机械工程学报

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徐灵敏, 叶伟, 李秦川

机械工程学报. 2022, 58(7): 1-11. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.001

摘要 ( 211 ) PDF全文 ( 235 )

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逆动力学建模是并联机器人动力学性能评估和实际控制的基础。以几何代数为数学工具，提出并联机器人的解析逆动力学建模通用方法。根据几何代数的外积性质，可直接确定并联机器人中各分支的关节速度和加速度幅值，建立机器人驱动速度和被动速度之间的映射关系，并推导出并联机器人分支中各杆件的速度和加速度。结合虚功原理建立并联机器人的逆动力学模型，并确定驱动力/力矩的解析表达式。关节速度和加速度计算不需要判断几何关系、进行求导或求偏微分，并且整个计算过程中仅涉及加法和乘法，无需求解符号线性方程组，提高计算效率。以六自由度并联机器人6-UPS和三自由度并联机器人2PUR-PRU为例(U：虎克铰，P：移动副，S：球铰，R：转动副)，得到在给定轨迹下两个机器人驱动力的理论结果，通过与ADAMS软件仿真结果对比验证所提方法的正确性。同时，通过与基于牛顿-欧拉方程的自然正交补法进行计算效率对比，证明该方法具有计算高效的优点，可替代ADAMS仿真和原先方法用于并联机器人逆动力学建模及分析。

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基于迁移学习的手部离散动作识别方法研究

王文东, 李杰, 张俊博, 秦雷, 袁小庆

机械工程学报. 2022, 58(7): 12-19. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.012

摘要 ( 157 ) PDF全文 ( 244 )

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表面肌电传感器作为新一代机器人人机交互接口设备，目前已在航空航天、军工应用、康复医疗、工业生产等多种环境中表现出巨大的应用潜力和价值。研究发现，表面肌电信号在识别手势动作时，若面临传感器移位、动作用户变化等问题，动作识别准确率将急剧下降，模型可复用能力变差。针对这一情况，提出一种基于小型辅助集的迁移学习建模方法。利用MMD算法对源领域数据集与目标领域数据集的高维距离进行评价，通过TCA算法缩小二者在全局特征上的边缘分布差异，引入小型辅助集对待测数据集创建伪标签，改进了迁移成分分析在数据条件分布相似性上的不足。以多名受试者作为研究对象，验证提出算法的适应性和合理性。肌电控制实验表明，新场景下受试者仅需进行小量训练(仅占源领域数据4%)，迁移学习融合模型准确率可提高至80%以上。

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多机协作吊装机器人动力学分析与路径规划

钱森, 钱鹏飞, 王春航, 周斌, 訾斌

机械工程学报. 2022, 58(7): 20-31. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.020

摘要 ( 182 ) PDF全文 ( 507 )

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随着工程任务日趋复杂艰巨，施工环境愈发恶劣，单台起重机已很难承担复杂的吊装任务，而多台起重机联合作业具有结构稳定、负载能力强、吊装空间大、布局灵活的优点，得到了广泛应用。以多机协作吊装机器人为研究对象，采用拉格朗日方法建立了多机协作吊装机器人的动力学模型；采用蚁群算法规划吊装路径，针对蚁群算法难以避免局部最优以及无解蚂蚁数量多等问题，提出三值法平面栅格环境建模、基于最佳-次佳路径长的信息素分阶更新策略和信息素挥发因子动态调整函数，仿真结果表明，改进蚁群算法相对于传统蚁群算法，明显提高了最佳路径长度、运算效率等指标。利用三值法进行吊装环境建模，进行协作作业仿真，验证了动力学分析和改进蚁群算法的合理性，对于提高多机协作吊装作业效率和可靠性具有一定的指导意义。

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下肢康复机器人人机耦合动力学建模和主动柔顺控制

卢浩, 王洪波, 冯永飞

机械工程学报. 2022, 58(7): 32-43. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.032

摘要 ( 510 ) PDF全文 ( 836 )

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针对多关节下肢康复机器人非线性人机交互作用力影响训练过程中舒适度和安全性的问题，提出一种人机耦合动力学建模方法和主动柔顺控制策略。结合脑卒中发病初-中期康复训练特点和降低髋关节输出功率的要求，确定出坐卧式下肢康复机器人自由度配置、自平衡结构原理，并完成具体模型设计。基于简化的人体肌骨模型，考虑人机耦合方式，确定出人机交互作用力模型，进一步给出考虑自平衡结构影响的人机耦合动力学模型。引入环境刚度模拟患者踩踏在不同路面的接触力效果，利用动力学前馈进行关节期望力矩补偿控制，并通过李雅普诺夫定理判定控制系统的稳定性。通过实验验证了轨迹跟踪、力跟踪的准确性，进一步通过临床试验，92.2%的脑卒中患者病情得到缓解，验证了研究内容的可行性和安全性。

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两级可重复展收立方星伞状天线机构设计与样机验证

张树新, 韩晓童, 于亦奇

机械工程学报. 2022, 58(7): 44-52. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.044

摘要 ( 168 ) PDF全文 ( 303 )

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针对现有RainCube立方星伞状天线展开冲击大、同步性差、难以重复展收的问题，提出了一种两级可重复展收立方星伞状天线展收机构创新方案，实现了对伞状天线主面根肋、尖肋和副面的重复展收。该展收机构由根肋、尖肋、电机、丝杠丝母、拉索、弹簧、扭簧等组成。通过电机与丝杠丝母相结合、拉索与扭簧相结合、拉索与弹簧相结合分别实现对天线主面根肋、尖肋和副面的同步可控展开及收拢。在对天线关键机构部件运动学分析的基础上，完成了天线展开与收拢过程的轨迹仿真。设计并制作了两级可重复展收立方星伞状天线原理样机，通过原理样机试验验证了所提展收机构创新方案的可行性。

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智能喷涂机器人关键技术研究现状及进展

刘亚军, 訾斌, 王正雨, 游玮, 郑磊

机械工程学报. 2022, 58(7): 53-74. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.053

摘要 ( 406 ) PDF全文 ( 3672 )

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喷涂作为现代产品制造工艺中的一个重要环节，不仅起到美观、防护以及其他特殊作用，也日益成为产品价值的重要组成部分，在家具、航空航天、军工等领域中占据着重要地位。智能喷涂机器人是由计算机、传感、视觉、智能控制等多学科技术交叉综合而构成的复杂机电系统。智能喷涂机器人作为智能喷涂技术的核心，其发展与新材料、新设计和新方法的应用密不可分。针对智能喷涂机器人关键技术研究的共性问题，从喷涂机器人机构设计、喷涂系统动态性能监控、喷涂轨迹自动规划、喷涂质量检测方面综述了当前取得的研究成果；而后针对喷涂系统智能化进程中在机器人机构设计和柔性喷涂系统集成研究面临的挑战进行了分析和讨论；最后，对智能喷涂机器人关键技术研究方面未来的发展方向进行了展望和总结，为喷涂机器人发展方向与关键技术性能提升提供参考，推动喷涂技术全面进入智能化。

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蛇形机器人：仿生机理、结构驱动和建模控制

张军豪, 陈英龙, 杨双喜, 王高贤, 杨昕宇, 弓永军

机械工程学报. 2022, 58(7): 75-92. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.075

摘要 ( 536 ) PDF全文 ( 3663 )

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蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人，由于它能像生物蛇一样实现“无肢运动”，因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。研究涉及材料学、仿生学、机械设计制造、传感技术等多学科交叉融合，在消防灭火、灾后救援、海底环境与管道探测、复杂环境作业、军事侦查等领域具有广阔应用前景，受到国内外学者及机构的广泛关注和研究。从蛇的生物特征、仿生原理、结构驱动、建模及控制等方面对蛇形机器人研究进行综述，按结构类型将蛇形机器人分为被动轮式、主动轮式、履带式、螺旋桨式和其他结构等；按驱动方式将蛇形机器人分为直流电机驱动、流体驱动、混合驱动和其他驱动等；以及目前常用于蛇形机器人的建模方法和控制策略。从中归纳和分析，得到蛇形机器人的关键研究问题包括材料升级、结构优化、柔性传感技术和自适应控制，其未来发展方向包括新型材料制备成型、高效结构设计加工、灵敏柔性传感技术、新型适合大变形的建模方法、自适应控制系统研发。

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磁弹性微型游泳机器人在外部干扰和复杂路径下的精确跟踪控制

向红标, 程旭, 李梦伟, 王收军, 张冕, 黄显, 霍文星

机械工程学报. 2022, 58(7): 93-102. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.093

摘要 ( 124 ) PDF全文 ( 392 )

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基于磁弹性复合材料设计一种毫米级微型游泳机器人，利用三维亥姆霍兹线圈实现空间均匀磁场对机器人的无缆驱动，通过时变旋转磁场来改变机器人的运动姿态，从而实现机器人的游泳动作。介绍微型游泳机器人结构及制作流程，并利用Abaqus建立仿真模型，通过有限元仿真和试验对机器人的游泳特性进行对比分析，研究磁场频率、强度对游泳速度的影响。在此基础上，采用改进型视距导航控制方法提高游泳机器人的抗干扰能力，同时提出一种速度模糊自适应算法和头尾转换控制实现了对复杂规划路径的精确跟踪，试验结果表明，该算法能克服常规匀速视距导航控制易发生跟踪点丢失、无法再次回归跟踪路径等缺点，并能很好地减小路径跟踪误差，为磁控微型游泳机器人的精确控制提供了新思路。

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轴向槽气体轴承-转子非线性系统的动力学行为

李莎, 吕延军, 罗宏博, 张永芳, 石瑞

机械工程学报. 2022, 58(7): 103-116. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.103

摘要 ( 115 ) PDF全文 ( 399 )

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针对轴向槽气体轴承支承的转子非线性动力系统，研究了系统动力学行为的不平衡响应和分岔。采用矢量拟合近似求解的方法，建立了轴向槽气体轴承的有理函数模型，通过耦合转子运动模型，提出了一种轴向槽气体轴承-转子非线性系统动力学模型，在对其动力学行为求解过程中避免了对动态气膜力的反复求解，减少了计算时间。运用轴颈和圆盘中心的轨迹图、频谱图、Poincaré映射和分岔图分析了轴向槽气体轴承-转子系统的非线性不平衡响应和分岔行为。以转速为分岔参数研究了非线性系统从倍周期运动通向混沌的道路，以质量偏心为分岔参数研究了非线性系统的倍周期运动的倒分岔行为。数值结果表明轴向槽气体轴承-转子非线性系统存在复杂的动力学现象及分岔行为。

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综采工作面推移动力学模型与仿真分析

王世博, 张辉

机械工程学报. 2022, 58(7): 117-130. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.117

摘要 ( 158 ) PDF全文 ( 214 )

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综采工作面自动调直控制策略亟需通过试验验证，为克服煤矿现场开展试验的复杂性和煤层截割不可重复的问题，提出了可模拟综采工作面推移过程的数学模型。综合考虑煤层倾角、综采装备结构尺寸与运行参数、落煤阻力以及顶底板作用力等因素建立了液压支架推溜移架力学模型。根据容腔节点法，建立了定量泵、电液换向阀、液控单向阀、溢流阀、液压缸等液压元件的数学模型，形成了液压支架推移液压系统模型。联合推溜移架力学模型、推移液压系统模型建立了综采工作面机液耦合仿真模型。仿真实验表明：由于推溜负载随推移距离的增加而逐渐增大，推溜负载的差异造成推移液压缸动作不同步，进而导致刮板输送机产生直线度误差。随截割循环次数的增加，误差的积累致使刮板输送机直线度误差逐渐增大。异常负载降低移架的同步性，导致液压支架出现对齐误差。综采工作面推移动力学模型为综采工作面推移控制策略验证和模拟实验提供了理论基础和测试平台。

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热载荷下板模态间耦合对声功率的影响分析

陈俊霖, 肖新标, 姚丹, 李牧皛, 韩健

机械工程学报. 2022, 58(7): 131-140. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.131

摘要 ( 150 ) PDF全文 ( 195 )

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板结构辐射声功率的传统理论模型通常采用数值积分法计算，许多模型不考虑模态间的耦合作用以缩短计算时间。研究模态间耦合对声功率的影响能为精确地预测和控制板结构声辐射特性提供重要的参考。为了高效地计算模态间的耦合项，基于模态辐射效率的幂级数形式解析解模型，提出并建立了矩阵形式解析解模型。数值算例验证了该模型的正确性。研究了板结构在均匀热环境下的声振特性，分析了定点激励和随机位置激励下结构振动模态间的耦合对声功率的影响在不同温度环境中的变化。计算结果表明，结构内温变产生的热应力导致结构等效刚度降低，各阶固有频率变小，声功率曲线各峰值向低频漂移；在计算声功率时必须考虑板模态间的耦合作用，尤其在中低频时，尽管结构某些工况下耦合项对声功率的影响很小，但是当环境温度或外激励作用的位置发生改变后耦合项的影响会变大。

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纵扭复合冲击工具动力学特性研究

田家林, 胡志超, 张昕, 葛桐旭, 朱志

机械工程学报. 2022, 58(7): 141-151. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.141

摘要 ( 141 ) PDF全文 ( 344 )

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随着钻井深度的增加，地层岩石的强度、硬度和研磨性等特性明显增加，从而导致钻头的破岩效率较低；同时随着钻柱长度增加，钻柱系统扭转刚度降低，井下钻柱系统容易发生卡钻、黏滑等现象；为了提高钻头的破岩效率和减少黏滑现象，建立了复合冲击的运动学模型和动力学模型，根据理论模型提出了一种新型复合冲击器，利用设计的新型复合冲击器结构参数以及性能参数，验证了理论模型的正确性，同时依据理论模型研究了输入流量随时间对新型复合冲击器的动力学特性的影响规律，并利用仿真结果验证了理论的可靠性，对复合冲击工具的研发与应用选型具有重要的指导意义。

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滚刀振动切削岩石动力学特性

江红祥, 刘送永, 蔡芝源

机械工程学报. 2022, 58(7): 152-165. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.152

摘要 ( 153 ) PDF全文 ( 173 )

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为深入研究滚刀振动切削岩石动力学特性，开展了滚刀与岩石互作用力特性以及振动引入对滚刀切削破岩影响的分析，实验结果表明：切削破碎载荷呈近似的刚度双折线特征，滚刀与岩石之间存在弱接触和局部切削行为，适当的振动引入可以明显地提高滚刀切削破岩效率和降低滚刀扭矩。进而，基于弹簧、阻尼、质量块以及滑动器建立了滚刀振动切削岩石动力学模型，构建了包含滚刀与岩石之间五种相互作用形式的连续无量纲方程组，运用四阶龙格-库塔法求解微分方程组，获得了不同参数组合下系统的分岔图、速度、位移、庞加莱截面和相空间轨迹等，结合实验研究表明：所建立的动力学模型能够较好地重现滚刀振动切削岩石过程；破岩系统主要存在周期和混沌运动状态，混沌运动时破岩系统相空间轨迹杂乱，相轨迹没有确定的形状周期，位移和速度随时间变化也没有明显规律，破岩效率一般较低；当静态力、激振力幅值以及激振频率改变时，系统的运动状态和岩石破碎效率也随之发生变化，分析滚刀速度分岔图、岩石破碎位移获得了给定条件下静态力、激振力幅值以及激振频率的较优范围，它们对应的系统运动状态总是为P-1-I-1-Pr-1（滚刀在一个激振周期内碰撞岩石一次，且阶跃性破碎岩石一次）。

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柔性RSS机座动力学参数全局匹配与系统振动特性

王晓亮, 买买提明·艾尼, 孙志, 杨杰

机械工程学报. 2022, 58(7): 166-175. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.166

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以柔性RSS机座-偏置滑动轴承转子系统作为研究对象，用“群举法”建立了柔性RSS机座动力学参数全局匹配理论模型和全局最优匹配算法，以M701F燃气轮机相关参数作为参照进行了数值计算，探讨了柔性RSS机座动-轴承转子系统振动特性及其影响因素，揭示了柔性RSS机座动力学参数全局匹配域和全局最优匹配对轴承转子系统振动特性的影响机理，提出了柔性RSS机座动力学参数的最优设计方法，为实际工程应用提供了柔性RSS机座全局匹配理论方法和最优匹配评价技术。

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网状反射面天线原理误差计算方法

陈聪聪, 李团结, 唐雅琼

机械工程学报. 2022, 58(7): 176-182. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.176

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网状天线依靠索网系统支撑金属丝网反射面实现电磁信号的反射和接收。金属丝网反射面被索网系统分割为一系列平面面片，与理想反射面之间存在型面拟合误差即原理误差，在工程设计阶段决定了天线的电性能。针对旋转抛物反射面，采用面积坐标，推导了轴向原理误差与面片几何参数间的数学关系，给出了轴向原理误差的快速计算公式，并用数值算例验证了公式的正确性。结果表明，轴向原理误差的最大值及均方根值可由抛物面焦距及面片在天线口径面投影几何唯一确定。给定面片在口径面的投影边长，利用文中公式可快速、准确计算出面片轴向原理误差的均方根值及最大值。研究结果为合理确定网状天线网格尺寸提供指导。

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基于多寿命特征的废旧机电产品再升级设计研究进展

朱硕, 潘志强, 江志刚, 鄢威, 张华

机械工程学报. 2022, 58(7): 183-192. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.183

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随着高新技术的迅猛发展，机电产品升级换代与资源浪费之间的矛盾正愈发激化。值得关注的是，产品升级换代的速度越快，其废旧品的再制造恢复价值就越低，再制造升级需求也就越大。由于废旧机电产品在服役过程中物理、技术、经济多属性寿命的不平衡性以及再升级需求的多样化，导致再升级设计方案生成与优化极具个性化与复杂性，对其研究具有很高的学术价值与工程应用价值。为此，通过探究再升级设计的问题特征，以量大面广的废旧机电产品为对象，综述其寿命演化分析、再升级设计模型、再升级设计优化方法的代表性研究进展，进而指出废旧机电产品再升级设计的研究层次及其主要研究趋势与重点研究内容，以促进高品质再制造工程的实施，推动高端智能再制造升级的规模化发展。

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精度保持性定量评价与精度退化机理分析

张生永, 冉琰, 张根保, 墨菲·艾德里安, 黎新龙

机械工程学报. 2022, 58(7): 193-213. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.193

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针对精度保持性定量评价难题，提出了精度退化率评价指标结合精度寿命的精度保持性定量评价方法；在精度退化机理分析方面，首先建立了影响元动作精度及精度保持性的制造及装配误差项的标准化分析流程，然后基于松动、磨损、形变、老化等典型精度退化原因所致制造及误差项变化机理，提出了精度退化机理分析的通用化三阶段分析方法，并定义了剩余精度寿命及精度寿命周期。以元动作为研究对象对所提评价和分析方法进行说明，以残余应力致精度退化为应用实例证明了方法的可行性。该评价及分析方法为机械产品精度相关质量特性的研究提供了新的思路和参考。

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个性化定制车间生产-物流协同调度框架与算法研究

蔡磊, 李文锋, 罗云

机械工程学报. 2022, 58(7): 214-226. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.214

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为解决个性化定制车间生产-物流协同动态调度问题，提出一个完全反应式调度信息-物理系统框架。在该框架基础上，提出一种“单步”调度算法并重点设计了一个综合考虑客户满意度、设备利用率与能耗的任务优先级计算规则。由于“单步”调度算法每次只考虑当前一步的生产或物流任务的调度，生产-物流协同能力较弱，所以为了弥补该缺陷，又在其基础上提出一种综合考虑生产与物流两步任务调度的“双步”调度算法。针对车间内可能发生的设备故障等扰动，设计抗扰动机制以增强两算法的抗扰动能力。仿真试验结果表明，“单步”调度算法虽然优于传统调度规则但却不如“双步”调度算法；后者能在一定扰动情况下，更好地配置生产与物流资源，且在“工件平均提前/拖期成本”指标上表现尤为出色，更能适应个性化定制场景。

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单相驻波驱动的旋转型超声电机结构设计与试验研究

王瑞锋, 王亮, 贾博韬, 金家楣, 张泉, 吴大伟

机械工程学报. 2022, 58(7): 227-236. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.227

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单相驱动的超声电机由于其驱动电路简单、设计灵活、结构紧凑等优点，受到越来越多的关注。但单相驱动的超声电机主要以直线型电机为主，且工作模态一般为退化模态，存在能量利用率低、频率易漂移等缺点。此外，现有旋转型单相驱动的超声电机存在输出性能差、不易装夹等问题，严重制约了其应用。为解决上述问题，提出了一种新型单相驻波驱动的旋转型超声电机，通过单一工作模态实现对转子的摩擦驱动。该超声电机的定子主要由压电复合梁和带驱动齿的圆环构成，在两组压电陶瓷片的交替激励下分别产生两相工作模态，并通过两相工作模态相互切换实现电机的双向旋转运动。首先，采用有限元分析方法计算得到了超声电机定子的几何尺寸和两相工作模态(包括共振频率和振型)。其次，通过测振实验对定子原理样机进行了振动特性测试，得到了定子的幅频特性、振型和驱动齿的运动轨迹，并与仿真计算结果进行了比较，验证了仿真分析的正确性。最后，装配了旋转型超声电机原理样机，并开展了性能测试实验研究。结果表明：在300 V激励电压、1 N预压力的条件下，超声电机原理样机在两个工作模态下的最大转速分别为123.9 r/min (顺时针旋转)和450.9 r/min (逆时针旋转)，最大扭矩分别为1.058 mN·m和2.534 mN·m。有限元分析结果和实验研究结果均验证了所提出的单相驻波驱动的旋转型超声电机结构设计的可行性和工作原理的正确性，并为后续同类型超声电机的设计提供了新思路。

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面向自主作业的挖掘机多目标最优挖掘运动规划

陈晋市, 张淼淼, 毕秋实, 李永奇, 霍东阳, 齐洪阳

机械工程学报. 2022, 58(7): 237-245. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.237

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对反铲挖掘机进行运动规划是实现自主作业前提。以最短挖掘时间和最低挖掘能耗为目标，提出了一种挖掘运动规划的方法。以21 t级反铲液压挖掘机为研究对象，首先结合采集的挖掘作业载荷谱和对应的斗尖轨迹，在保证满斗率大于0.9前提下，提取一条单位质量能耗最小的挖掘轨迹作为目标轨迹进行最优运动规划。进一步建立了挖掘机工作装置动力学模型，并通过实测数据验证了该动力学模型的准确性。在此基础上建立以斗尖初速度和加速度为优化变量，以最短挖掘时间和最低挖掘能耗为目标的优化模型。引入权重系数表征不同的挖掘作业模式后，利用遗传算法对优化模型进行优化求解。并分析不同权重系数对规划结果的影响，结果表明：针对不同权重系数，优化模型都可以取得最优解，验证了该优化方法的有效性。

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碳化钛颗粒增强钢基复合材料超声振动辅助划痕仿真及试验研究

袁松梅, 邵梦博, 李麒麟, 高晓星, 陈博川

机械工程学报. 2022, 58(7): 246-257. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.246

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碳化钛(TiC)颗粒增强钢基复合材料具有较高的强度、硬度和耐磨性，在精密航空航天零件中广泛应用。由于材料中TiC硬质颗粒的存在，导致了加工表面质量差、刀具磨损严重等问题，超声振动辅助加工被尝试用于解决该问题，但在超声振动辅助条件下针对该材料的去除机理尚不明确，参数优化缺乏理论指导，通过开展超声振动辅助划痕仿真及试验研究，探究该材料在超声振动辅助条件下的去除机理和表面创成机制。首先基于TiC颗粒大小、形态、分布特征以及颗粒和基体的材料特性建立了材料的有限元仿真模型，然后分析了单颗金刚石超声振动辅助划痕过程中材料去除特性以及表面创成机制，并开展了验证试验。结果表明：仿真模型的划痕力预测值与试验值误差小于16%；在划擦过程中，TiC颗粒受到的最大应力为拉应力，基体受到的最大应力为压应力；与传统划痕相比，超声振动辅助划痕过程中单颗金刚石与工件间歇性分离，划痕力呈现周期性变化，平均划痕力降低16%-50%；在超声振动辅助条件下，由于单颗金刚石对TiC颗粒的锤击作用，基体材料塑性变形更大，更多的颗粒与基体脱粘变成切屑，导致划痕表面形成更大的空腔，此研究可为后续加工过程中工艺参数选择提供指导。

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铜表面脉冲电化学射流加工的定域性和粗糙度分析

王可, 周平, 闫英, 张超, 郭东明

机械工程学报. 2022, 58(7): 258-266. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.258

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电化学射流加工(Jet-ECM)是一种用于表面微细结构加工的超精密加工方法。但是，Jet-ECM加工的定域性不足，表面质量不高，无法满足高精度表面加工的需求。采用合理的电解液和脉冲电源参数可以提高电化学加工的精度和表面质量，但单纯基于试错的方法获得合理参数的难度极大。根据电化学反应和双电层的基本原理，将Jet-ECM系统等效为RC电路，用于指导脉冲Jet-ECM加工参数的选择。研究结果显示，磷酸基电解液Jet-ECM中采用脉冲电源能有效减少过切，提高铜表面加工的定域性，当加工电压为6.5 V时，采用10 kHz，50%占空比的脉冲电源相比直流电源定域性提高36%。降低加工电压和占空比也可有效提高加工定域性。但表面质量和定域性的变化趋势相反，降低加工电压和占空比不利于工件表面黏膜层的形成，降低了表面质量。本研究有助于进一步明确Jet-ECM加工中的电化学去除机理，提高无应力加工方法的加工精度，为Jet-ECM在工业中的进一步应用提供了指导。

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3D打印连续纤维复合假肢接受腔Z向强化制造策略

刘腾达, 汤磊, 孙畅宁, 单存清, 李涤尘, 田小永, 刘朝宗, 王玲

机械工程学报. 2022, 58(7): 267-275. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.267

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假肢是截肢者恢复行动能力所必须的康复辅具，假肢接受腔作为连接残肢与假肢系统之间重要的生机界面，具有包容残肢、支撑体重、传递运动载荷的重要作用。与传统工艺制备的假肢接受腔相比，MEX(Material Extrusion，材料挤出成形)3D打印接受腔具有加工周期短，成本低等优势，能够满足接受腔快速低成本制造的需求，但该工艺制备的接受腔以Z向力学性能较差为突出劣势，应用也因此受到限制。之前的研究针对该问题提出了一系列的策略对MEX打印工艺的Z向力学性能进行提升，但受到材料与工艺限制，优化后的打印策略制备接受腔的Z向力学性能依然不足。为解决该问题，本研究首先基于假肢接受腔的打印需求，自主研发了可控制挤出头姿态变换的多自由度MEX打印设备。随后，本研究系统地研究了多自由度打印工况下纤维方向和打印层厚对芳纶纤维增强复合材料打印件Z向力学性能的影响。最后，本研究根据多步态下假肢接受腔的力学分析结果，将纤维方向和接受腔厚度等参数和接受腔受力状态进行关联，提出了接受腔Z向强化打印策略。结果表明，与传统3D打印工艺相比，Z向强化制造策略可显著提升接受腔的力学性能，所制备的假肢接受腔可满足穿戴疲劳要求。

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丝束同轴冷阴极电子束源研制及其熔丝增材制造适用性研究

许海鹰, 王壮, 彭勇, 杨光, 桑兴华, 杨波

机械工程学报. 2022, 58(7): 276-283. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.276

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为了提高电子束熔丝增材制造的质量和效率，开展了丝束同轴冷阴极电子束源关键技术研究。在分析丝束同轴冷阴极电子束产生机理的基础之上，研究丝束同轴：冷阴极电子枪的结构特点；采用三级AC-DC拓扑结构、加速电源内环-外环闭环控制电路、基于气流量调节的束流闭环控制电路等，研制了丝束同轴冷阴极电子束逆变电源；基于上述技术成果研制出了丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制造样机。对丝束同轴冷阴极电子束源的束流形貌特征、逆变电源输出特性、熔丝成形工艺进行了检测分析，结果表明：与轴侧送丝的热阴极电子束熔丝成形技术相比，采用丝束同轴冷阴极电子束源的熔丝成形设备所制备的试样微观组织得到明显改善，为大型金属结构的熔丝成形提供技术储备。

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切削过程绝热剪切带的滑移线场研究

王敏杰, 王阳, 魏兆成, 段春争

机械工程学报. 2022, 58(7): 284-294. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.284

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根据滑移线场理论，对于切削过程绝热剪切带内的塑性变形，提出了一种四边界五区域滑移线场模型，并给出了相应的速矢图。定义了包括刀屑摩擦接触边界、刚塑性边界、准刚塑性边界和准自由边界的绝热剪切带滑移线场边界。根据不同的应力边界条件、绝热剪切带内滑移线场应力变化趋势和滑移线场几何形状分析，将绝热剪切带滑移线场划分为五个区域。采用矩阵算子法确定了滑移线场模型的几何参量，给出了求解绝热剪切带内应力分布的方法。采用提出的绝热剪切带滑移线场模型，对于正交切削FV520(B)不锈钢材料，分析计算了由于绝热剪切引起的导裂角随刀具前角和切削速度的变化规律。通过已加工表面几何形貌实验观察，印证了导裂角与已加工表面质量的相关性。

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切向超声振动辅助成形磨削齿轮的切削系数建模与试验研究

别文博, 赵波, 高国富, 向道辉, 赵重阳, 唐进元

机械工程学报. 2022, 58(7): 295-308. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.295

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通过对磨粒-工件的运动特性分析，研究了切向齿轮超声成形磨削过程中分离加工机理，建立了超声振动作用下磨粒-工件的切削系数模型，得到了加工参数(砂轮速度、进给速度、超声频率和超声振幅)对切削系数的影响规律。针对切向齿轮超声成形磨削分离加工的特点，进行了齿轮超声成形磨削和普通磨削加工试验，获得不同加工参数对磨削力、磨削温度、残余应力和表面粗糙度的影响规律，并对磨削后表面的微观组织进行分析。试验结果表明：与普通磨削相比，在超声磨削过程中，磨削力、磨削温度和表面粗糙度在一定程度上得到有效的降低。三者的降低幅度随着砂轮转速、进给速度的增加而减小，磨削力、磨削温度的降低幅度随着超声振幅的增加而增大，而表面粗糙度的降低幅度随着超声振幅的增加呈先增加后减小的趋势；同时，齿面的残余压应力得到提高，其增加幅度随着砂轮转速、进给速度的增加而降低，随着超声振幅的增加而增大。此外，超声磨削可以显著改善齿面的纹理状态和表层的显微组织，并实现晶粒的细化。

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基于相似理论的重型数控机床-基础系统位移变形研究

张建涛, 刘志峰, 李彦生, 姜凯, 杨聪彬, 张彩霞

机械工程学报. 2022, 58(7): 309-316. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.309

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提升重型数控机床的加工精度是高端装备领域的研究热点，然而关于基础沉降变形对机床精度的影响这一问题却少有研究。为了研究由基础沉降变形引起重型数控机床加工精度变化的规律，基于欧拉伯努利梁单元理论，考虑基础和机床相互耦合作用关系，建立起机床结构-基础系统的一体化变形协调方程，以横梁中点位姿变化为目标，进行整体刚度矩阵求解过程中的节点坐标标定方案分析；根据相似理论，构造重型数控机床-基础系统的缩尺模型，分析设计的缩尺模型和机床原尺模型之间静力位移变形关系，给出缩尺模型和原尺模型的映射规律，为有效解决基础沉降引起的机床精度变化和精度补偿提供依据和技术支撑。

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考虑工件变形的五轴侧铣薄壁件铣削力建模

卫星驰, 赵嫚, 杨青平, 曹珍珍, 茅健

机械工程学报. 2022, 58(7): 317-324. https://doi.org/10.3901/JME.2022.07.317

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针对铣削加工过程中工件和刀具接触关系的时变性所导致铣削力预测不精准的问题，提出一种综合考虑工件变形作用下的五轴侧铣铣削力建模方法。首先，基于机械Ⅱ型力学模型，综合考虑剪切力和犁切力作用，建立五轴铣削加工微元铣削力模型；其次，利用欧拉-伯努利梁理论计算工件在任意切削深度下的变形量；进而，更新工件变形量引起的切削深度变化，构建考虑工件变形的五轴侧铣薄壁件铣削力模型；最后，通过试验与模型预测结果对比，得出在考虑变形的情况下，X、Y方向上铣削力的平均峰值误差分别减小了4.42%和0.62%，验证了模型的有效性。

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2022年, 第58卷, 第7期　
刊出日期：2022-04-05

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