机械工程学报

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寇逸群, 杨晔, 刘颉, 胡友民, 李林, 俞百川, 徐家和, 胡中旭, 史铁林

机械工程学报. 2025, 61(3): 1-22. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.001

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在工业4.0向工业5.0的发展过程中，以人为本逐渐成为智能制造领域关注的焦点之一。当前的人机协作不仅强调要聚焦于技术的进步与效率的提升，更强调将人类的高阶认知思维与机器的计算能力相结合，实现认知赋能。基于此，梳理人机协作中认知赋能在交互感知、任务规划与执行、技能学习等关键领域的现有研究，揭示了多模态信息整合、任务推理、动态决策与技能知识表征的挑战。进一步，提出通过应用知识图谱构建的相关技术来支持人与其机器认知对齐的方法，以及通过应用知识图谱推理的相关技术来支持复杂环境下人机协作的任务优化和动态决策。在分析现有人机协作认知赋能研究局限性的基础上，展望未来智能制造环境下的深度认知协同的发展方向。

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人-信息-物理互联环境下数字车间制造能力建模与自适应调度

胡炳涛, 钟锐锐, 冯毅雄, 杨晨, 王天跃, 洪兆溪, 谭建荣

机械工程学报. 2025, 61(3): 23-39. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.023

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工业5.0的发展对制造业的信息化、数字化和智能化提出了更高的要求。针对传统车间制造能力组织范式和智能调度技术缺乏的重要难题，提出人-信息-物理互联环境下数字车间制造能力建模与自适应调度技术，从而实现对复杂车间制造能力的高保真建模与生产资源的高效调度。为了有效管理数字车间中的生产要素，提出一种融合人-信息-物理系统的数字车间制造能力建模技术。此外，提出一种深度强化学习驱动的数字车间自适应调度(Deep reinforcement learning-driven adaptive scheduling，DRL-AS)算法，该算法将柔性作业车间调度问题以异构析取图的形式进行建模。考虑到工序与机器之间复杂的耦合关联性，设计一种基于分层自注意力机制的多要素表征方法以提取环境状态的全局特征和辅助智能体进行高质量决策。近端策略优化(Proximal policy optimization，PPO)算法被用于训练所提出自适应调度技术。试验结果表明所提出方法的调度性能和泛化性能显著优于对比算法。

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融合场景的产品绿色设计方案建模与优化

郭婧, 王黎明, 戚进, 胡洁, 孔琳

机械工程学报. 2025, 61(3): 40-51. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.040

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机电产品的制造和使用过程会耗费大量的资源和能源，同时会产生大量的污染物排放，从而导致严重的环境污染问题。使用全生命周期的设计方法可以最小化产品对环境的负面影响，进而提高产品品质和可持续性。因此，提出基于有向网络结构的产品绿色设计方案表达方法，实现产品全生命周期设计相关的功能域、结构域、工艺域以及材料域信息的有效集成以及与全生命周期阶段的多域关联映射。建立了基于集合理论的生命周期场景表达方法，并通过设计节点接口的逐级匹配，构建了融合生命周期场景的设计方案表达模型。针对所建立的产品绿色设计网络模型的特点，使用融合剪枝策略的深度优先搜索算法，通过对设计网络模型中各个设计节点的遍历，实现了初始设计方案个体的生成。针对设计方案个体中设计节点之间相关联的特点，制定了基于邻接实数矩阵的编码策略。通过设置的差分进化算子，以满足产品生命周期场景的环境约束为条件，完成了2.5 MW风力发电机设计方案的优化。

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基于数字孪生和深度迁移学习的电主轴热误差建模方法

马帅, 冷杰武, 陈祝云, 李巍华, 李波, 刘强

机械工程学报. 2025, 61(3): 52-66. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.052

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热误差是电主轴系统误差的主要来源之一，热误差建模是提高系统可靠性的重要手段。电主轴装载刀具加工时，需要在多个方向上运动，导致实时测量困难，难以采集足够的热误差样本。不同工况下的数据分布差异较大，在某一工况下训练的热误差预测模型难以在其他工况下取得满意的预测精度。针对上述问题，提出了一种基于数字孪生和深度迁移学习的电主轴热误差建模方法。首先，建立电主轴系统热行为数字孪生模型，模拟出不同工况下的温度场和热变形数据，缓解实际场景中热误差样本缺失的限制。其次，开发基于领域对抗机制的卷积双向长短期记忆网络，数字孪生模型生成的虚拟数据用作源域，真实数据作为目标域，不同尺度的卷积层构成特征提取器，分别提取源域和目标域温度数据的空间特征，处理多维温度特征的共线性问题。构建双向长短期记忆网络作为预测器，处理温度与热误差的时序关系并输出预测值。同时，结合领域适配的对抗训练技术，利用域判别器混淆两域特征，最小化两域数据分布，提高模型的泛化能力。最后，搭建多源数据协同采集平台，获取不同工况下的真实数据，通过不同迁移任务验证，结果表明：在热误差标签样本缺失的情况下，该方法成功实现热误差建模，具备较好的预测性能。

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基于无源自监督域适应的旋转机械跨域新故障诊断方法

乐珂, 李霁蒲, 陈祝云, 何国林, 邓书涵, 李巍华

机械工程学报. 2025, 61(3): 67-76. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.067

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随着新一代人工智能技术的迅猛发展，数据驱动的智能故障诊断方法已经在机械装备中已取得广泛应用。智能诊断模型的高精度诊断通常依赖于大规模的已知标签数据。然而，机械装备在运行过程会发生不可预知的新故障，这使得已知故障数据训练的模型难以准确识别新出现的故障类型。此外，数据隐私保护限制着数据的可访问性，为诊断模型的域适应过程带来了巨大挑战。为此，提出一种基于无源自监督域适应的跨域新故障诊断方法，在源域数据仅参与模型预训练的情况下，实现对目标域中已知故障的精准分类和新故障的智能诊断。首先，利用带标签的源域样本预训练得到源域诊断模型；其次，利用基于不确定性熵的自监督伪标签技术筛选出高置信度的已知故障样本；最后，将目标域中带伪标签的已知故障样本与无标签的故障样本相结合，并通过对抗训练策略辨别新故障类型。利用实验室测试采集的汽车变速箱数据集开展跨域新故障诊断试验，对所提算法的有效性进行验证。试验结果表明，所提方法能够仅利用源域诊断模型和无标签目标域数据，在保障已知故障高精度诊断的同时，实现对目标域中新故障的精准诊断。

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人机协作的掘进机截割部故障率稳健性容差设计

崔凯越, 洪兆溪, 娄山河, 闫炜煜, 冯毅雄, 谭建荣

机械工程学报. 2025, 61(3): 77-90. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.077

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掘进机截割部的稳健运行是掘进工作能够按时保质完成的必要条件，对截割部故障率进行稳健性容差设计是满足系统稳健运行的同时降低制造成本的有效措施。针对截割部故障率稳健性容差设计过程中故障数据样本量大、缺少相关稳健性优化数学模型、目标函数高维求解困难等问题，提出人机协作的截割部故障率稳健性容差设计方法。该方法以计算机的强大算力为支撑，首先利用人的区间模糊推理知识和最大似然估计方法对大量故障数据进行参数拟合，近似估计零部件故障率。其次基于数学目标规划知识和n重黎曼定积分设计了稳健性度量函数，构建高维高次稳健性优化数学模型。然后使用人群搜索算法和算法参数分析知识进行求解，获得了故障率容差的相对最优解。最后设计基于积分的多维波动模拟策略，得到整个截割部系统故障率的波动曲线。对比试验结果表明，所提出的人机协作的截割部故障率稳健性容差设计方法可以有效获得零部件故障率的扩展区间，并使截割部系统的稳健性能保持在较高水平。在人认知能力和计算机计算智能的联合推动下，该稳健性容差设计方法可经过适应性调整，进一步应用于其他可微的复杂系统。

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运维数据与多模态知识驱动的复杂产品改进设计新模式研究

赵欣, 任杉, 张耿, 张映锋

机械工程学报. 2025, 61(3): 91-104. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.091

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在分析当前复杂产品制造企业创新发展面临的挑战以及现有产品改进设计方法局限性与设计模式演进方向的基础上，结合复杂产品各生命周期阶段业务决策过程呈现的数据与知识联合驱动的特征，提出一种运维数据与多模态知识驱动的复杂产品改进设计新模式，设计了相应的体系架构，并讨论了其“配置→监控→评估→关联→反馈→改进”运行逻辑，进而提出该模式下的关键技术体系，包括复杂产品运维过程数据主动感知与生命周期数据增值计算、复杂产品关键功能模块性能退化评估与关键设计参数识别、面向复杂产品改进设计的知识建模与设计方案智能配置等。上述技术的实施，可促进复杂产品设计与运维跨阶段、多业务的协同优化，进而提升产品改进设计方案的有效性和方案配置的智能化。所提模式与技术体系对探索引领高端装备制造业发展的制造服务新模式的研究和应用有重要借鉴价值。

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人本智造单元中人-智能系统协同双智能体工作机制研究

李嘉佳, 易茜, 冯毅雄, 朱鹏兴, 易树平

机械工程学报. 2025, 61(3): 105-118. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.105

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以技术驱动为主的智能制造单元面临着动态环境应对灵活性不足、非典型生产干扰应对困难、多场景集成决策受限等一系列挑战，为此，提出一种人本智造单元中人-智能系统协同的双智能体工作机制。分析以人为本的智能制造理念下制造单元的发展和演变过程，探索人与智能系统的有效协同途径，提出由增强感知、沟通交互、动态反馈、协同智能决策、持续学习和自适应构建的双智能体工作机制，并将其应用于故障诊断与排除这一非典型场景中，包括状态监测、故障诊断、故障排除、恢复与验证、持续学习与改进。以某重载车辆变速箱箱体智能制造单元的故障排除为案例，展示双智能体工作机制的有效性。

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复合故障退化情形下基于自适应非线性状态估计的装备状态监测健康指标

裴雪武, 李新宇, 高亮, 高艺平, 陈志敏

机械工程学报. 2025, 61(3): 119-129. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.119

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现代机械装备长期服役于恶劣多变的工况下，难免故障类型多连级发生进而形成复合故障情形的退化过程，传统健康指标通常聚焦于单一故障退化情形下的状态监测，并不适用于该情形下的装备状态监测。针对以上问题，提出了一种复合故障退化情形下基于自适应非线性状态估计(Adaptive nonlinear state estimation，ANSE)的装备状态监测健康指标(Health indicator，HI)构建方法，包含初期故障瞬态检测和早期故障精准定位两部分。首先，基于希尔伯特奇异值分解算法(Hilbert singular value decomposition，Hilbert-SVD)构建奇异值特征序列作为状态监测模型的输入；然后，利用非线性状态估计(Nonlinear state estimation，NSE)重构误差特性构建HI以放大初始故障样本和正常样本之间的差异程度；其次，为了自适应瞬态检测初期故障，引入峰值超阈值(Peaks over threshold，POT)算法构建ANSE模型实现健康阈值动态更新；最后，对初始故障样本进行共振稀疏分解和最大相关峭度反卷积(Resonance-based sparse signal decomposition and maximum correlation kurtosis deconvolution，RSSD-MCKD)的特征提取，利用功率谱解析故障特征频率实现故障部位精准定位。将所提方法在两个复合故障退化情形下的轴承数据集进行有效性和鲁棒性验证，在风机主轴承数据集上进行工程验证，分析试验结果和对比结果，所提方法能更好检测装备的初期故障，同时还能表征其整个退化过程，表明了所提方法具有较强的状态监测能力。

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基于大语言模型和机器视觉的智能制造系统人机自主协同作业方法

黄思翰, 陈建鹏, 徐哲, 阎艳, 王国新

机械工程学报. 2025, 61(3): 130-141. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.130

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工业4.0阶段，人工智能、大数据、物联网等新兴技术层出不穷，加速推动制造业转型升级，在这个过程中，各类机器人扮演着越来越重要的角色，也为智能制造高质量发展夯实了基础。随着工业5.0的提出，以人为中心的理念逐渐深入人心，催生了人本智造这一新兴领域。人与机器人在智能制造系统中的界限变得越来越不明显，人与机器人自主协同作业研究成为了热点。因此，提出基于大语言模型和机器视觉的智能制造系统人机自主协同作业方法，借助机器视觉和大语言模型的优势提高智能制造系统中人机协同作业的智能化水平。首先，融合机器视觉和深度学习对智能制造系统中人机协同作业过程进行动态精准感知，通过融合YOLO算法和迁移学习来识别作业状态，利用长短期记忆网络和注意力机制准确追踪操作工动作。然后，面向人机协同作业对大语言模型进行微调，建立基于微调大模型的人机协同作业决策框架，为提供机器人自主配合操作工完成动态作业的任务指令，形成人机自主协同作业闭环。最后，通过一个减速器装配案例验证了该方法的有效性。

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人机混合交互的产品设计知识图谱构建及智能推理方法

郭鑫, 黄泽川, 王杰, 张凯, 赵武

机械工程学报. 2025, 61(3): 142-153. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.142

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产品设计是面向用户需求的反复迭代并逐步进化的创造性活动，其核心是多领域知识应用。为了解决产品设计中知识可视化程度低、人机交互下知识推理弱等问题，提高产品设计智能化程度，提出了基于知识图谱(Knowledge graph, KG)技术的产品交互式设计知识应用模型。首先，基于产品设计活动间的作用与交互演进机制，分析产品设计问题与求解知识间的关联关系，构建一种可扩展的多层产品设计知识图谱(An expandable multi-layer knowledge graph for product design, m-KGPD)用以结构化组织多领域、跨学科求解知识，建立知识需求-求解知识信息检索通道。其次，利用数据标注平台doccano开展知识文本标注和模型训练集构建并基于双向编码表征模型-双向长短时记忆网络-条件随机场(BERT-BiLSTM-CRF)模型开展求解知识实体关系抽取，减轻在大规模文本知识提取工作中的人工重复性操作，利用知识图谱可视化平台GraphXR完成图谱搭建。最后，基于交互式遗传算法(Interactive genetic algorithm，IGA)提出满足产品交互式设计演进规律的求解知识集迭代化推理方法，通过人机混合交互方式为产品设计知识需求匹配最优求解知识集。以复杂地形多岩层成孔装备交互设计过程为例，验证了方法的可行性与有效性。

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FCN优化GA的飞行模拟座舱意象仿生视觉焦点预测模型

陈国强, 申正义, 杨宇驰, 李腾, 徐丽

机械工程学报. 2025, 61(3): 154-166. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.154

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座舱视域认知聚合性较低是影响飞行模拟座舱驾驶训练效率的关键问题之一，对此提出基于全卷积神经网络(Fully convolutional networks，FCN)优化遗传算法(Genetic algorithm，GA)的飞行模拟座舱意象仿生视觉焦点预测模型。首先，依据色格镶嵌的方式结合眼动仪兴趣区域确定座舱视域分区，借助眼动蜂群图及问卷法验证现有座舱认知聚合性。其次，通过数据集筛选和眼动灰度图优化形成仿生设计数据集，训练面向生物、产品、线稿图像的FCN模型。结合FCN模型预测生物外形本征视觉焦点热力图与数字矩阵，计算生物视觉认知评分并将分区按主观认知评分排序，同时建立意象仿生映射关系进行表征分区简图设计表达。最后，借助FCN模型建立适应度函数，利用GA对表征分区简图寻优，解码视觉认知与主观认知匹配最优的座舱因子编码并细化设计，验证设计方案的视觉认知。结果表明，FCN优化GA的预测模型能够提高仿生设计效率，所设计的座舱视域具有较高的认知聚合性，能够显著优化驾驶员对座舱视域主观认知与视觉认知的匹配性。

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基于混合概率运动基元的机器人轨迹鲁棒性建模

苏永彬, 刘暾东

机械工程学报. 2025, 61(3): 167-177. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.167

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针对大作业半径机器人在演示学习过程中存在的轨迹离群问题，提出一种基于混合概率运动基元的机器人演示轨迹鲁棒性建模方法。该方法采用基于动态时间规整的方法对采集到的演示轨迹进行预处理，通过映射矩阵路径寻优提升轨迹点的分布质量，解决了演示者动作卡顿与速度不均造成的轨迹时间长度不一问题。在此基础上，采用概率运动基元模型的置信区间设定轨迹点数量阈值，对轨迹样本进行聚类和权重分配；利用聚类结果和权重参数构建混合概率运动基元模型，抑制离群轨迹对模型参数的偏移，以提高模型鲁棒性。为验证方法有效性，设计了手写字母轨迹公共数据集和实际机械臂上料轨迹的演示学习实验，并引入平均弗雷歇距离和平均欧氏距离定量评估模型可靠性；实验结果表明：所提方法有效约束了离群轨迹对模型参数造成的偏移，与传统的概率运动基元模型和高斯混合模型相比表现出更强的鲁棒性，在大作业半径的工业机器人领域具有良好的应用前景。

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微型仿生机器人研究现状综述

罗自荣, 洪阳, 蒋涛, 林泽宁, 杨云, 朱群为

机械工程学报. 2025, 61(3): 178-196. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.178

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微型仿生机器人作为尺寸在厘米级及以下的微型机电系统，具有体积小、质量轻、便于携带等特点，被广泛应用于环境探测、目标搜索、侦查打击等复杂环境中。为使广大研究人员了解微型仿生机器人的研究进展，基于全球最大的文摘和引文数据库Scopus对近15年的相关文献进行总结和分析，直观描绘了微型仿生机器人领域的发展趋势。从微型仿生机器人的仿生运动形式、制造技术、驱动技术三个关键点入手，辅以生物机电混合微型机器人特殊研究方向的介绍，总结了微型仿生机器人的总体特征和研究现状。分析目前微型仿生机器人发展的技术瓶颈，提出能源-驱动-感知-控制全柔性一体化的发展思路，同时促进一体化制造技术的创新发展。基于军事和反恐防暴应用背景，充分分析微型仿生机器人的特征优势，进行以微型仿生机器人为核心的作战应用构想，并拓展讨论了微型仿生机器人在民用方面的应用。最后，对现有微型仿生机器人的不足与未来发展进行讨论与总结，为微型仿生机器人技术领域的发展及其军事应用前景提供有价值的参考。

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接触作业型飞行机械臂研究进展

宋光明, 郝爽, 纪梓潮, 张钧奕, 宋爱国

机械工程学报. 2025, 61(3): 197-211. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.197

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飞行机械臂是由旋翼无人机和机械臂组成的新型飞行机器人系统，兼具无人机的灵活机动能力和机械臂的操作能力，可飞抵高处地点执行运输作业或接触作业任务，具有广阔的应用前景。接触作业型飞行机械臂是油气工业、交通、水利、电力等行业基础设施运维急需的先进技术装备，近十年来一直是机器人与自动化领域的研究热点。梳理分析前人研究，对接触作业型飞行机械臂关键技术进行了研究现状综述。首先，根据末端执行器与作业对象之间的交互特性将飞行机械臂的接触作业模式划分为定点、滑动和干预三大类，并分别进行了介绍。然后，对接触作业型飞行机械臂的机构设计技术进行了阐述，主要包括基于常规多轴无人机、全驱多轴无人机和旋翼组合体等本体平台的典型样机；对接触作业型飞行机械臂的控制方法进行了阐述，主要包括飞行控制、被动柔顺控制、主动柔顺控制以及双边遥操作控制。最后，对接触作业型飞行机械臂关键技术发展趋势进行了展望。

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双臂协同颅颌面截骨手术机器人

罗学劲, 张润世, 邓颖言, 莫昊, 竺佳宇, 刘昕宇, 贺洋, 王君臣

机械工程学报. 2025, 61(3): 212-224. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.212

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颅颌面解剖结构复杂以及微创入路视野狭窄导致手术难度高、需要多名医助配合、手术结果过于依赖医生经验等问题。颅颌面手术机器人结合智能影像建模分析技术与精准导航技术可以有效降低术者体力负担，提高手术精准性和效率。为了提高颅颌面手术机器人的操作效率，提出一种高实时性的双臂协同颅颌面截骨手术机器人系统。采用深度卷积自监督预训练学习网络实现了人体颅颌面部多组织自动分割和三维重建，并在重建的三维模型上实现了截骨路径的自动规划；采用鲁棒点云配准算法进行空间配准，通过光学跟踪定位和空间配准将规划轨迹从图像空间映射到机器人任务空间；基于EtherCAT总线技术实现了1 kHz的高实时性控制框架，并提出一种结合导纳控制算法与视觉伺服跟踪算法的混合截骨控制方法。开展了机器人截骨模型实验，实验结果表明了该系统具有良好的人机柔顺交互能力，下颌骨分割Dice系数为94.95%，截骨误差为1.68±0.26 mm，验证了系统的有效性。

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气动人工肌肉驱动的上肢康复外骨骼机器人设计与控制

秦岩丁, 范迦得, 张浩琦, 田孟强, 韩建达

机械工程学报. 2025, 61(3): 225-236. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.225

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面向上肢康复与辅助运动，研制了一款基于气动人工肌肉(PAM)驱动的上肢康复外骨骼机器人。与纯刚性驱动不同，该外骨骼机器人使用PAM与刚性连杆，同时实现了柔顺驱动与高精度运动，有助于降低在康复过程中对用户造成二次伤害的概率。在结构设计上，该外骨骼采用直驱和绳驱相结合的方式，实现了肩肘关节运动的三个自由度。该外骨骼结构紧凑，可以满足可穿戴的要求。完成了该外骨骼的运动学建模，并基于PAM的三元素模型和拉格朗日方法完成了动力学建模。针对PAM的迟滞非线性，将直接逆模型法与自适应投影算法相结合，实现了无须离线建模与求逆的自适应迟滞补偿。最后，通过迟滞补偿实验与抗干扰实验完成了原理性验证。实验表明，研制的外骨骼兼具柔顺性和高运动精度，可以满足上肢康复与辅助运动的需求。

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固面可展开天线机构设计及运动学分析

范小东, 史创, 王治易, 刘天明, 郭宏伟, 刘荣强

机械工程学报. 2025, 61(3): 237-250. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.237

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固面天线具有可靠性高、精度高、热稳定性好的特点。针对目前固面可展开天线展开机构中因转动副的数量过多以及存在球铰、万向节等高副而影响天线结构的形面精度、联动驱动以及锁定刚化的问题，对比了固面天线绕正交双轴旋转分两步展开与绕单轴旋转一次展开的两种展开方式，提出一种适用于固面可展开天线的绕单轴旋转一次展开的展开机构，构建了计算旋转轴位置的参数化模型，建立了展开机构的运动学模型，采用数值仿真软件对所建立的模型进行了仿真，分析了旋转轴位置对天线收纳率、相邻面板间隙的影响，建立了天线结构的有限元模型，并对天线结构进行了优化设计。结果表明，绕单轴旋转的设计减少了转动副的数量、未采用球铰和万向节等高副，既提高了机构的展开可靠性，又方便了机构的联动、驱动以及锁定和刚化，同时优化后的结构具有更好的力学性能，期望为固面可展开天线的相关理论研究及工程应用提供参考。

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FAST促动器可靠性增长

雷政, 姜鹏, 姚蕊, 王勇

机械工程学报. 2025, 61(3): 251-258. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.251

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针对FAST促动器可靠性不足，严重影响望远镜观测的问题，从自净化功能、驱动系统、环境防护、状态监测等方面进行优化，完成整机可靠性增长方案设计，并提出多台异步纠正的加速可靠性增长试验方案。对可靠性增长方案的平均无故障工作时间(Mean time between failures, MTBF)进行理论估算，其值为81 536 h，相比2019年增长将超过12倍。采用3台样机进行连续可靠性增长试验，并通过跟踪与往复连续交替运行模式及增加负载的方法进行加速。试验从2019年5月至2022年8月，期间除3#样机累计有3次B类故障外，其余2台样机均无故障，最后采用时间截尾方式结束。利用AMSAA模型对试验数据进行分析，3台样机的平均当量MTBF值为80 061 h，与理论计算数值非常接近，验证了该方案可靠性增长的有效性。对完成全部升级后的一年运行情况进行统计分析，FAST促动器平均故障率为0.35台/天，相比升级前降低了12.2倍，其降低幅度与可靠性增长理论分析和试验结果基本吻合，再次验证了该可靠性增长方案及可靠性增长加速试验方案的有效性。通过优化设计、理论分析、试验验证与工程实践相结合的综合研究方法，实现了FAST促动器可靠性的大幅增长，使促动器群系统可靠度提升了一个数量级，可为其他类似研究提供参考。

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高转速效应下空气静压主轴微铣削加工表面形貌预测研究

史江海, 冯鑫, 曹宏瑞

机械工程学报. 2025, 61(3): 259-271. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.259

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空气静压主轴是超精密加工机床的核心部件，其动态特性直接影响着超精密机床的加工性能。在高速旋转工况下，转子的离心力、陀螺力矩以及空气轴承的动态参数(刚度和阻尼)随着转速发生变化，进而影响空气静压主轴的动力学特性。由于主轴动力学特性与微铣削加工过程之间的耦合效应，在不同切削工况下，切削力会发生波动以及非连续性变化，往往会导致主轴发生较大的振动响应。如果主轴振动响应过大，会引起颤振现象发生，直接导致工件表面加工失效。因此，基于Timoshenko梁单元建立考虑转速效应的空气静压主轴动力学模型及微铣削加工三维表面形貌预测模型，定量分析转速和每齿进给量对工件表面形貌的影响。结果表明：在主轴稳态切削过程中，工件表面相邻切痕之间的距离随着每齿进给量的增大逐渐增加，导致表面粗糙度呈线性增大；当切削速度和每齿进给量很小时，转速可以影响主轴加工效率，但对加工表面的粗糙度影响不大。

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基于增广卡尔曼滤波器的柔性转子系统振动信息的联合重构

蒋明宏, 高象宏, 张鹏, 李翁衡, 陈武龙, 祝长生

机械工程学报. 2025, 61(3): 272-283. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.272

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评估或抑制转子系统振动需要知道目标位置处转子的振动，然而转子结构或工作环境等因素可能导致目标位置难以安装振动传感器。为了用非目标位置传感器的信息重构目标位置处转子的振动，提出了将增广卡尔曼滤波器(Augmented Kalman filter, AKF)应用于柔性转子系统振动及不平衡激励的联合实时重构策略。首先，分析了转子系统不平衡激励对经典Luenberger观测器振动重构结果的影响，说明了过高增益可能导致的观测器不稳定问题；然后，将不平衡激励表示为不平衡参数分量设计了增广状态变量，建立了该增广系统的离散状态方程；最后，设计AKF来对该增广系统状态进行实时估计，通过仿真和实验验证了该策略的有效性。结果表明，各重构方法收敛速度快于转子系统动态变化速度，能够用于振动实时重构；不平衡激励将影响振动重构方法的精度，考虑了不平衡激励影响的AKF精度高于传统Luenberger观测器；通过将不平衡参数分量而不是不平衡激励值作为增广变量，所提出的AKF能够在较大的转速范围内实现对转子系统振动的实时重构。

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行星轮系竞争失效的寿命预测及试验研究

汪汉明, 董庆兵, 陈壮, 赵波, 史修江

机械工程学报. 2025, 61(3): 284-298. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.284

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齿轮在传动过程承受着交变载荷的作用，渐开线的特殊结构造成啮合过程中滑/滚比不断变化，以及齿面形貌特征导致摩擦性能的改变，最终引起齿面接触疲劳或齿根弯曲疲劳，行星轮系的服役寿命取决于齿圈、行星轮、太阳轮等各类型齿轮在接触疲劳/弯曲疲劳竞争作用下的最小寿命。针对某直齿行星轮系的传动特点，建立了包括齿圈-行星轮-太阳轮等构件的有限元模型，考虑了循环加载过程中时变参数确定的弹流润滑时变摩擦系数，根据有限元获得的多轴方向弹性场，采用Brown-Miller、Fatemi-Socie、Morrow和Smith-Waston-Topper等临界平面法，评估行星轮系疲劳裂纹萌生位置和竞争失效的寿命分布，同时基于试验测得的齿面硬度梯度拟合得到残余应力水平，并对疲劳寿命公式进行修正。最后，开展同等工况的行星轮系疲劳试验，研究了失效齿轮表面蚀坑的演变过程，并验证模型的有效性和准确性。结果表明，该齿轮箱接触疲劳强度远小于弯曲疲劳强度，Fatemi-Socie方法在评估齿轮接触疲劳寿命具有更高的准确性，太阳轮由于其各齿与不同行星轮依次啮合，因此最先发生接触疲劳，点蚀首先出现在节线靠近齿根的亚表面，考虑残余应力的接触疲劳寿命和位置与试验结果一致性良好。本研究发展的建模方法可为其他类型传动件的竞争失效疲劳预测提供思路。

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自推进胶囊在小肠中移动时的优化控制

廖茂林, 李智, 朱佳鹏, 王泽旭, JOSEPH Páez Chávez

机械工程学报. 2025, 61(3): 299-313. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.299

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在消化道检测领域，传统的管线式内镜常给患者带来极大的心理负担与生理不适，胶囊内镜则因驱动方式和控制复杂等原因而难以对小肠部位开展全面而高效的检测。为此，考虑以双边约束的激振胶囊为研究对象，根据小肠结构的变化分别建立了扩张段和狭窄段的小肠-胶囊耦合动力学模型，并以小肠多变的摩擦环境以及对胶囊的包裹程度不同作为不稳定因素，分析了自推进胶囊的动力学行为规律。基于此，同时以胶囊的移动速度、单位能耗和对小肠壁冲击力作为优化目标，采用(Six-Sigma + NSGA-II + Monte-Carlo)组合优化算法获取胶囊可控移动对应的参数组合区间。最终，结合ADAMS动力学仿真与实验测试验证了当采用优化后的参数组合控制自推进胶囊时，可使其实现低能耗低冲击的定速定向移动。

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基于应变测量的动-静扭矩传感方法研究

董光旭, 林睿深, 罗亚军, 彭裕阳, 余文涯, 张秉豪, 邱兰

机械工程学报. 2025, 61(3): 314-324. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.314

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在轴间串接扭矩传感器开展扭矩测量会因负载效应导致扭矩测量精度降低，且常用的扭矩传感器仅能测试静态扭矩或动态扭矩。为兼顾静态扭矩和动态扭矩的高精度测量，提出一种基于应变测量的动-静扭矩传感方法，首先建立扭转轴的扭转变形力学模型，推导了扭转角随扭矩的变化关系，结合有限元仿真研究了扭转轴的应变分布规律，确定应变片布片位置，通过将应变片以惠斯通全桥接线的方式连接来获取扭转加载条件下的主应变信号，并将主应变信号在设计的传感系统中进行调制实现扭转主应变到扭矩信号的转换，从而实现静态扭矩和动态扭矩的高精度测量。最后，基于扭转万能材料实验机(Mechanical testing & simulation, MTS)和摩擦实验台分别开展了静态扭矩与动态扭矩的实验测试，结果表明静态扭矩测试结果与理论计算扭矩以及MTS准静态加载扭矩相吻合且线性度高，测量误差在0.47%以下；同时动态测试结果显示在60 r/min、100 r/min、200 r/min、300 r/min转速下的动态扭矩测量结果与摩擦实验台加载的动态扭矩相吻合，测量误差在5%以下，表明低转速对动态扭矩测量影响较小且证明了动态扭矩测试的稳定性，因此提出的基于应变测量的动-静扭矩传感方法可以实现静/动态扭矩的高精度测量。

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椭圆环面蜗杆与渐开线圆柱齿轮啮合相关理论及啮合性能研究

凌四营, 张衡, 杨振湘, 张嘉阳, 凌明, 王奉涛

机械工程学报. 2025, 61(3): 325-336. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.325

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开环大速比高精度齿轮传动副在高端装备及精密仪器的分度系统中有重要的应用价值，但目前渐开面包络环面蜗杆(TI)传动的啮合性能受螺旋角取值的影响较大，其传动过程中存在偏载、不能全齿面参与啮合等问题，不能直接满足高端装备及精密仪器的分度精度需求。针对这些问题，首先提出一种与渐开线圆柱齿轮全齿面共轭的椭圆环面蜗杆(EI蜗杆)传动新形式，建立椭圆环面与渐开线圆柱齿轮圆柱面之间的空间位置关系，推导出椭圆环面的母线方程，基于齿轮空间共轭啮合原理建立渐开面一次包络EI蜗杆的啮合相关理论。其次通过分析EI蜗杆传动的啮合参数对瞬时接触线分布的影响规律，优化瞬时接触线在齿轮齿面上的分布区域，实现了渐开线圆柱齿轮全齿面与EI蜗杆啮合传动。最后分析EI蜗杆传动的啮合参数对诱导法曲率、润滑角、相对卷吸速度的影响。在相同参数的理想状态下，通过对比EI蜗杆与TI蜗杆传动中齿轮齿面啮合区域及啮合性能，发现：EI蜗杆传动中齿轮齿面啮合区域面积是TI蜗杆传动的5.49倍、诱导法曲率和润滑角相近、相对卷吸速度更大。因此，EI蜗杆传动具有共轭齿面间贴合程度高、接触强度大及润滑效果好的优点。研究成果为高性能蜗杆传动的设计提供了理论依据。

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超高速空气动静压轴承-转子系统不平衡量在线识别研究

王晨飞, 王晓力, 郑辰

机械工程学报. 2025, 61(3): 337-346. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.337

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针对现有无试重动平衡方法忽略超高速下轴承力的非线性而导致不平衡量识别精度低的问题，提出考虑非线性气膜力的空气动静压轴承-柔性转子系统不平衡量在线识别方法。首先，建立考虑非线性瞬态气膜力的空气动静压轴承-柔性转子动力学模型，提出基于频谱幅值法的数值求解终止依据，构建了不平衡量响应数据库；基于兼具全局寻优能力和局部搜索能力的混合遗传模拟退火算法，实现了超高速下轴承-转子系统不平衡量的在线识别。仿真和试验结果表明，相比于传统基于时间周期的非线性动力学计算终止条件，基于频谱幅值法的计算效率大幅提高；相比于基于线性轴承力模型的不平衡量识别结果，基于非线性气膜力的转子不平衡量在线识别方法提高了不平衡量识别精度，可准确地识别系统的不平衡量大小和相位，为超高速在线动平衡测试提供依据。

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点阵结构设计制造与疲劳性能研究进展

高壮, 刘雨欣, 朱明亮, 轩福贞

机械工程学报. 2025, 61(3): 347-375. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.347

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轻量化设计是航空航天、汽车、医疗等行业的重要需求，在降低能耗、提高性能等方面具有显著优势，增材制造技术通过逐层添加材料可以实现复杂结构的制造，点阵结构与增材制造技术相结合已成为高性能轻量化结构设计与制造的新思路。然而，增材制造点阵结构在服役过程中往往会受到循环载荷，发生疲劳破坏，结构轻量化与抗疲劳的协同仍是制约新一代航空航天等结构研发的难题。介绍了轻量化设计与制造方法，总结了点阵结构设计与制造技术，综述增材制造点阵结构疲劳性能研究进展，指出设计/制造一体化是增材制造点阵结构抗疲劳的可行路线。

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液体定向自驱动输运结构设计与制造研究进展

唐恒, 谢岩松, 孙亚隆, 伍春霞, 汤勇

机械工程学报. 2025, 61(3): 376-391. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.376

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液体定向自驱动输运结构，是指液体在没有外场作用下，利用液体表面能驱动液体向特定方向移动、铺展或穿透的结构。自然界中的许多生物，如仙人掌、猪笼草、蜘蛛、蜥蜴等，能利用液体定向自驱动输运结构收集或排出水，保障各种生命活动的进行。由于不需要外界额外提供能量，液体定向自驱动输运结构便于实现设备的轻量化，在医学、化工、能源、服装等领域有着广阔的应用前景。对液体定向自驱动输运结构的最新发展和应用进行了全面综述，介绍了液体定向自驱动输运的原理以及在不同温度、湿度环境下的应用，总结了不同的液体定向自驱动输运结构的设计与制造研究进展。最后，概述了液体定向自驱动输运结构的发展现状及面临的挑战，并对未来的研究进行了科学预测和展望。

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结构参数与成形角度对激光粉末床熔融内流道成形质量的影响机制

顾冬冬, 孙婧佳, 朱清杰, 汪瑞, 杨家慧, 张玉玺

机械工程学报. 2025, 61(3): 392-402. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.392

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激光增材制造技术为航空航天领域高性能复杂内流道金属构件的设计与制造提供了新的技术途径。内流道构件因复杂多变的流道结构和成形约束，对激光增材制造一体化成形提出了挑战。以Hastelloy X(HX)镍基高温合金粉末为原材料，采用激光粉末床熔融技术(Laser powder bed fusion，LPBF)成形了圆形截面内流道构件，研究了流道直径与成形角度对内流道成形质量的影响规律，提出了LPBF成形镍基高温合内流道构件成形的优化方法。研究表明，当流道直径增大，成形角度趋于90°时，内流道轮廓尺寸偏差较小，仅为3.35%。当流道直径自0.5 mm升至2.0 mm，内流道X方向实际偏差值自22%降至6.25%；Y方向实际偏差值自16%降至4.75%；成形角度接近垂直平面时，提高了构件的成形致密度(98.8%)。当成形角度自0°增至90°，内流道致密度从96%增至98.8%，表面粗糙度Ra由73.46 μm降至16.11 μm。

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织物基压阻式柔性压力传感器喷射打印成型

肖渊, 童垚, 杨磊鹏, 郭鑫雷, 郭栋源

机械工程学报. 2025, 61(3): 403-410. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.403

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柔性压力传感器是可穿戴智能纺织品的重要组成部分，是实现人体与外界信息交互的关键，电极作为传感器的重要组成，在传感器信号变换中尤为重要。针对现有织物基柔性压力传感器电极制备工艺复杂、与织物集成度不高等问题，提出采用微滴喷射与化学沉积技术相结合在织物表面成形金属电极的方法，以碳纳米管溶液浸染的聚酯布为压阻层，实现织物基柔性压力传感器的制备，对制备的电极及压阻层进行微观形貌观察、传感器性能及应用进行测试。结果表明，生成的银微细颗粒均匀，包覆织物表面，织物金属电极的平均方阻为0.029 Ω/sq；压阻层纤维间存在空隙，具有可压缩性，其表面电阻随碳纳米管溶液浸染次数的增加逐渐减小；该传感器可在0～20 kPa下工作，具有0.316 kPa^-1的高灵敏度，良好的压力、频率响应稳定性及重复性。此外，该传感器可清晰反馈手指按压、手指弯曲、喉结发声及音乐播放信号，在运动监测和医疗健康等领域具有一定的应用前景。

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车载运输振动环境对电弧增材制造碳钢形貌、组织及性能的影响

蔡成恒, 邝伟峰, 李振华, 石学智

机械工程学报. 2025, 61(3): 411-421. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.411

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当前，战场环境增材制造维修保障系统的应用范围和前景已日趋明朗。其中，电弧增材制造技术凭借其高沉积效率和卓越的环境适应性，能够迅速完成修复任务，使装备得以迅速重返战场。然而，在车载移动环境中实现实时制造修复仍是一大技术难题。为探究电弧增材制造在车载移动平台上应用的可能性，对车载振动环境(1.5～5.0 Hz)下制备的低碳钢成形件进行了形貌、组织和力学性能的全面评估。结果表明，随着车载平台振动频率的增加，焊枪和基板的加速度也在不断增加，使得成形试样从形貌良好向成形失败转变，振动频率超过3 Hz后，飞溅和熄弧现象频发。相关性分析表明焊枪振动对成形的影响比基板振动更为显著。稳态下成形试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为489 MPa、385 MPa和0.34；与之相比，较低频率的振动有细化晶粒、提高力学性能的作用，极限抗拉强度可达501 MPa，最大延伸率可达0.35；较高频率的振动则会粗化晶粒、略微降低力学性能，抗拉强度和延伸率降低至483 MPa和0.31；更为严重的是，较高频率振动会导致成形件外观形貌恶化甚至无法顺利成形，从而达不到生产制造要求。总的来说，本研究为在作战部队中实现“随时随地”进行电弧增材制造提供了坚实的实验基础和理论依据。

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激光清洗7075铝合金清洗质量建模及多目标优化研究

王蔚, 李晓旭, 刘伟军, 卞宏友, 邢飞, 王静

机械工程学报. 2025, 61(3): 422-439. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.422

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在激光清洗过程中，由于激光加工的能量参数和运动参数众多，如何保证高效高精度清洗质量的情况下协调控制参数成为了一个难题。为了解决这些问题，设计以工艺参数(激光功率、扫描速度、脉冲频率)为优化变量，清洗后表面粗糙度、氧元素去除率、静态接触角为多目标优化指标的BOX-Behnke design(BBD)响应面试验，建立响应面模型与GA-BP神经网络模型，提出一种基于佳点集与自适应正态分布权重改进的多目标麻雀算法，解决其自身初始种群质量差、易于陷入局部最优解、迭代后期种群多样性较小，局部开发能力不高的问题。进一步对模型进行优化，通过TOPSIS获取的最优工艺参数组合为：脉冲频率2.6 kHz、激光功率 245 W、扫描速度 2 900 mm/s。进行多种算法求解的对比分析及工艺试验，验证算法有效性。结果表明：应用所提出模型与算法进行优化，对比原始样件，其表面粗糙度降低了40.26%，氧元素含量下降了96.97%，静态接触角提高了58.32%，清洗质量显著提升。

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基于SERepVGG-A2的轻量化卷积神经网络在熔池状态识别中的应用

刘翰儒, 陈桂映, 许泽林, 彭世通, 郭嘉楠, 刘伟嵬, 王奉涛

机械工程学报. 2025, 61(3): 440-448. https://doi.org/10.3901/JME.2025.03.440

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针对传统卷积神经网络(Convolutional neural networks, CNN)应用于熔池状态识别时，浅层卷积神经网络无法有效提取熔池特征，而深层卷积神经网络又存在参数量大和冗余度高的问题，提出一种轻量化卷积神经网络(SERepVGG-A2)熔池状态识别方法。首先针对原始熔池图片存在大量无用背景区域的问题，对熔池图片进行感兴趣区域(Region of interest，ROI)提取优化了数据集；接着为了保证模型特征提取能力并同时降低模型的复杂度，提出一种结合残差结构、注意力机制和结构参数重组化的轻量化卷积神经网络模型来识别熔池状态。以Ti-10Mo钛合金定向能量沉积过程中的在线熔池图像数据验证所提方法，结果表明所提的轻量化网络模型不仅能够有效地识别熔池状态，而且比传统的CNN方法具有更高的熔池识别效率。

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2025年, 第61卷, 第3期　
刊出日期：2025-02-05

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