2025年, 第61卷, 第19期　
刊出日期：2025-10-05

  

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机器人及机构学
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  绳驱机器人动力学建模与控制研究综述

  陈彦霖, 邓小恒, 张宪民, 黄沿江

  机械工程学报. 2025, 61(19): 1-17. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.001

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  绳驱机器人因其惯量小、质量轻及作业范围广等优势受到了研究人员的广泛关注。然而，绳索固有的柔性和单向传力特性给绳驱机器人的精确控制带来了挑战。为实现其高效、精准的运动控制，需要从绳索张力分布、机器人动力学以及机器人控制等多方面展开深入研究。综述了绳驱机器人领域的研究进展，首先，探讨了零空间法、几何法和最小二乘法等绳驱动机器人张力计算及优化方法，并比较了这些方法的优缺点及适用范围；其次，总结了拉格朗日法、牛顿欧拉法和虚功原理等在绳驱机器人动力学建模上的研究进展，并比较了不同方法在绳驱连续型机械臂动力学建模上的优缺点；再次，总结了绳驱机器人控制的研究进展，并比较了基于模型与无模型的绳驱机器人控制策略；最后，对绳驱机器人的研究现状进行了总结，并对其未来发展趋势提出了展望。
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  准双曲面齿轮传动正向设计方法研究进展与趋势

  刘思远, 宋朝省, 朱才朝, 梁成成, 牛强

  机械工程学报. 2025, 61(19): 18-42. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.018

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  准双曲面齿轮作为一种在航空、特种车辆、精密传动领域广泛应用的复杂齿面空间传动，其啮合质量直接决定整机服役性能。尽管该型齿轮传动在设计理论、创成机理、形貌优化、加工制造等方面取得了显著进展，但高端装备日益苛刻的服役性能需求，对该型传动的正向设计提出了更高挑战。结合文献剖析、市场调研、课题研究，详细阐述了该型传动主动设计方法研究进展与发展趋势，着重介绍了该型传动的几何参数设计、制造参数计算、接触特性分析、齿面形貌优化等内容，详细分析了该型传动在人工智能大背景下面向高端装备服役需求的发展趋势，期望为该领域研究人员与技术人员提供相关理论技术支撑，推动我国准双曲面齿轮正向设计技术的发展。
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  面向并联机构正运动学方程多根问题的改进差分进化算法

  文世坤, 吉爱红, LEE Heow Pueh, 车林仙, 杨志康

  机械工程学报. 2025, 61(19): 43-53. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.043

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  耦合并联机构的正运动学方程可转化为具有多根问题的非线性方程组，而在一次运算中求解非线性方程组的多个根是数值计算的主要挑战，提出一种基于个体信息的邻域双策略差分进化算法用于求解该问题。首先，以Stewart并联机构为例，给出了并联机构正运动学方程转化为无约束优化问题的步骤；其次，为改进差分进化算法寻优效率，提出一种自适应子种群策略用于平衡全局搜索能力和局部搜索能力。同时，提出一种个体判断准则将种群个体进行划分，并根据个体反馈信息进行变异策略和控制参数选择。最后，为验证所提方法的有效性与通用性，分别以Stewart并联机构、4-PRP_aU并联机构和5PSS/UPU并联机构正运动学方程求解为例，使用NTDE、NCDE、CADE和MNPSO算法进行求解。实验结果表明，NTDE算法可以准确的求解出并联机构正运动学方程的所有根，并且NTDE算法获得的RR和SR值均优于其他三种比较算法。
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  高速减速器传动效率计算模型与试验

  侯圣文, 周长江, 夏宁伟, 董凡

  机械工程学报. 2025, 61(19): 54-62. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.054

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  高速减速器是新能源车辆的核心传动部件，其功率损失及传动效率直接影响整车动力性和可靠性。考虑齿轮啮合、搅油风阻和轴承功耗等因素对系统传动效率的影响，提出一种飞溅润滑高速减速器的传动效率计算模型。基于齿轮动力学与弹流动压润滑状态下摩擦系数模型，计算齿轮啮合功率损失；基于气-液两相流模型计算搅油风阻功率损失，设计并开展输入转速达16 000 r/min的减速器传动效率试验，验证模型的正确性。在此基础上，研究主要工况参数、齿形参数和润滑参数对减速器传动效率的影响规律。结果表明，高速工况下减速器搅油风阻显著，且出现润滑劣化，导致传动效率下降，效率极值点对应的转速随转矩增大而升高。此外，齿形参数和润滑条件对传动效率影响显著，优化压力角和齿顶高系数、设计合适的浸油深度和热平衡温度，有助于降低系统功耗及提高传动效率。
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  新型多驱动模式并联机器人创新设计与建模分析

  梁栋, 崔满军, 宋轶民, 石浩昊, 张珺鹏

  机械工程学报. 2025, 61(19): 63-77. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.063

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  研究一种可实现多驱动模式的三平动并联机器人的创新设计、系统完备动力学建模及动态特性分析。首先，以传统三平动并联机构作为基础构型，通过引入辅助支链的方式，构造平行四边形分支，提出一种新型多驱动模式并联机器人，并进行概念设计和自由度分析，该类机器人可改变驱动关节，实现8种不同的驱动模式，从而适应多任务作业。其次，借助环路矢量法推导出机器人多驱动模式下位置逆/正解模型，并进一步对其进行速度、加速度以及工作空间分析。在此基础上，应用凯恩方程，建立多驱动模式下的系统完备动力学模型。之后，基于Matlab/Simscape构建多体物理仿真模型，结合轨迹规划，对机器人进行多驱动模式下刚体动力学仿真试验并与数值计算结果进行对比，验证系统动力学模型的正确性。最后，基于系统惯性矩阵，定义动态可操作度椭球指标，评估机器人在不同驱动模式下的操作空间动态性能，为驱动模式选择及动态性能优化奠定基础。研究结果可为此类新型多驱动模式并联机器人的设计及其建模方法提供参考。
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  基于广义Udwadia-Kalaba方程的移动机器人横纵向耦合轨迹跟踪控制

  张佳乐, 李志勇, 张传伟, 魏孟, 焦生杰

  机械工程学报. 2025, 61(19): 78-90. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.078

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  在运动控制领域，移动机器人系统通常需要满足一系列等式(包括完整性和非完整性)与不等式约束，以完成目标任务。然而，目前的研究主要集中在移动机器人轨迹跟踪性能方面，缺乏对其运动过程中横纵耦合控制的深入研究。为此，提出了一种基于广义Udwadia-Kalaba方程的横纵耦合约束跟随控制方法。首先，针对纵向跟踪任务，设计基于伺服等式约束理论的纵向轨迹跟踪控制器，并利用李雅普诺夫稳定性理论证明了其稳定性。其次，根据不等式约束信息，分别建立了y方向的固定约束以及直线和圆轨迹的边界约束。在此基础上，提出了一种能够满足边界不等式约束的横纵耦合控制器τ。最后，通过Matlab仿真软件对所提方法进行了数值仿真验证。仿真结果表明，与传统的PD控制和模型预测控制相比，所提控制器在满足不等式约束的同时，能高效完成目标任务，具有更快的收敛速度和优越的控制性能。同时，基于ROS移动机器人物理实验平台对所提控制方法的实际有效性进行验证，实现了不等式约束条件下的定点、直线及圆形轨迹跟踪控制，为移动机器人横纵耦合控制领域提供了新的研究思路。
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  变形轮爪构型无人平台结构优化与运动学分析

  刘建峰, 孟庆凯, 舒用杰, 柯志芳, 刘城, 魏巍

  机械工程学报. 2025, 61(19): 91-100. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.091

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  针对陆空两用无人平台的在复杂楼宇行驶环境中难以穿行且越障能力有限的问题，提出了一种具有大展开比特征的高通过性变形轮爪构型无人平台，可从圆轮状态切换至轮爪状态。然后建立以变形轮变形触发力矩和压力角均值最小为目标的结构参数优化模型，采用二次序列规划法(SQP)对该约束优化问题进行求解。此外，基于对单个变形轮的周期性运动分析，搭建了无人平台整机运动学模型，并通过多体动力学仿真和动作捕捉试验对理论模型进行了验证。结果表明，相较于优化前的初始结构，优化后的变形触发力矩降低了20%，压力角均值下降了38.5%，优化后的触发力矩理论值与仿真结果的误差仅为6.25%。根据优化结果得到的无人平台整机位移与速度曲线与仿真及试验结果的趋势基本一致，变形轮爪式无人平台在展开比为2.0时可越过高度为500 mm的障碍物，为后续高通过性无人平台动力学模型和轨迹优化提供了理论基础。
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  面向工作空间需求的磁性连续体操作手结构逆向设计与优化

  向红标, 赵向虹, 杨璐, 王收军, 张森, 张冕

  机械工程学报. 2025, 61(19): 101-111. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.101

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  磁性连续体操作手因具备无线驱动、高柔性与良好生物相容性，在微创手术等精密操作场景中展现出广阔应用前景。然而，受限于磁弹性连续体建模的非线性特性与结构参数间的强耦合关系，难以实现从目标任务需求出发的高效结构逆向设计。为此，提出一种面向工作空间需求的磁性连续体操作手结构逆向设计与优化方法。所提方法采用基于模块组合的结构表达方式，构建以任务目标为导向的工作空间性能评价模型，面向以位置为目标和以特定面积为目标的工作空间优化的两类典型任务场景，引入具有权重调节机制的优化算法，并结合COMSOL有限元仿真，完成参数优化与结构生成。基于优化结果制作了相应的操作手，并通过仿真与试验验证操作手的形变姿态轨迹与工作空间的准确性。进一步通过搬运与组装试验，验证了操作手在不同场景中的任务执行能力。研究结果表明，该方法可有效实现磁性连续体操作手在多目标场景下的定制化设计与性能适配，适用于微创医疗、柔性操控等柔性机器人关键领域。
摩擦学
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  摩擦起电机理、调控与应用研究的现状及展望

  林世权, 张弛, 刘检华

  机械工程学报. 2025, 61(19): 112-125. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.112

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  摩擦起电现象是一个常见却又神秘的物理效应，具有普遍性、高敏感性，能够产生高电场和强静电力等特点，其应用前景广阔。阐述了摩擦起电的研究体系特点，详细介绍了金属-金属、绝缘体摩擦界面电子和离子转移模型，描述了半导体摩擦界面的摩擦伏特效应，总结了一系列摩擦界面电荷转移量调控手段，并论述了包括摩擦纳米发电机、摩擦电智能传感技术在内的几种摩擦起电应用的原理。最后指出了摩擦起电未来研究将以电荷调控方法为核心、以表界面设计为基础，并呈现出机理研究量子化、调控方法多维化/极端化、器件设计多功能一体化等研究趋势。
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  偏载工况下水润滑艉轴承支承特性分析

  解忠良, 张昊, 田佳彬, 杨康, 杨铭

  机械工程学报. 2025, 61(19): 126-136. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.126

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  针对舰船水润滑艉轴承在偏载工况下支承特性开展了研究，建立了偏载工况下水润滑轴承界面润滑模型，发展了偏载工况下艉轴承综合支承刚度计算方法，阐明了偏载角、间隙比与起飞速度、支承刚度及最小水膜厚度之间映射关系，揭示了偏载工况下艉轴承结构参数对于综合支承特性影响机制。研究结果表明，相比于无偏载工况，轴颈的偏载增大了艉轴承润滑界面临界起飞速度，且增幅较大；偏载角度的大小与艉轴承综合支承刚度呈正相关关系。研究成果为舰船推进系统水润滑艉轴承支承刚度及动态响应计算分析提供了理论支撑。
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  球面镶嵌润滑结构摩擦因数的理论计算及试验

  徐翔, 张岩, 曾元明, 刘彪, 丰泽康, 赵美云

  机械工程学报. 2025, 61(19): 137-145. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.137

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  为研究低速重载条件下球面摩擦副在镶嵌润滑条件下，固体润滑剂性能、镶嵌孔形状对其摩擦性能的影响，首先采用石墨与酚醛树脂混合制备了多种固体润滑剂，测试得到其力学性能测试及摩擦性能作为理论算依据；然后以三峡大坝人字闸门实际运转情况为理论依据，以相等接触面积为准则，构建了圆柱形、圆锥形、四角锥形及球冠形4种镶嵌孔形状的轴瓦，计算得到球面摩擦副静态和动态下应力-应变情况，以此得到大型球面摩擦副的理论摩擦因数；再以1:20比例尺加工得到不同镶嵌孔形状球面摩擦副试样，开展摩擦磨损试验。结果表明，试验得到的平均摩擦因数与理论值较为吻合，且在相同的石墨镶嵌润滑条件下,圆柱形镶嵌孔轴瓦的摩擦因数最低，研究结果为后续镶嵌润滑结构摩擦因数的预测提供了理论指导。
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  基于摩擦发电原理的智能往复密封

  张显涛, 王松, 姚志宏, 宫礼坤, 郭飞, 张弛, 韩勤锴, 王玉明

  机械工程学报. 2025, 61(19): 146-156. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.146

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  及时获取并诊断出机械密封的异常运行状态，对确保以往复机械为核心的高端设备运行的可靠性至关重要。为克服密封性能监测中面临的结构紧凑、环境高压等挑战，摩擦纳米发电机凭借自供电感知功能为原位、长时间地监控提供了一种解决方案。基于此，一种耐磨涂层辅助的摩擦电智能往复密封系统(AC-TRS)被提出并用于原位感知，该系统以聚合物密封环与转轴上沉积的耐磨涂层组成摩擦副，构建滑动自由层式摩擦发电机。随轴往复运动的耐磨涂层与密封环产生周期性的接触-分离状态，并在密封环内金属骨架上产生感应交流电。AC-TRS实现与机械密封结构的超紧凑融合，仅需在运动部件表面沉积耐磨涂层。研究了不同材料参数对系统输出信号的影响，发现类金刚石涂层与碳纤维改性聚四氟乙烯密封环的组合可显著提升AC-TRS的自供电与自感知能力。通过实验验证了AC-TRS在约470 000次往复循环情况下的输出稳定性以及结构的可靠性。此外，探明了摩擦电输出信号的幅值、频率与往复速度之间的线性关系，并将其作为指标实现了定速与变速等复杂工况下对往复运动进行高精度感知。研究成果将为往复机械的密封智能化设计提供技术参考。
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  电梯钢带-曳引轮黏弹性动态滑移摩擦学特性研究

  彭玉兴, 张修恒, 常向东, 周洲, 蒋谷硕, 卢昊, 唐玮

  机械工程学报. 2025, 61(19): 157-169. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.157

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  电梯曳引在实际运行工况下易产生外部黏弹性包覆层磨损问题，导致钢带性能退化和摩擦传动失稳。为此，将电梯钢带-曳引轮动态滑移摩擦副作为研究对象，利用自制钢带摩擦磨损试验机，开展了不同接触载荷与速度下电梯钢带的滑动摩擦试验，揭示了电梯曳引钢带摩擦学特性的变化规律，分析了钢带-曳引轮滑动接触界面的黏弹接触特性对摩擦、磨损以及传热等性能的影响。结果表明，速度对电梯钢带-曳引轮摩擦系数影响较大，其中受Schallamach波的影响，平均摩擦系数在速度为0.5 m/s时达到最大值，约为0.51，不同载荷下的电梯钢带平均摩擦系数均稳定在0.4左右；接触副最大摩擦温升整体呈上升趋势，速度为1.25 m/s时的温升高达80 ℃，载荷为500 N时的温升超过100 ℃。电梯钢带-曳引轮间的接触状态主要包括黏弹性包覆层黏着、钢带表面包覆层-曳引轮相对滑动、第三体滚滑效应和钢带内部钢丝绳-曳引轮相对滑动四个阶段。电梯曳引钢带磨损机理逐渐从以黏着磨损为主，转变为以三体磨粒磨损为主，最后以表面疲劳磨损为主。研究结果为电梯提升系统安全平稳运行提供关键理论依据和数据支撑。
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  SiCp/A356制动盘配副合成闸片设计及摩擦特性研究

  杨智勇, 李培震, 叶珊珊, 王佳琳, 李志强

  机械工程学报. 2025, 61(19): 170-182. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.170

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  SiCp/A356制动盘与合成闸片摩擦副在制动过程中出现了摩擦面划伤及制动噪声等问题。通过缩比试验与仿真相结合的方法，以SiCp/A356制动盘配副合成闸片为研究对象，开展了合成闸片的结构优化设计及不同合成闸片材料的摩擦特性研究。缩比台架试验发现闸片两侧径向沟槽较周向沟槽磨屑堆积严重，切入端较切出端磨屑堆积严重。基于流场仿真分析，闸片沟槽内涡旋气流区域的空气流动较差，容易产生磨屑堆积。基于正交试验及Box-Behnken试验设计的响应面分析，以提高合成闸片空气质量流量且不降低对流换热系数为目标，优化了闸片结构设计，优化后闸片的空气质量流量提升了28.22%、对流换热系数提升了1.34%，排屑性能和散热性能均得到提升，同时制动噪声倾向性降低，不稳定倾向系数降低了49.53%。基于优化的闸片结构，开展SiCp/A356复合材料分别与三种合成材料配副的摩擦匹配性研究，发现FANY材料与928W材料均具有良好的第三体层、低磨损量和稳定的平均摩擦系数，FANY材料制动噪声最低。
数字化设计与制造
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  盾构管片自动拼装技术研究现状与展望

  柳献, 胡秋斌, 朱雁飞, 翟一欣, 黄德中

  机械工程学报. 2025, 61(19): 183-201. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.183

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  管片拼装是盾构施工必不可少的关键环节，人工拼装管片方式效率低、安全风险高、拼装质量参差不齐，实现管片拼装流程自动化对于提高盾构隧道施工质量、提升作业效率、促进地下工程建造智能化具有重要意义。基于国内外学者在管片自动化拼装方面开展的研究工作，从管片自动排版、管片自动感知、拼装机自动运动、拼装机自动伺服控制4个方面进行了梳理总结，分析了管片自动拼装各方面的关键技术研究进展和不足。管片排版目的分为设计排版和施工期拼装点位选取，施工选点主要采用管片轴线拟合盾构机姿态，考虑参数有盾尾间隙、推进油缸行程差，但其权重系数的确定对施工经验依耐性较强；管片位姿感知方法分为接触式测量和非接触式测量，非接触式测量中基于图像的目标检测技术效果较佳，其算法精度及效率仍有待提高；描述拼装机机械臂位姿及运动主要采用D-H法，轨迹规划侧重于采用多项式曲线对运动路径进行平滑处理，减小对拼装机关节的磨损，管片拼装机正朝着具有冗余自由度的并联机构方向发展，其拼装效率和精度更佳；拼装机伺服系统采用比例阀控制精度较高，多轴联动的控制策略可有效提升管片拼装效率。最后对现有研究不足进行了探讨，并提出新的见解和方向。研究可为进一步提升管片自动化拼装技术和促进地下工程设备智能化提供参考。
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  面向误差补偿的数控机床空间误差建模与辨识方法研究进展

  孙光明, 韩冰, 张大卫, 田文杰, 郭鑫, 赵坚, 何改云, 高卫国, 苏喆

  机械工程学报. 2025, 61(19): 202-228. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.202

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  数控机床空间误差的建模分析与辨识一直是误差补偿的重要步骤。首先，论述了机床空间误差常用建模理论和辨识方法的研究历程及技术发展；其次，机床空间误差建模分析是进行误差补偿的重要前提。对机床空间误差建模理论进行详细的阐述和分析，包括刚体运动学理论、齐次坐标变化理论、D-H变换理论、多体理论、以及旋量理论等方法。再次，误差元素的准确测量和精确识别是实现有效控制的关键。对机床空间误差重点辨识方法的现状与发展趋势进行具体介绍和综合评述，包括激光干涉仪多线法、体对角线法、以及球杆仪、激光跟踪仪测量等方法。最终，综合机床空间误差的建模、检测、辨识三个方面，系统性地分析了现有数控机床空间精度改善中尚需解决的问题，强调了技术创新对于提高测量效率和准确性的重要性；并对未来的发展方向进行展望，对数控机床精度的提升具有一定的指导意义。
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  基于Young-Laplace方程的大尺寸仿猪笼草口缘区结构优化及试验研究

  姜晨, 陈飞昊, 郝宇, 许世炜

  机械工程学报. 2025, 61(19): 229-236. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.229

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  针对尺度小于一百微米级的仿猪笼草口缘区结构制备成本高且工艺复杂的问题，采用3D打印制备该结构的百微米级大尺寸半圆管型微流道模型并以增强液体单向铺展性为优化目标，基于Young-Laplace方程对该结构进行优化设计。依据毛细理论和反向钉扎分析大尺寸仿猪笼草口缘区结构表面的液体单向铺展机理；由Young-Laplace方程引入棱脊间隙c，提出反向回流抑制机制；结合有限元仿真，得出棱脊间隙c与结构体长l的设计规律，优化该结构的半圆管型微流道；开展液体滴定试验，观察该优化结构半圆管型微流道的液体单向铺展性，获得性能理想的大尺寸仿猪笼草口缘区结构半圆管型微流道优化模型。结果表明：c与l越大，大尺寸仿猪笼草口缘区结构半圆管型微流道的平均出口速度越小，速度衰减率较高；当l=500 μm且c=20 μm时，单向铺展性得到明显提高，铺展系数至高提升106.9%，反向铺展距离至高降低58.14%；仿真平均速度与试验计算速度变化趋势相同。该研究结果对基于3D打印工艺制备的百微米级大尺寸仿猪笼草口缘区结构半圆管型微流道液体单向铺展性的提高具有一定的指导意义，同时避免了传统制备工艺复杂且成本高的不足。
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  基于神经生理测量探究具身交互对创意思维的影响

  王文娟, 卢兆麟, 郝佳, 杨伟铨, 牛红伟, 左孝林

  机械工程学报. 2025, 61(19): 237-248. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.237

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  基于多模态技术的具身交互使得设计师以“身心一体”的方式进行设计创作，这种方式对设计过程中的创意思维所带来的影响有待深入探索。通过对比传统“键盘+鼠标”交互和具身交互两种方式下设计师的神经生理测量数据，研究具身交互对设计师创意思维的影响机制。34名设计师分别利用传统和具身交互方式在计算机辅助设计系统中完成了立体构成创意设计任务，同时采集了被试在两种交互方式下的脑电、皮电、心率、工作负荷量表和口语报告等认知数据，并且利用同感评估技术对设计作品进行了创意性评估。数据分析结果显示：①具身交互方式下，设计师顶区和枕区的alpha频段功率显著低于传统交互，说明身体和虚拟设计空间之间的联结增强了设计师的视觉加工，促进创意思维的产生；②具身交互下设计师感觉运动区alpha和beta频段的抑制，说明身体动作、姿势和日常经验的一致性加快了设计师对动作隐喻的理解，对创意思维具有激发作用；③具身交互下设计师的皮电活动和心率值显著增高，说明操作过程的新颖性和灵活性为设计师带来情绪上的唤醒，有利于创意思维的产生；④具身交互方式下设计师需要较多训练，工作负荷加重，可能对创意思维产生不利影响，表明未来多模态技术的成熟度有待进一步提高。
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  高扭矩密度轴向磁通双PCB定子电机设计

  李臻, 黄浩程, 李思语, 任慧敏, 何志祝, 盛磊

  机械工程学报. 2025, 61(19): 249-262. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.249

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  针对新型电机的轻量化、紧凑型、高扭矩密度设计目标，将印制电路板(Printed circuit board，PCB)技术引入定子绕组制造工艺，设计了轴向磁通双PCB定子电机。以单根有效导条为研究对象，建立了电机感应电动势、电磁扭矩及输出功率的解析模型。构建了PCB电机的有限元仿真模型，开展了关键参数优化研究，对串、并联构型双PCB定子电机进行电磁场与温度场仿真分析。基于搭建的试验平台，研究了不同构型下PCB电机的输出性能与温升特性。在额定工况1 500 r/min、3 A条件下，串联双PCB定子电机输出扭矩为130 mN·m，扭矩密度可达2 000 N·m/m³，实测最高温度为180.6 ℃；并联构型下电机输出扭矩为103 mN·m，扭矩密度可达1 584.62 N·m/m³，实测最高温度为110.5 ℃，与同工况下串联构型相比温升更小，可有效改善PCB电机发热问题。
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  混凝土徐变诱导下重型机床基础栓接性能研究

  姜凯, 刘志峰, 陈传海, 张涛

  机械工程学报. 2025, 61(19): 263-272. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.263

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  基础栓接性能是影响重型机床精度保持性的重要环节，混凝土基础长期受百吨级负载作用发生不均匀沉降变形，导致基础栓接性能退化。为了揭示徐变诱导下重型机床基础栓接性能退化规律，基于龄期调整的有效模量法，提出具有老化系数的混凝土徐变模型，并完成基础沉降实验验证；推导基础徐变内应力松弛方程，联合玻尔兹曼线性叠加原理和螺栓拧紧力矩方程，建立具有时变效应的螺栓连接刚度降阶模型，揭示时间、混凝土等级及加载龄期等对基础栓接性能的影响规律，阐明重型机床基础栓接性能退化行为，有效解决重型机床服役过程中基础栓接性能预测与评估的科学难题。
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  基于特定域建模的起落架系统多架构设计方法

  吴绶玄, 王国新, 梁赞, 张涛, 祁振强, 鲁金直, 阎艳, 龚逸辉, 张浩轩, 张臻

  机械工程学报. 2025, 61(19): 273-289. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.273

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  针对起落架系统总体设计过程中存在的架构模型多层次粒度不清、多阶段交互复杂、多领域耦合异构问题，提出基于特定域建模的起落架系统多架构设计方法。首先从系统-子系统-单机等多层级、需求-功能-逻辑-物理等多阶段、机-电-液-控等多领域3个维度分析起落架系统的架构设计过程，提出起落架系统多架构设计框架。结合特定域建模技术对起落架系统设计要素进行共性抽象，构建需求、功能、行为等认知域元模型以及物理产品方案等物理域元模型，并采用模型驱动技术实现起落架系统静态技术参数和动态系统行为的计算与仿真验证。最后以某型号飞行器起落架系统总体设计为例，通过该方法对起落架设计过程中的需求、功能、逻辑和物理等架构进行建模与仿真分析，验证了该方法能够提高起落架系统架构设计的可拓展性。
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  农机装备绿色设计内涵及技术体系

  陈行政, 宋幼添, 刘凡一, 谢守勇, 罗佳

  机械工程学报. 2025, 61(19): 290-298. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.290

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  农机装备量大面广，产生的资源能源消耗和环境排放问题日益突出，推进农机装备绿色发展是“碳达峰、碳中和”背景下需要解决的问题。开展农机装备绿色设计是从源头上解决其制造、包装、运输、运行及维护、报废回收处理等生命周期过程资源消耗和环境排放问题的有效方法。为此，首先从全生命周期的角度提出农机装备绿色设计概念，明确农机装备绿色设计内涵和需要注意的原则；然后，引入绿色属性构建农机装备绿色设计流程，并从设计目标、设计边界、基础数据、设计工具、产品属性等方面分析农机装备绿色设计与常规设计的异同；最后，建立涵盖绿色选材、轻量化设计、模块化设计、节能设计、易拆解设计、可再制造设计等技术的农机装备绿色设计技术体系，并介绍农机装备绿色设计要点和典型应用。上述体系可为我国农机装备绿色发展提供技术参考。
制造工艺和装备
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  复杂工况条件下刀具磨损状态监测与剩余寿命预测研究进展

  王民, 车昌家, 高相胜, 昝涛, 高鹏, 张云飞

  机械工程学报. 2025, 61(19): 299-326. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.299

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  当前制造企业面临着需要迅速响应市场多样化和不确定性需求的挑战。小批量个性化产品机械加工任务越来越多，传统的刀具磨损状态监测技术与刀具管理模式不再适用于工况条件频繁变化的制造环境。现存的刀具磨损状态监测与剩余寿命预测的文献综述大都聚焦于单一定工况。为弥补上述缺陷，系统地分析归纳了国内外复杂工况条件下刀具磨损状态监测及剩余寿命预测的最新研究成果，并提出了进一步的研究方向。根据国内外学者近年来的研究工作，首先详细地论述了基于传感技术的间接刀具磨损状态监测方法的研究进展。分别从单传感器监测与多传感器联合监测角度综述了信号处理与特征提取、监测模型的选择在复杂工况条件下的应用现状。其次，总结了迁移学习方法在复杂工况条件下刀具磨损状态监测技术中的应用；此外，从基于磨损退化模型、数据驱动模型以及混合模型角度概括了复杂工况条件下剩余寿命预测的研究现状；最后，归纳了复杂工况条件下刀具磨损状态监测及剩余寿命预测的研究重点和发展趋势。对未来的研究工作具有一定的理论参考与启示作用。
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  钼镧合金超声椭圆振动金刚石切削机制研究

  刘良, 王茂, 马善意, 付宇帆, 张建国, 肖峻峰, 陈肖, 许剑锋

  机械工程学报. 2025, 61(19): 327-340. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.327

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  钼镧合金是一种典型的难加工材料，在普通切削过程中极易引发材料脆性断裂和刀具磨损，难以获得高质量加工表面。超声椭圆振动切削技术是一种实现难加工材料超精密切削加工的有效方法。开展了钼镧合金金刚石切削实验研究，验证了超声椭圆振动切削对材料可加工性的提升作用，对比分析了普通切削和超声椭圆振动切削钼镧合金表面创成机制、切屑形成机制及刀具损伤机制。通过改变刀具椭圆振动轨迹，当椭圆轨迹取向角为160°时，实现了1 0351.9 nm的最大临界切削深度，相对于普通切削的最优临界切削深度52.5 nm，提升了197倍。普通金刚石切削过程，材料主要以脆性模式被去除。成形表面产生鳞刺缺陷，切屑剪切带的锯齿特征明显，且切屑与刀具接触面粗糙、产生明显撕裂，与此同时材料与刀具粘结严重。超声椭圆振动金刚石切削过程，材料主要以塑性模式被去除。成形表面鳞刺缺陷的产生被显著抑制，切屑剪切带的锯齿特征减弱，且切屑与刀具接触面光滑、无撕裂现象产生，材料与刀具的粘结得到有效抑制。分析表明，超声椭圆振动切削显著提升了钼镧合金可加工性、抑制了表面脆性缺陷和刀具损伤。本研究揭示了钼镧合金的材料去除机制，有助于推动钼镧合金在航空航天等领域中的应用。
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  考虑数据不完备的数控铣削能耗预测方法

  赵继烜, 李聪波, 吴畏, 张友, 敬培锋

  机械工程学报. 2025, 61(19): 341-351. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.341

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  针对数控铣削过程中由于设备故障及操作不当等原因造成采集的数据不完整，从而导致数控铣削能耗预测精度较低的问题。通过分析其能耗特性与数据缺失情况，提出了一种考虑数据不完备的数控铣削能耗预测方法。首先，基于去噪自编码期望最大多重插补(EMMIDA)对缺失值进行估计，生成新的完整数据；其次，利用FEDformer算法构建能耗预测模型，实现数控铣削加工能耗预测。最后，在不同缺失率下，将所提方法与其他常用数据填补方法及预测算法进行对比。实验结果表明，即使丢失的数据率增加到30%，EMMIDA填补方法的MAE相比多重插补(MICE)、生成对抗插补网络(GAIN)、K近邻算法(KNN)分别降低了20.3%、25.9%、44.6%，RMSE降低了17.8%、36.5%、42.1%；FEDformer能耗预测模型的MAE、RMSE较Transformer降低了4.36%、5.74%，R²提高了7.73%，且均优于Informer、LTSM和CNN，证明了该方法能有效降低数控铣削数据缺失带来的能耗预测误差。
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  基于自转一阶非连续式微小球体超精密加工研究

  吕迅, 焦荣辉, 王军

  机械工程学报. 2025, 61(19): 352-362. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.352

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  针对微小球体高精度的批量生产需求，提出了一种基于自转一阶非连续式球体加工方法，使球体研磨轨迹发生非周期性并扩展，实现加工高效快速一致性收敛。在此基础上，建立了自转一阶非连续式微小球体加工的运动学模型，分析了微小球体研磨轨迹形成全包络的机理，以及影响球体自转轴变动的主要因素，并通过仿真分析验证了自转一阶非连续式微小球体研磨轨迹的全包络性。通过批量加工试验，分析了不同研磨压力、研磨盘转速、研磨液浓度等参数对微小球体圆度及偏差的影响，并进行工艺参数优化，使微小球体的圆度和表面粗糙度在自转一阶非连续式研磨阶段得到快速改善并且批一致性良好。通过进一步批量抛光加工，使微小球体圆度(RON_t)达到0.09～0.13 μm，表面粗糙度(R_a)达到7.8～10 nm，从而实现了微小球体高效高精度高一致性的加工。
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  超声微磨削生物骨非均匀热源传导机理与三维有限差分模型及验证

  孙金刚, 刘纪新, 杨敏, 杨玉莹, 李润泽, 张彦彬, 刘明政, 李长河

  机械工程学报. 2025, 61(19): 363-385. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.363

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  磨削广泛用于骨外科手术实现对骨组织材料的去除，但机械应力引发的裂纹损伤和磨削温度过高导致的热损伤是临床操作的技术瓶颈。针对以上需求和技术瓶颈，提出了一种超声微磨削生物骨新工艺，但超声作用下的非均匀热源传导机理尚不明确，亟需建立生物骨的三维热传导模型。基于此，首先，分析了磨削过程中几何学、运动学和动力学的动态演变规律，建立了超声作用下任意时间点的未变形切屑厚度模型，研究了磨削热通量在周向和径向的分布规律，建立了三维非均匀热源分布模型。其次，综合考虑材料去除机理、磨削力的动态演化机理、界面条件及材料结构性能，建立了基于热流密度、对流换热及绝热条件的三维非均匀有限差分热传导模型，揭示了超声微磨削过程中骨材料内部温度的动态传导规律。进一步，设计了一种适用于半球冠圆弧面的热电偶阵列，并通过多参数正交实验测量工件不同位置的温度。最后，创新性地提出区域数值模拟与实验测温对比的方法，结果表明，当振幅为6 μm，磨削深度为25 μm，磨头基体半径为2 mm，进给速度为3 mm/s时，实验测量值与数值计算结果的最小误差可达6.4%，误差小于10%的区域占比达到70%，实现了骨微磨削温度的有效控制，为临床骨外科手术提供了理论指导与技术支持。
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  响应面法协同优化3D打印氧化铝多孔陶瓷的气孔率和抗弯强度

  刘富初, 王妙, 张驰, 林学雄

  机械工程学报. 2025, 61(19): 386-396. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.386

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  氧化铝多孔陶瓷在过滤领域具有广泛应用，其气孔率和抗弯强度通常呈负相关性，而高效过滤材料需兼具高气孔率与高强度。采用浆料挤出3D打印技术，以填充率、打印层高和打印速度三个关键工艺参数进行响应面试验，分析打印参数间交互作用对氧化铝多孔陶瓷气孔率和抗弯强度的影响，并建立二阶非线性数学关联方程。结果表明，填充率与其他工艺参数的交互作用对气孔率和抗弯强度影响最显著，其次为打印速度和打印层高。当挤出头内径为0.41 mm、填充率为50%、层高为挤出头内径的67%、打印速度为1 100 mm/min时，氧化铝多孔陶瓷的气孔率为69.28%，抗弯强度为9.04 MPa，在X、Y和Z方向的收缩率分别为3.86%、4.21%、5.63%，侧面粗糙度为18.16 μm。研究结果可为优化3D打印多孔陶瓷的成形工艺提供理论依据，并为高气孔率、高强度过滤陶瓷的设计与制备提供参考。
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  基于力感知的超精密车削刀高设置误差在线辨识与补偿系统构建

  张稳祺, 张国庆, 马帅

  机械工程学报. 2025, 61(19): 397-406. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.397

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  提出一种基于力感知的超精密车削刀高设置误差在线辨识及补偿系统，旨在解决离线辨识刀高设置误差时加工连续性破坏和加工效率影响的问题。首先，研究了刀高设置误差存在时刀具后刀面与工件中心残余干涉所形成的表面形貌，及其对应的切削力特征，并建立了刀高设置误差与切削力之间的映射关系模型。其次，设计了基于该映射关系的刀高设置误差自动辨识算法，并利用LabVIEW软件开发执行程序和界面。最后，在加工实验中利用在线辨识系统对切削过程中的力信号进行特征识别，输出刀高设置误差，并借助实验平台集成的精密微调机构对误差进行在线补偿。实验结果表明，通过切削力辨识得到的刀高设置误差与机床反馈误差之间的平均差值在8 μm以内，并通过精密微调机构迅速补偿辨识出的误差，偏差在1%内，整个辨识与补偿过程仅耗时约1 min，验证了刀高设置误差在线辨识及补偿系统的可靠性和快速性。该研究将为超精密加工刀具设置误差自动辨识与补偿提供新的方案参考。
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  电火花辅助切削中切屑形成机理及演变过程研究

  刘翔宇, 李常平, 徐默然, 陈洁林, 李树健, 李鹏南

  机械工程学报. 2025, 61(19): 407-419. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.407

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  电火花辅助切削技术作为一种钛合金等难加工材料的高效精密加工方法，对于降低切削载荷、提高加工质量有着显著的成效。但当前对于电火花辅助切削钛合金加工切屑形成过程及形态演变行为研究相对较少。因此运用有限元仿真技术与实验相结合的研究方法，开展了电火花辅助切削的切屑形成过程及形态特征研究，探究了不同加工条件下的电火花辅助切削切屑形成规律。研究表明，电火花辅助切削通过改变材料表面温度场，改善了去除层在切削过程中的应力分布不均问题，降低了切削力与切屑锯齿化程度。相较传统切削，电火花辅助切削钛合金切屑锯齿化程度由0.372减至0.195，绝热剪切带宽度由1.7 μm增加至4.3 μm。该研究为热辅助切削加工的材料去除机理提供了重要的理论支撑。
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  宽频高效透波超材料结构可控设计及3D打印

  任奥琪, 梁庆宣, 张童童, 白金仓, 李涤尘

  机械工程学报. 2025, 61(19): 420-429. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.420

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  透波材料与结构作为一种集透波、承载、耐温于一体的多功能复合材料结构，在雷达天线罩、隐身蒙皮和5G通信等部件上发挥着重要作用。提出玻璃纤维增强热塑性聚醚醚酮聚合物透波3D打印丝材制备的方法，分析了该聚醚醚酮基打印丝材的透波及力学性能，研究了不同玻璃纤维质量分数对打印丝材透波性能的影响规律，得到了满足高效透波性能需求的最佳的材料工艺参数；发挥熔融沉积3D打印在制备复合材料功能结构上的优势，设计制造了蜂窝夹芯透波超材料结构。电磁测试结果表明，所设计的透波超材料结构在TE和TM模式下，2～18 GHz频率范围为透波率分别达到了94.36%和94.62%。高效透波打印丝材可控制造和透波超材料结构可控设计制造方法为装备隐身天线罩、隐身蒙皮的实现提供了有效支撑。
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  CFRP层间钻削出口损伤机理及多参量优化设计

  李树健, 李晴晴, 杨彭, 刘翔宇, 李常平, 李鹏南

  机械工程学报. 2025, 61(19): 430-442. https://doi.org/10.3901/JME.2025.19.430

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  碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastics, CFRP)因其优异特性在航空航天、军工国防等核心领域得到广泛应用。钻削是实现CFRP制孔的最常用方式。为满足某些特殊场景需求，以钻削方向平行于CFRP层间界面为主要加工特征的新型层间钻削方式开始涌现，其出口损伤形成机制与影响因素成为制约CFRP层间制孔技术的关键。遵从理论与实验相结合的方法，研究了CFRP层间钻削出口损伤的形成机理，探讨了钻头角度、加工参量等因素的影响规律，构建了CFRP层间钻削轴向力和出口损伤的数学预测模型，并进一步以低轴向力、低损伤为目标开展了多参量优化设计。结果表明：层间钻削出口损伤主要受主切削刃和副切削刃影响，而横刃影响较小。在层间钻削出口，0°纤维层主要产生纤维剥离损伤，90°纤维层的纤维断裂模式主要依赖于纤维切削角，在45°或135°纤维层内形成层内撕裂损伤。随钻头顶角增加轴向力增大，出口毛刺和层内撕裂减少。螺旋角对轴向力的影响相对较小，但增大螺旋角会减少出口毛刺。随进给量增加轴向力增大，综合损伤因子减小，而主轴转速的影响则不明显。为获得较低的轴向力和出口损伤，本研究建议采用的刀具角度和加工参量匹配组合为：钻头顶角80.5°、螺旋角15.2°、主轴转速11 385 r/min、进给量0.010 6 mm/r。