2023年, 第34卷, 第5期　
刊出日期：2023-03-10

  

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机械基础工程
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  基于U-Net网络的柱面透镜视觉定位策略

  陈逢军, 吕继阳, 胡天, 梁小生

  中国机械工程. 2023, 34(5): 505-514. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.001

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  针对柱面透镜定位在摆盘工艺过程中产品良率低、生产作业时间长的问题，研究了一种基于U-Net网络的柱面透镜视觉定位策略。该策略结合柱面透镜摆盘工艺及特点，开发了柱面透镜视觉摆盘系统。将Blob分析和模板匹配作为前期视觉定位方法，通过高精度匹配获取工件点位信息以生成分割图对采集的原图进行标注，选取损失值最优的学习率对U-Net网络进行模型训练，以实现实际工件的分割定位。经过U-Net网络与高精度模板匹配针对不同型号的工件定位对比发现，相较于高精度模板匹配，U-Net网络可实现亚像素级别的定位误差。实践应用结果表明，该柱面透镜视觉摆盘系统视觉定位精度高，具有较强的产品适应能力，产品偏心合格率可达96%以上，满足工业摆盘任务要求。
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  行人与自动驾驶汽车的交互研究

  吕伟, 郭伏, 刘莉, 张泽宇, 王天博

  中国机械工程. 2023, 34(5): 515-523. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.002

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  从行人-汽车-环境系统视角出发，探索道路交通系统中行人安全设施、自动驾驶汽车让行行为、驶近方向以及外部人机界面(eHMI)等因素对行人与自动驾驶汽车交互过程的影响。基于洞穴式自动虚拟环境(CAVE)仿真平台，使用Unity 3D软件设计、开发了自动驾驶汽车的驾驶场景，招募38名志愿者参与行人与自动驾驶汽车交互实验，并记录交互过程中行人的决策时间、决策结果和交互体验等数据。利用生存分析对38名行人被试的实验数据进行了统计学分析，结果表明：在有自动驾驶汽车的交通环境中，行人安全设施、自动驾驶汽车的让行行为和eHMI能够显著缩短行人决策时间、提升交互体验、提高交通效率。但行人安全设施对行人决策与行为的影响主要体现在过街间隙出现的早期，汽车让行行为的影响相对滞后，同时光带式eHMI用于传达自动驾驶汽车让行意图的效力和清晰度有限。
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  可重构闭链步行平台的设计与越障策略研究

  姬佳璐, 姚燕安, 张英, 兰国荣

  中国机械工程. 2023, 34(5): 524-532,542. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.003

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  为解决闭链步行平台重构调节后越障攀爬效率与平顺性问题，基于Watt型闭链腿机构设计了包含机架杆长和倾角参数的耦合调节机构，在保持单重构动力的同时减小质心波动并降低驱动功率需求。建立了越障概率模型计算越障期望，研究了双参数重构下全周期障碍攀爬策略，进行了样机设计并开展了行走与越障试验，结果表明，双参数耦合调节设计可增加平台与障碍接触面的贴合度，提高越障平顺性。
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  基于齿面位姿-几何误差模型的大规格滚齿机关键误差识别

  李猛, 王时龙, 马驰, 夏长久

  中国机械工程. 2023, 34(5): 533-542. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.004

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  为研究影响大规格滚齿机加工精度的关键几何误差，提出了一种基于齿面位姿-几何误差模型结合Sobol法的机床关键几何误差识别方法。首先，基于齐次坐标变换理论，建立了刀具位姿-几何误差模型，通过求解滚齿双参数包络方程，获得了加工齿面接触迹点坐标值，建立了机床齿面位姿-几何误差模型；然后，考虑几何误差的随机性和互耦性，利用Sobol法对该模型进行敏感性分析，计算了几何误差的敏感度系数以识别出关键几何误差；最后，进行了关键几何误差虚拟仿真修正和对比验证。研究结果表明，所提方法能有效识别大规格滚齿机的关键误差项。
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  脉冲激光逐层钎焊金刚石-镍铬合金工艺研究

  李时春, 周磊, 周妃四, 孙卓

  中国机械工程. 2023, 34(5): 543-555,575. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.005

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  基于脉冲激光加工时的低能量输入和较小的热影响优势，将其应用到金刚石磨粒的钎焊过程中，以实现多层金刚石磨粒的逐层钎焊成形。通过单道及单层脉冲激光钎焊试验，研究了工艺参数对钎焊成形及对金刚石损伤的影响规律，并优选出较好的工艺参数进行了多层钎焊试验。研究结果表明：在脉冲激光钎焊成形过程中，工艺参数的变化主要通过改变峰值功率密度和线能量密度来影响钎焊成形和金刚石损伤形态。输入的能量密度不足时，钎焊道及钎焊层易出现熔融球、金刚石聚集、熔合不充分、不连续及不平整等现象；输入的能量密度过大时，易出现金刚石损伤、粉末材料及金刚石流失逃逸等现象。当线能量密度为14~25 J/mm²、峰值功率密度在5×10⁵~1.5×10⁶ W/cm²时，可得到平整性良好和金刚石磨粒形态良好的钎焊形貌，且在此参数范围内优选的参数条件下实现了多层结构的逐层钎焊成形，得到了较好的表面成形形态及较低的金刚石损伤形态。多层钎焊试块弯曲试验结果表明，钎焊层与基体之间具有较好的结合强度，未出现钎焊层剥离现象。
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  气凝胶填充金属蜂窝夹层结构隔热性能试验与模拟

  文彦臻, 邓云华, 贾震

  中国机械工程. 2023, 34(5): 556-562. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.006

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  在1300 ℃温度和30 min保温时间的条件下，使用Nb基钎料对铌合金进行钎焊来成形铌合金蜂窝。对铌合金蜂窝与气凝胶填充铌合金蜂窝进行加热试验，测定了热面与冷面的瞬态温度。在与实际试验条件基本保持一致的情况下，建立了金属蜂窝与气凝胶填充金属蜂窝的有限元模型，并对不同几何参数的蜂窝进行传热模拟，分析了蜂窝芯格壁厚、芯体高度、芯格内径对隔热性能的影响，并以此总结出蜂窝的隔热机理。研究结果表明：气凝胶可有效地提高蜂窝隔热性能；芯格壁厚越小，芯体高度越大，蜂窝隔热性能越好；填充气凝胶时，芯格内径越大隔热性能越好，蜂窝芯空腔时，芯格内径越大，隔热性能越差。
智能制造
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  面向复合地图的移动机器人分层路径规划

  武星, 杨俊杰, 汤凯, 翟晶晶, 楼佩煌

  中国机械工程. 2023, 34(5): 563-575. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.007

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  针对传统路径规划方法在部分未知复杂大场景环境下搜索空间大、效率低、避障成功率不高等问题，提出一种基于拓扑-栅格-度量复合地图的移动机器人分层路径规划方法。首先将机器人作业环境描述为栅格地图并划分为多个栅格化的子区域，以子区域为关键节点进行位置关系抽象从而获得拓扑架构，并对局部栅格区域进行精细化描述，构建拓扑-栅格-度量的复合地图。其次，在不同地图层级上分区域搜索机器人路径，在拓扑地图上采用Floyd算法规划子区域之间的区间路径，面向栅格地图提出搜索子区域内部路径的改进A^*算法，通过引入扩展点筛选策略、双向搜索机制、路径冗余点剔除技术提高路径规划的效率与质量，并拼接各段区间路径和内部路径生成全局优化初始路径。最后，针对部分未知场景中的动态障碍物，在度量地图上提出基于深度强化学习架构的动态避障路径规划方法，利用价值分类经验回放机制提高样本的利用率和模型训练的效率。实验结果表明，所提方法有较高的搜索效率和避障成功率，生成的路径兼具安全性和平滑性。
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  基于奇异避免的薄壁件镜像铣削加工路径优化

  钱栊, 张立强, 高秋阁, 杨杰

  中国机械工程. 2023, 34(5): 576-583,594. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.008

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  在双五轴镜像铣削加工中，由于旋转轴运动突变带来的奇异问题，导致薄壁件表面加工质量以及加工效率降低。在分析奇异问题产生原因的基础上，提出一种奇异区域加工路径优化的方法。基于C-空间的概念，在奇异区域边界约束条件下，同时满足镜像铣削加工中刀轴矢量与工件表面保持垂直，以最小刀轴矢量距离确定备选刀轴矢量，对奇异区域的刀轴矢量进行局部修正。然后对整条加工路径进行B样条曲线拟合，基于最小参数曲线应变能建立优化模型，通过对参数曲线的调整，提高路径的光顺性，保证加工效率，提高加工质量。最后，通过仿真实验和实际加工结果验证所提方法的有效性。研究结果表明，最小壁厚误差减小50%，最大壁厚误差减小75%，整体壁厚误差范围缩小了68.75%，同时完整的路径加工时间缩短了2.1%。
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  云边端协同的机床刀具故障智能诊断系统研究

  李东阳, 袁东风, 张海霞, 郑安竹, 狄子钧, 梁道君

  中国机械工程. 2023, 34(5): 584-594. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.009

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  为提高机床刀具磨损故障诊断精度，借助三轴加速度传感器采集机床刀具磨损振动数据，并以此为基础，提出一种基于长短时记忆网络与多尺度卷积神经网络集成的机床刀具故障诊断算法，挖掘机床刀具在不同故障模式下的空时域多尺度特征，实现机床刀具磨损状态的精准识别。同时，为满足实际产线对故障诊断的高实时性要求，设计一种适用于机床刀具故障诊断的云边端协同架构，通过底层产线、边缘节点与工业云平台的高效协同，实现机床刀具故障的及时预警。研究结果表明，所提云边端协同的机床刀具故障智能诊断系统可实现机床刀具磨损状态的精准识别，同时可缩短故障诊断任务的完成时间。
生物制造
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  轻韧型软体夹持器的仿生设计与研究

  郭钟华, 吉成浩, 窦梦宇, 王雪

  中国机械工程. 2023, 34(5): 595-602,609. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.010

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  为了使夹持装置柔软度和承载力兼备，受草本植物茎与花冠结构启发，设计了类似花冠收拢的螺旋式包络和仿植物茎刚度增强方案，每个夹爪呈螺旋状弯曲，通过在夹爪结构内逐个腔室横截面方向嵌入筋板来增大末端输出力，在对变形角度影响较小的条件下有效增大了夹爪末端输出力，并对改善软体执行器的迟滞性有显著效果。制作、组装软体夹爪进行了测试，试验结果表明，轻韧型软体夹持器在自重较轻和收拢尺寸较小的情况下，具备良好展开、包络和承载能力，不仅对轴对称形物体有良好的抓持效果，对于传统夹持器难以夹持的非对称形物体，除花冠式收拢动作外，夹爪还能缠绕物体以增强夹持效果。
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  基于荧光原位杂交技术的全自动病理染色系统结构设计

  林成旭, 甘浪, 谭鑫平, 李雪梅, 闫旺, 李倩, 陈刚, 廖广兰, 刘智勇

  中国机械工程. 2023, 34(5): 603-609. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.011

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  荧光原位杂交(FISH)技术是检测恶性肿瘤细胞核酸序列的常用方法，在癌症的诊疗领域有广泛应用。为实现FISH实验的全自动化，设计了一种全自动病理染色系统。该系统设置有多轴操纵臂、试剂加样器、载玻片、盖玻片夹具、辅助模块等。多轴操纵臂定位误差不大于±0.1 mm，提取及丢弃移液枪头准确率大于99.5%，抽取盖玻片成功率大于99%，微量试剂加样误差不大于0.6 μL，大量试剂加样误差不大于0.5 mL，载玻片夹具控温误差不大于±1 ℃且无试剂泄漏。生物实验结果表明，该系统荧光染色效果良好，信号点清晰可见，荧光图像可判读率超过90%，具有较好的人工替代性。
工程前沿
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  基于改进卡尔曼滤波的叉车载重快速准确估计方法

  黄泽雄, 刘兰, 黄运保, 李海艳, 黄东华

  中国机械工程. 2023, 34(5): 610-622. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.012

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  针对工作环境恶劣、操作工况复杂的伸缩臂叉车载重实时快速准确估计需求，对伸缩臂叉车的载重估计数学模型及其求解算法进行了研究。首先，利用叉车现有功能模块中已装配的各类传感器，提出并分析了三种载重估计方案，在综合比较各方案的优缺点之后，确定并建立了基于动力学原理的载重估计数学模型；然后，将载重作为估计系统的状态变量，将液压系统压力、臂架变幅角度和伸缩臂伸缩长度等实时信号作为测量值，将基于转动定律建立的载重计算公式作为状态变量与测量值之间的观测方程，运用卡尔曼滤波算法对该数学模型进行求解；同时，为解决卡尔曼滤波算法在递推过程中状态变量发生改变从而导致大量新测量数据对状态变量失去校正能力的问题，提出了一种基于改进卡尔曼滤波的载重估计算法；最后，对某企业超长载重伸缩臂叉车进行了不同载重的离线试验和在线试验。研究结果表明：对于454 kg的轻载荷，该算法的估计结果的最大绝对误差小于91 kg，而对于1100 kg、2268 kg、3368 kg和4536 kg的重载荷，其平均绝对百分比误差小于3%；趋于稳定估计值的响应时间可在1 s之内，完全优于实际应用需求。该方法模型简单、可移植强，可推广应用到起重机、抓料机等其他工程机械载重动态估计。
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  气液两相条件下迷宫密封泄漏分析与试验研究

  曹恒超, 徐乙人, 孙楠楠, 陆健, 朱桂香, 李永健

  中国机械工程. 2023, 34(5): 623-629. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.05.013

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  为解决大型船用柴油机曲轴箱轴端漏油问题，通过仿真和试验对气液两相条件下迷宫密封的泄漏行为开展研究。基于FLUENT软件进行迷宫密封流场仿真，利用离散相模型开展油滴逃逸行为分析，揭示迷宫密封在气液两相环境中的密封机理和泄漏规律。在试验器上模拟了曲轴箱密封的实际结构和工况条件，测量了不同转速条件下的漏油速率，研究了密封装置中的不同结构特征的功能作用，最终提出了两种改进措施并验证了措施的有效性。研究结果表明：交错迷宫结构与直通型迷宫结构相比可以更显著地减少空气泄漏，增加交错迷宫结构可大幅减少空气对液相介质的向外输运，此外，合理利用迷宫结构进行回油亦能显著减少滑油泄漏。