2022年, 第33卷, 第22期　
刊出日期：2022-11-25

  

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机械基础工程
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  一种基于数字孪生的重型数控机床碰撞检测方法

  江雪梅, 袁子航, 娄平, 张小梅, 严俊伟, 胡辑伟,

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2647-2654，2663. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.001

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  目前数控机床碰撞检测通常利用系统的仿真功能对加工G代码进行检测，仅考虑数控机床加工过程中加工轨迹上刀具与理想状况下的工作台、夹具之间是否有干涉现象，难以满足开放式重型数控机床动态的加工环境、装夹方式以及刀具尺寸变化等实际情况。将数字孪生引入重型数控机床碰撞检测，构建了感知演化预测反馈的碰撞检测框架，即通过构建数控机床的数字孪生体，动态感知工件、夹具、刀具等加工要素，并感知数据驱动孪生模型演化，从而预测数控机床加工过程中潜在的干涉现象，提高了机床加工效率，避免加工过程的潜在危害。将所提方法应用于重型数控龙门镗铣机床ZK5520的碰撞检测，证明了其有效性与可行性。
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  运动学约束下直线转角非对称平滑加工规划

  何昱龙, 琚长江, 杨根科, 王成光 ,

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2655-2663. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.002

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  为实现数控加工中直线转角处的连续平滑进给，提出了一类直线转角的非对称平滑加工规划方法。针对转角初末速度、加速度大小不同的情况，考虑直线转角处的运动学约束和几何误差约束，并将高次转角模型求解化简为线性规划问题，可直接解算转角参数，实现进给速率平滑与刀具轨迹平滑的同步规划，提高规划效率与加工效率。与对称转角平滑的仿真对比实验结果表明，所提方法在保证加工过程平稳的情况下效率与精度有所提高，运动平台样机实验验证了该方法的可行性。
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  车轮踏面不圆顺对高速列车轮轨界面黏着与车轮表面损伤的影响

  沈明学, 容彬, 李圣鑫, 赵火平, , 季德惠, 熊光耀

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2664-2672,2683. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.003

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  在JD-DRCF/M型滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了有/无偏心车轮配副的轮轨滚滑接触摩擦学试验，对比分析了一阶不圆顺车轮和正常圆顺车轮对轮轨界面黏着、车轮表面损伤与滚动接触疲劳特性的影响。结果表明：车轮不圆顺会显著减小轮轨间黏着系数，湿态下不圆顺车轮的轮轨黏着系数不足0.2，影响列车安全运行和牵引效果；车轮不圆顺明显加剧了钢轨磨耗，同时导致车轮沿周向的表面损伤表现出显著差异。具体来说，凸起侧附近疲劳剥落和撕裂断口特征最为明显；迎向凸起侧较背向凸起侧表面剥落更严重、疲劳裂纹扩展角更大；迎向凸起侧表面点蚀现象相对明显，背向凸起侧车轮表面黏着层堆积严重；此外，随着车轮滚动半径rθ由最小值到最大值再到最小值循环变化，不圆顺车轮沿周向的表面粗糙度、表面硬度和塑性变形层厚度大致均呈先逐渐增加、经过凸起侧附近后又逐渐下降的趋势。
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  四轮驱动电动汽车质心侧偏角与轮胎侧向力非线性鲁棒融合估计

  王凡勋, 殷国栋, 沈童, 任彦君, 汪䶮, 冯斌

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2673-2683. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.004

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  针对四轮驱动电动汽车质心侧偏角和轮胎侧向力难以直接测量的问题，考虑系统未建模的动态特性、模型参数摄动、系统过程噪声及测量噪声等因素，提出了一种基于遗忘因子递归最小二乘法(FFRLS)与鲁棒容积卡尔曼滤波(RCKF)的联合估计方法。基于FFRLS法对整车质量进行实时估计，并将极大值背景下的估计误差最小化嵌入标准容积卡尔曼滤波（CKF）以实现RCKF，提出了联合估计算法的改进策略，有效提高了复杂工况下滤波对模型参数摄动以及未建模噪声的抗干扰能力，可以实现质心侧偏角与轮胎侧向力的精准估计。在CarSim/Simulink联合仿真环境下，采用不同工况验证了算法的准确性、鲁棒性和抗干扰性。在四轮驱动电动汽车实车平台上分析了算法的有效性。研究结果表明，所提方法比RCKF和CKF精度更高，解决了复合工况下四驱电动汽车质心侧偏角和轮胎侧向力的联合估计问题。
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  双电机精密传动机构消隙方法研究

  郑杰基, 陈凌宇, 范大鹏, 谢馨

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2684-2692. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.005

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  针对双电机精密传动机构两路传动链间隙引起的速度波动大与冲击的问题，对系统的间隙消除方法展开了研究。建立了包含行星减速器输出端齿轮与大齿圈啮合间隙的机构动力学模型，通过模型仿真分析了传动链间隙大小对系统特性的影响；在此基础上，提出了基于速度指令的动态偏置力矩和基于差速负反馈的交叉耦合同步控制相结合的复合消隙方法。搭建了双电机精密传动机构实验测试装置，进行了消隙方法的验证实验。实验结果表明，在简单的速度闭环情况下，所提的复合消隙方法不仅能够保证完全消除系统间隙，还可以将系统速度跟踪精度最大提高73.38%，启动阶段的冲击幅值最大衰减76.35%。研究成果为双电机精密传动机构高精度控制方法的进一步研究打下基础，为齿轮传动系统间隙的消除提供了一种参考方案。
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  基于加工误差敏感度与模糊层次分析法的行星滚柱丝杠公差匹配优化方法

  吴翰林, 魏沛堂, 蔡磊, 胡瑞, 刘怀举, 杜雪松, 朱才朝, 刘浪

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2693-2703. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.006

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  行星滚柱丝杠（PRSM）公差主动设计对提高其传动性能与加工可行性有着至关重要的作用。建立了综合考虑丝杠、滚柱、螺母的螺纹同轴度误差、螺距误差与中径误差的PRSM行程误差及轴向间隙模型，计算得到各误差因素敏感性指数；基于三角模糊数的专家评判层次分析法，计算各误差因素加工权重，初步分配PRSM行程精度各误差项公差；基于序列二次规划算法对轴向间隙各误差项公差进行优化；以标准型PRSM为例，验证了该方法的有效性。结果表明：针对行程精度与轴向间隙各误差项进行公差优化的方法，不仅极好地平衡了行程精度与轴向间隙，且增加了关键公差带宽度，提高了零件加工可行性，算例表明，优化后完整周期内轴向间隙最小值由-25 μm变为0，避免螺纹干涉发生；优化后V300行程变动量基本不变，公差带宽度平均增加65%，保证PRSM 5级精度指标的同时提高了关键零件加工可行性，降低了加工成本，可为PRSM公差主动设计理论提供参考。
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  圆柱齿轮滚切倒棱刀具设计

  何坤, 何晓虎, 杜彦斌

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2704-2710. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.007

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  针对实际生产中圆柱齿轮的高速齿廓倒棱需求，提出了连续切削的滚切倒棱新方法，完成了滚切倒棱刀具廓形设计。首先参考圆柱齿轮滚齿加工运动，建立刀具与齿轮的初始位置关系及刀具安装位姿坐标系，并通过倒棱参数与所建的安装位姿坐标系计算刀具安装位姿参数；其次根据倒棱运动及刀具安装位姿，建立空间运动坐标系并推导坐标系间的变换关系，通过连续求解刀具前刀面与齿轮倒棱目标廓形的接触点，提出刀具廓形计算方法；最后选取某型号的圆柱斜齿轮为倒棱对象，利用切削仿真软件完成齿轮及滚切倒棱刀具的三维建模，通过编写仿真运动程序实现倒棱切削仿真，在此基础上利用倒棱机床进行加工实验。仿真及实验结果表明，所设计的倒棱刀具能够满足圆柱齿轮的高效齿廓倒棱需求，也验证了刀具廓形计算方法的正确性。
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  基于修正Preston方程的百页轮抛光材料去除深度建模

  张军锋, 史耀耀, 蔺小军, 吴晓君

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2711-2716. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.008

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  由于百页轮具有一定的柔性，故实际材料去除深度与名义抛光深度不一致，直接影响抛光效率及表面质量的控制。基于Hertz弹性接触理论建立了抛光接触区抛光压力和切削速度分布函数，并依据修正的Preston方程建立了材料去除深度模型，据此确定了影响材料去除深度的关键抛光工艺参数(磨粒粒度、主轴转速、百页轮变形量和进给速度)，获得了百页轮抛光接触区的材料去除深度分布规律和关键抛光工艺参数对材料去除深度的影响规律。最后，通过模拟仿真和抛光实验验证了所建模型和影响规律的正确性，结果表明，该模型可以较好地预测百页轮柔性抛光的材料去除深度。
可持续制造
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  产品性能关联下绿色设计知识表达及获取方法

  柯庆镝, 孙伯骜, 薛冰, 张雷, 陈鹏飞

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2717-2726. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.009

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  在大数据、网络化环境中，设计人员无法有效地利用海量的机电产品设计信息与数据来应对当前机电产品全生命周期下绿色设计需求。针对这一问题，提出了基于生命周期性能关联的绿色设计知识表达及获取方法。首先建立基于操作产品性能(OPP)的基本关联构型，提出面向生命周期下绿色设计需求的绿色设计知识表达，并提出该结构内各元素的规范化表达；然后利用同义词林和相似度分析对设计信息及数据进行标注处理，构建基于OPP构型的基础关联词典，提出基于绿色关联度的绿色设计知识获取方法；最后，结合机电产品中液压阀零件实例验证所提方法的有效性。研究结果可实现绿色设计知识的多层次多粒度表达和有效获取，为机电产品全生命周期绿色设计实际应用提供基础方法支撑。
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  工业机器人能耗预测研究

  庹军波, 彭秋媛, 张贤明, 李聪波

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2727-2732,2740. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.010

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  针对工业机器人传统能耗预测方法存在的模型复杂、操作繁琐、测量成本高等问题，从机器人末端动作模式和运动轨迹角度出发，提出了一种基于元动作的工业机器人能耗预测方法。首先分析工业机器人静态和动态运行时的元动作和能耗特点，建立轴移动、轴转动等动态元动作的能耗描述函数及静态元动作的能耗描述函数；然后基于所建元动作库对目标过程进行元动作分解，并构建各元动作的能耗计算模型；最后结合各元动作能耗描述函数和能耗计算模型，实现工业机器人目标过程的能耗预测。应用所提方法，只需事先测试元动作功率并构建能耗描述函数，就能通过分解目标过程实现能耗预测，具有较广阔的应用前景。
先进材料加工工程
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  PTFE材料正交切削切屑成形特性研究

  倪敬, 孙静波, 何利华, 崔智, 薛飞

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2733-2740. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.011

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  为了研究PTFE材料在切削过程中的成屑机理，设计了单因素正交切削实验以及准静态力学实验。首先，基于剪切平面理论和断裂理论，以切削速度、切削厚度为变量，提出了PTFE材料的连续切屑及切屑毛边成形机理;然后通过分析毛边高度和间距，探究切削参数对毛边形态的影响规律;最后，利用分形理论对切削力稳定性进行分析，揭示了毛边数量、出现频率与切削力稳定性的关系。结果表明，PTFE连续切屑的产生是因为切削过程中材料真实压缩应变未超过断裂屈服应变，毛边的产生则是因为切屑边缘片层状结构处裂纹的形核与扩展。此外，切削参数会影响毛边生成，在切削速度100 mm/min、切削厚度0.3 mm工况下，切屑毛边数量最少、出现频率最小，切削力最稳定。研究结果可为PTFE材料切削过程毛边抑制和表面加工质量优化提供参考。
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  高强钢热冲压结构件三维激光切割回弹规律及精度补偿方法

  李守港, 刘鹏, 刘祥, 胡志力,

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2741-2747. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.012

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  为了减小高强钢车身结构件三维激光切割过程中回弹缺陷对切割精度的影响，将热冲压后的高强钢车身构件应用于三维激光切割，研究其回弹特性。以某车型的高强钢车身结构件A柱为研究对象，利用有限元仿真软件AUTOFORM与ABAQUS分别建立了热冲压和激光切割有限元模型，通过数值模拟得到回弹值分布图，揭示了车身结构件在切割后轮廓的回弹规律。根据基于回弹预测的直接补偿方法对轮廓进行补偿以确定最佳切割轮廓，对A柱冲压半成品进行切割试验验证，试验结果表明，所提补偿方法能够将轮廓误差控制在公差范围内，轮廓误差减小约28.5%，型面回弹减小约38.3%，验证了该补偿方法的有效性。
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  CF/PEEK复合材料自阻电热原位膜混合加热固化方法

  陶双全, 郝小忠, 杨子剑, 刘舒霆

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2748-2754. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.013

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  碳纤维增强聚醚醚酮树脂基(CF/PEEK)复合材料密度小、韧性强、疲劳强度高，且可循环使用，但PEEK树脂熔融温度高(>340 ℃)、熔融黏度大(>1000 Pa·s)、熔融烧蚀工艺温度窗口小，零件固化难度大。提出一种CF/PEEK树脂基复合材料自阻电热原位膜混合加热固化方法，结合有限元仿真，引入组合原位膜自适应地辅助加热制件。有限元仿真和实验研究结果证明了该方法的有效性：加热过程中相较纯自阻电热加热方法，制件温度均匀性提高了75%，结晶度提高了16.2%，实现了CF/PEEK树脂基复合材料的高效、均匀加热固化。
工程前沿
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  一种滚动密封爬壁机器人失效分析

  刘志辉, 蔡伟, 付兴伟, 袁兵兵, 王洪光, 宋屹峰,

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2755-2763,2771. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.014

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  密封结构是保证爬壁机器人运行的核心部件，滚动密封作为一种新型密封方式，具有耐磨性好、负载大、壁面适应性强的特点，在爬壁机器人领域研究日益广泛。基于滚动密封机理，提出了典型工况下的滚动密封失效判据。通过密封机理分析确定了滚动密封结构的失效形式，对水平平动、竖直平动及转向三种典型工况下的具体失效形式进行分析，并采用动力学方法得到了关键设计参数与密封泄漏间的关系，由此提出滚动密封的失效判据。最后基于所提失效判据完成样机改进与实验，实验结果表明，改进设计提高了吸附稳定性，验证了密封失效判据的有效性与准确性。
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  面向高温超导钉扎磁悬浮列车悬浮特性研究

  张明亮, 李明远, 刘鹏飞, 闫杨阳, 刘丽茹, 杨新梦

  中国机械工程. 2022, 33(22): 2764-2771. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.015

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  面向高温超导钉扎磁悬浮列车的磁轨关系，测试了不同场冷高度下双峰永磁轨道和高温超导块组合的悬浮力特性，得到了悬浮力随距离的增加先增大后减小且具有明显磁滞特性的规律。为了优化高温超导块组合和永磁轨道的参数，基于冻结镜像模型提出了等效处理高温超导块组合的方法,为了获得捕获磁场，建立了两者配对的仿真分析模型。基于捕获磁场和低相对磁导率计算高温超导块组合所受引力与斥力，由此仿真得到不同场冷高度下悬浮力与悬浮间隙的关系。结果表明,不同场冷高度下的仿真结果和实验结果在场冷高度小距离范围内具有较好的符合性，验证了等效处理方法的正确性，为高温超导钉扎磁悬浮列车的悬浮力计算提供了一种简单有效的方法。