机械工程学报

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机械工程学报. 2023, 59(15): 0-0.

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多臂协作机器人技术与应用现状及发展趋势

吴其林, 赵韩, 陈晓飞, 赵雅婷

机械工程学报. 2023, 59(15): 1-16. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.001

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随着劳动力紧缺及人力成本的不断升高,需要使用机器人的领域越来越多,数量也越来越大。就许多应用场景而言,任务复杂多变、应用环境和条件限制也各有不同,单臂协作机器人已不能满足要求,多臂协作机器人系统便应运而生,且已成为未来发展的重要领域。因为发展的时间较短,还需要研发人员做大量的工作。对多臂协作机器人的技术与应用现状进行了较为系统的梳理归纳,从影响较大的几个方面,即多臂协作机器人的应用、机构与轻量化设计、动力学与控制、协同技术、人工智能技术进行了综述。在此基础上,根据人工智能、控制等领域的新发展,提出了多臂协作机器人今后应该加强研究和发展的6个方向,如应用场景向深度人机协同方向发展、结构及零部件更注重高速、高精度和高功重比、在动力学方面将更加重视平顺性设计、协调式协作机器人系统需朝着分层多元化发展、控制将更加趋于自适应柔顺控制和自主决策、交互趋于多信息融合的多维安全保护与自然交互。

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面向航空发动机复杂机匣深腔测量的机器人位姿优化及关节路径平滑方法

漆琪, 杨吉祥, 丁汉

机械工程学报. 2023, 59(15): 17-27. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.017

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航空发动机机匣铸造件内腔余量分布不均且结构复杂,为实现机匣内腔余量的准确去除,须对机匣内腔轮廓进行精准测量。采用工业机器人夹持激光位移传感器,可充分发挥机器人灵巧运动的特点,实现复杂腔体的测量。但现有机器人加工刀具路径生成方法大多针对铣削、磨抛加工,主要关心路径的可达性,而未考虑非接触式测量中的夹角约束和路径平滑,直接应用于机器人测量导致测量角度无法满足要求、传感器振动大等问题。提出了一种面向机器人测量位姿优化及运动光顺的无干涉路径规划方法。首先,基于距离的干涉检测构建测量路径点的无碰撞区域,建立以机器人关节加速度为性能指标,考虑激光束出射方向与曲面法向夹角、机器人关节限位的优化函数,将姿态控制求解转变为优化函数的求解,采用分段差分进化算法进行求解。对测试路径进行实验并与基于图形的方法进行对比,结果表明,所提出的路径规划算法可有效约束测量方向与曲面法向之间的夹角,且与基于图形搜索的方法相比,可以生成更平滑的机器人关节路径,运行时间缩短50.3%,x、y、z方向的末端瞬时加速度分别减小15.83%、30.45%、41.72%。

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刚柔复合驱动并联喷涂机器人机构设计与工作空间分析

赵嘉浩, 訾斌, 王威, 李元, 徐锋

机械工程学报. 2023, 59(15): 28-39. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.028

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大型装备空间尺度大,表面形状复杂,其表面自动化喷涂作业受到多因素限制。面向大型装备的表面喷涂作业,设计了一种由柔索及电动推杆复合驱动的并联喷涂机器人,其主要由双平台复合式末端执行器、柔索驱动模组及机器人整体框架等组成,具备工作空间大、末端灵活度较高的特点,并基于驱动索的锚接形式变化提出了不同构型。其次,分析并联喷涂机器人运动学及静力学,计算不同构型下并联喷涂机器人零姿态力封闭可行空间及力螺旋可行空间,并基于张力限制条件对并联喷涂机器人的定位置姿态空间及全局姿态空间进行了分析,考虑工作空间体积与姿态空间体积比等性能指标并综合实际工况展开构型选取。最后,搭建并联喷涂机器人实验平台,面向预设喷涂对象开展运动实验,结果验证了机构的合理性,表明该并联喷涂机器人具备较大尺度下的多姿态灵活作业能力。

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基于最小运动变换的臂角参数化冗余机械臂逆运动学求解方法

钟献有, 王鹤霖, 刘成菊, 陈启军

机械工程学报. 2023, 59(15): 40-49. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.040

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传统臂型角参数化方法在求解七轴冗余机械臂的逆运动学问题上存在算法奇异问题,一般采用奇异情况特殊处理或者增加冗余参数的方式解决。针对这一问题,提出了一种新型的逆运动学求解算法,该方法基于最小运动变换模型来重新定义臂型角参数。在给定待求解的目标构型的前提下,定义七轴机械臂的基准构型,建立从基准构型到目标构型的二阶段最小运动变换模型。根据基准角运动和臂角自运动的两个阶段运动模型,求解参考臂平面和特定臂角参数对应的肩、肘、腕部关节点的位置。根据几何关系求解各关节角度关于臂角参数的解析公式。通过逆解仿真实验对该算法进行了验证,结果表明该算法在求解精度、计算效率、算法稳定性等指标上具有良好结果,证明了该算法的有效性。

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基于形状记忆合金驱动的连续体机器人路径规划

严鲁涛, 王琦, 李海源, 张勤俭

机械工程学报. 2023, 59(15): 50-61. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.050

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连续体机器人运动灵活,能在多障碍的狭窄环境中进行连续弯曲运动。现有连续体机器人多以绳驱动为主,机械结构复杂、关节间耦合现象严重,从而导致控制复杂,且难以进行长度方向上的拓展。形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)作为一种新型的智能材料,同时具有驱动和传感的功能,并且其质量轻,单位体积内的驱动力大,作为机器人的驱动设备有助于减少其结构体积,并改善其控制方式。因此,在研究中,设计了一款基于SMA驱动的连续体机器人,并对其路径规划算法进行研究,在保证机器人运动效率的同时,确保其沿目标路径运行的安全性。结合SMA的驱动特性,并基于常曲率运动学模型,提出A*路径规划算法的优化方法,使其更加符合连续机器人的运动特性。研究结果表明,提出的改进型A*算法搜索时间短,规划效率高,具备良好的环境适应能力。

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R(RPS&RP)&2-UPS并联机构位置精度可靠性建模与分析

杨逸波, 汪满新

机械工程学报. 2023, 59(15): 62-72. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.062

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为提高并联机构末端位置精度可靠性,确定各误差源对机构末端位置精度可靠性的影响规律,以R(RPS&RP)&2-UPS三自由度并联机构为对象开展位置精度可靠性建模与分析,该机构由一条串接一转动副的1T1R平面并联运动链和两条空间无约束主动支链组成,具有与著名Tricept机器人中UP&3-UPS并联机构相同的运动模式。建立考虑基本尺寸误差、杆长误差及关节间隙的位置精度模型,进而分别利用四阶矩法和蒙特卡洛法提出机构位置精度可靠性计算模型,算例表明采用四阶矩法计算可靠性与采用蒙特卡洛法结果很接近,但可大幅降低计算量。利用四阶矩法研究各误差源对机构位置精度可靠性的影响规律,结果表明杆长误差、关节间隙和方位是影响机构末端位置精度可靠性的关键因素,为R(RPS&RP)&2-UPS机构的制造和装配误差合理制定提供参考。

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基于运动意图识别的上肢助力外骨骼复合控制方法研究

袁小庆, 邹缓, 吴涛, 叶向斌, 王文东

机械工程学报. 2023, 59(15): 73-82. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.073

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针对上肢助力外骨骼助力时响应延时问题,提出一种基于人机交互力信号、位姿信号数据融合的运动意图识别算法,使用支持向量机(Support vector machine, SVM)分类器对人体运动信号进行分类,确定穿戴者运动意图,对控制参数做出适应性调节,改变人机协同控制系统响应速度。采用果蝇优化算法(Fruit fly optimization algorithm, FOA)优化支持向量机,提高分类准确率;引入有限状态机(Finite state machine, FSM),处理非合理运动意图。为降低外骨骼控制系统跟踪误差,设计一种模糊控制与阻抗控制结合的复合控制方法,提高控制参数更新速度,实时调整轨迹。开展运动意图识别实验,结果表明,识别准确率可达97.93%,可快速检测出非合理运动意图,与使用肌电信号作为运动数据相比,降低信号处理难度的同时,保持了较高的准确率;通过控制系统性能仿真与外骨骼助力性能测试实验证明了控制方法的可行性。

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基于多任务转换的冗余度机器人控制算法

武毅, 胥超, 刘力源, 刘今越, 贾晓辉, 李铁军

机械工程学报. 2023, 59(15): 83-93. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.083

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针对基于梯度投影的冗余度机器人传统避障算法无法实现机器人在任务空间避障的问题,提出一种基于多任务转换的冗余度机器人控制算法。首先,基于传统算法中的H_m避障指标,提出投影矢量指标预筛选方法,利用障碍物在机器人连杆上的投影矢量筛选掉非避碰杆件,计算可能避碰杆件与障碍物的距离并通过距离比较得出最短距离,减少最短距离的运算量。其次,根据避障标志点与障碍物最短距离的变化,引入多任务转换因子,实现冗余度机器人在任务空间避障、关节空间避障、末端轨迹补偿任务之间的平稳转换。最后,采用平面三自由度机器人和七自由度冗余机器人分别进行对比仿真分析和试验验证。结果表明,机器人可以有效躲避不同位置下的障碍物,并实现运动过程中机器人关节角及关节角速度的平稳、连续变化。

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轻质超材料板结构的隔声机理及调控规律

王帅星, 肖勇, 汤晏宁, 吴健, 滕万秀, 温激鸿

机械工程学报. 2023, 59(15): 94-109. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.094

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超材料板结构因具有低频超常隔声性能,得到了噪声控制研究领域的广泛关注。然而已有超材料板结构普遍存在结构构造复杂的不足,不利于大规模工程应用。研究了一种结构形式简单的轻质超材料板结构的低频隔声特性,该结构由薄板上附加周期性排布的条状质量块构成。首先,建立了基于动态等效面质量密度快速提取的隔声性能高效预报半解析方法,并实验验证了该半解析方法在不同入射声场条件下的有效性。计算及实验结果均表明,这种超材料板结构可以在低频范围打破质量定律限制,产生低频高效隔声性能。其次,通过分析超材料板结构的动态等效面质量密度和基板的振动形变位移,阐释了其低频隔声机理。最后,在保持超材料板结构的静态面质量密度不变的情况下,系统分析了材料/结构参数对其低频隔声性能的调控规律。研究表明,通过多参数联合调控,可以在保持静态面质量密度和隔声峰频率不变的前提下,显著拓宽其低频隔声带宽,提出了若干低频宽带隔声设计准则。论文研究为这种超材料板结构的低频宽带隔声应用设计提供了理论与方法支持。

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基于对抗熵的转子系统跨工况故障诊断方法

贾思祥, 孙丁一, 毛刚, 李永波

机械工程学报. 2023, 59(15): 110-120. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.110

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传统数据驱动的故障诊断方法通常依赖于测试工况数据的可用性,然而转子系统实际运行工况多变,测试工况的先验数据分布难以获取,增加了跨工况故障诊断的难度。针对此问题,提出了基于对抗熵的域泛化网络(Adversarial entropy-based domain generalization network, AEDG)用于转子系统跨工况故障诊断。该方法受信息瓶颈理论与生成对抗网络启发,通过熵的最大最小化博弈实现潜在数据分布的对抗性扰动,旨在提高诊断模型在未知工况下的泛化能力。首先建立条件对抗域适应网络,通过多线性映射融合深度嵌入特征与分类器预测输出,实现多源域诊断知识的深度融合。为进一步提高模型在未知工况下的泛化性能,通过多源域联合嵌入特征的预测输出信息熵最大最小化实现底层数据的对抗性扰动,增强模型对未知工况下数据分布漂移的适应能力。最后采用转子系统故障数据集验证了提出方法的有效性,结果表明提出方法具有良好的跨工况识别精度与泛化能力。

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基于虚拟传感的薄板结构辐射声主动控制研究

王攀, 周小宝, 杨欣欣, 褚志刚

机械工程学报. 2023, 59(15): 121-130. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.121

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为抑制薄板辐射低频噪声,以局部覆盖宏纤维复合材料压电片的对边固支矩形薄板为对象,围绕其辐射声的主动控制展开研究。首先,采用有限元法建立薄板的动力学模型,并通过模态试验验证,在此基础上通过单元辐射体法建立薄板的声辐射模型;其次,结合结构辐射模态和空间可控性构建了结构-声可控性指标,并采用离散萤火虫算法对作动器位置进行了优化;然后采用空间梯度加权求和控制策略,引入基于结构响应传递率的虚拟传感器,实现单误差传感的结构声主动控制,并采用归一化动量FxLMS算法完成了控制器的设计;最后进行了数值仿真和快速控制原型试验的研究。结果表明:引入虚拟传感器后减少了误差传感器使用数量,且主动控制控制效果无明显衰减;以结构-声可控性指标为目标优化作动器位置取得更好的效果;多种激励下薄板辐射声主动控制实际效果显著。

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宽域加工误差对拓扑修形齿轮传动误差的影响

刘欣荣, 王慧鹏, 汪中厚, 杨勇明

机械工程学报. 2023, 59(15): 131-141. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.131

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拓扑修形作为高性能齿轮修形的重要方式,为提高齿轮系统动态性能提供了有效方法。建立齿轮系统的弯-扭-轴-摆动力学模型,基于诱导法曲率分析拓扑修形齿轮中凹齿廓误差形成机理,研究宽域加工误差对齿轮系统传动误差的影响。通过数值计算得出齿形齿向修形量误差、齿向倾斜误差、中凹齿廓误差、欠磨削及过磨削误差作用下的齿轮系统传动误差,建立量纲归一的无因次齿轮系统动传动误差评价方法,采用F分布检验回归方程的显著性,阐明拓扑修形齿轮宽域加工误差与齿轮系统传动误差的内在联系。结果表明,在宽域加工误差作用下,ζ₁、ζ₂、ζ₃、ζ₄、ζ₄的无因次标准回归系数分别为0.128,0.452,0.222,1.146,0.784,在误差量相同情况下,中凹齿廓误差对齿轮传动误差影响最显著。研究成果将为拓扑修形齿轮的加工误差分配提供理论支撑。

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宏纤维复合材料作动器非对称迟滞建模与前馈线性化控制研究

沈意平, 傅志强, 王送来, 李坚, 宾光富, 胡斌梁

机械工程学报. 2023, 59(15): 142-150. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.142

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宏纤维复合材料(Macro fiber composite, MFC)具有柔性高、驱动力大、机电响应快等优点被广泛应用于柔性结构精密变形控制,但其固有的非对称迟滞非线性特征严重影响控制精度。基于Sigmoid函数的凹凸形特征构造了非对称改进Bouc-Wen模型,采用信赖域反射法和异步粒子群优化相结合的混合算法对模型参数进行辨识,开展MFC作动器前馈线性化控制应用研究。结果表明,改进Bouc-Wen模型能够准确描述MFC作动器非对称迟滞特征,相对经典Bouc-Wen模型,改进Bouc-Wen模型对MFC在0.1 Hz、1 Hz、5 Hz下迟滞曲线拟合的相对均方误差分别降低了73%、71%、52%。非对称修正算子在电压加载和卸载阶段均呈现出凹凸组合修正方式,在电压加载阶段以凹修正为主,卸载阶段以凸修正为主。基于修正Bouc-Wen迟滞逆模型的前馈补偿方法对正弦波和三角波位移跟踪均具有较高的控制精度。

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考虑油膜承载特性对分动器扭矩传递的影响

王钰明, 李洪亮, 陈黎卿, 刘健, 梁修天

机械工程学报. 2023, 59(15): 151-161. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.151

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为实现分动器在短时间内经历流体润滑、混合摩擦和粗糙接触三个阶段的全过程分析,建立稳态和动态弹性流体润滑力学模型以及压紧润滑阶段力学模型。利用建立的分动器扭矩传递模型,仿真分析得到分动器工作过程中油膜厚度、转速差、黏性扭矩、粗糙扭矩以及总扭矩变化曲线。在此基础上,构建分动器试验平台,对所建模型进行试验验证后,利用所建模型研究沟槽宽度、表面粗糙度、接合压力、摩擦片数、摩擦片材料渗透性和摩擦片厚度的变化规律对扭矩传递过程的影响。结果表明:沟槽槽宽对分动器传递扭矩的影响主要体现在黏性扭矩上,摩擦片不同表面粗糙度比值与达到粗糙扭矩的时间比值成正比例关系,而接合压力对摩擦片传递扭矩的影响主要体现在粗糙扭矩,摩擦片接合压力与摩擦片工作过程中所传递的粗糙扭矩成正比关系。

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基于改进完全离散化法铣削系统稳定性研究

刘春景, 唐敦兵, 陈兴强, 魏天路

机械工程学报. 2023, 59(15): 162-173. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.162

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颤振是影响铣削质量和切削效率的重要因素之一。为提高铣削颤振预测精度,提出一种改进的完全离散化方法(U-FDM),基于二阶Lagrange多项式对刀具-工件铣削动力学系统时滞微分方程的延迟项和状态项进行数值迭代,根据Floquet原理构建出了高精度的颤振稳定域叶瓣图。单自由度特征值收敛特性分析表明,当离散化间隔数大于50时,二阶完全离散化方法(2-FDM)与一阶完全离散化方法(1-FDM)的收敛速度基本相同,U-FDM收敛特性最优;经叶瓣图对比分析可知,改进的完全离散化方法具有较高的拟合精度,计算效率相比半离散方法(SDM)单自由度和两自由度分别提升了70.6%和64.9%。通过试验获取铣削加工响应信号进行时域、频域和同步采样分析,结果表明所提铣削动力学模型和U-FDM算法是有效的,为叶瓣图指导实际加工奠定了基础。

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材料弹性对摩擦触觉感知的影响研究

唐玮, 李聪, 束云潇, 朱华, 陈思, 彭玉兴

机械工程学报. 2023, 59(15): 174-184. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.174

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材料弹性是影响触觉感知的物理属性之一,从皮肤的"感"和大脑的"知"系统研究材料弹性对触感的影响规律具有重要意义。通过对手指触摸不同弹性特征表面的摩擦、振动信号以及激发的触感脑电信号进行特征参数提取,建立了材料弹性模量E与触感特征参数的关系,实现了弹性表面触感的部分量化表征。结果显示:手指触摸橡胶材料的摩擦力以滞后摩擦分量为主;手指触摸陶瓷和塑料材料时滞后摩擦和黏着摩擦共同影响表面接触摩擦力。相关性分析显示材料E与手指触摸材料的摩擦因数μ、振动频谱最大幅值A_max、振动信号的递归参数角线长度均值L和垂直线段长度均值TT均呈负相关,表明材料E越小,振动系统的稳定性越差,复杂度越高。大脑触觉感知的加工时间为触摸开始后的200~400 ms之间,弹性触感激活的脑区主要是大脑中后部的顶叶区及枕叶区;相关性分析显示材料E和触感脑电P300峰值呈正相关,说明材料E越低,激发的大脑神经元兴奋度和注意力越低。手指触摸振动信号A_max与触感脑电信号的P300幅值负相关,表明触觉感受体的近端机械刺激与大脑的认知相关联。触摸过程的μ、A_max、L、TT、和P300峰值与材料E具有明显的关联性,可作为表征材料触摸弹性的特征参数。

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不同接触参数下车轮多边形形成及发展试验研究

丁昊昊, 朱庭锋, 黄金伟, 张华, 陈勇, 林强, 温泽峰, 王文健

机械工程学报. 2023, 59(15): 185-196. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.185

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利用WR-1轮轨滚动磨损试验机研究了不同轮轨接触参数(垂向力、蠕滑率、转速)下车轮多边形形成规律,分析了滚动过程中的轮轨振动特性,探索了多边形车轮试样的硬化与损伤规律。结果表明:当垂向力、蠕滑率和转速较小时,轮轨系统振动稳定,车轮试样不产生多边形;随垂向力、蠕滑率和转速增大,系统激发了明显的主振动频率,振动幅值随运行时间不断增大,车轮多边形逐渐产生;且多边形波深随垂向力和蠕滑率增大呈现增大趋势。试验后,车轮试样硬度随深度逐渐降低,未产生多边形的车轮试样硬度在圆周方向上无明显波动,多边形车轮试样硬度随轮廓变化而变化,波峰区域硬度低、波谷区域硬度高,波谷区域塑性变形层厚度明显大于波峰区域。多边形车轮试样波谷区域与未产生多边形车轮试样损伤均以疲劳磨损为主,波峰区域表面存在大量剥落坑,波峰与波谷处裂纹长度与深度相较于无多边形车轮试样都明显减小、裂纹角度显著增大。多边形车轮试样表面会受到反复的轮轨冲击-挤压作用,垂向力与蠕滑率的增加会使冲击-挤压作用更加剧烈,车轮多边形更加严重。研究结果对进一步了解车轮多边形形成机理及抑制措施提供一定的指导意义。

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硬脂酸吸附对轴承限量供油润滑影响

樊赛生, 郭峰, 荆兆刚, 栗心明, 刘海超, POLL G

机械工程学报. 2023, 59(15): 197-203. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.197

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在限量供油条件下利用全轴承摩擦力矩测量系统和球-环点接触油膜润滑测量仪分别对PAO10(聚α-烯烃)和PAO10S(聚α-烯烃+0.2%w/w硬脂酸)进行摩擦力矩和膜厚测量。结果表明:轴承摩擦力矩先下降后上升,存在一个对应最小摩擦力矩的临界转速。当转速低于临界转速时,PAO10S的摩擦力矩随供油量增加而减小,且明显小于PAO10的摩擦力矩。当转速高于临界转速时,PAO10S和PAO10的摩擦力矩差别减小。PAO10S产生的轴承摩擦力矩降低归因于硬脂酸吸附膜的低剪切抗力,更重要的是,因吸附膜产生润滑轨道表面能的降低,导致摩擦副的入口供油情况得到改善。润滑油膜厚度的光干涉测量结果显示,因硬脂酸的吸附PAO10S和PAO10的供油状态可分为三个区,全轴承摩擦力矩的测试结果与这三个区对应的油膜承载特性相关。

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新型非接触式自冲击密封结构设计与性能分析

王衍, 谢雪非, 徐慧, 黄周鑫, 何一鸣, 杨怀石, 胡琼

机械工程学报. 2023, 59(15): 204-215. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.204

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引入阻塞流体实施封严是非接触式密封的基本形式,节流效率低是制约此类技术性能提升、系统简化的关键。特斯拉阀凭借独特的造型结构,反向流动时形成的巧妙逐节冲击阻塞特性具有高效的节流效率。借鉴这一结构提出一种新型非接触式自冲击密封结构,兼具零磨损、高稳定性、结构简单和节流高效等特点,极具吸引力。应用CFD技术,仿真模拟不同结构和工况参数下新型密封的性能表现,结果表明:相比于水平型和阶梯型自冲击密封结构,层叠式结构具有更高的级数布置效率,并以AbBa式组合、交错比k=2时的抑漏效果最佳;新型密封对氢气、甲烷等低密度气体的泄漏偏高,对其他高密度气体的泄漏基本不变;新型密封泄漏量受压力影响较大、受转速影响较小,通过减小密封间距及增大密封级数可有效抑漏。相同工况下,以泄漏量为指标,新型密封较迷宫、螺旋、间隙密封可分别减漏27.79%、53.33%、64.34%;以密封间距为指标,新型密封实现标准泄漏时的密封间距是干气密封十几倍甚至几十倍,且新型密封间距为刚性间隙,稳定性更高。提出的新型密封结构,将衍生出一种密封新理论和原创技术,可以实现对现有非接触密封体系的理论拓展和技术革新。

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光学相干成像技术在激光加工过程实时监测与控制中的应用研究进展

梅雪松, 孙涛, 赵万芹, 凡正杰, 张涛, 唐程, 崔健磊, 王文君

机械工程学报. 2023, 59(15): 216-231. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.216

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激光加工技术,主要包括激光焊接技术、激光增材制造技术和激光减材制造技术,具有高加工质量、效率、无工具磨损等优点,在航空航天、生物医疗、通讯电子等领域应用广泛。随着产品精度与性能要求的逐渐提升,对激光加工的精度、效率及可控性提出了更高要求。因此,激光加工过程实时监测及调控成为当前的研究重点。相比于传统的光声热电传感监测,光学相干成像技术可以与激光束同轴耦合,从而直接获取激光加工结构的尺寸和形貌特征,具有高成像速度、高测量分辨率以及长测量范围等优点,被广泛应用于激光加工过程实时监测中。系统介绍了光学相干成像系统的基本组成、成像原理以及系统指标,在此基础上综述了光学相干成像技术在激光焊接、激光增材制造和激光减材制造实时监测与控制中的应用。最后,归纳了目前光学相干成像技术在激光加工过程监测中存在的不足和发展趋势,为激光加工过程实时监测与控制的研究工作提供了坚实基础和发展方向。

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基于特征聚类的结构件数控加工工时预测方法

刘娟, 刘检华, 庄存波, 徐磊, 翟思宽, 高庆霖

机械工程学报. 2023, 59(15): 232-246. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.232

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针对航天结构件等复杂产品工时定额结果不准确的问题,提出了基于特征聚类的结构件数控加工工时预测方法。基于航天结构件的产品特点、材料特点和加工特点,分析了航天结构件数控加工工时影响因素,并提出了基于BERT模型和K-Means算法的工时影响因素特征向量分析方法。基于K-Means聚类算法对BERT模型提取的工艺特征向量进行分组,在此基础上,基于分组结果建立了不同的遗传算法优化的BP神经网络工时预测模型,进而从工时影响因素特征分析和网络结构优化两方面,提高工时定额的准确性。最后,基于历史工艺数据完成了模型训练和预测,验证了所提方法的有效性。

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基于电脉冲的铁基非晶薄带增材制造试验研究

李波波, 刘靖驰, 李晓强, 邱成鸿, 卢秉恒

机械工程学报. 2023, 59(15): 247-254. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.247

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为了解决铁基非晶材料成形过程中狭窄的工艺窗口难题,提出了一种采用非晶薄带作为原材料,施加快速电脉冲同时辅以微压力的增材制造新方法,并成功实现了小功率非晶材料异形构件的增材制造,并通过动态电阻分析,进行工艺优化调控。采用脉冲电源精准调控热输入的方式实现非晶材料热塑性成形原理,即在临界温度略高于玻璃化转变温度(T_G),但远低于熔化温度(T_L),可采用快速加热材料到T_G使其软化,并辅以小压力成形,同时提供足够高的冷却速率,晶相的成核可以被完全抑制。进一步,对该方法成形样件采用X射线衍射、差示扫描量热仪、扫描电镜和透射电镜进行物相及显微组织分析。测试结果表明,打印结合部位仍保持原有的非晶结构,并具有较高的拉伸强度。由于其成形功率低,工艺过程无需复杂的真空或惰性气体条件,该方法可以成为非晶材料增材制造及金属太空制造有吸引力的解决方案,尤其适用于电磁屏蔽等非晶异形构件的3D打印。

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面向系统资源挖掘的FBS与发明原理辅助裁剪创新方法

白仲航, 邓暄, 于菲, 刘智光, 李晓阳

机械工程学报. 2023, 59(15): 255-266. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.255

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深层次挖掘系统潜在可用资源是裁剪创新设计过程中系统有用功能进行重组的核心,是通过裁剪方法获取高质量解决方案的难点和关键。首先引入"功能-行为-结构"模型(function-behavior-structure,FBS)对系统元件知识进行表征,运用功能、行为、结构相似度计算检索系统内潜在可用资源;其次通过计算资源相似度及分析元件间功能、行为、结构关联关系确定潜在资源的最优衍生路径;最后建立FBS模型与发明原理集成的辅助资源衍生过程,为裁剪过程中的资源衍生提供更具体、可操作性强的知识;在此基础上构建面向系统潜在可用资源挖掘的裁剪创新设计过程模型,应用该方法对4C注胶辅助装置进行创新设计,验证了该方法的有效性。

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CMT电弧增材制造过程电弧特性对熔滴过渡行为的影响机理研究

吕飞阅, 王磊磊, 高转妮, 窦志威, 贲强, 高川云, 占小红

机械工程学报. 2023, 59(15): 267-281. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.267

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冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术具有沉积效率高、制造成本低等优势,在航空用大尺寸构件的快速成型领域应用前景广阔。对于电弧增材制造大型构件需采用大电流来进一步提高沉积效率,但在此高电流模式下电弧放电过程对熔滴过渡行为的影响机理尚不明确。因此,本研究采用高速摄像仪观察了电弧增材制造过程中电弧形态及熔滴过渡行为,同时通过建立电弧模型及熔滴过渡模型,分析了在不同电流波段及工艺参数下熔滴过渡频率及熔滴尺寸变化规律,最终揭示了电弧放电过程中电流密度、洛伦兹力等物理因素对熔滴过渡的作用机理。结果表明,电弧宽度与洛伦兹力决定熔滴在电弧放电过程中的受力大小,进而决定熔滴尺寸及其过渡频率。随着送丝速度从5.5 m/min增大至7.0 m/min时,电流峰值持续时间增加了1倍左右,同时电弧宽度与电流密度的随之增加,使得熔滴过渡过程中电磁力上升,熔滴尺寸下降14%且射滴过渡频率增加了3~4倍。当瞬时电流进入熄弧阶段时,熔滴过渡形式转变为短路过渡。随着送丝速度的增加,短路过渡频率从29 Hz减少至20 Hz。

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脑视觉认知机制下意象-产品归类的集群用户偏好推理

任丽, 林丽, 阳明庆, 郭主恩

机械工程学报. 2023, 59(15): 282-292. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.282

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精准获取用户客观需求是智能个性定制亟待解决的问题之一,传统方法明确用户认知偏好时存在多属性用户群体需求错位、对设计师经验依赖性强的问题,对此提出脑视觉认知机制下意象-产品归类的集群用户偏好推理方法。运用统计学方法甄选样本域及意象域,降低了人工干预;基于K-modes聚类用户认知特征元,构建了相似用户集群;采用K近邻算法智能化识别被试所属集群,并开展眼脑融合的主客观集成化认知实验,提取了集群中的关键主客观认知指标;最后运用逼近理想点排序法归类集群用户对应的意象-产品群,基于此归类推理出了新相似用户的认知偏好。以无人机用户认知偏好推理为例,建立了脑视觉认知机制下集群用户的意象-无人机归类,快捷推理新用户的需求案例及认知偏好,结果表明,运用现有集群用户的生理认知数据明确新用户的客观偏好的可行性和有效性,可提升生理实验的再利用率,为群体智能定制模式的个性设计提供理性客观视角。

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光-热双固复合材料3D打印成型数值模拟及实验验证

王权岱, 强昊文, 叶思彤, 李鹏阳, 郑建明, 李言

机械工程学报. 2023, 59(15): 293-303. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.293

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光-热双固化碳纤维增强复合材料3D打印成型综合了增材制造零件高精度无模快速成型和热固化基质材料力学性能优良的优势,具有广阔的应用前景。针对光-热双固化复合材料制件变形带来的制件疲劳寿命降低以及连接装配损伤等问题,综合考虑光固化动力学、热固化动力学及固化变形建立了光-热双固复合材料成型的多物理场理论模型,研究了复合材料光-热双固3D打印成型过程中单层固化厚度、光-热双固数值材料组分及纤维含量和长径比对制件变形的影响,并通过实验验证了模型及理论分析结论的正确性。结果表明,增加单层固化厚度从而减少分层数可以降低制件固化后的应力应变和翘曲变形;光-热双固化树脂中光固化树脂分数增加会使制件的翘曲变形量增大;提高纤维体积分数和纤维长径比可以降低制件膨胀系数,从而降低制件的翘曲变形量。复合材料光-热双固化3D打印成型过程的多物理场建模计算方法可以为相关研究提供借鉴,基于该方法的研究结果对于优化工艺参数从而提升成型质量具有参考价值。

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不同热处理对激光定向能量沉积技术+锻造复合制造TC4钛合金组织与力学性能研究

徐伟伟, 高川云, 张道洋, 陶常安, 成靖, 冉先喆, 汤海波, 刘栋

机械工程学报. 2023, 59(15): 304-310. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.304

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研究激光定向能量沉积+锻造技术复合制造Ti-6Al-4V(TC4)钛合金热影响区组织演变规律,分析对比三种热处理后:复合制造TC4钛合金的组织特征和力学性能。结果表明,复合制造试样可以分为锻造区、热影响区和增材区三个显微组织不同的区域。热影响区的显微组织形貌具有双态组织和网篮组织的双重特征,锻造侧热影响区的等轴α相在热输入的影响下发生长大,含量明显增加,而增材区侧热影响区形成了大量的细小层状α相。经600℃及800℃退火后试样热影响区中α板条宽度相近,但800℃退火工艺试样的热影响区中存在部分等轴α相,经975℃双重退火工艺使得热影响区晶粒发生明显粗化。热影响区硬度平均值约为394 HV,明显高于锻造区的322 HV和增材区的340 HV。在相同热处理工艺下,复合制造TC4钛合金试样的力学强度性能高于同等工艺参数增材制造TC4试样和标准TC4锻件的性能,但断后延伸率较增材试样低约31%。在热处理工艺方面,600℃退火试样的力学强度性能最优,较975℃双重退火试样屈服强度升高了约41 MPa,且三种热处理试样的断后伸长率与面缩率差异很小。

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表层改性处理改善难加工材料切削加工性的研究进展

王红, 王兵, 刘战强, 赵金富, 宋清华

机械工程学报. 2023, 59(15): 311-332. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.311

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高质高效切削加工是装备制造领域永恒追求的目标,而工件材料切削加工性是决定加工效率和零件加工质量的根本因素。通过对工件材料表层进行改性处理,使被切除层组织结构与热物理力学性能发生定向转变,成为解决难加工材料切除效率低和加工质量差的重要手段,因此难加工材料的表层改性辅助加工技术在近年来也逐步得到关注。在概括钛合金、高温合金以及高强钢等典型难加工材料切削加工性共性特点基础上,综述了表层改性辅助加工工艺研究进展,归纳总结了能量场改性法、活性介质涂覆法和合金化法等改性处理技术对工件材料表层属性的作用机理,阐述了表层改性处理对材料切削加工性的影响规律,指出了当前改性辅助加工对难加工材料切削加工性改善研究存在的问题。最后,对改性辅助高质高效加工未来研究的重点方向进行了探讨和展望。

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蓝宝石超精密抛光表面的热修复机理研究

王银惠, 梁志强, 赵文祥, 周天丰, 周海, 王西彬, 赵斌

机械工程学报. 2023, 59(15): 333-340. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.333

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通过化学机械抛光获得的超精密蓝宝石表面存在一定厚度的表面损伤层,直接制约蓝宝石元件性能的提升。为降低蓝宝石表层损伤层,研究了蓝宝石超精密抛光表面的热修复工艺。对超精密加工后蓝宝石进行热修复处理,分析了热修复对不同晶面蓝宝石表面微观形貌的影响规律。结合蓝宝石各个晶面原子排布规律,蓝宝石C面的晶层间距最大,相比其他晶面,C面蓝宝石的超精密抛光表面更易形成台阶结构;热修复后,A面、R面蓝宝石微观表面都呈现出有序分布的台阶状结构,M面蓝宝石表面形成薄片状微观结构;在热场作用下,蓝宝石表面原子发生移动,形成台阶状形貌;纳米压痕结果表明热修复后各个晶面蓝宝石的硬度和弹性模量都有一定程度增加;通过聚焦离子束定向提取热修复前后的R面蓝宝石表层纳米厚度的薄片,并在透射显微镜下观测其高分辨原子衍射图像,证实了热修复工艺使表层原子排布由非晶态向晶体有序化转变,同时表面微观形貌也出现了规律性特征,从而使加工表面晶格完整性提升。研究结果表明热修复能有效用于蓝宝石表层质量的提升。

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Halbach阵列与不同励磁方式的磁流变抛光特性及机理研究

郭源帆, 尹韶辉, 黄帅

机械工程学报. 2023, 59(15): 341-353. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.341

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为提高平面磁流变抛光效率,首次提出了一种海尔贝克阵列励磁的平面磁流变抛光方法,并对比研究了不同励磁方式磁流变抛光系统的二维、三维磁场分布、磁性颗粒受力分布特性及其抛光性能,证明了海尔贝克阵列具有优良的励磁性能,可以实现高效平面磁流变抛光。对比试验描述了不同装置励磁下,磁流变抛光模形貌特征、抛光压力与痕迹分布、磁流变抛光性能、表面粗糙度与形貌随时间演变的规律,揭示了海尔贝克阵列励磁实现高效平面磁流变抛光的机理。抛光性能试验结果指出,使用N35牌号的钕铁硼永磁材料制造的海尔贝克阵列抛光K9光学玻璃,去除率可达到1.38 mm³/min,是直线气隙磁轭的4.4倍,是N-S极交替阵列的6.9倍。仅需30 min抛光,即可获得表面粗糙度小于Ra 1 nm的超光滑表面。海尔贝克阵列性能优异,配置灵活,大大提高了磁流变抛光的效率,对其他磁流变加工工艺和磁场辅助加工工艺具有借鉴意义。

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基于接触轮柔顺度调控的叶片砂带磨削接触特性研究

段继豪, 周泽伟, 安佳乐, 高峰, 李艳, 淮文博

机械工程学报. 2023, 59(15): 354-365. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.354

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航空发动机叶片是典型的难加工易变形构件,其加工刚性弱、曲率变化快、壁厚差异大等特点,使其在磨削过程中不同位置加工刚性差异明显,引起接触压力分布、接触面积等状态变化,导致表面加工质量不一致。因此,为实现弱刚性叶片磨削接触状态调控,基于叶片加工工艺特性分析,设计新型柔顺度可控的接触轮,展开接触轮与叶片表面磨削接触特性研究,仿真验证接触轮柔顺度调控的可行性及叶片不同位置接触状态差异性,揭示了不同的接触轮柔顺度对叶片表面磨削接触压力分布、接触法向力、叶片加工变形等状态的影响规律,结合接触轮力-变形曲线说明接触轮的柔顺度特征变化。磨削接触实验表明,接触轮的柔顺度调控对磨削接触特性具有显著影响,接触法向力随柔顺度的增大而减小,降幅最大约为46%,接触轮柔顺度调控对适应弱刚性叶片不同位置加工状态变化、获得均匀一致的加工质量提出了高效可靠的实现方法。

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SiCp/Al复合材料切削过程的颗粒损伤研究

孙伟, 王培军, 陈俊云, 段春争

机械工程学报. 2023, 59(15): 366-376. https://doi.org/10.3901/JME.2023.15.366

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SiCp/Al复合材料动态去除过程中极易发生颗粒损伤,为避免或利用复合材料切削加工过程中的颗粒损伤现象,优化SiCp/Al复合材料切削加工,深入研究了SiCp/Al复合材料切削的颗粒损伤现象及其对切削加工的影响。首先,通过位错塞积理论和切屑根部微观观察,揭示了SiCp/Al复合材料切削的颗粒损伤机理,发现位错塞积引起的应力集中是导致界面脱粘的主因,颗粒断裂主要是由集中应力、刀刃挤压颗粒、局部颗粒聚集挤压以及颗粒连成网状结构引起;然后,基于考虑颗粒影响的动态本构模型、Eshelby等效夹杂理论、Weibull统计分布和刀刃-颗粒接触分析,建立了SiCp/Al复合材料切削的颗粒损伤度模型,并借助图像处理技术验证了模型的有效性;最后,根据颗粒损伤度预测结果,分析了颗粒损伤度对SiCp/Al复合材料切削加工的影响。结果显示,颗粒损伤度增大,会使切屑锯齿化程度增强,并严重降低已加工表面质量;颗粒损伤会显著影响颗粒强化效应,导致切削力随颗粒含量增大先升后降、随颗粒尺寸增大而降低。

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2023年, 第59卷, 第15期　
刊出日期：2023-08-05

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