2023年, 第34卷, 第03期　
刊出日期：2023-02-10

  

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机械基础工程
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  超精密加工误差补偿技术研究综述

  陈启迪, 胡小龙, 吝敏, 孙晓霞, 张涛, 周志雄

  中国机械工程. 2023, 34(03): 253-268. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.001

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  超精密加工技术是高端制造领域的一项关键技术，当前超精密加工已进入纳米尺度，掌握超精密加工误差控制关键技术、保障并提高数控机床的加工精度，已经成为提高加工制造水平的研究热点。系统总结了超精密加工误差补偿技术研究现状及发展趋势，重点介绍了对超精密加工影响最大的几何误差、力诱导误差、热诱导误差及其补偿方法。在此基础上，深入探讨了超精密加工在几何误差分离，切削力、热诱导误差测量与补偿等方面存在的一系列问题，进一步指出超精密加工误差补偿技术还应关注其向高效、高精，通用化，模块化，智能化及柔性化的发展方向。
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  多交叉曲梁簧片柔性铰链的力学建模与性能分析

  陈鑫, 刘江南, 龙汪鹏, 吕剑文

  中国机械工程. 2023, 34(03): 269-276，286. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.002

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  针对直梁型多交叉簧片柔性铰链难以兼顾大转角、低刚度的问题，设计了一种多交叉曲梁簧片柔性铰链。采用圆弧曲梁簧片减小变形应力和转动刚度，在纯转矩驱动条件下具有高转动精度和大转角行程。推导了圆弧曲梁簧片的变形应力计算方程，建立了柔性铰链的大变形力学分析模型，并通过转动刚度实验和变形应力仿真计算验证了理论模型的准确性。进一步分析了半径系数、簧片曲率和位形角等设计变量对柔性铰链驱动转矩和变形应力的影响关系，提出了同时减小转动刚度和变形应力的设计方案，确定了使柔性铰链获得零刚度特性和负刚度特性的设计变量组合。所设计的柔性铰链结构及其性能分析结果可为新型大行程柔性铰链的设计提供参考。
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  碳纤维/聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料摩擦磨损性能及抗摩擦静电特性研究

  逄显娟, 岳世伟, 黄素玲, 谢金梦, 王帅, 宋晨飞, 岳赟, 刘建, 李栋

  中国机械工程. 2023, 34(03): 277-286. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.003

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  利用真空热压烧结技术制备了不同碳纤含量的碳纤维/聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料，采用热导率分析仪和热重测试仪对材料的热学性能进行表征，并利用多功能摩擦磨损试验机、三维形貌轮廓仪、扫描电子显微镜和摩擦静电计对材料的摩擦磨损性能和抗摩擦静电性能进行分析。分析结果表明：随着CF添加量的增加，复合材料摩擦因数、磨损率和摩擦静电电压先降低后升高，当CF添加量（质量分数）为20%时，摩擦因数、磨损率和摩擦静电电压达到最低，分别为0.247、5.6×10-6 mm/(N·m)和3.3 V,证明此种方法制备的20%CF/PEEK材料具有优异的摩擦磨损性能和抗静电性能。CF/PEEK复合材料磨损机理以黏着磨损为主，并且伴随着轻微的磨粒磨损。
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  微织构车刀椭圆超声辅助切削加工性能研究

  张硕, 邹平, 方锐, 周亮

  中国机械工程. 2023, 34(03): 287-291，299. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.004

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  为了进一步改善切削性能，将微织构刀具应用于椭圆超声辅助切削过程中，分析其对切削力、刀具磨损及表面质量的影响，然后分析刀具表面微织构角度与尺寸对刀具磨损的影响规律。研究结果表明：微织构刀具可以在保留椭圆超声辅助切削优异性能的基础上进一步改善切削性能，而且根据实验结果，微织构角度与尺寸变化会影响刀具抗磨损效果，当微织构与主切削刃平行、宽度为70 μm、间距为70 μm时，刀具黏结磨损最小。
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  新型复合式电磁直线执行器的多模式协调控制

  范新宇, 王鹏, 殷杰, 朱严兵

  中国机械工程. 2023, 34(03): 292-299. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.005

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  针对常规动圈式电磁直线执行器存在的力密度不高、缺乏端部无源自保持能力等不足，提出了一种新型复合式电磁直线执行器。根据其结构特点建立数学理论模型，分析了具有高驱动能力的协同驱动模式和具有低能耗特点的单独驱动模式，结合逆系统与前馈+PI反馈算法设计了多模式协调控制器。利用MATLAB/Simulink建立仿真模型，并搭建了样机试验平台，通过仿真与试验验证了协调控制方法的有效性。结果表明：不同驱动模式下执行器动态特性良好，位移控制误差小于±0.02 mm，具备端部无源自保持力229.3 N；协同驱动模式下驱动力可达574.9 N，开启过渡时间为4.8 ms，单独驱动下开启过渡时间为6.9 ms。
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  结构可靠度求解的自适应细分重要抽样法

  王新愿, 周金宇, 谢里阳, 程锦翔

  中国机械工程. 2023, 34(03): 300-306，313. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.006

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  传统的结构可靠度求解方法在处理呈非正态、多变量、小失效概率以及功能函数非线性的问题时，很难以较低成本获得满意的精度。为克服现有方法的不足，将通用生成函数、自适应细分原理和重要抽样技术相结合，提出结构可靠度求解的自适应细分重要抽样法。根据自适应细分原理，对临界域进行细分，减少离散区间长度，通过递归操作对随机变量进行非均匀自适应细分，得到失效域概率以及细分后的临界域，并由复合运算获得临界域的结构通用生成函数。临界域失效概率由针对域内热点焦元的重要抽样技术获得，失效域概率与临界域失效概率之和即为结构失效概率估计值。算例分析表明，新方法的计算误差明显小于传统方法，同时借助重要抽样技术提高了计算效率。
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  基于并联机构的三维动力吸振器各向同性设计及减振特性研究

  董成林, 蔡龙奇, 李毅, 路彤, 张路科

  中国机械工程. 2023, 34(03): 307-313. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.007

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  针对动力机械设备的多维线谱耦合振动控制问题，提出一种基于并联机构的三维动力吸振器，它具有模块化、附加质量小等优点。构造出采用一组关节坐标刻画的动力学方程，在此基础上推导出该新型动力吸振器的模态解析解，得到动力学各向同性条件，并据此设计出一款可抑制50 Hz线谱振动的动力吸振器。探讨了该动力吸振器在动力机械设备多维线谱耦合振动控制中的有效性及优势。分析结果表明：不同于单向动力吸振器仅能抑制其自由度方向的线谱振动，新型三维动力吸振器在三个垂直方向上对50 Hz附近线谱振动的最大减振效果均高于7 dB。
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  运用改进的教学模拟退火算法辨识关节臂式三坐标测量机的结构参数

  夏军勇, 刘科进, 钟飞, 孙颖

  中国机械工程. 2023, 34(03): 314-323. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.008

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  为了提高关节臂式三坐标测量机的精度，降低其运动不确定度，提出了一种改进的教学模拟退火混合优化算法来辨识其结构参数并补偿其误差，从而提高其精度。分析了教学算法(teaching-learning-based optimization, TLBO)的优缺点并对其进行改进从而得到改进的教学算法；提出了一种收敛精度转换准则，将改进的教学算法(modified TLBO, mTLBO)和模拟退火算法(simulated annealing, SA)融合得到改进的教学模拟退火算法(mTLBO-SA)；基于此理论和单点重复率误差实验，分别用TLBO、SA和mTLBO-SA对关节臂式三坐标测量机的结构参数进行了辨识；分别用辨识前后的关节臂式三坐标测量机再次进行单点重复率误差实验，并比较相应的实验结果。实验结果表明，所提算法能有效且高效地辨识关节臂式三坐标测量机的结构参数，进而有效提高其定位精度,降低其运动不确定度。
智能制造
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  临近空间飞艇蒙皮三维形变多芯光纤重构技术

  李默涵, 孟阔, 孙广开, 周康鹏, 何彦霖, 祝连庆

  中国机械工程. 2023, 34(03): 324-331. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.009

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  为解决临近空间飞艇气囊形态实时监测问题，提出了基于温度自解耦多芯光纤传感器的气囊蒙皮三维形变重构方法。根据飞艇气囊三维形态特征，设计了多芯光纤传感器布局和布设方式。将多芯光纤传感结构与Frenet-Serret方程相结合，建立了具备温度自解耦功能的蒙皮三维形变重构算法。以飞艇气囊柔性复合蒙皮为试验对象，设计并集成建立了蒙皮三维形变多芯光纤重构试验系统。试验分析了温度变化环境下多芯光纤传感器三维形变重构精度以及不同弯曲度下蒙皮三维形变型面重构精度，验证了所提方法的有效性。研究结果表明：利用多芯光纤传感器和温度自解耦方法能够在大变温环境下准确重构气囊蒙皮形变，蒙皮三维型面重构误差平均值小于1.5%，所提方法在临近空间飞艇气囊形态实时监测领域具有应用前景。
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  一种残差注意力迁移学习方法及其在滚动轴承故障诊断中的应用

  赵靖, 杨绍普, 李强, 刘永强,

  中国机械工程. 2023, 34(03): 332-343. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.010

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  提出了一种基于残差注意力卷积神经网络(CSRA-CNN)的迁移学习算法，用于提高滚动轴承的故障诊断精度。在卷积神经网络模型中加入残差注意力机制，使模型在训练过程中更加注重故障特征的提取，从而有效提高迁移准确率。为了测评基于残差注意力卷积神经网络的性能，将其与传统卷积神经网络在不同迁移学习策略下的结果进行对比。用动力传动故障诊断综合实验台和高速列车综合实验台对所提算法进行了验证，该方法可以完成变转速以及变转速变载荷下轴承不同健康状态的迁移学习，且迁移效果均优于传统的卷积神经网络。
先进材料加工工程
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  碳纤维增强复合材料水导激光加工实验研究

  郑志龙, 赵玉刚, 刘谦, 王珂, 周海安, 宋壮, 代迪, 张夏骏雨

  中国机械工程. 2023, 34(03): 344-351. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.011

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  为了研究水导激光加工关键工艺参数对碳纤维增强复合材料（CFRP）沟槽截面形貌与热影响区的影响，利用水导激光加工设备设计单因素实验探究了激光功率、水射流压力、进给速度及激光重复频率四个关键工艺参数对沟槽截面形貌以及热影响区的影响规律,分析了沟槽截面形貌和热影响区形成机理。实验结果表明：激光功率对沟槽烧蚀深度和热影响区的影响最大，水射流压力对沟槽烧蚀宽度的影响最大，进给速度和激光重复频率对沟槽烧蚀深度和宽度的影响不大，对热影响区有较大影响。此外，发现沟槽截面去除区呈V字形，热影响区呈锯齿形状。通过单因素方法分析得到了较好的沟槽截面形貌，其沟槽截面烧蚀深度为772.8 μm，烧蚀宽度为897.7 μm，铺设方向为90°的碳纤维层热影响区为326.5 μm，铺设方向为0°的碳纤维层热影响区为102.4 μm。
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  氮化碳基陶瓷刀具材料的制备与力学性能研究

  张岩, 黄传真, 刘含莲

  中国机械工程. 2023, 34(03): 352-358，368. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.012

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  采用热压烧结工艺，以Ti(C, N)为添加相，以Mo、Ni和Co为金属相，成功制备了氮化碳(C3N4)基陶瓷刀具材料，测量了其断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度，分析了其微观组织。结果表明，在烧结温度为1600 ℃、保温时间为45 min和烧结压力为32 MPa的工艺条件下，Ti(C, N)质量分数为35%、Ni-Co质量分数为8%的C3N4基陶瓷刀具材料力学性能最优。合适的Ti(C, N)含量能细化C3N4晶粒、提高烧结密度、改善力学性能，合适的Ni-Co含量能使微观组织细小均匀。
工程前沿
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  融合一维卷积神经网络和双向门控循环单元的APM车辆轮胎径向载荷识别方法

  曾俊玮, 季元进, 任利惠, 葛方顺, 孙泽良, 黄章行

  中国机械工程. 2023, 34(03): 359-368. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.013

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  针对轮胎载荷直接测量昂贵复杂及传统载荷识别方法精度低、鲁棒性差的现实，提出了一种融合一维卷积神经网络（1D CNN）和双向门控循环单元（BiGRU）的胶轮车辆轮胎径向载荷识别方法。充分考虑轮胎径向载荷数据的先验信息，以车辆振动响应、车体位姿、运行状态等多源信息构建特征集并经特征选择保留有效的特征子集，构造多时间步输入单时间步输出的样本用以网络训练。运用1D CNN提取信号的多维度空间特征并输入BiGRU中双向捕获时序特征，得到载荷预测的结果，结合预测精度、泛化性能、鲁棒性能修正理论模型。以APM300型车辆为例进行载荷识别，与传统算法相比，所提方法有效降低了载荷识别的误差，适用于不同运行工况，且能克服不同程度的测量噪声，在工程领域有现实应用价值。
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  考虑二元Copula统计量的晶圆制造叠加误差监测

  郝澜宇, 周笛, 李艳婷, 潘尔顺

  中国机械工程. 2023, 34(03): 369-377. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.03.014

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  目前，大多数晶圆制造研究集中在基于离散数据的缺陷模式识别上，而芯片的光刻制造是连续叠加过程，因此基于连续数据的晶片重叠误差监测具有挑战性和必要性。在数据监测过程中充分考虑数据的可解释性，同时结合晶圆数据特性及其物理意义加入新的惩罚项，改进LTS-SPCA降维模型，提出了灵活度较高的稳健稀疏主成分分析技术；然后基于Copula的置换对称、反射对称两种性质，考虑晶圆的几何特征，建立了最佳多元耦合统计量，用于监测晶圆制造的叠加过程异常。所提方法监测异常数据的准确率可达91.75%，具有较高的工程应用价值。