2022年, 第33卷, 第03期　
刊出日期：2022-02-10

  

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机械基础工程
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  运行工况下风电传动系统机电耦合建模及其动态特性分析

  秦大同, 吕雪慧, 陈锐博, 杨战斌

  中国机械工程. 2022, 33(03): 253-260. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.001

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  为研究风电传动系统在变速变载运行工况下的机电耦合动态特性，构建的包括齿轮系统动力学模型、永磁同步发电机有限元模型以及风机运行控制模型的风电传动系统机电耦合模型，计入了齿轮时变啮合刚度以及发电机齿槽效应、磁饱和等非线性因素。仿真分析了风电传动系统在启动、发电运行工况下的动态响应和机电耦合动态特性。研究结果表明：启动工况下，风电传动系统动态响应平稳；发电运行工况下，风电传动系统处于变速变载状态，易被激起低频振荡，动态响应复杂。在发电机齿槽效应、磁饱和等因素作用下，电流和电磁转矩产生由时间谐波和空间谐波引起的主谐波频率波动；经机电耦合作用，齿轮振动特性与发电机电磁特性相互影响，电流和电磁转矩中含有更多与齿轮啮合相关的机械振动频率成分，同时电磁转矩反作用于齿轮系统，激发齿轮系统产生丰富的结构频率。
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  低温切削7075铝合金鳞刺形成规律及抑制措施

  刘枭, 邓文君, 陈海涛, 张保玉

  中国机械工程. 2022, 33(03): 261-269. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.002

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  针对干切削铝合金工件表面易产生鳞刺、表面完整性较差的问题，采用液氮冷却方式在不同切削参数下对7075铝合金进行了正交切削试验，使用扫描电子显微镜和3D光学轮廓仪分别表征了已加工表面形貌、鳞刺分布和鳞刺尺寸，分析了切削速度、进给量、刀具前角和冷却方式（干切削、液氮冷却、切削液）对已加工表面鳞刺分布和尺寸的影响，并基于鳞刺形成理论讨论了切削参数和液氮冷却对鳞刺形成过程的影响。金属层积是鳞刺形成的充分必要条件，通过改善刀屑接触摩擦特性能够抑制鳞刺的形成。试验结果表明，较高切削速度、小进给量和大刀具前角能减小金属层积厚度，抑制鳞刺的形成。低温切削下已加工表面鳞刺分布密度和尺寸均小于常温切削，可得到较为光整的已加工表面。
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  一种基于磁力吸附的储罐爬壁机器人本体设计

  邱仕诚, 伍剑波, 赵恒忠, 王珅, 胡启凡, 颜荣

  中国机械工程. 2022, 33(03): 270-278. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.003

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  对于大型储罐焊缝缺陷自动化检测，爬壁机器人需完成自动化全方位扫查。针对储罐爬壁机器人在不同运行工况下的受力状态，建立爬壁机器人力学模型，分析获得不下滑、不纵向倾覆、不横向侧翻以及复合状态下失稳状态危险点，应用Maxwell软件对永磁吸附轮受力状态进行仿真与优化设计，使之满足吸附要求。同时，设计具有辅助吸附功能的编码轮结构，在反馈位置信息的同时，补充安全吸附力的裕度，以增加其越障和抗失稳能力。最后，依据设计模型制造出爬壁机器人本体并进行测试实验，实验结果证明该机器人能在各种危险点处实现带负载稳定全向驱动运行。
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  基于流体自激的磨料水射流加工仿真与实验

  邓乾发, 汪杨笑, 袁巨龙, 吕冰海, 赵天晨, 王旭,

  中国机械工程. 2022, 33(03): 279-289. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.004

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  针对先进陶瓷材料的高效、精密加工，提出了一种基于流体自激的新型磨料水射流加工方法——自激振荡磨料水射流加工(SEO-AWJM)。采用ANSYS Fluent大涡模拟模型进行了流体仿真，仿真结果表明：当入口流速为135 m/s，腔长为4 mm时，下游喷嘴出口脉冲率最大达到28.47%。射流束的脉冲特性使得工件表面停滞层周期性变化，从而获得更高的峰值壁面剪切力，且该力在工件表面往复移动。通过SEO-AWJM实验，调节腔室长度获得最佳流体自激效果并对氮化硅基片进行加工。实验结果表明：定点加工10 min，使用磨料水射流加工去除最大深度为7.5 μm，使用SEO-AWJM去除最大深度为9.4 μm。初始表面粗糙度Ra为108.9 nm，磨料水射流加工6次后，Ra达到稳定值47.9 nm，SEO-AWJM加工4次后，Ra达到稳定值51.3 nm。
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  基于深度代理模型的叉车臂架液压系统设计优化

  林景亮, 黄运保, 李海艳, 周胜, 黄泽英

  中国机械工程. 2022, 33(03): 290-298. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.005

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  为了提升利用微调构造的深度神经网络代理模型（又名深度代理模型）的性能，提出了一种主动闭环蒙特卡罗试验设计方法，通过费雪尔信息矩阵将设计点与模型梯度关联，并利用乘法算法求解，然后引入随机离散蒙特卡罗算法进行闭环采样，使得设计点具有覆盖整个设计空间的统计学特性。基于该方法，利用多层感知器建立了某伸缩臂叉车臂架动作特性深度代理模型，并结合最小预测和预期改善，实现了液压控制系统的设计优化。实验结果显示：与当前基准相比，提出的方法所需仿真数据减少了64.3%；优化后叉车臂架变幅缸压力波动更加平稳，且最大值减小了46%。
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  聚晶金刚石刀具的断屑槽尺寸参数设计

  迟剑英, 于爱兵, 吴毛朝, 袁建东, 陈秋洁, 孙磊

  中国机械工程. 2022, 33(03): 299-309. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.006

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  为解决聚晶金刚石（PCD）刀具在铝合金材料切削过程中的切屑缠绕问题，在PCD刀具的前刀面上设计了断屑槽。通过对切屑受力过程和断屑槽断屑机理的分析、切削几何关系的推导和有限元切削仿真实验，提取了5个PCD刀具断屑槽参数，即棱带宽度、倾角、反屑角、槽宽和反屑面转角。建立了PCD刀具断屑槽棱带宽度和反屑角的计算公式；改进了槽宽的计算公式；确定了倾角和反屑面转角的取值范围。结合5个断屑槽参数的求解过程，提出了PCD刀具断屑槽尺寸参数的设计方法。应用激光在PCD刀具前刀面加工出断屑槽，通过铝合金材料的切削实验对所设计的PCD刀具断屑槽的断屑效果进行验证，实验结果表明，所设计的PCD刀具断屑槽能够扩大刀具断屑的切削用量范围，具有良好的断屑效果。
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  局域共振型隔振系统的低频振动特性分析

  高晟耀, 郭彭, 周奇郑

  中国机械工程. 2022, 33(03): 310-317,347. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.007

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  为有效降低基体低频振动对精密仪器测量精度的影响，提出了周期布置吸振器的减振方式。建立了基体-隔振设备-吸振器系统的动力学模型，利用模态叠加法导出了系统耦合振动方程的解析解，并用有限元法进行了验证。获得了吸振器数量、参数对系统低频振动特性的影响规律，在吸振器总数一定的情况下，将其划分为包含不同数量振子的周期元胞。以低频段设备振幅最大值的0.7倍和平均值的0.3倍之和为目标函数，利用粒子群算法对元胞中振子的参数进行了优化。结果表明，在目标频段，解析解与有限元解之间的相对误差分别为4.39%和2.98%；在目标频段，针对单振子元胞，采用5个吸振器减振性能最优，减振效率为11.34%，吸振器质量比、固有频率比、阻尼比分别在0.16、0.8、0.18附近取值时减振性能最优，减振效率分别为10.46%、8.69%、12.20%；优化后的单振子、双振子、三振子元胞的减振效率可分别达到12.45%、18%、18.3%。
智能制造
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  基于多源异构数据的数控铣削表面粗糙度预测方法

  李聪波, 龙云, 崔佳斌, 赵希坤, 赵德

  中国机械工程. 2022, 33(03): 318-328. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.008

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  针对传统数控铣削表面粗糙度预测模型泛化性差、精度较低等问题，提出了一种基于多源异构数据的数控铣削表面粗糙度预测方法。获取变工艺条件下数控铣削的工艺参数、刀具直径及工件材料等静态数据和振动信号、力信号及功率信号等动态数据；采用粒子群优化算法(PSO)优化卷积神经网络(CNN)的网络结构参数得到PSO-CNN；运用PSO-CNN自适应提取动态数据特征并对静态数据特征进行人工提取，再通过浅层神经网络融合动、静态数据等多源异构数据的特征，建立变工艺下的表面粗糙度预测模型；通过不同模型的预测性能对比试验，验证了该方法的优越性，并以两个工件加工过程为例，验证了该方法的有效性。
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  基于长短期记忆近端策略优化强化学习的等效并行机在线调度方法

  贺俊杰, 张洁, 张朋, 汪俊亮, 郑鹏, 王明

  中国机械工程. 2022, 33(03): 329-338. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.009

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  针对等效并行机在线调度问题，以加权完工时间和为目标，提出了一种基于长短期记忆近端策略优化（LSTM-PPO）强化学习的在线调度方法。通过设计融合LSTM的智能体记录车间的历史状态变化和调度策略，进而根据状态信息进行在线调度。设计了车间状态矩阵对问题约束和优化目标进行描述，在调度决策中引入额外的设备等待指令来扩大解空间，并设计奖励函数将优化目标分解为分步奖励值实现调度决策评价。最后基于PPO算法进行模型更新和参数全局优化。实验结果表明所提方法优于现有的几种启发式规则，并将所提算法应用于实际车间的生产调度，有效减小了加权完工时间和。
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  基于重定位的叶片机器人磨抛系统手眼标定算法

  吕睿, 彭真, 吕远健, 田林雳, 朱大虎

  中国机械工程. 2022, 33(03): 339-347. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.010

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  针对叶片机器人磨抛系统中手眼标定存在人工误差、二次误差等因素导致标定精度差等问题，提出了一种基于“重定位”的手眼标定算法。以拍照式三维扫描仪为标定对象，分析机器人手眼标定数学模型，提出利用标准球在机器人末端坐标系中绕工具中心点做定点变位姿运动的标定方案。通过最小二乘法计算扫描仪坐标系下的“重定位”中心坐标，并根据多空间点四元数耦合方法，同时完成平移和旋转矩阵的标定，进而得到扫描仪坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵。手眼标定和叶片磨抛实验结果表明，所提算法的球拟合半径较标准球半径偏差降至0.068 mm，较现有算法标定误差降低至少38%，同时磨抛后的叶片表面粗糙度Ra平均值由磨抛前的2.5 μm降至0.273 μm，型面误差在±0.08 mm以内，满足叶片制造工艺要求，从而验证了所提标定算法的有效性和准确性。
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  基于图像深度学习的零件加工特征信息提取方法

  张胜文, 周曦, 李滨城, , 程德俊, , 陈文笛

  中国机械工程. 2022, 33(03): 348-355. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.011

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  针对各类基于模型定义（MBD）的零件模型加工特征的信息集成问题，提出一种多层次提取架构的加工特征全息信息提取方法。通过对零件的结构特点进行分析，以具有制造语义且无法拆分的最简化特征实现加工特征的分类；在阐述提取策略的基础上，构建了基于深度学习图像识别技术的加工特征分类器；依据MBD模型信息标注的特点快速定位、抽取加工特征的拓扑结构，并利用多角度捕捉降维方法将加工特征彩色图像化，在此基础上设计了加工特征多角度图像识别综合分析方法；基于查询视图对MBD模型的标注信息进行过滤，构建了加工特征几何信息双层过滤式提取方法。最后开发了加工特征全息信息提取软件，并以船用柴油机关键件为实例验证了该方法的有效性。
服务型制造
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  面向生产过程管控的数据建模、集成与存储技术

  孙云, 江海凡, 丁国富

  中国机械工程. 2022, 33(03): 356-365. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.012

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  针对生产过程管控系统在实施过程中存在的统一数据模型缺乏、多种通信接口难以维护、传统存储架构性能低下等问题，在分析生产过程数据特性的基础上，基于EXPRESS-G图构建了车间统一数据模型，基于通信适配层实现了多种通信协议的集成与维护，基于Redis-MongoDB-HDFS架构实现了大规模生产数据的高性能存储。以某柔性制造单元生产管控系统的实施为例，验证了所提方法的有效性和可行性。
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  工序关联下考虑主体心理感知的复杂产品设计变更决策优化

  邢青松, 梁闯, 梁学栋

  中国机械工程. 2022, 33(03): 366-377. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.013

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  基于设计结构矩阵的工序耦合分析难以有效地解决复杂产品设计变更中工序关联解耦、设计再调整、设计资源再配置等多主体决策优化问题，且将主体作为完全理性行为人的决策优化理论与具体实践亦偏差较大。对此，提出了工序关联下考虑主体心理感知的复杂产品设计变更决策优化方法。运用前景理论构建以设计主体对工序重复执行和设计变更延期心理感知扰动最小为目标函数的复杂产品设计变更决策优化模型；采用工序与设计主体相结合的双层编码方法，提出了基于事件与周期的自适应多目标动态调度算法；最后，通过算例仿真的对比实验及结果分析，验证上述决策模型与方法在不同情况下的合理性和有效性。