2021年, 第32卷, 第21期　
刊出日期：2021-11-10

  

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机械基础工程
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  机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的研究进展

  张建勋, 姚斌, 代煜, 夏光明,

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2521-2531. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.001

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  为了推动机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的深入研究和临床应用，综述了其研究进展。针对有传感器的力感知，将其分为基于电信号和基于光信号两类，分析了传感器在手术器械上的位置分布、机械结构、测量范围、测量精度和电磁兼容性等关键指标，并讨论了其优势和局限；针对无传感器的力感知，将其分为基于视觉和基于动力学模型两类，并分析了其实现方法、技术障碍和误差来源。最后，展望了机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的发展趋势。
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  模型驱动复杂机电系统软件与物理并行概念设计

  曹悦, 吴凌九, 秦绪佳, 陈佳舟, 刘玉生

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2532-2541. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.002

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  并行设计是机电一体化系统概念设计的重要发展趋势，而软件作为复杂机电系统的重要组成部分，其早期设计通常与物理子系统串行开展，这极大限制了软件设计空间并导致严重的早期设计缺陷。为在复杂机电系统概念设计阶段实现软件与物理子系统的并行设计，提出了一种基于SysML的模型驱动软件与物理并行概念设计方法。将基于流的物理功能表示与基于数据/控制流图的软件功能表示相结合，提出了基于SysML的混合功能模型，通过该模型驱动软件与物理子系统设计的并行开展。在物理设计方面，基于功能效应匹配及时序规则模板实现带隐含时序约束的工作原理检索与筛选；在软件设计方面，基于分布式控制应用设计模式提出软件组件及其行为模型自动生成方法。最后，以移动机器人系统为例，展示了复杂机电系统软件与物理并行概念设计过程。
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  刮板输送机仿生条纹型中部槽耐磨性试验研究

  李娟莉, 刘朝阳, 李博, 麻豪洲, 赵保林,

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2542-2551，2561. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.003

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  为了提高刮板输送机中部槽的耐磨性，以扇贝壳及穿山甲鳞片的非光滑条纹结构为仿生原型设计了仿生中板。以磨损深度为响应值，基于单因素法和响应面法进行磨损分析，探究耐磨仿生的最优结构参数，结果表明：显著性影响由大到小依次为宽度、宽高比、节距，条纹宽高比与条纹宽度的交互作用最为明显；在特定工况（煤颗粒粒度6~8 mm、载荷20 N、刮板链链速0.65 m/s）下，条纹型结构的最优耐磨参数组合为：宽高比4.94，宽度1.81 mm，节距6.33 mm。对最优参数组合下的条纹中板与光滑中板的耐磨性进行仿真和试验对比，结果表明：最优耐磨参数组合下的条纹中板具有良好的耐磨性能，与光滑中板相比，磨损质量减小78.54%。分析其耐磨机理发现，条纹凸体对煤散料的流动具有分流和导向作用，缓解了中板表面的受力，使磨损深度减小。
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  基于法向量区域聚类分割的点云特征线提取

  史红霞, 王建民

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2552-2561. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.004

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  针对逆向工程领域中散乱点云模型过渡线及细节特征线提取不完整问题，提出一种法向量区域聚类的特征线提取方法。采用自适应邻域的主成分分析法估算模型的法向量，利用萤火虫算法优化的模糊C均值聚类算法对法向量的进行聚类实现模型的有效分割。构造点集剔除与合并准则从各分割块边界点集中析取候选特征点，再以局部邻域主轴方向为基准提取特征点。实验结果表明：简单模型的特征线基本可准确完整提取，相对复杂模型的特征线数量提取率可达90%，长度提取率达到了85%。算法具有良好的自适应性和准确性，能有效提取点云模型尖锐特征和细节特征，并尽可能多地保留模型过渡特征。
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  面向切屑形成过程的瞬时滚削力模型研究

  丁国龙, 叶梦传, 向华, 杨春兰

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2562-2570. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.005

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  建立滚齿加工的时变滚削力模型是优化滚齿加工工艺参数、减少滚削力波动、提高加工精度的前提，面向滚齿切屑形成过程建立时变滚削力模型是提高建模精度的最直接的物理方法。针对干切滚齿的切屑形成过程，建立滚刀前刀面运动模型，利用MATLAB生成刀齿运动轨迹的动态链接库。基于SolidWorks进行三维布尔运算，提取未变形切屑几何特征，开发切屑几何模型动态链接库。通过C#调用MATLAB和SolidWorks动态链接库，实现三维运动仿真，进而构建多齿瞬时滚削力模型。通过YK3216CNC滚齿机进行样件加工，结合HNC-SSTT软件进行全行程电流检测，间接测量瞬时滚削力。仿真加工的瞬时滚削力与实测滚削力变化趋势基本一致，表明该模型合理、有效。
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  冗余混联式钻铆机床姿态调整轨迹优化

  潘国威, 陈文亮

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2571-2576，2589. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.006

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  针对混联式自动钻铆机床因冗余自由度导致钻铆姿态多样化的问题，提出了一种基于动态规划的姿态调整轨迹优化方法，该方法通过离散化钻铆点姿态的可行解空间来构建姿态调整轨迹的全连接层模型，采用动态规划方法计算姿态调整的最优轨迹。分析了钻铆过程中的冗余自由度，基于旋量方法给出了逆运动学解。阐述了壁板钻铆姿态调整轨迹优化原理，以系统能量消耗最小为优化目标，给出了笛卡儿空间姿态调整最优轨迹，将其映射到关节空间进行关节运动轨迹光顺。实验验证表明所提方法有效，可提高飞机壁板钻铆效率。
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  基于采蜜机制的正弦余弦算法及其在机械优化设计中的应用

  王联国, 刘小娟

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2577-2589. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.007

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  针对标准正弦余弦算法（SCA）在求解函数优化问题时存在局部开发能力差、收敛速度慢和求解精度低等问题，提出了一种基于采蜜机制的正弦余弦算法（SCAHGM）。首先，更改参数r2、r3、r4的位置，使每个个体采用相同的参数r1、r2、r3和r4，按幂递减函数自适应调整参数r1，并动态调整参数r3，减少随机性，提高算法搜索效率；其次，利用贪婪选择策略、采蜜蜂算子、侦察蜂算子，加快算法收敛速度，提高算法优化精度，增加种群多样性，防止算法陷入局部最优；然后，在算法迭代过程中，以一定概率交替执行正余弦算子或采蜜蜂算子，更好地平衡算法的全局探索与局部开发能力。最后，选取23个标准测试函数进行仿真实验，结果表明SCAHGM算法较标准SCA、改进SCA和其他元启发式算法具有更佳的寻优性能，并通过优化2个机械设计实例，验证了SCAHGM算法的可行性和适用性。
智能制造
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  基于改进RRT*FN算法的机械臂多场景运动规划

  房立金, 吴政翰, 王怀震

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2590-2597. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.008

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  针对固定节点数的渐进最优快速扩展随机树(RRT*FN)算法精度低、对环境缺乏适应性等问题，提出了一种改进RRT*FN的机械臂运动规划算法。在迭代过程中，结合目标偏向随机采样和椭球子集采样的优势，构造新的启发式方法对采样区域进行约束，从而保证搜索路径更优。在扩展节点时，配置树中总节点数的预设值，并通过加权方法对树中叶子节点进行删减，避免了树规模的无限增长。在动态环境下，采用对节点剪枝与连接的启发式重规划方法，有效提高了对动态环境的适应能力。实验结果表明，该算法在规划过程中收敛速度更快，效率更高，具有较强的环境适应性。
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  焊枪头与钣金件空间间隙的自动检查

  董玉德, 吴文哲, 陈健, 吴海江, 邹文俊

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2598-2605. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.009

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  针对车身三维模型中焊枪头与焊点附近的钣金件之间空间间隙检查过程复杂、检查结果不准确等问题，提出了焊枪头与钣金件空间间隙的自动检查方法。在特征识别算法和包围盒技术的基础上获得焊点特征、钣金件特征和螺母特征等分析要素；基于三维模型的投影算法和距离测量算法计算钣金件的拓扑面与虚拟焊枪之间的距离，与安全阈值比较，筛选出与焊枪发生干涉的危险平面、孔和螺母；对焊接空间不足的焊点进行标注并截图。利用二次开发环境所提供的函数库编程实现了上述算法，通过运行实例以及企业的实际使用，验证了自动检查系统的可行性。
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  预防维护下装配线平衡的多目标重启变邻域搜索算法

  赵联鹏, 唐秋华, 张子凯, 蒙凯,

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2606-2616. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.010

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  针对预防维护下的装配线平衡问题，提出了一种带有重启策略的多目标变邻域搜索算法，以优化正常工作、设备维护情形下的节拍与工序调整。算法结合启发式与随机方法得到较优初始解；设计并筛选出寻优能力较强且具有互补性的四类邻域算子及其搜索策略，以更好地进行全局探索与局部开发。为促进Pareto前沿推进，提出了一种具有自适应能力的重启算子，以便根据问题规模调整重启代数阈值、参考寻优进程扩大搜索空间。该算法机制简单且无固定参数，实验结果表明该算法能够获得具有竞争性的非支配解集。
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  基于增强深度自编码网络的滚动轴承故障诊断方法

  童靳于, 罗金, 郑近德

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2617-2624. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.011

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  为了提高深度自编码网络的特征挖掘能力，自适应地选取网络超参数，提出了一种增强深度自编码网络，并将其应用于滚动轴承故障诊断。采用最大相关熵代替均方误差作为自编码器的损失函数，加入稀疏惩罚项和嵌入非负约束因子的收缩惩罚项，进一步减小重构误差；通过灰狼优化算法自适应地选取网络关键参数。实验分析结果表明，与现有方法相比，该方法具有更强的特征提取能力与稳定性，对变工况下的轴承振动数据也能达到较高的识别精度。
工程前沿
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  双盘直槽研磨圆柱滚子稳定自转条件分析与试验

  何庆顺, 何春雷, 陈光, 刘伟峰, 邓晓帆, 任成祖

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2625-2634. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.012

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  为解决双盘直槽研磨方法中圆柱滚子稳定自转问题，对研磨状态下的圆柱滚子的自转运动进行理论分析，计算获得滚子实现稳定自转运动的条件。设计了一种电磁研磨盘，引入电磁力以增大驱动滚子自转的摩擦力矩，改善滚子的自转条件。对电磁研磨盘的磁路进行参数化设计和电磁仿真优化,并制作出电磁研磨盘实物，仿真分析和试验结果都表明所设计的电磁研磨盘能够对圆柱滚子提供足够大且分布均匀的电磁吸力。在自制的试验台架上对12 mm×18 mm圆柱滚子进行研磨试验，验证了自转条件的正确性。经过60 min研磨，圆柱滚子的圆度误差由2.55 μm减小到0.63 μm，形状精度得到显著提升。
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  带壁厚偏差管大变形推压缩径端部周向褶皱研究

  刘恒, 王连东, 谭启莹, 王晓迪, 宋希亮

  中国机械工程. 2021, 32(21): 2635-2645. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.013

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  无缝钢管推压缩径生产中的端部内壁周向褶皱会严重影响制件质量。通过测量无缝钢管壁厚，发现壁厚沿周向分布存在薄厚交替性变化规律；通过建立带壁厚偏差管推压缩径力学模型，分析管坯在减径、圆角及出口区的应力及变形特征，得到端部周向褶皱的生成机理。进行不同壁厚偏差管四道次推压缩径试验，结果表明端部不平度均大于初始不平度、定径区不平度均小于初始不平度，与理论分析吻合；总结了壁厚偏差和缩径道次对不平度、相对不平度的影响规律，并给出了产生周向褶皱的工艺参数范围。建立内表面为周期性正弦变化、外表面为圆形的壁厚偏差管几何模型，模拟出周向褶皱的生成与发展过程，得到壁厚、相对不平度在缩径各阶段的演变规律，模拟结果与理论分析吻合、与试验结果趋势一致。采用推压-拉拔缩径，可以大幅降低端部不平度和翘曲，有效提高成形质量。