机械工程学报

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刘伟, 刘顺, 邓朝晖, 葛吉民

机械工程学报. 2023, 59(17): 1-16. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.001

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工业机器人在推进工业自动化、柔性化、智能化发展道路上起着举足轻重的作用。机器人定位误差是制约其在生产制造领域应用的关键因素之一，定位误差的大小直接决定其制造所得产品的质量和精度，而机器人误差补偿技术对提高机器人的定位精度具有重要意义。以工业机器人定位误差测量-预测-补偿为线索，详细综述了国内外学者在开环测量和闭环测量技术、基于模型的误差预测和基于非模型的误差预测方法、在线补偿和离线补偿技术的研究进展。最后，对该领域的发展趋势进行了展望，以期对工业机器人定位误差补偿研究提供一定参考。

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绳驱7自由度仿人机械臂设计及其刚度建模与性能分析

吴志伟, 王博文, 闫磊, 徐文福

机械工程学报. 2023, 59(17): 17-32. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.017

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针对传统绳驱机械臂刚度小、末端精度低等问题，研制了一种同时具有轻质量、低惯量和高刚度、高精度特点的绳驱7自由度仿人机械臂系统。采用模块式思想，将整个机械臂分为肩部、肘部、腕部三部分，分别设计了基于闭环绳索驱动的单自由度肘关节和3自由度肩、腕部关节，在运动副上配置编码器用于检测关节位置，有效提升了关节控制精度。建立了“驱动空间-关节空间-任务空间”多重运动学模型，分析了肘部拮抗关节和腕部耦合关节的运动规律，简化了运动传递关系、提高了传动精度和效率。推导了机械臂关节的等效刚度表达式，分析了不同关节角下的刚度特性。最后，针对所研制的绳驱7自由度仿人机械臂开展了样机的关节刚度测试、末端精度测试、负载测试等性能测试。实验结果表明，设计的绳驱机械臂具有运动灵活、定位精度和刚度高等特点。

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扑旋翼飞行器机构动力学建模与功率优化

贺媛媛, 王琦琛, 张航, 杨炫, 李傲

机械工程学报. 2023, 59(17): 33-43. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.033

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仿生扑旋翼微型飞行器目前仍沿用传统的齿轮连杆传动机构，电机需同时克服扑翼的惯性力和气动力做功导致机械效率低。通过理论和数值模拟及实验方法定量分析在机构中引入弹簧对提高其机械效率的作用。首先，基于一个扑旋翼实物模型建立无弹簧原始拍动机构和设置两种弹簧安装位置的系统动力学模型，包括求解系统共振频率的特征方程，进而计算该系统在设定拍动频率时维持拍动所需输入的功率。结果表明采用不同刚度的弹簧对系统具有不同程度的增效作用，当弹簧刚度为1 N/mm时，模型在9 Hz频率下功率可降低54.5%。为验证数学模型的正确性，用商业软件ADAMS建立该扑旋翼动力学模型并模拟计算其运动和功率，结果表明采用两个方法得到的不同弹簧模型功率的最大误差为4.5%。为进一步获得系统的最大效率，分别以功率、输入力矩峰值最小为目标，对弹簧刚度和长度进行寻优计算，结果表明最优的弹簧刚度系统所需的输入功率比原始无弹簧机构减小63.0%。最后，通过该扑旋翼实物模型实验结果验证了弹簧对系统的增效作用，结果表明，采用刚度为1 N/mm弹簧的模型在9 Hz频率下的功率降低55.5%，与理论模型和ADAMS数值模拟的结果相当接近。

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基于强制闭环与隐马尔可夫模型序列匹配的多机器人协同建图

任靖渊, 胡钊政, 陶倩文, 李娜, 万金杰

机械工程学报. 2023, 59(17): 44-55. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.044

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通过多机器人协作可以高效完成大场景地图构建，但建图质量严重依赖于多机器人间的闭环检测效果。相较于传统的单机器人，多机器人闭环检测问题更为复杂困难。将多机器人闭环检测问题分解为两个独立问题，即闭环存在性问题与闭环存在条件下的多机器人数据匹配问题。针对闭环存在性问题，提出强制闭环策略，即在场景中设定强制闭环区域，强制多机器人访问该区域。在此基础上，提出将多机器人数据匹配问题转化为基于隐马尔可夫模型（Hidden Markov model，HMM）的序列匹配问题。通过对HMM模型中的初始匹配结果、状态转移概率和发射概率进行建模，完成不同机器人采集的数据序列的精准匹配。最后，提出基于大规模位姿图优化（Pose graph optimization，PGO）模型的多机器人协同建图方法，利用序列匹配结果完成约束构建实现多机协同建图。利用标准测试数据集与多机器人实际采集的数据对算法进行验证。实验结果表明，提出的多机协同建图方法不仅有效提升建图效率与自动化程度，同时保证较高的建图质量，算法性能明显优于传统的地图构建方法。

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模块化可展天线机构展开动力学建模与运动规划

田大可, 郭振伟, 金路, 范小东, 刘荣强

机械工程学报. 2023, 59(17): 56-66. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.056

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模块化可展开天线具有拓展灵活、通用性好、适应性强等特点，是满足未来天线大口径发展趋势的一种新型航天装备。为掌握模块化可展开天线展开过程的动态特性，提出一种六棱柱模块化可展开天线机构展开动力学建模及运动规划方法。首先，阐述了六棱柱模块化可展开天线的结构组成及展开原理，建立了天线机构数值仿真模型，研制了单模块原理样机，并验证了原理方案的正确性；其次，基于多刚体系统动力学Lagrange方法，建立了天线机构在展开过程的动力学模型，得到了缓释电机驱动力随展开时间的变化规律；最后，开展天线机构展开过程运动规划，建立了天线机构S型运动速度曲线模型。研究结果表明：运动规划减小了天线展开过程始末的速度突变，提高了天线展开过程的平稳性，为该构型天线的展开试验及工程应用提供了一种可供参考的速度控制方案。

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踝助力外衣的研制与跖屈肌群肌电信号评价

张雷雨, 叶土仙, 高翔, 张斐然, 李剑锋, 苏鹏

机械工程学报. 2023, 59(17): 67-78. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.067

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随着国防装备发展及人口老龄化加剧，战场士兵、部队后勤及老年人口等对下肢柔性外骨骼的需求急剧升高，进而研制了穿戴性好、人机相容性高、助力性能优的便携式踝助力外衣系统。基于踝关节生理特征与人体下肢参数，对踝助力外衣本体和驱动单元进行工效学设计和实物研制，并将驱动单元放置于腰部，尽可能降低小腿和足部的附加质量。基于踝关节生物力矩特征，建立期望辅助力模型，采用实验测量的办法，获得助力外衣及局部软组织的系统刚度，将期望辅助力模型转换为驱动单元的位移模型。基于人体下肢步态的周期性，设计以迭代学习控制算法为核心的控制器，通过迭代学习历史时刻的输出误差，对期望辅助力模型进行不断追踪。为评估助力外衣的助力效果，通过测量穿戴者的跖屈肌肉群肌电信号，分析肌肉激活程度和疲劳变化：在踝助力外衣的辅助下，不同行走速度的肌肉激活程度均明显下降，以腓肠肌外侧变化最为显著，腓肠肌内侧肌肉激活程度平均下降了9.62%±1.12%；平均功率频率和中位频率的变化斜率绝对值均得到一定程度的下降，肌肉疲劳速率下降、疲劳程度降低，进而下肢行走耐力增强。

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面向微波组件信号传输的柔性绕线互联构形表征与优化设计

田军, 姚松杰, 韩宝庆, 王龙杨, 张大兴, 周澄, 刘菁, 王志海, 于坤鹏, 王从思

机械工程学报. 2023, 59(17): 79-88. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.079

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随着微波电路朝着高集成化、高频率、高可靠性方向发展，微波组件间的互联结构形态成为了显著影响微波电子系统性能的重要因素。针对微波模块互联结构表征不清，结构参数与传输性能关联机理不明，性能最优结构形态难以确定的问题，提出了一种面向微波组件电性能的柔性绕线互联最优构形参数确定方法，对柔性绕线互联构形进行参数化表征建模，基于影响度确定柔性绕线互联构形关键参数，试验设计确定柔性绕线互联局部最优构形参数，以试验局部最优构形参数为初值，基于粒子群算法确定面向信号传输性能的互联全局最优构形参数。算例结果表明，与初始构形参数下的回波损耗与插入损耗相比，全局最优构形参数下的回波损耗和插入损耗对应电性能分别提升了558.6%和97.8%，验证了该方法的准确性。研究结果对微波组件柔性绕线互联结构的优化设计与性能提高具有一定的指导意义和参考价值。

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高抓取能力人工肌肉型柔性机械手设计与验证

度红望, 许晓亚, 邵仁波, 熊伟, 王海涛

机械工程学报. 2023, 59(17): 89-96. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.089

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针对现有柔性机械手抓取范围有限，负载能力小的问题，基于弯曲型人工肌肉设计了一种安装角度可调的四指柔性机械手。基于能量法进行了弯曲型人工肌肉的静力学分析与验证，单根执行器最大弯曲角度可达151°，最大输出力为3.2 N，执行器静力学模型平均误差分别为5.25%和8.13%。进一步，基于设计的四指柔性机械手，针对不同形状和大小的物体完成了抓取实验。结果表明，机械手最大抓取物体质量为1 050 g，最大尺寸为f226 mm，在抓取实验中单根执行器最大弯曲角度为93°。设计的机械手具有稳定的抓取性能，能够实现日常物品稳定的抓取。

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基于二重对称剪纸的新型超材料胞元结构的设计与特性分析

杨富富, 林维炜, 杨飞雨, 张俊, 姚立纲

机械工程学报. 2023, 59(17): 97-108. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.097

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新型机械超材料结构通常由一些简单的单元（称之为胞元）通过三维规则阵列组合而成。得益于超常的物理特性，这些机械超材料结构往往具有轻质高强度、多稳态、优异能量吸收能力等优点，正成为众多领域的热门研究方向。为进一步丰富超材料结构种类，需探索更多优质胞元结构。折纸结构具有结构简单、便于折叠等优势，为构建超材料胞元提供了一种重要方式。利用一种具有较好对称的剪纸图案——二重对称剪纸图案，提出一种具有负泊松比特性且单自由度折展的二重对称剪纸胞元。通过分析胞元结构的几何参数对折展运动的影响，发现胞元具有一定的拉胀（即负泊松比）特性，当剪纸的设计变量γ趋近于0时，该胞元趋于经典的内凹蜂窝结构。相较于后者，所提出的胞元还具备单自由度折展特性，为快速搭建吸能结构提供了便利。该胞元结构利用折叠后的物理干涉产生的自锁效应，使得其处于折叠极限状态下具有负载能力。通过静态压缩试验，发现二重对称剪纸芯比内凹蜂窝结构具有更优异的负载能力，是一种优异的纸质超材料结构。该胞元的提出，为探索更多新型超材料结构提供了可能，还为之奠定了理论分析基础。

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基于LMI-SDP优化的机器人手眼关系精确求解

付中涛, 饶书航, 潘嘉滨, 李淼, 黄涛, 陈绪兵

机械工程学报. 2023, 59(17): 109-115. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.109

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机器人手眼关系（X）的精确求解对于视觉导引的机器人操作及其重要，通常用方程AX=XB表示。现有方法通常采用旋转矩阵与平移分量分离方式分步标定X，从而导致标定误差的累积。同时，推导的线性方程中回归矩阵的最小奇异值影响标定结果的精度。为此，提出了一种新颖且通用的AX=XB标定方法，采用LMI-SDP （线性矩阵不等式与半正定规划）优化同步标定出方程AX=XB的最优解。在此方法中，通过Kronecker积获得标定方程的线性形式，结合回归矩阵的QR分解形式转化为关于未知变量X的凸约束优化问题，通过LMI-SDP工具箱得到精确的同步解。通过考虑到不同噪声水平和数据对的仿真分析以及标定试验，对提出的方法与迭代算法、对偶四元数方法进行比较。结果表明，所提出的方法相比传统方法表现出更好的准确性和有效性，对于实现机器人手眼系统的推广与应用具有重要意义。

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动/静平台非一致型并联机构构型分析及设计方法

李海虹, 董晋安, 郭山国, 刘志奇

机械工程学报. 2023, 59(17): 116-125. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.116

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针对动/静平台非一致型并联机构的设计需求，提出一种基于尺度综合的机构构型设计方法。根据拓扑结构设计理论对目标自由度并联机构支链进行构造；确定平台联结铰点的数量及类型，对机构进行初步设计及动平台自由度校核；以一种五自由度动/静平台非一致型并联机构为例，运用一次尺度综合对机构尺寸参数进行一次改进，建立机构初步模型；定义冗余支链和角部支链，通过二次尺度综合对冗余支链位置进行二次改进，完成机构所有尺寸参数的计算，给出机构的整体模型；与相似尺寸下、相近工作空间内Stewart机构的局部传递指标图谱进行对比分析，该机构具有良好的运动/力传递性能，验证了所提出的并联机构构型设计方法的正确性和可行性。

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超长可收展豆荚杆连续成型过程工艺设计与验证

张涛涛, 从强, 陈维强, 刘洪新

机械工程学报. 2023, 59(17): 126-135. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.126

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超长可卷绕收展薄壁大变形复合材料杆由于轻质、高收纳比功能，作为百米级大型空间展开结构的主支撑部件。开展了超长复合材料薄壁豆荚杆的连续固化成型技术研究，设计了半豆荚杆连续固化和全豆荚杆连续胶接成型的过程及设备。建立了成型过程过渡区的有限元分析模型，分析了豆荚杆展开-收拢过渡区长度对应力水平的影响，确定了成型过程过渡区的最小长度。依据连续固化过程的压力及脉动时间参数，对豆荚杆的固化成型设备进行了调试运行。通过17 m超长豆荚杆样件的试制，验证了成型设备及过程的设计合理性。

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基于应变能分布的高速转子系统动力特性设计

刘聪, 杨海, 杨哲夫, 洪杰, 王永锋

机械工程学报. 2023, 59(17): 136-147. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.136

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针对高速转子系统动力特性优化设计中，迭代参数多、影响规律不清、迭代计算过程繁琐等问题，建立了考虑惯性主轴偏斜、盘轴连接局部刚度等关键结构特征的高速转子系统动力学模型，基于Rayleigh法与欧拉梁理论，揭示了整体一弯振型下转子应变能分布与临界转速、支点动载荷间内在关联，并得到了转子临界转速特性、载荷特征等随高速运转状态下转子弹性结构单元应变能占比的变化规律。算例结果表明，高速转子整体一弯振型下的应变能分布与其临界转速、支点动载荷特征具有极高的相关性，并对盘轴连接局部刚度等关键结构设计参数较为敏感。据此，提出了以应变能分布为优化设计目标的新思路，发展了基于应变能分布的高速转子动力特性设计方法，相较于传统的谐响应分析方法，迭代设计总耗时缩短了98%，且以应变能分布控制转子临界转速、支点动载荷时，控制误差不超过3%，有效避免了传统高速转子迭代设计过程中计算量大、耗时长等不足，在航空燃气轮机高速转子动力学设计中具有工程实用价值。

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非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡设计方法及试验

杨杰, 崔国华, 李海涛, 张振山, 和法洋, 盛天豪

机械工程学报. 2023, 59(17): 148-161. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.148

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针对非轴对称复杂曲面回转件的几何结构所引起的动不平衡问题，提出了一种虚拟动平衡设计方法，将整个系统简化为单个刚体旋转模型，根据平行轴定理推导出质径积的表达式，并针对相位滞后问题提出了采用正反转求相位补偿量的方法。建立了虚拟动平衡仿真平台，以环面蜗杆这类复杂曲面回转件为例进行仿真分析，获取待测点在稳定周期内沿X轴方向的振动幅值，结果表明：选取的两个平衡平面上均存在大小不等的不平衡质量，分别为11.8 g和14.7 g，通过相位补偿得到两个不平衡质量所对应的准确相位角分别为133.2°和93.6°，平衡后的振动幅值分别下降了97.5%和93%，平衡效果明显。最后，进行了实际的动平衡实验，测定得到初始的不平衡质量分别为13.66 g和15.21 g，相位角分别为131°和95°，和理论计算值相比，不平衡质量的最大误差为1.86 g，相位角的最大误差为2.2°；实际的平衡结果显示，左右两侧的剩余不平衡质量分别为1.33 g和0.18 g，不平衡量分别下降了90.3%和98.8%，进一步验证了理论模型及虚拟动平衡方法的正确性。

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基于时变噪声结构的自适应加权稀疏模型及航空轴承故障诊断

张晗, 田毅, 杜朝辉

机械工程学报. 2023, 59(17): 162-174. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.162

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航空发动机的非平稳运行工况、时变气流环境等导致传感器采集到的振动噪声信号具有时变特性，同时，主轴轴承高转速运行工况导致其故障波形混叠变异，难以有效识别诊断。针对该问题，揭示了航空轴承噪声信号方差的时变特性，提出了基于时变噪声结构的自适应加权稀疏诊断模型。首先针对混叠变异故障波形难以构造匹配的稀疏表示字典的问题，构造了与特征周期先验匹配的分割算子，分析了故障特征矩阵的低秩先验，建立了混叠变异特征的自适应奇异值分解（Singular value decomposition，SVD）字典；然后，揭示了航空轴承噪声方差的时变特性，构造了与噪声时变结构和特征奇异值分布模式相匹配的自适应权重矩阵；进而，构建了自适应加权稀疏诊断模型（Adaptive weighted sparse diagnosis model，AWSM），开发了AWSM的优化求解算法。仿真分析表明，提出算法可有效实现航空轴承时变噪声的滤除，从而可靠提取轴承微弱的故障特征。最后，航空轴承实验验证了该算法可以实现运行转速高达25 000 r/min、剥落面积为1.0 mm²的航空轴承故障诊断。

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下肢康复外骨骼的步态交互设计研究进展

高一聪, 王彦坤, 郑浩, 魏喆, 谭建荣

机械工程学报. 2023, 59(17): 175-188. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.175

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中国正向深度老龄化社会高速迈进，脑卒中等老年性疾病人群逐年增多，开展面向助老适老的智能产品研究具有广阔的应用前景与重要的学术价值。下肢康复外骨骼是一种与穿戴者肢体交互并为其提供相应运动辅助和训练的人机交互共融智能产品。利用下肢康复外骨骼进行科学有效的康复运动训练，患者的肌力得以增强，脑神经和患肢之间的传递通路得以重建。根据穿戴者的下肢运动功能缺失或减弱程度生成并调整步态以进行安全有效的康复训练，是目前下肢康复外骨骼的研究前沿与热点。针对下肢运动功能障碍导致的行走方式差异化和康复步态规划个性化问题，结合国内外下肢康复外骨骼步态交互设计的研究进展，围绕下肢康复外骨骼步态性能评价标准、步态生成方法、步态控制策略和典型康复应用进行了重点分析探讨。最后总结并对下肢康复外骨骼的步态交互设计未来发展方向进行了展望，为相关研究人员提供参考。

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永磁悬浮技术的实现机理与发展现状

赵川, 孙凤, 裴文哲, 金俊杰, 徐方超, OKA Koichi, 于溯源

机械工程学报. 2023, 59(17): 189-207. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.189

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永磁悬浮技术利用磁体与磁体或铁磁体之间力的作用实现无接触支撑，具有无摩擦、低能耗等显著特点。随着稀土永磁材料的发展，具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积的永磁体大幅提高了系统的承载性能，国内外学者相继开展了永磁悬浮技术的研究工作。我国的稀土储量居世界首位，发展永磁悬浮技术具有天然优势和重要意义。首先，明晰了永磁悬浮技术的机理和特点；其次，系统性回顾了永磁被动悬浮和永磁主动悬浮技术的发展历史，并重点阐述了气隙调节式、磁阻调制式、磁源调整式三种永磁主动悬浮系统的磁路结构、悬浮特性及研究现状；再次，分析了磁路设计与优化、磁力精确建模、系统性能与控制方法等技术难点，并提出相应的解决策略；最后，展望了永磁悬浮技术在重力补偿器、轻载微型轴承、低频隔振等领域的未来应用前景及发展趋势。

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考虑粗糙表面接触配合的航空发动机多级转子装配误差传递建模

石嵩, 刘检华, 巩浩, 邵楠

机械工程学报. 2023, 59(17): 208-219. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.208

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传统的转子系统装配建模方法忽略了转子粗糙表面微观形貌的影响，可能导致装配误差传递建模和优化不精确等问题，在此背景下，提出了一种综合考虑定向误差、定位误差和表面粗糙形貌的航空发动机多级转子装配误差传递分析方法。首先，使用共轭梯度法模拟转子端面的粗糙表面微观形貌，在刚性接触假设下，提出了一种考虑平移、单点和轴线旋转，以及质心作用的接触求解算法，计算两个粗糙表面的装配倾斜角和配合面方程。然后，改进传统基于齐次变换矩阵的装配误差传递模型，建立了考虑粗糙表面接触配合的多级转子装配同轴度误差传递模型。最后，以航空发动机转子模拟件为对象，选取前轴和第一级盘进行实例分析，新模型的同轴度预测精度与传统模型相比提高了11.55%。研究结果表明，所提方法可以提高航空发动机多级转子装配精度预测的准确性，为航空发动机转子系统的精密装配提供了理论依据。

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面向增材制造各向异性的结构拓扑与打印方向协同优化

江和昕, 何智成, 周恩临

机械工程学报. 2023, 59(17): 220-231. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.220

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增材制造技术的快速发展为拓扑优化产生的复杂设计提供了一种有效的制造手段。然而，与传统制造方式相比，由增材制造逐层打印工艺获得的结构通常表现为具有各向异性的刚度和强度特性，经验性地选择优化结构的打印方向忽略了工艺的影响，严重限制增材制造结构性能。因此，提出一种结构拓扑与打印方向协同优化方法，用于各向异性材料模型下的构型及打印角设计，并通过改善各设计变量相互耦合导致的优化收敛不稳定问题，实现增材制造产品综合性能提升。首先，建立基于材料旋转角的各向异性等效刚度矩阵和基于Tsai-Hill失效准则的强度约束表达式。其次，引入拉格朗日乘数以同时考虑结构柔度与失效系数约束，并推导关于单元设计变量的灵敏度方程，以及开发权值混合方法进一步推导关于材料旋转角的解析解。最后，采用一系列数值算法及关键参数更新策略稳定优化历程。典型算例表明，所提方法可以有效地产生最佳拓扑结构和打印方向，在保证结构强度的同时显著提高刚度特性，且优化过程易于收敛。

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Inconel-718微构件晶粒尺度伪随机建模与仿真

冀寒松, 宋清华, 杜宜聪, 刘战强

机械工程学报. 2023, 59(17): 232-240. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.232

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现有的晶体材料微构件晶粒尺度力学行为仿真模型未充分考虑材料的晶粒尺度微结构信息，且忽略了零件外形和微结构之间的关联关系，导致仿真精度低、难以推广。面向航空航天领域微小型化发展趋势，针对热端关重件常用的多晶材料Inconel-718，开展了其微构件的晶粒尺度伪随机建模与仿真研究。获取了Inconel-718的真实三维晶粒尺度微结构统计信息，介绍了所开发的考虑几何要素的多晶材料微构件三维伪随机晶粒尺度建模方法。以Inconel-718微柱压缩、微折弯以及微齿轮旋转作为多晶材料微测试、微制造以及微小零件服役仿真案例，强调了在晶粒尺度仿真中考虑构件几何要素的必要性，并展示了所开发建模方法的应用前景。所开发多晶材料微构件晶粒尺度伪随机建模方法可直接实现任意外形Inconel-718微构件的高效准确晶粒尺度建模和力学行为模拟，且便于推广至其他晶体材料的应用中。

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非可展开曲面多材喷射协同调控方法

孟凡博, 黄进, 平补, 白楠, 张霄来, 李鹏

机械工程学报. 2023, 59(17): 241-249. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.241

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针对非可展开曲面电子器件制造难度高、精度差的问题，提出了一种基于五轴联动的非可展开曲面多材喷墨打印方法，通过五轴运动机构带动双阵列喷头在非可展开曲面上喷射介质材料与导电材料，并经过多层堆叠后形成共形电子功能结构。首先，对非可展开曲面模型进行三角面片离散化和多项式曲面重构，并根据弓高误差进行小线段分割后生成打印数据；其次，针对传统定时触发导致加减速区间喷头触发点不均匀及墨水斜面流动的问题，依次提出了法向量打印方法及空间等距喷头触发方法，实现了多轴联动非可展开曲面法向量水平打印的同时，较定时喷射触发数量误差减小96.5%；然后，分析了多喷头切换及累积误差和对打印精度的影响机理，提出了残余长度补偿算法，实现了曲面多材料协同触发打印。最后，进行了曲面微带天线的多材打印实验。打印件测试结果表明，导线层的线宽和线间距平均绝对误差均能控制在7.2 μm以内，为共形天线等电子装备的一体化成形制造提供基础。

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选区激光熔化NiTi形状记忆合金成形与热处理

黄祥辉, 曹睿博, 郑睿恒, 马飞豪, 蒋益雪, 詹章瑜, 于天宇, 康楠

机械工程学报. 2023, 59(17): 250-257. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.250

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增材制造以灵活的结构设计与制造手段为NiTi形状记忆合金提供了更多可能的应用，然而激光增材成形制造完全致密的NiTi复杂结构构件仍存在挑战。研究激光扫描速度对Ni_50.9Ti_49.1（at%）粉末成型试样致密度和组织形貌的影响规律具有重要意义。所选的400～1 400 mm/s工艺窗口内，试样致密度均大于99%。但当扫描速度大于600 mm/s时底部会产生裂纹。优选打印速度400 mm/s的拉伸实验结果表明：沉积态试样和热处理试样平均抗拉强度分别为675 MPa和782 MPa，最大延伸率分别为19.7%和和17.95%，即500℃退火热处理后试样抗拉强度提升，但延伸率下降。沉积态和热处理态试样断裂机制为脆性与塑性断裂共同作用的准解理断裂机制。通过DSC实验测得热处理后试样的马氏体相变和逆相变起始温度M_s和A_s分别为35.8℃、10.0℃。温度介于二者之间时，合金由奥氏体、马氏体两相组成，EBSD结果表明20℃室温下试样主要由B19'马氏体构成。

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纳米结构碳膜的横向载流电接触特性研究

范雪, 王刚, 胡泽龙

机械工程学报. 2023, 59(17): 258-267. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.258

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针对非晶碳膜和石墨烯纳晶碳膜两种不同纳米结构碳膜，通过导电金刚石与碳膜接触在薄膜内部产生横向载流，利用电接触纳米压痕测试研究得到石墨烯纳晶碳膜在力电耦合下具有良好的力学和电学稳定性。电流密度对两种纳米结构碳膜的力学性能的影响结果表明：非晶碳膜在电流密度增加时产生结构转变，使其力学性能增加，而石墨烯纳晶碳膜则由于原子密度低，导电性好，在电接触下表现出稳定的力学性能。电接触下的碳膜电学特性研究表明：探针与碳膜接触界面存异质结。随着外加电场强度的增加，两种碳膜的电势势垒呈线性增加；随着载荷增加，材料应变使非晶碳膜电势势垒呈线性增加；而石墨烯纳晶碳膜受应力作用下的能带调制作用较弱，电势势垒稳定，并且由于其扩散电导率较高，在电接触卸载中的电流滞后效应较弱。研究结果为纳米结构碳膜在电接触器件表面的应用提供理论基础。

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一种基于峰谷数据映射的粗糙度轮廓重构方法

周炜, 赵岱岩, 唐进元

机械工程学报. 2023, 59(17): 268-278. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.268

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表面粗糙度具有较强随机与无序性，如何有效地模拟其统计特征是开展微尺度界面使役性能预测与优化的前提。为解决现有重构方法在效率、精度和稳定性方面无法兼备的问题，以采样峰谷分布之间数据映射关系为特征载体，提出一种可保留粗糙度形貌和统计参数、微凸体分布的重构新方法。针对理想高斯和实测非高斯加工表面，对所提方法重构效果进行了讨论，并与现有重构方法进行了对比分析。结果表明：所提方法优化了峰谷映射过程，克服了在自相关分布形式、相关长度和Johnson转换等方面的限制，能适应各种不同类型表面的重构，较其他方法在重构效率、精度和稳定性方面均具显著优势。

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基于复化Cotes积分和神经网络的稳定铣削工艺参数多目标优化方法

娄维达, 秦国华, 王华敏, 吴竹溪

机械工程学报. 2023, 59(17): 279-290. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.279

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铣削过程再生颤振严重影响工件表面质量和生产效率，准确高效地识别铣削颤振稳定域并合理选择工艺参数是抑制颤振、提高生产效率的关键步骤。当前对考虑稳定性约束下的多目标铣削工艺参数优化研究仍然缺乏系统且完整的解决方案。为此，基于复化Cotes积分和神经网络并结合NSGA-Ⅱ遗传算法建立一种稳定铣削工艺参数多目标优化方法。其中基于复化Cotes积分法提出了一种新的铣削稳定域预测方法来获得二维稳定性叶瓣图（Stability lobe diagram，SLD），收敛性分析表明新方法具有更快的收敛速度。考虑径向切深不确定性得到由离散三维SLD曲面构建的铣削稳定域神经网络预测模型。最后，分别以材料去除率、刀具寿命作为效率、成本目标，采用NSGA-Ⅱ遗传算法建立稳定铣削工艺参数的优化模型。与经验方法对比显示，优化后的铣削方案可以提高8.4%的材料去除率和16.3%的刀具寿命。结果表明不仅可以通过更加准确地判断铣削稳定性来保证加工质量，而且能够为高效率低成本的铣削确定工艺参数提供科学理论指导。

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超声椭圆振动切削闪耀光栅的三维形貌建模及控制方法

杨洋, 林日雄, 杜建军

机械工程学报. 2023, 59(17): 291-299. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.291

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针对超声椭圆振动切削纳米级闪耀光栅工艺中光栅三维形貌难以精准预测及控制的技术难题，提出囊括合成切削轨迹、刀具三维几何特征及工件材料属性的光栅三维形貌迭代更新预测方法，并综合考虑最小切削厚度效应及后刀面与已加工表面间强犁压相互作用对其的影响规律。以间距为1 μm，闪耀角为12°，高度为106 nm的理想光栅三维形貌为例，实现了基于上述方法设定相应工艺参数组合的光栅三维形貌确定性加工。试验结果显示光栅间距，闪耀角及高度的加工误差分别为1.1%，4.1%，15.0%，表明了所提出光栅三维形貌控制方法的可行性与准确性，并讨论了进一步提高加工精度的技术路径。此外，展示了累计切削行程超过10米后刀具切削刃区域无明显磨损，所加工光栅质量也并未随切削行程增加而出现恶化。

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基于粘弹性球形小磨头的小口径非球面模具抛光

张嘉荣, 王晗, 卓少木, 姚洪辉, 朱相优, 马帅杰, 詹道桦

机械工程学报. 2023, 59(17): 300-309. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.300

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传统的抛光方法加工小口径非球面模具，存在工具容易干涉和面型误差补偿精度差的问题。提出一种使用粘弹性聚酯纤维布包裹球形小磨头的子孔径抛光方式，以适应小口径非球面模具的轮廓形状变化。首先，通过探究纤维布的压缩量与其不可恢复形变量和粘弹性应力的关系，确定抛光过程中纤维布的压缩形变规律，提出以纤维布的粘弹特性为基础，建立抛光压强分布模型，并结合抛光工具与模具的位姿得出合线速度分布规律，建立小磨头抛光单位时间去除函数；然后，通过单点抛光和均匀抛光实验，证明了粘弹性聚酯纤维布包裹球形小磨头的抛光方式比单独采用刚性球形小磨头抛光的效果更佳；接着使用粘弹性球形小磨头进行环带实验，探究了驻留时间、抛光压力、抛光工具转速和工件轴线速度等工艺参数对碳化钨模具的材料去除深度和表面粗糙度的影响规律，并对直径为9.7 mm的回转对称非球面碳化钨模具进行面型误差补偿仿真与验证；最后，结果表明模具的面型误差仿真结果和实验补偿效果都有效收敛，面型误差PV值（Peak to valley）从0.208 7 μm改善至0.079 9 μm，而且中心处表面粗糙度Ra由20 nm降至10 nm。证明了提出的基于粘弹性球形小磨头的子孔径抛光去除模型对小口径非球面模具面型精度与表面质量控制的有效性。

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基于高斯过程潜力模型的刀具磨损预测

刘洪成, 袁德志, 朱锟鹏

机械工程学报. 2023, 59(17): 310-324. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.310

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刀具磨损预测对于提高加工精度和生产效率具有重要意义。刀具磨损预测模型主要包括基于物理的模型和基于数据驱动的模型。基于物理的模型一般使用经验公式或简化公式对刀具磨损过程进行建模，在切削参数变化的情况下其预测精度通常会变低。另一方面，数据驱动模型通过测量数据来估计刀具磨损，没有考虑刀具磨损机理，导致模型泛化性和结果可解释性较差。为了解决这些问题，提出了一种新的用于刀具磨损预测的高斯过程潜力模型。所提出的模型使用高斯过程对刀具磨损物理模型的未知参数进行建模，建立了一个物理信息机器学习模型。高斯过程潜力模型不仅避免了物理模型的参数识别，而且挖掘了来自物理域和数据域的隐藏信息。此外，通过将物理模型与高斯过程的协方差函数相结合，构建了一个物理信息协方差函数来约束模型的输出，提高了预测精度。多工况试验结果表明，所提方法的绝对平均误差和均方根误差分别为2.594 5、3.740 8，比传统数据驱动模型的预测误差要更小，预测精度进一步提升。

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微铣削芳纶纤维增强复合材料切削力信号特征试验研究

石文天, 王林, 刘玉德, 李杰, 闫天明, 解钏, 董璐

机械工程学报. 2023, 59(17): 325-334. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.325

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现阶段对芳纶纤维增强复合材料（Aramid fiber reinforced composite，AFRP）的研究多集中于表面缺陷抑制方法的研究，而对表面创成机理系统性研究的却很少。基于此，试验研究了AFRP在微细铣削中切削力的变化趋势及其作用机理，总结了切削力宏观变化规律，并分析了微铣削力信号波形与AFRP结构特性之间的对应关系，得出了不同切削工艺参数下微铣削力的变化趋势，发现了铣削过程中出现的切削力峰谷异向交替变化规律；在切削力的微观分析中，发现了微细铣削中的主齿切削现象，并分析了该现象对切削力以及表面形貌的影响。试验研究表明：由于AFRP纤维层的编织形态和各向异性，铣削力波形宏观上表现出周期性的波动，三种切削状态参数充分表征了切削力的变化状态，包括峰谷异向交替变化规律、主齿切削现象等；主齿切削现象易导致切削力负荷过大，刀具磨损大，加工质量差，应尽量使切削状态更加平稳。该试验研究对AFRP微细铣削过程中毛刺等缺陷抑制、去除以及表面质量提升方法的进一步研究有一定指导意义。

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圆弧投影法在圆柱立铣刀容屑槽刃磨中的应用

任磊, 韩家祥, 张新民, 郭强, 崔晓斌

机械工程学报. 2023, 59(17): 335-348. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.335

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将圆弧投影法应用于圆柱立铣刀容屑槽刃磨，提出了砂轮安装位姿、砂轮最大允许圆角半径、砂轮最大允许斜角的确定方法。采用刀刃曲线、槽宽曲线和芯厚回转面三项几何要素定义容屑槽几何模型，利用砂轮曲面与容屑槽刀刃曲线之间的共轭条件约束砂轮的安装位姿，保证前角精度；将容屑槽的芯厚回转面和槽宽曲线在砂轮轴截面内作圆弧投影，提出圆弧投影面内芯厚半径和槽宽等效加工误差的概念，以等效加工误差的平方和最小为目标建立砂轮安装位姿优化模型，用于确定砂轮安装位姿，保证芯厚半径和槽宽的加工精度；在圆弧投影面内定义砂轮的切触圆角半径和切触斜角，分别以切触圆角半径最大和切触斜角最大为目标建立砂轮的圆角半径优化模型和斜角优化模型，用于计算砂轮的最大允许圆角半径和最大允许斜角，为砂轮几何参数的选择提供依据。圆弧投影法借助于等效加工误差对芯厚半径和槽宽的加工误差进行定量评价，无需求解容屑槽的端截面廓形，因此所建模型适用于多种类型的砂轮，而且具有较高的精度和运算效率。

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航发叶片砂碟磨削接触特性及材料去除机理

段继豪, 安佳乐, 吴卓繁, 淮文博, 高峰

机械工程学报. 2023, 59(17): 349-360. https://doi.org/10.3901/JME.2023.17.349

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航空发动机叶片型面曲率复杂变化、薄壁结构加工刚性弱，使其精密磨削接触状态多变、磨具轨迹规划困难，引起加工表面质量一致性差。为实现叶片磨削工艺优化，基于叶片磨削工艺特点分析，开展叶片砂碟磨削工艺接触特性及材料去除机理研究，利用降维法建立砂碟磨削材料去除率理论模型，通过砂碟磨削接触特性以及材料去除过程仿真研究，揭示了砂碟磨削不同工艺参数对叶片法向接触压力分布、等效法向接触压力、接触面积、接触轮变形及材料去除深度的影响规律，结合砂碟磨削工艺试验，对仿真结果进行验证。研究结果表明，砂碟磨削接触倾角与法向接触压力、接触面积呈负相关，与接触轮最大变形量呈正相关，接触倾角从10°增大到30°，本质使磨具更加锋利，材料去除深度峰值增大约59.78%，有效磨削区域显著降低；随着磨削深度从0.1 mm增大至0.3 mm，法向接触压力、接触面积及接触轮最大变形量均增大，有效磨削区域显著增大，材料去除深度峰值增大1.57倍，达到0.188 mm；接触倾角与磨削深度是影响砂碟磨削材料去除的主要因素，对获得高质量表面并实现磨削工艺控制具有重要的作用。

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刊出日期：2023-09-05

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