2021年, 第32卷, 第18期　
刊出日期：2021-09-25

  

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机械基础工程
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  化学机械磨削技术研究现状与展望

  任莹晖, 周家恒, 李伟, 周志雄, 李陈方

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2143-2152. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.001

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  化学机械磨削能通过化学机械协同过程实现单晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超精密高质低损加工，被广泛应用于半导体以及光学等领域器件的平坦化加工。在综述化学机械磨削技术材料去除机理、磨削工艺以及复合加工工艺等方面研究现状的基础上，对上述研究现阶段存在的问题进行了分析讨论。分析表明，从固固相化学反应机制和化学机械协同效应角度揭示化学机械磨削机理，有助于从材料去除机理、磨具结构设计以及复合加工工艺开发等角度创新得到提高该技术加工效率的可行性方法。最后，对化学机械磨削技术在多样化加工对象、较复杂结构加工、多能场复合加工工艺以及智能数据库开发等方向的发展进行了展望。
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  基于优化特征的集成变量预测模型及其应用

  刘小峰, 谭奇, 叶蓉婷

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2153-2158，2164. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.002

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  针对传统基于变量预测模型的模式识别方法在小样本情况下识别精度较低的问题，提出一种基于递归量化特征优化选择的集成变量预测模型（EVPM）。该模型采用递归量化分析对被分析信号进行特征提取，在交错式最大权值最小冗余规则下选择权重高且冗余度低的优化特征子集，引入高斯函数、径向基函数、广义回归函数建立特征变量间的复杂非线性关系模型，根据各模型的拟合误差进行自适应加权集成。实验结果表明，基于优化特征EVPM的模式识别方法即使是在小样本的情况下也能够有效地进行滚动轴承故障类型与故障程度的自动识别，且在精度和稳定性上明显优于同类型传统方法。
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  磨料有序排布电镀砂轮的制备及其把持力研究

  赫青山, 杨天标, 刘天立, 赵延军, 崔仲鸣

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2159-2164. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.003

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  为解决电镀砂轮磨削加工中容屑空间不足的问题，采用点胶微粘接的方法制备了磨料有序排布的电镀砂轮，分析了磨料粘接效果和镀层力学性能。通过SEM分析了磨料/镀层/导电胶的结合界面，并进行了干磨削试验。研究结果表明，直径约为磨料粒径40%的胶点可粘接住磨料，单个胶点上粘接多颗磨料的占比小于6%；双脉冲电镀工艺制备的镀层显微硬度大于500HV，表层残余应力小于100MPa，磨料/镀层/导电胶之间的界面贴合紧密，无明显缺陷；砂轮在磨削时没有出现磨料脱落现象。
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  高紧凑性交叉斜盘式功率传输机构的特性

  张雷, 徐海军, 张湘, 徐小军, 邹腾安

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2165-2174. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.004

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  为提高朗肯循环中膨胀机的密封性能及功率密度，设计了一种交叉斜盘式功率传输机构来消除活塞与气缸之间的侧向力。建立了交叉斜盘机构的数学模型，分析了机构直线驱动活塞原理及高功率密度实现原理。在此基础上，建立缸内热力学模型，分析缸内气压随主轴转角的关系，并进行了数值计算和仿真分析。通过分析交叉斜盘机构传动过程中的摩擦损耗，研究了机构功率传输特性，进行了气动及电机拖动实验，实验结果与仿真结果基本一致。
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  基于差齿面拓扑的轮齿承载拟赫兹接触分析

  魏冰阳, 李家琦, 王文胜,

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2174-2180. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.005

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  基于齿条曲面多项式与齿轮公切共轭产形原理，建立了数值齿面、差齿面ease-off模型；通过ease-off曲面映射，解析了齿面接触路径、传动误差、接触线等轮齿啮合特性信息。利用势能法、变形协调方程与拟赫兹接触分析解决了齿面载荷计算、边缘接触应力求解问题，获得了轮齿啮合刚度、传动误差、齿间载荷分担、载荷分布、接触应力等齿面啮合的时变历程特性。计算结果与第三方软件的计算结果具有较好的一致性。
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  毫米波雷达与视觉传感器信息融合的车辆跟踪

  胡延平, 刘菲, 魏振亚, 赵林峰

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2181-2188. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.006

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  为提高车辆前向防碰撞预警系统对前方道路环境感知的准确性，提出一种毫米波雷达与视觉传感器信息融合的车辆跟踪方法。提出的剔除雷达干扰目标算法缩短了对干扰目标的处理时间；提出的对称检测算法可对雷达目标兴趣区域进行对称检测，减小雷达目标兴趣区域的横向位置误差；提出的KCF-KF组合滤波算法可提高跟踪车辆的精度。实车试验表明，该方法可有效跟踪车辆位置信息，像素坐标系下的X、Y坐标跟踪准确率分别超过97.34%与95.19%。
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  采用自适应滑模变结构控制的精冲机双驱动协调控制系统

  刘艳雄, , 王根聚, 华林, 赵新浩,

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2189-2196. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.007

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  针对机械伺服高速精冲机在双电机联合驱动过程中运动不协调的问题，提出了一种基于自适应滑模变结构控制的双电机协调运动控制策略。将滑模变结构控制引入伺服电机运动控制中，并利用模糊算法对滑模控制参数进行优化，在提高系统鲁棒性的同时降低抖振。不同于传统动力学分析中将传动系统结构简化为刚体，对精冲机建立了刚柔耦合的传动系统动力学模型。仿真结果表明，提出的控制策略可使主电机在冲压阶段提供冲裁力，使副电机通过肘杆连接实现滑块空程阶段的快速回程，满足精冲机的设计和使用要求。
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  喷嘴结构对角接触球轴承油气润滑中气帘效应的影响

  王保民, 白晨, 南洋, 吴艳

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2197-2202. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.008

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  针对角接触球轴承油气润滑中的气帘效应问题，基于气液两相流理论，构建了轴承腔内油气两相流的数值分析模型，分析了轴承腔内气帘效应的形成机理及影响因素，对比分析了5种喷嘴结构对气帘效应的影响。结果表明：在高速工况下，内圈与滚动体接触区附近产生的气帘效应阻止润滑油到达润滑点；气帘效应随轴承转速的升高而加剧；使用D型喷嘴结构时，气帘效应的影响最小，滚动体接触区附近油相的体积分数最大，轴承润滑效果最佳。
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  线性液动压抛光流场的剪切特性研究

  文东辉, 许鑫祺, 郑子军

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2203-2210，2216. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.009

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  以动压润滑理论为基础，推导了线性液动压抛光的流场剪切力数学模型。借助FLUENT软件研究了流场底面的剪切力分布，通过单因素控制变量试验探究了各参数对剪切力的影响规律，灵敏度从高到低依次为：抛光间隙、抛光液黏度、抛光辊子转速、抛光辊子半径。以正交试验结果为训练集，建立了基于支持向量回归（SVR）的剪切特性预测模型，相关系数为98.35%、均方误差为3.44×10-3。最后计算了剪切力理论值。对比发现，数值模拟和理论计算误差在15%以内；不同参数组合下剪切力分布趋势相同；SVR预测模型可信度高。
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  可调泊松比圆弧星型结构的参数化设计

  刘海涛, 王彦斌, 张争艳,

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2211-2216. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.010

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  在传统星型结构中加入圆弧杆，设计出一种可调泊松比圆弧星型结构，解决了结构受载时存在的应力集中问题，提高了结构的可制造性。运用能量方法推导出该结构在不同参数下的泊松比。通过有限元仿真及3D打印技术制备试件的实验验证了理论的正确性，讨论了各参数对结构泊松比的影响，可根据所需性能选取不同的几何参数来满足工程需要。
智能制造
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  机器人磨抛力柔顺控制研究进展

  葛吉民, 邓朝晖, 李尉, 李重阳, 陈曦, 彭德平

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2217-2230,2238. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.011

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  低成本、高灵巧度机器人在磨抛领域中的应用越来越广，而对机器人磨抛力的柔顺控制是降低工件表面粗糙度、获得高形状精度和表面完整性的关键。综述了国内外学者在机器人磨抛力主动柔顺控制策略、被动柔顺控制装置、主被动柔顺控制方法等方面的主要研究成果，分析了各种典型控制方法的原理及实现过程，比较了各方法的优缺点，并指出了目前研究存在的问题。最后总结了关键技术难点并展望了发展趋势。
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  基于改进高斯随机测量矩阵的切削力信号压缩感知方法

  吴凤和, 张宁, 李元祥, 张会龙, 郭保苏,

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2231-2238. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.012

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  高速加工过程中，依据传统Nyquist-Shannon采样定理进行信号采集通常会面临海量数据的存储、传输和处理难题。基于压缩感知理论提出了一种切削力信号采集新方法，实现信号压缩式采集。选择高斯随机矩阵作为基础测量矩阵，并结合近似正交三角分解和最小相关系数法对高斯随机矩阵进行重新设计，提高其压缩测量性能，再借助高效的压缩采样匹配追踪算法从测量值中恢复得到原始切削力信号。实验结果表明，改进的高斯随机测量矩阵具有更高的重构精度和稳定性，所提出的压缩感知方法在保证切削力数据重构效率和精度的同时，显著减少了数据量。
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  行驶时间区间不确定的装配线物料配送路径规划

  张家骅, 李爱平, 刘雪梅

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2239-2246. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.013

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  为解决装配线物料配送中车辆行驶时间不确定导致物料不能及时送达的问题，提出行驶时间区间不确定的路径规划方法。不确定行驶时间由区间数表示，采取鲁棒优化方法，引入路径相关不确定参数，以最小化车辆行驶距离为目标，考虑三维装载和时间窗约束，建立装配线路径规划模型，并设计了一种混合遗传算法求解模型。算法中，采用锦标赛选择避免适应度值转换，设计一种离散莱维飞行提高算法搜索性能，通过与不同算法对比，表明了该算法的有效性。最后以变速器装配线物料配送路径规划问题为例，通过该方法得到了不同不确定程度下的路径方案，使用蒙特卡罗方法分析了不同方案抵抗不确定行驶时间的能力。
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  直驱式四足机器人的结构优化设计与研究

  刘明源, 陈平, 马建设

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2246-2253. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.014

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  设计了一种直驱式四足机器人。基于弹簧倒立摆模型建立了腿部刚度特性模型，分析了腿部杆长比、姿态角与刚度特性的关系，讨论了杆长比对能量利用效率的影响。对五杆同轴腿进行正向运动学和逆向运动学的分析，推导出位置控制算法模型，并利用雅可比矩阵推导出腿部驱动电机输入电流与足端受力的关系。对搭建的直驱式四足机器人进行奔跑实验和跳跃实验，验证了该机器人结构设计的合理性。
工程前沿
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  滚动直线导轨副的滚道中心距误差与承载性能的关系

  梁医, 王旭东, 王晓艺, 冯健文, 冯本哲, 欧屹, 冯虎田

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2254-2261,2267. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.015

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  静刚度和摩擦力作为导轨副关键承载性能指标，直接影响导轨副的运动精度及工作状态。基于赫兹接触理论，建立了滚道中心距误差与导轨副摩擦力和静刚度的模型，并结合理论计算模型与控制变量试验研究了导轨、滑块滚道中心距误差及滚珠过盈量对承载性能的影响规律，对比分析了滚道中心距不同误差情况下的摩擦力和静刚度。研究结果表明，静刚度相对误差为2.46%～8.20%，摩擦力相对误差为0.42%～11.33%。理论仿真值和试验实测值的一致性较好。
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  采用多目标进化算法的列车碰撞能量配置方案优化

  吕天一, 肖守讷, 朱涛, 张敬科, 王小瑞, 李玉如, 阳光武, 杨冰

  中国机械工程. 2021, 32(18): 2262-2267. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.016

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  为研究列车碰撞过程中车钩缓冲装置的阻抗力对列车碰撞能量吸收的影响，建立了列车纵向碰撞的动力学模型。以最大平均加速度、最大瞬时加速度、车体最大塑性变形量为优化目标，以车钩的阻抗力为优化参数，通过NSGA-Ⅱ算法得到了最优解集合，随后建立针对优化目标的综合评价体系并选取最优解。优化后列车的碰撞加速度相较优化前有所减小的原因是车辆两端界面力差值较小。