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  • ISSN:0577-6686

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    1. 变可信度近似模型及其在复杂装备优化设计中的应用研究进展
    周奇, 杨扬, 宋学官, 韩忠华, 程远胜, 胡杰翔, 舒乐时, 蒋平
    机械工程学报    2020, 56 (24): 219-245.   DOI: 10.3901/JME.2020.24.219
    摘要1013)      PDF(pc) (1055KB)(1321)    收藏
    变可信度近似模型通过融合不同精度分析模型的数据,可有效平衡近似模型预测性能和建模成本之间的矛盾,在复杂装备优化设计中受到广泛的关注。综述变可信度近似模型及其在复杂装备优化设计中的应用研究进展。概述三类常用变可信度近似建模方法的基本思想,并介绍变可信度近似建模方法研究的最新进展。回顾面向变可信度近似模型试验设计方法的发展现状,包括一次性试验设计方法和序贯试验设计方法。综述直接影响变可信度近似模型优化设计求解精度和效率的两类近似模型管理策略,探讨基于变可信度近似模型的智能优化和可靠性/稳健性优化这两个领域前沿问题。归纳总结变可信度近似模型应用于复杂装备优化设计的现状。针对变可信度近似建模及其优化设计给出了一些应用建议,并指出未来值得深入研究的方向。
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    2. 基于机构运动的大变形超材料
    陈焱
    机械工程学报    2020, 56 (19): 2-13.   DOI: 10.3901/JME.2020.19.002
    摘要633)      PDF(pc) (1346KB)(1032)    收藏
    超材料是一类新型人工复合材料或复合结构,特殊的微观或宏观内部结构设计使它们具有自然材料不具备的超常物理性质。超材料的发展经历了二维电磁超表面到三维机械、热学、声学、光学超材料的发展之后,正进入可编程、可调控的阶段,近年来涌现出各种各样具有大变形能力的超材料,以实现物理性能的设计预期与主被动适应。对大变形超材料的设计、功能、制造等方面的发展现状进行了简要的综述,分析这类超材料研究当前存在的主要问题与发展趋势,为多功能超材料的编程与调控研究提供借鉴与参考。
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    3. 类空化效应下的水下螺旋桨推进器推力预测
    罗阳, 李战东, 陶建国, 邓立平, 邓宗全
    机械工程学报    2020, 56 (17): 1-11.   DOI: 10.3901/JME.2020.17.001
    摘要630)      PDF(pc) (1222KB)(874)    收藏
    类空化效应是由于水下螺旋桨推进器近水面高速旋转时,在螺旋桨与水面之间形成漩涡,从而将空气吸入桨内导致推进器效率极大降低,引起推力损失和噪声的现象。螺旋桨推进器作为大多数水下机器人的唯一动力源,类空化效应的产生将极大影响机器人运动控制的稳定性。提出了一种基于高斯过程的水下螺旋桨推进器推力预测方法,可以实现类空化效应下的高精度推力预测。介绍了类空化效应并揭示类空化效应的产生机理。建立了基于贝叶斯估计的推进器推力模型,对未出现空化效应时的推进器推力进行准确预测。在此基础上,提出了基于高斯过程的推进器推力预测模型,利用基于贝叶斯估计的推力预测模型与基于高斯过程的类空化误差补偿,实现对类空化效应下的推力预测。通过试验验证了基于高斯过程的类空化预测模型的精确性与有效性,为水下机器人近水面的高精度运动控制奠定基础。
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    4. 机器人加工几何误差建模研究:I空间运动链与误差传递
    李文龙, 谢核, 尹周平, 丁汉
    机械工程学报    2021, 57 (7): 154-168.   DOI: 10.3901/JME.2021.07.154
    摘要620)      PDF(pc) (7066KB)(794)    收藏
    以机器人作为制造装备执行体,集成视觉等智能传感器,实现大型复杂零件小余量磨削/铣削/切边/制孔是智能制造的前沿研究方向之一,目前加工误差难以降低是制约其应用的主要难题。以加工误差降低为主要目标,以机器人、视觉传感器、工件、工具为主要对象,研究视觉引导的机器人加工几何误差建模与精度控制,具体包括:在第I部分介绍几何误差建模与参数辨识国内外研究现状,研究机器人加工空间运动链与加工误差度量指标定义,推导静态误差(源于工件/工具位姿误差)定量传递模型与动态误差(源于关节运动学误差/关节弱刚度)定量传递模型;在第II部分建立手眼位姿参数、工件位姿参数、工具位姿参数等精确辨识的目标函数与计算方法,在考虑关节运动学误差和弱刚度变形的情况下,提出面向整体误差控制的机器人加工(磨削/铣削/切边/制孔等)位姿优化通用模型。
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    5. 机器信息学:机械产品智能化的学科支撑
    林京
    机械工程学报    2021, 57 (2): 11-20.   DOI: 10.3901/JME.2021.02.011
    摘要551)      PDF(pc) (1011KB)(1527)    收藏
    不断将新技术融入装备的全生命周期,使其品质和效能获得显著提升,是提升装备及其制造水平的重要手段。随着两化融合的深入开展,如何将现代信息技术与机械装备深度融合,是提升机械产品智能化水平的关键。机器信息学正是在这一背景下,通过信息科学与技术、机器学、制造科学与技术等多学科的交叉融合,揭示机器全生命周期各阶段与其品质、效能相关的信息及其动态变化过程。本文围绕机器信息学的研究内涵、学科基础、研究思路等进行阐述,并结合具体案例给出了在装备诊断过程中机器信息学的内涵和应用,最后对机器信息学的发展方向进行展望。
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    6. 高速列车车轮多边形磨耗、机理、影响和对策分析
    金学松, 吴越, 梁树林, 温泽峰, 吴兴文, 王平
    机械工程学报    2020, 56 (16): 118-136.   DOI: 10.3901/JME.2020.16.118
    摘要539)      PDF(pc) (3875KB)(909)    收藏
    简要地介绍我国高速列车车轮技术研究现状和应用情况,提出它们服役过程中出现的影响列车运行品质、安全运营和运输成本的几个主要问题,主要关心的是高速车轮非圆化或车轮多边形磨耗问题,简单介绍国内外对车轮多边形磨耗的研究现状以及对策。总结分析我国高速车轮多边形磨耗情况和特征,其显著特征是车轮多边形磨损凸显了2~3主波长的不均匀磨损,主要为偏心磨损(1阶)以及14~23边(14~23阶)磨损。确立车轮多边形磨耗诱发和快速发展的基本条件,发现在轮径变化的几个特殊阶段,如果满足这一基本条件的话,车轮多边形磨耗易快速发展。给出并简单讨论多边形磨损对车辆行为、轮轨附件冲击载荷、振动噪声和疲劳的影响。仔细讨论影响车轮多边形形成和快速发展的基本因素。论述若干种抑制多边形发展的对策,部分对策已经被现场运营经验所证明是十分有效的。提出多边形车轮维修策略和目前关键亟待开展的研究问题。
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    7. NACA翼型叶顶对低展弦比向心涡轮影响特性
    王星, 朱阳历, 李文, 左志涛, 陈海生
    机械工程学报    2020, 56 (18): 172-179.   DOI: 10.3901/JME.2020.18.172
    摘要534)      PDF(pc) (1143KB)(489)    收藏
    针对压缩空气储能向心涡轮叶片展弦比低、叶顶间隙泄漏损失大的问题,将NACA0004翼型引入叶片顶部厚度分布以改善气动性能。采用ANSYS CFX软件对向心涡轮三维流场进行数值求解,分析0.5%~8%叶顶间隙范围内NACA0004翼型叶顶对间隙泄漏流结构和损失特征的影响。结果表明,NACA0004翼型叶顶对向心涡轮等熵效率的影响随叶顶间隙而变化。当叶顶间隙为0.5%时,NACA0004翼型叶顶使向心涡轮等熵效率降低0.3%;当叶顶间隙由1%增加至8%时,NACA0004翼型叶顶对等熵效率提升值由0.4%增加到1.9%。不同叶顶间隙下NACA0004翼型叶顶对间隙泄漏流损失特影响机理存在差异,当叶顶间隙为0.5%时,NACA0004翼型叶顶使泄漏流集中在叶片吸力面附近,并在叶轮出口区域产生更多泄漏流,增加叶片吸力面附近流动损失;当叶顶间隙为1%~8%时,NACA0004翼型叶顶能够降低叶片前缘和尾缘附近叶片压力面和吸力面压差,减小叶顶间隙泄漏流速度,降低与主流掺混强度,抑制流动损失。与此同时,叶轮强度也满足要求。研究成果可为同类向心涡轮叶顶间隙泄漏损失的控制提供参考。
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    8. 基于新型改进遗传算法的混合动力客车高效制动能量回收预测控制策略研究
    张渊博, 王伟达, 张华, 杨超, 项昌乐, 李亮
    机械工程学报    2020, 56 (18): 105-115.   DOI: 10.3901/JME.2020.18.105
    摘要519)      PDF(pc) (1148KB)(804)    收藏
    制动能量回收是提升混合动力客车燃油经济性的核心技术之一。然而基于传统客车机械制动系统与制动能量回收系统集成的混合制动系统,在多种复杂市区、郊区甚至极限工况下,如何通过合理分配再生制动力矩和摩擦机械制动力矩,保证整车稳定性和经济性均衡最优,仍为新能源汽车领域亟待解决的难题。为此,提出一种基于新型改进遗传算法的混合动力客车高效制动能量回收控制策略。结合混合制动系统结构与动力学特性,搭建7自由度整车纵向动力学模型;考虑轮胎在临界稳定区域的高度非线性以及制动过程中稳定性、经济性等性能要求的多目标特性,采用遗传算法对有限时域内的前后轴机械制动力矩及电机制动力矩的最优分配问题进行预测求解,并采取滚动优化策略实现整个制动过程的最优控制,同时为了防止在预测域内收敛于局部最优解,设计多子种群各自迭代并组合优化的方法对遗传算法进行改进;基于多维表格和最近点的方法对该控制策略进行实时化处理,并完成仿真与硬件在环试验。试验结果表明提出策略在保证整车稳定性的同时,较实车控制器中采用的规则式控制策略,提升15%的制动能量回收率。
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    9. 信号分解及其在机械故障诊断中的应用研究综述
    陈是扦, 彭志科, 周鹏
    机械工程学报    2020, 56 (17): 91-107.   DOI: 10.3901/JME.2020.17.091
    摘要508)      PDF(pc) (618KB)(943)    收藏
    重大装备制造业是国民经济的支柱,也是关系到国家安全的战略性产业,而重大机械装备的运行安全一直是备受关注的焦点。机械设备由于工作环境恶劣、工况复杂,其关键部件容易受损,导致设备性能退化,甚至造成设备崩溃。健康状态监测和故障诊断是保证重大机械装备安全运行的必要手段。通过信号分解可以抑制机械振动信号中的环境噪声和无关成分干扰,从而有效提取故障特征,因此信号分解在机械故障诊断中发挥着关键作用。目前,围绕信号分解理论及其在机械故障诊断中的应用,国内外学者开展了大量研究工作。首先,从时域、频域和时频域三个方面系统综述了国内外学者对信号分解理论的研究现状;其次,从轴承、齿轮和转子碰摩三个方面详细梳理了信号分解在机械故障诊断中的应用研究现状;最后,归纳总结了信号分解及其在机械故障诊断应用中面临的挑战。
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    10. 切削加工颤振智能监控技术
    王志学, 刘献礼, 李茂月, LIANG S Y, 王力翚, 李玉强, 孟博洋
    机械工程学报    2020, 56 (24): 1-23.   DOI: 10.3901/JME.2020.24.001
    摘要508)      PDF(pc) (120151KB)(1318)    收藏
    切削加工颤振智能监控技术是智能机床中不可或缺的一部分,是智能加工的一个重要发展方向。它对于提高零件的加工精度与效率,增加企业的运营绩效具有重要的意义。以传感器的选择、特征提取、颤振识别和颤振抑制为主线,系统的综述了切削加工过程中颤振智能监控的研究进展。分析颤振信号的选择和时域、频域、时频域以及特征自适应智能提取的特征提取方法;分析神经网络、支持向量机、隐马尔科夫模型、混合模型和在线智能进化模型在颤振识别中的应用;着重分析基于主轴转速调整的颤振智能控制方法。在此基础上,对切削加工颤振智能监控的研究难点进行了分析,并总结了目前存在的问题。最后,对切削加工颤振智能监控技术今后的发展趋势进行了展望。
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    11. 3-DOF索杆桁架式欠驱动机械手运动控制
    乔尚岭, 刘荣强, 郭宏伟, 丁戍辰, 李兵, 邓宗全
    机械工程学报    2020, 56 (23): 78-88.   DOI: 10.3901/JME.2020.23.078
    摘要497)      PDF(pc) (1324KB)(1152)    收藏
    索杆桁架式机械手是将绳轮传动系统和平行四边形机构结合而提出的一种新型欠驱动机械手。绳索驱动力同时驱动手指关节耦合运动,而手指关节运动又会直接改变绳拉力在各指节单元的驱动力分布,导致索杆桁架式欠驱动系统具有强非线性和运动耦合特点。针对该问题,利用虚功原理,将绳轮传动系统等效为耦合的关节驱动力矩,并建立3-DOF手指准静态运动学模型。根据手指最大运动空间约束条件,确定关节弹簧配置分布并开展手指准静态运动空间分析。采用拉格朗日方程法建立手指一般动力学方程,并转换为“A-P”型等效动力学模型。在此基础上,开展预变形阶段运动控制研究。通过仿真分析和样机试验验证所提分析方法和运动控制策略的有效性。
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    12. 与串并联机构运动等效的新型并联机构综合方法研究
    孙静, 单彦霞, 张建伟, 邵磊, 李仕华
    机械工程学报    2021, 57 (1): 1-7.   DOI: 10.3901/JME.2021.01.001
    摘要487)      PDF(pc) (472KB)(991)    收藏
    为简化串并联机构结构,使该类机构得到更好的应用,提出一类与串并联机构运动等效的并联机构,其特点在于没有中间平台,两个并联机构通过对应分支直接连接或共用部分运动副连接在一起融合为一个整体机构。基于螺旋理论,提出了这类并联机构综合方法,给出了综合条件,制定了综合流程。采用该方法,对与三转动机构和三平移机构构成的串并联机构运动等效的新型6自由度并联机构进行了综合,综合出多种新机构,丰富了并联机构构型。新型6自由度并联机构结构上具有结构简单、紧凑,轻量化的优点。对综合出的机构进行约束力分析表明,球面三转动子机构力学分析中不存在静不定问题。综合的6自由度并联机构以其在结构和分析上的优点,在指向隔振等领域具有良好的应用前景。
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    13. 水下机器人-机械手系统研究进展:结构、建模与控制
    常宗瑜, 张扬, 郑方圆, 郑中强, 王吉亮
    机械工程学报    2020, 56 (19): 53-69.   DOI: 10.3901/JME.2020.19.053
    摘要476)      PDF(pc) (716KB)(973)    收藏
    水下机器人-机械手系统(Underwater vehicle-manipulator systems,UVMS)可以完成除观测之外的水下采样、抓取、操作等任务,在海洋科学考察、海洋工程等领域得到广泛应用。通过对近年来国内外UVMS的研究现状进行综述,介绍了不同的UVMS本体结构与机械手构型,总结了UVMS的运动学、动力学和水动力学的建模方法,分析了人机交互式遥控操作控制方式,针对UVMS的自主控制中的运动规划、位置与轨迹跟踪、独立与协调控制、运动补偿控制、力/位置混合控制、视觉伺服控制等问题做了分类阐述。最后总结并对UVMS未来发展方向进行了展望,以期为相关研究人员提供参考。
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    14. 静脉穿刺机器人研究进展
    何天宝, 郭闯强, 任浩, 姜力
    机械工程学报    2021, 57 (3): 1-10.   DOI: 10.3901/JME.2021.03.001
    摘要449)      PDF(pc) (903KB)(1128)    收藏
    随着医疗技术的发展,静脉穿刺已经成为人体健康评估、病情诊断、治疗的必要手段,目前几乎全部依靠医护人员手动操作完成,自动化需求日益强烈。为了减轻医护人员的精神和体力负担,推进医疗自动化和智慧医疗的发展,在巨大的社会经济前景的激励下,静脉穿刺机器人已成为世界范围内的研究热点,各大研究机构相继发布各自研究成果。简要概述了静脉穿刺机器人的发展现状,详细分析了所涉及的静脉感知、自主决策、机器人结构设计、控制方法等关键技术,总结了存在的问题和面临的挑战,并对未来发展趋势进行了展望。
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    15. 用于飞轮微振动抑制的黏弹性-干摩擦阻尼环设计
    贺晓东, 黄修长, 华宏星
    机械工程学报    2020, 56 (23): 98-106.   DOI: 10.3901/JME.2020.23.098
    摘要427)      PDF(pc) (1144KB)(565)    收藏
    工程界采用阻尼环抑制飞轮的发射段振动放大和在轨微振动,其抑振机理之一为动力吸振器。受飞轮工作环境的宽域温差影响,阻尼环中采用的黏弹性材料的阻尼和刚度性能将发生变化,破坏有阻尼动力吸振器工作的最优参数条件。针对该问题,进一步研究阻尼环各界面可能存在的干摩擦阻尼的影响机理。建立了黏弹性-干摩擦阻尼环-飞轮系统的多自由度集中参数模型,首先不考虑干摩擦阻尼,根据飞轮系统的有效模态质量确定了黏弹性阻尼环的最优参数;然后以该最优参数为初值,利用遗传算法得到了干摩擦阻尼环和黏弹性-干摩擦阻尼环的最优参数。对比分析了黏弹性阻尼环、干摩擦阻尼环和黏弹性-干摩擦阻尼环在最优参数及非最优参数下飞轮传递到基础的扰动力响应。结果表明,干摩擦阻尼能进一步拓宽黏弹性阻尼环的抑振频率范围,并提高其鲁棒性。
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    16. 人工肌肉驱动器研究进展综述
    邢志广, 林俊, 赵建文
    机械工程学报    2021, 57 (9): 1-11.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.001
    摘要424)      PDF(pc) (164819KB)(1134)    收藏
    人工肌肉通常是指能够在外界物理或化学刺激下发生伸缩、膨胀、弯曲、扭转等运动并对外做功的柔性材料或器件,借助人工肌肉驱动可大幅提高机器人的柔顺适应能力和人机力学交互的舒适性。人工肌肉的发展已有超过六十年的历史,其激励方式也包括电、热、内压等多种形式;尝试从人工肌肉种类、驱动原理、性能指标、应用场合、发展趋势等方面对人工肌肉相关内容予以较全面的综述,以期为机器人或其他领域感兴趣的学者提供参考和对比。
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    17. 一种三自由度并联踝关节康复机构
    陈子明, 尹涛, 潘泓, 赵琛, 闫升亲, 李艳文, 黄真
    机械工程学报    2020, 56 (21): 70-78.   DOI: 10.3901/JME.2020.21.070
    摘要421)      PDF(pc) (934KB)(1045)    收藏
    在分析现有踝关节康复机构的基础上,提出一种基于3-UPU并联机构的新型踝关节康复机构,该机构具有3个自由度,能够实现踝关节的旋前/旋后、内翻/外翻运动,并且该机构的转动轴线可实现高度和角度方向的调节,从而使机构转动轴线与人体踝关节运动轴线更好的吻合,给患者带来更好的康复效果。求解了机构的自由度,运动学反解,并根据踝关节康复要求对机构尺寸进行确定,进一步求解了机构的工作空间,对机构的运动学进行了仿真验证和样机运动试验。
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    18. 膝关节术后康复训练机器人研究综述
    姚玉峰, 杨云龙, 郭军龙, 裴硕, 孙立宁
    机械工程学报    2021, 57 (5): 1-18.   DOI: 10.3901/JME.2021.05.001
    摘要419)      PDF(pc) (123979KB)(1953)    收藏
    膝关节术后康复训练机器人(简称康复训练机器人)辅助接受膝关节手术的患者进行康复训练,帮助患者快速恢复膝关节的运动机能,可有效减轻理疗师及患者家属的工作负担,在膝关节术后康复训练中具有广泛应用。在总结膝关节术后运动特征及康复需求的基础上,将康复训练机器人分类成末端驱动式、外骨骼式及其他类型,详述了其设计理念、结构特点、控制策略及康复训练效果的评价系统。分析了当前康复训练机器人存在的问题,以及涉及的关键技术,预测了未来康复训练机器人的发展趋势。
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    19. 面向机械装备健康监测的数据质量保障方法研究
    雷亚国, 许学方, 蔡潇, 李乃鹏, 孔德同, 张勇铭
    机械工程学报    2021, 57 (4): 1-9.   DOI: 10.3901/JME.2021.04.001
    摘要410)      PDF(pc) (99828KB)(1058)    收藏
    工业“大数据”时代的到来为机械装备健康监测带来了新机遇。然而,由于运行环境异常、人为因素干扰以及采集设备故障等,机械装备健康监测大数据中往往混杂大量与健康状态无关的异常值或缺失值数据,从而造成数据质量下降。监测数据中掺杂的劣质数据容易造成对机械装备健康状态的误判,进而导致运维策略制定不当。为保障数据质量,提出一种机械装备健康监测振动数据恢复的张量分解方法。针对机械装备不同转速的振动数据,构建以转速、时窗、小波尺度和时间为维度的四阶张量,利用Tucker分解从中挖掘蕴含的机械健康状态信息,并通过张量填充对缺失值数据进行恢复。分别采用仿真数据和试验台数据验证了提出方法的有效性,结果表明,与传统数据恢复方法相比,提出方法恢复的数据与真实数据的拟合度更高。将提出方法应用于风电装备监测数据恢复,保障了监测数据的质量。
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    20. 具有微力感知的眼科手术器械的设计与实现
    邬如靖, 韩少峰, 广晨汉, 贺昌岩, 马科, 杨洋
    机械工程学报    2020, 56 (17): 12-19.   DOI: 10.3901/JME.2020.17.012
    摘要395)      PDF(pc) (555KB)(685)    收藏
    针对眼内显微手术过程中器械与组织器官之间作用力微小、不易感知,且过大的操作力会造成组织损伤甚至撕裂等问题,设计一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的微力传感器。在建立FBG反馈波长变化与力的关系基础上,探讨了温度对波长变化的影响,提出了温度补偿方法。利用自行研制的微力传感器标定系统进行传感器标定试验(精度0.42 mN)。将所研制的微力传感器集成到眼内手术镊末端,对离体猪眼球进行了连续环形撕囊操作试验。通过对19组数据分析,得到最大撕囊力的平均值为22.43 mN。研究对眼科手术的精准操作和手术机器人进行微力控制奠定了基础。
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    21. 齿轮传动搅油功率损失的研究进展
    王斌, 宁斌, 陈辛波, 吕红明
    机械工程学报    2020, 56 (23): 1-20.   DOI: 10.3901/JME.2020.23.001
    摘要377)      PDF(pc) (1634KB)(725)    收藏
    齿轮搅油损失(Oil churning losses)对传动系统的润滑性能、传动平稳性和节能经济性有着显著的影响。研究齿轮搅油损失的预测和控制方法,对传动系统的优化设计和节能减排有着重要意义。研究表明:高速工况下的搅油损失可达减/变速箱功率总损失的50%以上,且齿轮搅油损失随润滑环境、几何结构和运动工况条件变化显著。搅油损失机理复杂,涉及因素多,探索齿轮系搅油损失机理和掌握搅油能耗特性的变化规律,是国内外研究的难点和热点。至今已有大量齿轮搅油损失建模研究和应用,但主要都是针对某一特定工况或传动条件下的研究,鲜有全面的、完善的理论来分析搅油损失,因此对齿轮搅油损失进行全面的论述和总结很有必要。结合国内外的研究进展,从理论、仿真和试验三方面来综述齿轮搅油损失各影响因素的定性和定量研究,重点分析了搅油损失建模方法及应用场合,并指出了降低搅油损失的方法。
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    22. 多模式机构研究进展
    于靖军, 刘凯, 孔宪文
    机械工程学报    2020, 56 (19): 14-27.   DOI: 10.3901/JME.2020.19.014
    摘要374)      PDF(pc) (1086KB)(805)    收藏
    多模式机构作为可重构机构的一个重要分支具备运动模式转换时间短、所需驱动器少等优点,在各个领域都极具应用前景。经过20年的发展,虽然涌现出一系列多模式机构的设计、分析方法,但是多模式机构的研究仍面临诸多挑战。根据不同运动模式下的几何、结构特征,概括并详述了多模式机构利用关节轴线、杆件和多模式单元进行运动模式切换的三种形式;从方法和技术的角度,综述了多模式机构在构型设计、运动模式分析以及应用方面的国内外研究现状,并对多模式机构面临的挑战与发展趋势进行了展望。
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    23. 基于弹尾虫运动机制的平衡轮式跳跃机器人的设计
    陈子明, 卢杰, 邓朋, 郭玉, 李艳文
    机械工程学报    2020, 56 (17): 20-28.   DOI: 10.3901/JME.2020.17.020
    摘要368)      PDF(pc) (1084KB)(588)    收藏
    针对弹尾虫的生物体结构与运动特性,复合轮式与跳跃运动设计了一种新型跳跃机器人。利用弹尾虫独特的跳跃运动机制设计了跳跃原理结构,并使用拉格朗日法完成跳跃原理结构着地起跳、腾空阶段动力学方程的构建与仿真,分析并验证了跳跃过程及跳跃原理的可行性。通过轮式结构的复合设计,使得机器人具备平衡轮式移动特性,展现跳跃原理结构的可移植性。搭建机器人控制系统,使用3D打印技术完成样机制作,最终设计机器人长15 cm、宽9.5 cm、高7.5 cm,整体重268.6 g。试验测试表明,机器人具备快速连续运动性能,1 s内完成能量蓄积与释放,0.5 s内实现姿态复位;具备多运动模式,可实现高20 cm、远15 cm的跳跃动作,同时可完成跳跃后的姿态复位,平衡轮式移动以及传统平衡小车难以实现的倒地后自主平衡复位。
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    24. 知识图谱在智能制造领域的研究现状及其应用前景综述
    张栋豪, 刘振宇, 郏维强, 刘惠, 谭建荣
    机械工程学报    2021, 57 (5): 90-113.   DOI: 10.3901/JME.2021.05.090
    摘要361)      PDF(pc) (119732KB)(1369)    收藏
    数据和知识是新一代信息技术与智能制造深度融合的基础。然而,当前产品设计、制造、装配和服务等过程中,数据及知识的存储大多以传统关系型数据库为基础,这导致了数据及知识的冗余性和搜索及推理的低效性。近年来,知识图谱技术飞速发展起来,它本质上是基于语义网络的思想,可以实现对现实世界的事物及其相互关系的形式化描述。该技术为智能制造领域数据及知识的关联性表达和相关性搜索推理问题的解决带来了可能性,因此其在智能制造的实现过程中扮演着越来越重要的角色。为了给知识图谱在智能制造领域的应用提供理论支撑,总结了知识图谱领域的研究进展;同时探索了知识图谱在智能制造领域的3大类应用方向,共15小类应用前景,分析了在各个应用前景上与传统方法的不同之处,应用过程中所需要使用的知识图谱相关技术以及实施过程中所待突破的关键技术,希望可以为进一步展开针对知识图谱在智能制造领域的研究提供启发,同时为相关企业针对知识图谱的实际应用提供参考;最后以数控车床故障分析为案例,验证了知识图谱在智能制造领域应用的有效性。
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    25. 柔性触觉传感器的三维打印制造技术研究进展
    汪延成, 鲁映彤, 丁文, 梅德庆
    机械工程学报    2020, 56 (19): 239-252.   DOI: 10.3901/JME.2020.19.239
    摘要348)      PDF(pc) (1321KB)(867)    收藏
    聚合物基柔性触觉传感器在智能机器人、人工假肢与人体健康状态监测等领域有着广泛的应用,将三维打印技术应用于柔性触觉传感器的制造过程可以克服传统制造方法加工周期长、复杂聚合物基微结构制造困难等缺陷。因此发展聚合物基触觉传感器的三维打印制造技术及工艺是当前的学科研究热点,具有广阔的发展前景。首先,在阐述柔性触觉传感器的传感检测原理和性能指标的基础上,重点阐述了柔性触觉传感器三维打印制造技术方面的最新研究进展,包括聚合物基柔性触觉传感器的结构设计、三维打印材料的分类和应用、以及传感器的打印制造方法及工艺等。然后,还总结预测了基于新材料制备和新制造工艺的柔性触觉传感器设计与制造的发展趋势,并对柔性触觉传感器的三维打印制造技术未来的发展趋势进行了展望。
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    26. 激光选区熔化单道扫描与搭接数值模拟及试验
    梁平华, 唐倩, 冯琪翔, 宋军
    机械工程学报    2020, 56 (22): 56-67.   DOI: 10.3901/JME.2020.22.056
    摘要345)      PDF(pc) (1410KB)(824)    收藏
    激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)单道扫描的数值模拟,在数值建模时多采用规则实体模拟铺设的粉末层,通过等效定义材料热物理属性模拟铺设粉末层中粉末与气体共存的情况,难以模拟粉末颗粒的随机性而带来的扫描结果的随机性,且难以分析熔池形貌、内部缺陷的微观衍变过程。针对SLM成形过程中激光功率和单道搭接率对扫描单道和单道搭接质量的影响,以316L不锈钢材料为例,建立SLM首层单道扫描与单道搭接数值模拟模型。SLM的铺粉过程在基于离散单元法的EDEM中建立,并得到数值化的粉床几何模型。SLM的单道扫描与搭接的模拟基于有限体积法,在FLUENT中实现,采用两相流模型与熔化/凝固模型捕捉熔池形貌变化过程,得到不同激光功率和扫描搭接率下成形单道与单道搭接的数值模型。最后结合试验表明了在100~300 W激光功率下成形单道表面形貌与缺陷的形成,当激光功率为100~150 W时,单道形貌不规则,且容易形成局部缺陷;在200~300 W功率下,激光功率越大,保证搭接质量的最低搭接率越小,当激光功率为250 W时,应保证单道填充间距不大于0.1 mm。研究成果对SLM工艺参数的调整与优化具有重要的参考价值。
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    27. 无系留大负载软体抓持机器人研究发展综述
    李海利, 姚建涛, 周盼, 赵无眠, 许允斗, 赵永生
    机械工程学报    2020, 56 (19): 28-42.   DOI: 10.3901/JME.2020.19.028
    摘要338)      PDF(pc) (1267KB)(749)    收藏
    受软体材料、制造工艺、核心部件的限制,大多数的软体机器人负载能力较低,不能随机携带控制和能量硬件系统,不得不通过管路和线路系留在外部硬件上,这严重限制了软体机器人的作业范围和应用领域。在众多的软体机器人中,软体抓持机器人发展较快,主要包括两类:一类是软体末端,主要配合机械臂、水下机器人、无人机、人体等完成抓取任务;另一类是以抓持功能为主兼具位姿变换功能的运动软体夹持器,实现了自身抓持结构特性与运动功能的巧妙融合。针对软体机器人技术领域无系留与大负载的共性话题,聚焦应用前景广阔的软体抓持机器人,从无系留驱动与系统集成、负载力提升等方面分析了软体抓持机器人发展过程中所取得的显著成果和存在的不足之处,系统总结了无系留大负载软体抓持机器人研发技术和面临的主要挑战,为软体抓持机器人发展方向与性能提升提供参考,推动软体机器人进入实际应用领域。
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    28. 磁控微型软体爬行机器人运动特性
    向红标, 李岩, 巴简程, 王收军, 黄显, 徐航
    机械工程学报    2020, 56 (17): 39-47.   DOI: 10.3901/JME.2020.17.039
    摘要335)      PDF(pc) (1106KB)(707)    收藏
    为实现微型机器人无缆驱动,设计一种基于磁弹性复合材料的磁控微型软体爬行机器人,通过三维亥姆霍兹线圈构建变换空间磁场,控制磁性材料产生磁力矩,并耦合机器人重力、摩擦力及自身的弹性变形,使得机器人实现多个连续的姿态变换,完成爬行动作。介绍微型软体爬行机器人结构和制作流程,建立机器人准静态力平衡方程,利用Abaqus有限元仿真和试验对比分析了机器人弯曲变形、接触面摩擦、爬行步长、转向等运动特性,在此基础上建立机器人爬行动作的速度模型,研究控制信号频率与幅值对机器人爬行速度的影响,并最终实现爬行机器人的路径规划控制。试验和仿真结果表明,该机器人能实现在xy平面内任意方向的爬行动作,为进一步揭示磁控微型机器人的运动特性及规律奠定了基础。
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    29. 面向空间应用的3-R(SRS)RP多环机构操作臂结构设计及逆运动学分析
    闫辉垠, 李传扬, 郭宏伟, 郭文尚, 刘荣强, 唐德威, 李兵
    机械工程学报    2021, 57 (7): 1-9.   DOI: 10.3901/JME.2021.07.001
    摘要330)      PDF(pc) (104746KB)(1104)    收藏
    针对空间在轨操作任务需求,为了得到高刚度、高强度、多活动度和大工作空间的操作臂,将多个3-R (SRS) RP多环机构模块串联组成多环机构操作臂。基于多环机构构型,提出一种空间操作臂整机结构设计方案:包含SRS复合铰链结构设计、多环机构模块结构设计、多环机构系统结构设计。SRS复合铰链的结构设计是基于一种改进的球副机构展开,该球副构型可复合双球副及额外转动副,且所有运动轴线相交于一点,提高了运动精度并简化了运动学模型。模块及系统结构设计主要表现在多环机构模块之间的连接平台和连接杆件的结构规划,以保证动、静平台上转动副轴线重合,满足折展和弯曲等运动需求,并解决了运动链耦合时的结构干涉问题。此外,建立了多环机构模块及系统的逆运动学模型,并进行了逆运动学分析。通过数值求解其工作空间发现,三模块操作臂在工作空间即可实现大的可达工作空间及弯曲角度。这一结论为后续样机的研制提供了理论基础。
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    30. 机床结构轻量化设计研究进展
    李天箭, 丁晓红, 李郝林
    机械工程学报    2020, 56 (21): 186-198.   DOI: 10.3901/JME.2020.21.186
    摘要324)      PDF(pc) (1084KB)(867)    收藏
    对机床进行优化的结构构型设计,使得材料在机床结构空间内更加合理地分布和有效地利用,一直都是机床设计工作者追求探索的目标。论述机床构型和结构件轻量化设计的研究历程和技术发展,对机床结构轻量化设计中常用的现代设计方法:参数优化、结构拓扑优化、多方法综合结构设计、仿生优化设计方法进行具体技术介绍和综合评述,并对近年兴起的仿生优化设计方法进行从方法、实现手段和轻量化效果等方面重点分析和评述,对机床构型和结构件轻量化设计研究的未来发展提出展望。
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    31. 基于伪距离的冗余机器人避障算法
    万俊, 姚佳烽, 余亮, 张良安, 吴洪涛
    机械工程学报    2020, 56 (17): 59-70.   DOI: 10.3901/JME.2020.17.059
    摘要323)      PDF(pc) (3537KB)(547)    收藏
    针对冗余机器人避障问题,提出一种基于伪距离且无需主从任务转换的冗余机器人避障算法。采用具有解析式的伪距离算法计算机器人与障碍物之间的接近程度,通过分析伪距离与欧式距离换算关系求取机器人与障碍物之间最小欧式距离,从而提高冗余机器人与障碍物之间的最小欧式距离求解效率。基于最小伪距离判别指标,在机器人末端轨迹上赋予末端沿最小距离方向避障速度实现末端避障。在零空间避障问题求解中提出一种自适应阻尼控制方法,产生虚拟排斥力使机器人连杆远离障碍物,并自适应调整阻尼增益参数响应避障速度。通过七自由度冗余机器人的仿真和试验验证了该算法的高效性和有效性。仿真结果表明,该算法提出的末端避障方法避免了传统的主从任务转换避障算法在任务切换时所引起的末端振荡且缩短了避障时间,同时该算法提出的零空间避障方法能够在低误差跟踪末端期望轨迹下避免机器人连杆与障碍物相碰撞。试验结果表明,该算法能够完成多障碍物避障,验证了该算法的末端避障方法和零空间避障方法的正确性。
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    32. 电活性双稳态机构及其在软体机器人中应用的研究进展
    李博, 孙文杰, 姜磊, 马付雷, 陈贵敏
    机械工程学报    2020, 56 (19): 43-52.   DOI: 10.3901/JME.2020.19.043
    摘要312)      PDF(pc) (894KB)(750)    收藏
    电活性双稳态机构兼具电活性材料的仿人工肌肉快速电致变形能力及双稳态机构在两个位置上精准定位的特性,是新一代具有主动响应能力的机械机构,在航空航天、医疗康复、生物仿生等机器人领域中具有重要的应用前景。综述梳理和分析近十五年内电活性双稳态机构的研究成果,按照运动方式可分成面内运动与离面运动,按照结构设计可分成一体化与非一体化。通过增加额外的机械机构,可将电活性双稳态扩展为三稳态,将静态驱动扩展为动态谐振驱动。基于电活性双稳态机构的软体机器人具有更精准的位移输出和更迅速的运动响应,可实现多物体的自适应抓取、仿生弹舌驱动,变刚度等功能,以及发展具有在陆地、水下和空中的运动的柔性软体机器人。目前的电活性双稳态机构在设计方法、控制机制、稳态状态调控、制造技术中存在诸多前沿问题,需要机械、力学、材料等多学科知识的交叉融合。
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    33. 适用于月面极端地形的爬-滚机器人设计及爬行滚动特性分析
    张元勋, 黄泽东, 韩亮亮, 谷程鹏, 张文奇
    机械工程学报    2021, 57 (3): 35-48.   DOI: 10.3901/JME.2021.03.035
    摘要303)      PDF(pc) (1543KB)(837)    收藏
    面向月面极端环境科学探测任务,提出一种兼有快速通过性和良好环境适应性的爬行滚动一体化机器人设计方案,通过机器人6条腿的形态变化,使机器人具有爬行和滚动两种运动模式。在对爬-滚机器人构型分析的基础上,建立了单腿正逆运动学模型,以运动学为基础,基于足端轨迹规划设计了爬行模式下机器人直行、原地转向步态;结合非结构地形的特殊性,通过尺寸和力约束条件分析了机器人滚动模式下的最大爬坡角和最大越障高度。基于ADAMS软件对机器人爬行模式直行、原地转向,滚动模式爬坡、越障等运动行为进行了模拟,并搭建了机器人移动试验平台,对机器人样机在实验室环境中进行了测试,仿真和试验结果表明机器人在爬行模式下具有良好的移动性能,在滚动模式下具有一定的爬坡和越障能力,爬行、滚动模式运动特性分析能准确地评价机器人性能,证明了该设计方案的适用性和可行性,为后续特种探测机器人的研究提供借鉴。
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    34. 高温蠕变条件下表面裂纹扩展行为分析
    胡华彦, 温建锋, 吴蔚峰, 谈建平, 涂善东
    机械工程学报    2020, 56 (24): 40-50.   DOI: 10.3901/JME.2020.24.040
    摘要301)      PDF(pc) (67029KB)(1157)    收藏
    裂纹的存在及其扩展严重限制着高温承压部件的使用寿命,而目前对结构三维蠕变裂纹扩展行为的认识及其预测仍比较有限。以典型耐热钢P91为例,在650℃下对其开展了不同应力和不同初始裂纹尺寸的表面裂纹蠕变扩展试验,通过断面观察获得了蠕变裂纹扩展形貌演化,并采用基于多轴蠕变损伤模型的有限元法、基于蠕变裂纹尖端参量C*的有限元法以及英国标准BS7910推荐的简化计算方法进行表面裂纹蠕变扩展分析。结果表明,基于多轴蠕变损伤模型的有限元法能够合理地描述裂纹最终轮廓并准确地预测裂纹扩展时间。相比之下,基于C*的有限元法和BS7910简化计算方法计算的裂纹形貌预测有明显偏差,并且较依赖于紧凑拉伸试样的蠕变裂纹扩展试验数据及其拟合的参数Cq,易导致过于保守的裂纹扩展时间预测。评估了不同计算方法对于表面裂纹蠕变扩展行为的预测能力。
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    35. 考虑足地作用的足式机器人环境表征与路径规划
    徐鹏, 丁亮, 高海波, 周如意, 李楠, 邓宗全
    机械工程学报    2020, 56 (23): 21-33.   DOI: 10.3901/JME.2020.23.021
    摘要300)      PDF(pc) (1491KB)(623)    收藏
    足式机器人在行走过程中,足端与地面之间的相互作用影响机器人的地面通过情况。足地作用与地表的几何形状和地面的物理特性息息相关,因此仅基于几何特性地图进行路径规划难以满足野外环境下规避松软沙土等非几何危险的需求。针对该问题,考虑足地作用力学提出包含几何与物理特性的环境模型进行足式机器人路径规划。通过简化和统一软硬地面下的足地作用模型,提出表征地面法向松软特性和切向摩擦特性的参数化指标,结合几何特性构建更全面的环境模型。综合考虑影响机器人通过性的地面几何与物理特征,重构路径规划的优化目标,通过图搜索算法实现最优路径规划。以六足机器人Elspider为对象进行仿真和试验,验证了所提出的方法能够有效规避非几何危险,实现了更安全、通过性更强的路径规划。
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    36. 基于多层降噪技术及改进卷积神经网络的滚动轴承故障诊断方法
    董绍江, 裴雪武, 吴文亮, 汤宝平, 赵兴新
    机械工程学报    2021, 57 (1): 148-156.   DOI: 10.3901/JME.2021.01.148
    摘要298)      PDF(pc) (1025KB)(641)    收藏
    针对滚动轴承微弱故障在强噪声下难以实现有效诊断的问题,提出了一种基于多层降噪技术及改进卷积神经网络(Improved convolution neural network,ICNN)的轴承故障诊断新方法。首先,对滚动轴承的一维振动信号进行预处理,得到标签化的数据样本,分为训练集和测试集;然后采用奇异值分解(Singular value decomposition,SVD)处理训练样本,通过二分之均值法选择有效奇异值个数,获得原始降噪信号和带噪信号;为了避免丢失微弱故障细节特征,将带噪信号经过SVD进一步去噪消除模态混叠并输入经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)得到内禀模态函数,根据方差贡献率大小选出IMF分量并与原始降噪信号叠加得到最终信号;将处理后的训练集数据输入到引入注意力机制(Attention mechanism,AM)的ICNN中进行学习;最后将得到的诊断模型应用于测试集,输出故障类别诊断结果。通过滚动轴承故障诊断模拟试验,在强噪声环境下进行测试,结果表明所提方法能更准确的在强噪声环境中实现轴承的故障诊断。
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    37. 联合载荷下角接触球轴承的动态特性分析
    李震, 关先磊, 钟锐, 王青山
    机械工程学报    2020, 56 (17): 116-125.   DOI: 10.3901/JME.2020.17.116
    摘要295)      PDF(pc) (1824KB)(551)    收藏
    高速轴承是我国国民经济和国防工业急需的关键零部件,基于非线性弹性赫兹接触理论以及琼斯哈里斯模型,在原有三自由度动力学模型的基础上,提出一个五自由度拟静力学分析模型,考虑离心力,陀螺力矩,接触角等因素的影响。从角接触球轴承(Angular contact ball bearing,ACBB)内部几何关系入手,根据勾股定理列出几何平衡方程,分别对滚珠和轴承内圈进行受力分析,列出受力平衡方程,采用牛顿拉夫逊方法结合迭代步长调节因子对平衡方程组进行求解。通过求解特定工况下的轴承刚度和轴承动态参数与已有文献的结果进行对比,验证本文方法的准确性,稳定性和通用性。根据已建立的动力学模型,分别开展轴承外载荷和转速对轴承动态特性的研究。结果表明,在联合载荷作用下,轴向和径向载荷对轴承动态参数和轴承刚度有重要影响,且两者在一定程度上相互制约。力矩对轴承的动态特性影响较小。
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    38. 一种数据驱动的旋转机械早期故障检测模型构建和应用研究
    王庆锋, 卫炳坤, 刘家赫, 马文生, 许述剑
    机械工程学报    2020, 56 (16): 22-32.   DOI: 10.3901/JME.2020.16.022
    摘要293)      PDF(pc) (778KB)(522)    收藏
    传统在线监测系统未能实现早期故障预警,旋转机械状态劣化评估采用固定阈值分级报警方法,存在较多的误报警和漏报警现象,难以指导企业设备预测性维修开展,设备运行安全性、可靠性、利用率难以保障。立足于工程应用,研究基于小波包分解、动态核主成分分析、T2统计分析、Beta分布预警控制限自学习等技术,构建数据驱动基于振动信号分析的旋转机械早期故障检测模型。应用辛辛那提大学智能维修系统中心滚动轴承试验数据和中国某石化公司加氢裂化装置P3409A离心泵轴承“运转到坏”的在线监测振动数据,对构建的设备早期故障检测模型进行验证,结果表明,构建的设备早期故障检测模型,相比传统固定阈值分级报警方法,能够检测滚动轴承早期故障并实现早期故障准确告警,能够有效降低错误报警率和漏报警率。构建的基于振动信号的旋转机械早期故障检测模型,只需要知道监测部件正常运行状态历史数据,无需外部专家支持,实时数据驱动即可实现早期故障检测预警。
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    39. 基于改进势场蚁群算法的移动机器人全局路径规划
    马小陆, 梅宏
    机械工程学报    2021, 57 (1): 19-27.   DOI: 10.3901/JME.2021.01.019
    摘要291)      PDF(pc) (1007KB)(653)    收藏
    针对势场蚁群算法路径转折点数量过多、收敛速度过快、容易陷入局部最优等问题,提出了基于势场跳点的蚁群算法。该算法融合了蚁群算法和跳点搜索算法的搜索策略,使规划出的路径更加平滑;引入了势场合力递减系数,减少了势场蚁群算法因势场而陷入的局部最优问题;引入了简化的跳点搜索算法对初始化信息素进行更新,提高了算法前期的搜索效率。为验证该算法的有效性,使用不同规格的栅格地图进行了仿真试验,仿真结果表明,相比于势场蚁群算法,该算法能够有效减少收敛迭代次数,其收敛搜索时间更短,且最终搜索到的路径更优。最后将该算法应用到实际的基于ROS的移动机器人导航试验中,试验结果表明,该算法能有效解决移动机器人全局路径规划问题,且能明显提升机器人全局路径规划的效率。
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    40. 切削工况下机床主轴回转精度动态预测方法
    康婷, 曹宏瑞
    机械工程学报    2020, 56 (17): 240-248.   DOI: 10.3901/JME.2020.17.240
    摘要288)      PDF(pc) (1107KB)(635)    收藏
    回转精度是衡量主轴加工性能的重要指标。现有的回转精度测量方法通常借助标准球并在空转条件下进行,无法计入切削载荷等负载带来的影响,难以反映主轴在切削状态下的真实精度。针对该问题,提出一种基于动力学模型的主轴回转精度动态预测方法。首先建立高保真的高速主轴-轴承系统动力学模型,并将切削力等激励载荷作为输入边界条件。然后利用测力仪测量、修正切削力,并将其输入动力学模型,实现主轴振动响应和径向回转误差的动态预测。设计并制作一套主轴回转误差在线测量装置,对回转精度预测结果进行试验验证。将不同切削工况下的仿真与试验结果进行对比分析,结果表明提出的方法能够准确预测主轴回转精度的变化规律,可以为主轴加工性能评估提供依据。
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