号，识别精度高，抗噪性能好。

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制冷线性压缩机盘簧研究

陈洪月, 张站立, 王鑫, 周立秋, 沙永东

机械工程学报. 2022, 58(3): 167-176. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.167

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弹簧是实现线性压缩机活塞共振控制和影响压缩机寿命的关键零件，针对现有压缩机用板弹簧刚度小、使用数量多等问题，设计了一种多臂阿基米德螺线盘簧，采用有限元法分析了阿基米德螺线的基圆半径r、略角θ、螺距常数b等参数对弹簧臂刚度的影响规律，针对盘簧臂刚度的多因素影响特性，采用有限元响应面优化法，对圆柱盘簧臂的刚度性能进行了优化，优化后的圆柱盘簧臂的轴向刚度提高了42.5%，径向刚度提高了26.8%，且疲劳强度满足使用要求；对两臂和三臂盘簧进行了刚度测试实验，并对两者的性能进行分析和对比，得出了在同等轴向刚度条件下，三臂盘簧径向刚度和质量特性要优于两臂盘簧，将三臂盘簧应用于线性压缩机中，可以替代6个板弹簧，轴向刚度可达到25.6 N/mm，且具有较好的径向支撑效果，能够满足线性压缩机所需要的轴向刚度以及径向刚度需求，研究结果对线性压缩机弹簧的设计和应用具有理论和实际意义。

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内置式永磁同步电主轴模糊滑模联合矢量控制

单文桃, 李坤

机械工程学报. 2022, 58(3): 177-185. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.177

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针对内置式永磁同步电主轴驱动控制系统的特点，提出了最大转矩电流比控制策略以处理定子电流。最大转矩电流比控制策略的核心是采用牛顿迭代法对定子电流进行有效解耦，再利用闭环控制稳定跟踪实际数据，不断对定子电流进行改善，并建立模糊滑模联合控制模块，在提高系统的响应速度的同时优化系统的鲁棒性，抑制了系统的转矩波动，改善了系统输出性能。分析了滑模控制（Sliding mode control，SMC）与模糊控制的优缺点，提出模糊滑模联合控制。联合控制使系统升速的时间缩短了0.24 s，最大超调量减小为1.3 r/min，减小了系统升速时的波动，同时使得系统稳定运行期间的转矩波动低于1 r/min。试验结果表明联合控制不但具有滑模控制的快速响应能力以及较小超调量的优点，同时具有模糊控制在系统稳定运行期间有效抑制转矩波动的优点。

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膜厚对热处理聚二甲基硅氧烷薄膜表面润湿性的影响

陈荣昕, 张炜, 孙魏, 叶家鑫, 刘小君, 刘焜

机械工程学报. 2022, 58(3): 186-193. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.186

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针对聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜润湿性这一重要表面特性，通过旋涂法制备不同厚度PDMS薄膜，通过接触角测量、表面形貌观测、薄膜厚度分析、红外化学光谱分析等方式对热处理前、后PDMS薄膜表面润湿性及其物理、化学状态进行表征分析，探究膜厚因素对最终热处理后PDMS薄膜润湿特性的影响机理。研究表明，不同厚度状态下热处理后H-PDMS薄膜表面具有亲水-疏水-超疏水-超亲水的润湿状态差异；同时，从表面形貌变化、截面厚度变化及化学键等物理、化学层面分析表明SiO₂颗粒的生成及SiO₂颗粒粒径大小和颗粒之间的堆叠状态变化可对膜厚差异导致热处理后H-PDMS薄膜润湿性不同做出良好解释。本研究为进一步剖析PDMS薄膜润湿特性提供理论基础，并为通过控制PDMS薄膜厚度从而实现其热处理后润湿状态调控提供方法指引。

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频繁启停工况下轮轨滚动接触磨损行为与磨屑颗粒排放特性研究

沈明学, 容彬, 秦涛, 肖叶龙, 熊光耀, 朱旻昊

机械工程学报. 2022, 58(3): 194-202. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.194

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轨道交通车辆在近站点附近须频繁启停，在加减速过程中轮轨界面接触应力分布变得更为复杂，从而引起轮轨磨耗和磨屑行为的改变。为深入了解近站点附近频繁启停工况下轮轨滚动接触界面的磨损特性与颗粒物排放行为，利用自行研制的JD-DRCF/M型轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台开展了频繁启停工况下轮轨循环加减速磨损试验与颗粒物排放实时监测。结果表明，轮轨间黏着系数受加速度α_r的影响显著；随着加速度α_r的提高，加速阶段完成后的黏着系数依次呈现先下降后上升的趋势；适中的加速度（如α_r=800 r·min^-2）降低了轮轨间黏着，同时有效减缓了轮轨磨耗；启停工况（即有加速度时）大大提高了可吸入颗粒物（如3.0 ≤ d ≤ 10.0 μm）的排放浓度，尤其在较低的加速度（如400 r·min^-2）工况下这种现象更为严重。

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猪笼草滑移区微纳复合结构液滴浸润程度的数值模拟

王立新, 张硕研, 闫世兴, 董世运

机械工程学报. 2022, 58(3): 203-212. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.203

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猪笼草滑移区因具有微纳复合结构而呈现超疏水润湿特性，为超疏水表面研制提供了潜在的仿生原型，但其超疏水润湿机理仍未得到充分揭示，这源于现有技术手段不能准确获取液滴对滑移区微纳复合结构的浸润程度。构建滑移区微纳复合结构（月骨体、蜡质晶体）的三维模型，划分网格并对液滴网格单元的顶点进行受力分析；然后基于最小能量原理并采用Surface Evolver软件进行液滴对滑移区微纳复合结构浸润过程的数值模拟，获取不同浸润程度下的液滴形貌特征；基于Young-Lapalace拟合法得到液滴在滑移区表面的理论接触角，当液滴对微纳复合结构的浸润率为0.7~0.8时其值为155.0°~155.4°。为检验所构建模型的有效性，利用光学接触角测量仪测试了超纯水液滴在滑移区表面的接触角（155.1°±1.3°，n=20），这与数值模拟获取的理论接触角高度吻合，据此确定液滴对滑移区微纳复合结构的浸润率介于0.7~0.8。研究结果为液滴对超疏水微纳复合结构浸润程度的定量表征提供了可借鉴的方法，为猪笼草滑移区超疏水润湿机理的充分揭示提供理论支持，并能够促其成为仿生原型用于机械工程领域的超疏水表面研制。

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磁性液体密封新结构及耐压性能理论研究

袁芳, 王四棋, 李德才, 陈铎, 邸楠楠, 李文怡

机械工程学报. 2022, 58(3): 213-220. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.213

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对于某特定大尺寸主轴重型装备，主轴在高线速度运转中会出现一定的径向摆动，导致密封泄漏问题。传统单一轴向磁性液体密封结构未能满足该设备出现径向摆动时的耐压要求，为了解决这一问题，并考虑到机械设备的主轴密封结构的轴向空间受到一定限制，提出一种新型轴向径向串联磁性液体密封结构。理论研究磁路中轴向和径向磁性液体串联密封结构的耐压性能，并利用有限元对该密封结构的密封间隙内的磁场强度进行数值模拟，根据磁性液体密封耐压理论计算出密封间隙内的理论耐压值，分析主轴径向摆动位移量对轴向、径向和系统整体密封性能的影响。结果表明，针对文中设定的密封结构，随着径向摆动位移量的增大，轴向密封处并联磁阻增大，其理论耐压值减小，径向密封处并联磁阻减小，其理论耐压值增大。在轴向和径向密封两者串联作用下，系统整体的耐压能力保持在一定范围内波动，可有效提升高速旋转轴动密封的耐压稳定性。

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机械装备可再制造性评价研究综述

王金龙, 高斯博, 杨宇星, 鲍永杰, 张元良

机械工程学报. 2022, 58(3): 221-234. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.221

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可再制造性评价是机械装备再制造工程的重要组成部分，关系到再制造产品的服役安全性与可靠性。由于机械装备再制造的特殊性，使得可再制造性评价面临众多挑战。介绍了可再制造性评价特点，详细阐述了目前可再制造性评价研究的现状，归纳讨论了可再制造性评价方法、可再制造性评价基础科学问题等研究热点。分析目前可再制造性评价研究存在的问题与难点，指出机械装备可再制造性评价的发展趋势，为今后丰富可再制造性评价研究提供可以借鉴的研究方向。

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激光诱导制造石墨烯研究现状与发展趋势

蔺娜, 林志燃, 陈瀚宁, 陆龙生

机械工程学报. 2022, 58(3): 235-250. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.235

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石墨烯作为备受关注的二维纳米材料，具备优异的机械强度、电导性和导热性，广泛应用于各个领域。传统的石墨烯制造技术存在高成本、低产率等问题，不利于石墨烯的工业化生产；近年来发展的激光诱导制造石墨烯技术具有工艺简单、成本低、产率高的优势，这使激光诱导成为石墨烯制造技术的热点。简要阐述了激光产生的机理，展开介绍了激光诱导石墨烯的前驱体种类并做出归纳，总结了激光诱导石墨烯的各类表征技术，重点阐述了激光诱导石墨烯的制造方法，并归纳分析各类因素对制造的影响，并介绍了其在各个领域的应用，最后讨论了目前激光诱导石墨烯的发展趋势。

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机理驱动的数控机床进给轴时变误差建模和补偿方法

刘阔, 宋磊, 陈虎, 韩伟, 崔益铭, 王永青

机械工程学报. 2022, 58(3): 251-258. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.251

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目前数控机床时变误差实时补偿常采用的数据驱动模型，存在模型鲁棒性差、所需传感器数量多、工程实际应用受限等问题。为此，基于机理驱动建模方法建立了数控机床进给轴的时变误差预测模型。该模型可预测出丝杠在任意运动中的实时温度场。仅需在进给轴丝杠旁的床身上布置一个温度传感器，用于采集丝杠的初始温度以及加工时的实时环境温度。补偿器基于TCP/IP协议与数控系统进行通讯，实时读取机床坐标并写入补偿量。基于国家科技重大专项的"换脑工程项目"，在某航发企业对使用十年以上的立式加工中心HAAS VF-2进行了进给轴时变误差测试和补偿。结果表明，在丝杠存在磨损老化和热变形的情况下，提出的时变误差补偿模型仍然取得了很好的效果，机床的精度稳定性得到明显提升。

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Maxwell电磁力驱动快速刀具伺服系统轨迹跟踪控制

夏薇, 朱紫辉, 陈栎, 朱利民, 朱志伟

机械工程学报. 2022, 58(3): 259-265. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.259

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Maxwell电磁力驱动避免了压电驱动器行程小和音圈电动机驱动力不足的固有缺点，在快速刀具伺服（fast tool servo，FTS）系统中极具应用前景。针对Maxwell电磁力驱动FTS系统的高性能轨迹跟踪问题，提出以阻尼控制改善被控对象基本动力学特性，再基于频域整形方法优化设计高增益PID控制器，实现FTS的高带宽控制。为降低阻尼控制系统名义模型阶次，提出以比例增益近似替代阻尼控制系统传递模型，并结合扰动观测器对前馈增益未建模部分进行估计与主动补偿。以所设计的一种Maxwell电磁力驱动FTS为对象，借助扫频激励辨识了系统名义模型，并据此设计了各控制器参数。试验测试结果表明：所设计的阻尼控制器可以有效抑制系统谐振并提高PID控制系统带宽，基于扰动观测的前馈补偿器的引入可大幅降低轨迹跟踪误差。最终对25 μm幅值、25 Hz频率的谐波轨迹跟踪获得了±0.16 μm的误差。

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超精密车削表面衍射效应的研究进展

何春雷, 任成祖, 王姝淇, 宗文俊

机械工程学报. 2022, 58(3): 266-275. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.266

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超精密车削技术广泛应用于航空航天、清洁能源、光学精密器件制造等关键领域。超精密车削镜面应用于可见光波段时会出现衍射效应，导致镜面光学性能降低。为研究超精密车削表面衍射效应的来源以及相应的抑制和消除技术，学者们开展了大量研究工作，总结和归纳了相关研究工作的进展。首先分析了超精密车削表面衍射效应的来源及相应的理论模型，其次总结了抑制和消除超精密车削表面衍射效应的技术，分析了不同技术方法的特点，最后介绍了衍射效应在超精密加工领域的其他应用。

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超表面异质结构的熔融沉积复合成形工艺及其电磁伪装性能研究

梁庆宣, 尹浩宇, 李赵辉, 段玉冰, 王昕, 李涤尘

机械工程学报. 2022, 58(3): 276-283. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.276

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超表面异质结构曲面共形电介质基底和金属单元序构的集成制造是阻碍超表面电磁伪装技术向工程化应用方向发展的瓶颈问题。基于3D打印技术设计自由度高、适合复杂结构快速成形的优势，提出一种液态金属与聚合物异质结构的熔融沉积复合成形工艺。在现有聚合物熔融沉积成形（Fused deposition modeling，FDM）工艺的基础上，基于热压-微结构嵌合界面增强机理，实现了熔融Sn-Bi液态金属在聚乳酸（Polylactic acid，PLA）基底上的稳定沉积；进一步优化打印挤出流量和层高等工艺参数，实现了金属线条的可控成形；通过运动指令修正和动态流量补偿的方式，显著提升了熔融沉积复合成形工艺的复杂结构成形能力。最后，利用所提出的液态金属与聚合物熔融沉积复合成形工艺制备了一种梯形超表面电磁伪装结构。电磁测试结果表明，所设计的超表面样品在x极化电磁波垂直入射的条件下最大广义雷达散射截面（Radar cross section，RCS）缩减达到约-14.1 dB，即超表面样品与拟伪装目标的电磁反射特性达到约96.1%的相似度，3 dB缩减（即RCS缩减至50%）带宽约为33.6%，显示出优异的电磁伪装性能。这种液态金属和聚合物的熔融沉积复合成形工艺为曲面共形超表面异质功能结构的集成制造提供了一种有效方法，为推动超表面向工程应用方向发展提供了制造技术支撑。

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复杂曲面机器人磨抛位姿优化与刀路规划

罗来臻, 赵欢, 王辉, 李祥飞, 丁汉

机械工程学报. 2022, 58(3): 284-294. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.284

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近年来，以工业机器人为执行体的机器人磨抛由于其灵活性好、通用性强等特点正逐渐成为复杂曲面磨抛的发展趋势。在机器人磨抛加工过程中，刀具路径点常以曲面上曲率及法线方向为导向进行划分，但尚未考虑机器人实际运动姿态变化对磨抛路径光滑性产生的影响，且可能存在工件与工具干涉问题，因此难以保障最终加工精度。为此，提出了以磨抛姿态变化为约束并光顺干涉处姿态的规划方法。首先，以机器人末端磨抛姿态变化作为刀位点划分阈值，综合考虑其他非法线方向的位姿变换，减缓了刀具路径点之间的姿态变化。然后，在干涉处改变刀具姿态，并以等参数圆进行范围性光顺从而解决干涉问题。最后，综合姿态变化约束和干涉刀位点的姿态光顺，规划出一条光滑无碰撞的机器人磨抛路径。利用机器人砂带磨抛系统对航空发动机叶片进行磨抛试验，结果表明，所提规划方法的关节角速度变化平缓，刀具路径光滑性更好，磨抛后叶片轮廓度满足-0.03~+0.05 mm公差带要求，表面粗糙度由Ra>3.2 μm提升至0.2472 μm，验证了所提规划方法的有效性。

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成形法磨削齿轮的磨削温度模型构建与分析

王龙, 汪刘应, 唐修检, 阳能军, 刘顾, 李若亭, 油银峰

机械工程学报. 2022, 58(3): 295-304. https://doi.org/10.3901/JME.2022.03.295

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为了探究成形法磨削齿轮的磨削温度生成机制与变化规律，构建了单位接触宽度齿面磨削力与成形法磨齿温度的理论模型，揭示了它们与砂轮特性、齿轮规格、磨削用量与材料特性的内在关系。成形磨齿温度随着砂轮磨刃密度、磨削速度、径向进给量的增大而增大，却随着砂轮直径、齿轮压力角增大而减小。齿轮的模数对齿廓磨削温度的影响较弱，而齿数对齿顶与齿根两处磨削温度的影响态势却截然相反。成形法磨削齿轮的砂轮特性系数τ越大，则磨削性能越差，并在一定程度上决定了轴向进给速度对磨削温度的影响规律。此外，通过正交试验回归模型分析法证实了成形法磨齿温度理论模型具有较好的实际适用性，且微晶刚玉砂轮的磨削性能优于白刚玉砂轮。

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2022年, 第58卷, 第3期　
刊出日期：2022-02-05

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