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    1. 高速凸轮机构动力学分析及模态截断
    金国光, 魏展, 秦凯旋, 张阳演
    机械工程学报    2015, 51 (13): 227-234.   DOI: 10.3901/JME.2015.13.227
    摘要872)      PDF(pc) (1505KB)(151323)    收藏
    高速凸轮机构广泛应用于车辆、纺织和印刷等机械中,对其进行动力学问题研究是提高机械性能的基础和关键。采用有限元法对凸轮机构柔性构件进行离散化处理,结合模态综合技术和Kane方程建立刚柔耦合凸轮系统动力学模型,所得动力学方程是一个更具一般性的柔性梁类动力学方程,且该方程在模态坐标下更便于计算机求解运算。通过对系统模态分析和动力学方程求解来分析其动态性能,在了解系统动态性能的同时进行模态截断研究。对截取不同阶数的动力学模型进行仿真,分析模态截取阶数对计算精度和计算速度的影响。研究结果对判断实际应用中的高速凸轮系统是否需要进行动力学分析具有重要指导意义,也为该类机构的动力学建模和模态特性研究提供依据。
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    2. 当前中国机构学面临的机遇
    刘辛军, 谢福贵, 汪劲松
    机械工程学报    2015, 51 (13): 2-12.   DOI: 10.3901/JME.2015.13.002
    摘要1052)      PDF(pc) (5623KB)(93267)    收藏
    工业4.0以及智能制造是工业发展的必然趋势,但它们的发展必然是要建立在单元化装备尤其是机器人和高端制造装备的高品质基础之上的。近两年,机器人高调卷土重来,市场前景巨大;高端制造装备尤其是高档数控机床在我国需求依旧迫切。但不管机器人还是高档数控机床在我国的发展仍然不容乐观,它们仍然低迷的共同特征是所必需的基础元器件和数控系统依赖舶来品,受制于人,关键功能部件例如摆角头、高性能减速器(例如RV减速器)等制造技术缺失,导轨、丝杠等部件可靠性和性能保持性不足。尤其是,由于结构原理以及实现技术的原因,摆角头和高性能减速器均是串联式高端机床和机器人的核心功能部件,极大地决定了机床和机器人的功能和性能,也是机床和机器人行业能否达到和赶超世界先进水平的重要屏障。机构学是装备结构设计的基础学科,机构创新是装备创新的根本,在我国机床与机器人需要跨越式发展的当前,机构学领域担负着重要的创新责任。结合机床与机器人的结构、功能和应用特点,分析和探讨我国机构学在现阶段面临的机遇,为我国机构学者的研究与工业界对高端装备的需求实现有效结合提供参考。
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    3. 钢轨中导波传播模式的半解析有限元分析与实验测量
    卢超, 杨雪娟, 戴翔, 常俊杰
    机械工程学报    2015, 51 (6): 79-86.   DOI: 10.3901/JME.2015.06.079
    摘要2525)      PDF(pc) (2452KB)(91769)    收藏
    导波传播模式分析是钢轨长距离导波检测和振动噪声控制的基础。钢轨中的导波传播模式可以通过波数频率关系和对应的结构形变来有效识别。应用半解析有限元法(Semi-analytical finite element method,SAFE),基于虚功原理构建导波在任意截面弹性波导中传播的控制方程,求解弹性波导中导波传播的频散曲线和结构形变。应用该方法求解0~8 kHz频率范围自由状态CHN60型钢轨中导波传播的波数频散关系和结构形变,并讨论8个基本传播模式的特点。采用模态力锤及多传 感器测量钢轨截面形变的模态分析试验方法得到钢轨横向和垂直振动模态导波的波数-频率系数,数值分析与试验结果相符合。
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    4. 医疗机器人技术发展综述
    倪自强, 王田苗, 刘达
    机械工程学报    2015, 51 (13): 45-52.   DOI: 10.3901/JME.2015.13.045
    摘要1048)      PDF(pc) (840KB)(84831)    收藏
    医疗机器人在过去几十年获得了飞速发展,根据医疗机器人的功能和用途将医疗机器人分为:神经外科机器人、骨科机器人、腹腔镜机器人、血管介入机器人、假肢外骨骼机器人、辅助康复机器人和胶囊机器人。分别对当前已经商用化的代表性的医疗机器人做了介绍,对其功能、主要技术指标、优缺点做出对比和描述。探讨医疗机器人当前主要的前沿研究问题,对医疗机器人关键技术和难点问题做出分析和讨论,对医疗机器人未来的发展方向和机遇做了展望。
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    5. 基于外穿式交流电磁场检测的钻杆轴向裂纹在役检测技术研究
    李伟, 袁新安, 陈国明, 葛玖浩, 姜永胜, 贾廷亮
    机械工程学报    2015, 51 (12): 8-15.   DOI: 10.3901/JME.2015.12.008
    摘要615)      PDF(pc) (2653KB)(50311)    收藏
    钻杆是钻井过程中易受破坏的关键部件,在其服役过程中进行检测,对于减少钻具失效事故具有重要意义。针对钻杆在役检测的特点,提出一种新型外穿式交流电磁场检测方法,建立针对钻杆外表面轴向裂纹的外穿式交流电磁场检测有限元仿真模型,分析钻杆表面感应电磁场分布以及裂纹引起的电磁场畸变信号与裂纹尺寸关系,在此基础上提取裂纹识别特征信号,基于仿真模型分析激励线圈提离高度影响,设计开发井口钻杆外表面轴向裂纹在役检测系统,并进行试验测试,仿真和试验结果表明:外穿式交流电磁场检测探头所提取的钻杆轴向裂纹特征信号Bx和Bz分别反映裂纹深度和长度,具有定量识别能力;激励线圈提离高度可满足在役检测需要;外穿式交流电磁场检测系统利用周向阵列检测线圈可有效检测钻杆表面轴向裂纹。
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    6. 柔性机构及其应用研究进展
    于靖军, 郝广波, 陈贵敏, 毕树生
    机械工程学报    2015, 51 (13): 53-68.   DOI: 10.3901/JME.2015.13.053
    摘要941)      PDF(pc) (745KB)(18456)    收藏
    柔性机构自20世纪80年代提出以来迅猛发展,已成为现代机构学一个重要分支。短短不足30年间,柔性机构设计理论的构建与发展,为柔性机构成功应用奠定了坚实基础。随着对柔性及柔性机构认识不断深入,柔性机构得到了广泛应用,不断涌现新的成功实例。继5年前综述了柔性机构设计方法研究进展之后,尝试从应用的视角鸟瞰一下柔性机构的最新进展。通过将柔性机构的主体应用划分为精密工程、仿生机器人、智能材料结构三大主阵地,概述柔性机构在每个阵地中的应用进展及研究热点情况,并对其发展做了展望。对四种最具发展潜力和应用前景的新型柔性机构(胞元式柔性机构、辅助接触式柔性机构、平面折展机构、柔性静平衡机构)进行简单描述。
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    7. u-SVD降噪算法及其在齿轮故障诊断中的应用
    曾鸣, 杨宇, 郑近德, 程军圣
    机械工程学报    2015, 51 (3): 95-103.   DOI: 10.3901/JME.2015.03.095
    摘要602)      PDF(pc) (500KB)(18419)    收藏
    为了提取机械设备被强背景噪声淹没的故障特征,采用一种具有通用意义的基于奇异值分解(Singular value decomposition, SVD)的子空间降噪算法对信号进行处理,即u-SVD降噪算法。传统的SVD降噪算法是u-SVD降噪算法中拉格朗日乘子 时的一种特殊情况。u-SVD降噪算法包含滤值因子,能够抑制以噪声贡献占主导的奇异值对降噪后信号的信息贡献量。u-SVD降噪算法涉及延迟时间、嵌入维数、降噪阶次、噪声功率和拉格朗日乘子等5个参数。讨论了u-SVD降噪算法的参数选择方法,并着重研究降噪阶次和拉格朗日乘子对降噪效果的影响。齿轮故障仿真信号和齿轮早期裂纹故障振动信号的试验结果表明,u-SVD降噪算法在降噪效果方面要优于传统的SVD降噪算法,可以在强背景噪声情况下更好地提取出齿轮的故障特征。
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    8. 基于Rife-Vincent窗衰减信号插值离散傅里叶变换
    刁瑞朋, 孟庆丰, 范虹
    机械工程学报    2015, 51 (4): 1-7.   DOI: 10.3901/JME.2015.04.001
    摘要666)      PDF(pc) (457KB)(18007)    收藏
    频谱泄漏和栅栏效应是影响衰减信号离散傅里叶变换精度的主要因素。为了提高多频衰减信号离散傅里叶变换频谱参数的校正精度,提出一种加窗两点矢量插值校正算法。对信号加M阶余弦窗并计算加窗后信号的离散傅里叶变换,利用真实频率附近的两根谱线的矢量比建立方程,通过求解方程获得频率偏移量和衰减因子,利用上述获得的两个参数计算出信号的频率、幅值和相位。余弦窗的最大旁瓣衰减特性能有效的降低频谱泄漏的影响,两点矢量频域插值可以消除栅栏效应,两者结合极大地提高了算法的参数校正精度。仿真和试验结果表明,算法具有较高的参数校正精度和稳定性,且计算效率较高,适用于实时处理及对计算资源要求苛刻的场合,为多频衰减信号的特征提取提供了一种可选的方法。
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    9. 空投装备气囊缓冲系统评价方法
    洪煌杰, 王红岩, 李建阳, 芮强, 张芳
    机械工程学报    2015, 51 (4): 148-154.   DOI: 10.3901/JME.2015.04.148
    摘要406)      PDF(pc) (2147KB)(16681)    收藏
    以热力学理论和有限元法为基础,建立装备-气囊系统有限元模型,并利用试验数据对模型进行验证。对比结果表明,所建模型系统的精度较高,可以用在下一步的仿真分析工作中。针对缓冲气囊的复杂非线性模型计算规模大、难以进行大规模计算的问题,以着陆初速度、初始侧倾角、初始俯仰角、横向速度和地面坡度为变量,分别以最大冲击加速度、最大侧倾角、最大俯仰角以及气囊最大内压为响应,结合扩展拉丁超立方设计,采用径向基函数构建多工况响应代理模型。考虑空投装备在着陆过程中环境因素以及空投装备着陆姿态的影响,利用蒙特卡罗法结合代理模型对多工况下的空投装备着陆成功概率进行计算。通过计算得到着陆成功概率为95.84%,冲击加速度为其主要影响因素,气囊内压为次要因素。
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    10. 等几何分析研究概述
    吴紫俊, 黄正东, 左兵权, 刘清华, 殷小亮
    机械工程学报    2015, 51 (5): 114-129.   DOI: 10.3901/JME.2015.05.114
    摘要643)      PDF(pc) (916KB)(15754)    收藏
    提出等几何分析(Isogeometric analysis, IGA)是一种新的物理场数值求解方法,它可实现CAE数值分析与CAD建模工具的集成,给出一条使设计、分析和优化紧密结合的新途径。以等几何分析方法的计算框架为基础,详细介绍等几何分析方法中样条几何模型的描述方式和建模方法;并以NURBS为例,阐述了IGA中的分析模型的参数化表示以及网格模型的细化方法;结合现有的经典有限元的分析过程,简单介绍IGA的离散方法、边界条件和积分方法;系统总结等几何分析在热、流体、接触和优化方面的应用,并给出了一个简单的二维问题的IGA求解实例。
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    11. 硅片传输机器人手臂结构优化设计方法
    刘延杰,吴明月,王刚,蔡鹤皋
    机械工程学报    2015, 51 (1): 1-9.   DOI: 10.3901/JME.2015.01.001
    摘要5477)      PDF(pc) (821KB)(15373)    收藏
    提出一种以硅片传输机器人末端竖直方向上由手臂静变形引起的静偏移为约束、以刚性杆柔性关节系统固有频率为优化目标、以各手臂壁厚为优化参数的硅片传输机器人手臂结构优化设计方法。建立硅片传输机器人刚性杆柔性关节动力学模型,通过系统固有频率分析以及模态分析确定对轨迹精度影响较大的模态为一阶模态与二阶模态;通过分析结构参数对一阶与二阶固有频率影响的灵敏度以及权值选择小臂与末端手臂的质量作为优化参数;建立以手臂厚度为变量、以手臂结构尺寸为约束的手臂挠度模型与末端竖直方向静偏移模型,分析手臂厚度对末端竖直方向静偏移的影响规律并对末端手臂与小臂的厚度尺寸进行优化设计;对结构优化设计前后硅片传输机器人手臂的性能进行对比分析。结果表明:该方法在大幅度降低手臂质量的同时可显著提高硅片传输机器人手臂的一阶与二阶固有频率,大幅度降低了末端竖直方向上的静态偏移及内应力,大幅提高了系统竖直方向上的振动频率。
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    12. 基于PVDF的三维纳米谐振触发测头及定位系统
    李志渤, 黄强先, 史科迪, 韩彬, 余惠娟
    机械工程学报    2015, 51 (2): 1-6.   DOI: 10.3901/JME.2015.02.001
    摘要796)      PDF(pc) (668KB)(14261)    收藏
    微纳米三坐标测量机(Coordinate measuring machining, CMM)是目前微纳米三维测量领域的一个研究热点,针对微纳米CMM中三维纳米测头的研究瓶颈,提出一种与现有机械接触式测头和光学非接触式测头工作原理完全不同的、可达到纳米/亚纳米量级触发分辨力的新型谐振测头。利用聚偏氟乙烯(Poly vinylidene fluoride, PVDF)薄膜的压电特性和其谐振参数对微小作用力的高敏感性,PVDF薄膜与一体式光纤微测杆测球相结合构建成了基于PVDF薄膜的三维纳米谐振触发测头。该测头在z向以轻敲模式接触,在x、y向以摩擦模式接触。经过试验验证,由该测头与三维纳米定位平台、数据处理及反馈控制系统相结合构建成的三维谐振纳米触发定位系统在x、y、z三个方向的触发分辨力都达到了亚纳米量级,分别为0.12 nm、0.10 nm、0.12 nm;三维重复性误差分别为26 nm、36 nm、10 nm。试验结果证实了新型三维谐振测头及其系统的有效性。
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    13. 浅水域探测型无人水下航行器波浪能发电系统设计
    丁文俊, 宋保维, 毛昭勇, 赵晓哲
    机械工程学报    2015, 51 (2): 141-147.   DOI: 10.3901/JME.2015.02.141
    摘要904)      PDF(pc) (1676KB)(9949)    收藏
    为了实现浅水域探测型无人水下航行器(Unmanned underwater vehicle, UUV)探测设备水下长时间工作,提出波浪能发电系统,可以将近水面的波浪能收集转化为电能。详细叙述永磁发电机的原理结构及设计参数;根据Lagrange方程建立系统的数学模型;采用Runge-Kutta方法求解简化的运动方程,研究不同海况条件下对发电性能的影响。研究结果表明提出的波浪能发电系统是合理可行的,在一般海况下,能够满足探测设备的能源需求。同时表明频率与幅度以及耦合横摇对发电性能影响比较大,而耦合垂荡对其影响基本可以忽略。研究结果将为后期波浪能发电系统的工程试验提供一定的理论依据。
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    14. 典型钛合金切削层相变形成机理及其影响因素研究
    何耿煌, 吴明阳, 李凌祥, 邹伶俐, 程程
    机械工程学报    2018, 54 (17): 133-141.   DOI: 10.3901/JME.2018.17.133
    摘要223767)      PDF(pc) (554KB)(4025)    收藏
    为研究钛合金已加工表面相变机理及其影响因素,首先通过分析切削过程中切削刃对切削区域的作用机制,采用能量法建立结构参数、切削三要素与切削耗能的数值描述模型,结合Matlab对模型进行求解,获知进给量f的变化对钛合金切削耗能W的影响最大,切削速度vc次之,而切削深度ap最小;为验证描述模型的正确性,采用2种不同几何结构不同牌号的硬质合金可转位刀片对典型钛合金TC1、TC4、TA5以及合金钢30CrMnSiA在正常空冷和氩气冷环境下进行对比试验,试验结果与描述模型间的误差较小,有效证明了描述模型的正确性,同时明确了钛合金已加工表面相变形成机理,并揭示了其发展的规律性。研究可为钛合金的高品质加工提供数据支撑。
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    15. 面向航空发动机的镍基合金磨削技术研究进展
    丁文锋, 苗情, 李本凯, 徐九华
    机械工程学报    2019, 55 (1): 189-215.   DOI: 10.3901/JME.2019.01.189
    摘要1082)      PDF(pc) (131608KB)(2766)    收藏
    磨削加工是制造航空发动机镍基合金零件的重要方法。为进一步提高镍基合金磨削加工的材料去除效率、提升工件表面质量,国内外学者开展了诸多基础理论与工艺探索工作。在概述镍基合金材料磨削加工技术发展过程的基础上,全面总结了国内外学者在镍基合金材料磨削去除机理、磨削工艺特性、磨削加工新方法等方面的主要研究成果,并对镍基合金磨削加工技术的难点与发展趋势进行了展望。
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    16. 果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制
    金波;林龙贤
    机械工程学报    2014, 50 (19): 1-8.  
    摘要11709)      PDF(pc) (627KB)(2728)    收藏
    为了实现果蔬的无损采摘,采用欠驱动原理设计出一种结构更简单、通用性更强的末端执行器。欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构,基于欠驱动原理设计的机械手结构简单可靠,抓取物体时具有形状自适应能力,手指可完全包络物体,可以通过最大接触力的闭环力反馈控制来实现无损采摘。基于这一设计思想设计出仅靠一个电动机驱动三个手指的机械手爪,通过理论分析、手爪机构设计与建模、结构参数优化,确定设计尺寸制出机械手爪,设计控制电路结合力反馈控制进行抓取试验。试验结果表明该手爪能实现期望的抓取与最大接触力控制功能,并具有控制简单可靠、抓取稳定、不损伤果实等特点。
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    17. 基于深度学习理论的机械装备大数据健康监测方法
    雷亚国, 贾峰, 周昕, 林京
    机械工程学报    2015, 51 (21): 49-56.   DOI: 10.3901/JME.2015.21.049
    摘要1529)      PDF(pc) (1232KB)(2681)    收藏

    机械装备正在朝着高速、高精、高效方向发展,为了确保这些装备的健康运行,健康监测系统采集了海量数据来反映机械的健康状况,促使机械健康监测领域进入了“大数据”时代。机械大数据具有大容量、多样性与高速率的特点,研究和利用先进的理论与方法,从机械装备大数据中挖掘信息,高效、准确地识别装备的健康状况,成为机械装备健康监测领域面临的新问题。深度学习理论作为模式识别和机器学习领域最新的研究成果,以强大的建模和表征能力在图像和语音处理等领域的大数据处理方面取得了丰硕的成果。结合机械大数据的特点与深度学习的优势,提出了一种新的机械装备健康监测方法。该方法通过深度学习利用机械频域信号训练深度神经网络,其优势在于能够摆脱对大量信号处理技术与诊断经验的依赖,完成故障特征的自适应提取与健康状况的智能诊断,因此克服了传统智能诊断方法的两大缺陷:需要掌握大量的信号处理技术结合丰富的工程实践经验来提取故障特征;使用浅层模型难以表征大数据情况下信号与健康状况之间复杂的映射关系。试验结果表明,该方法实现了多种工况、大量样本下多级齿轮传动系统不同故障位置不同故障类型的故障特征自适应提取与健康状况准确识别。

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    18. 一种刮削加工切削齿刃形计算与加工运动仿真方法
    贾康, 郑帅, 郭俊康, 洪军
    机械工程学报    2019, 55 (1): 216-224.   DOI: 10.3901/JME.2019.01.216
    摘要505)      PDF(pc) (101653KB)(2481)    收藏
    针对非特定内外廓形的刮削加工,基于刮削加工原理与展成运动,提出一种基于离散廓形包络的切削齿刃形曲线通用计算方法,适用于任意结构前刀面,并给出切触点的求解方法与相应的空间刮削切触运动的计算仿真方法。首先剖析了刮削加工原理,从工件、刀具和运动配置参数角度构建了刮削加工的运动学模型;然后,基于曲面共轭原理分析了刮削加工的正逆问题,提出基于相对刀具运动的工件曲面与前刀面相交内包络的切削刃曲线求解方法,给出了详细的计算流程与方法以及切削刃可行性的判定规则;随后,进一步提出了基于切削刃的刮削过程切触点计算方法,并给出了时序对应的空间切触运动仿真分析方法;最后,分别以内外廓形的刮削加工为例,对所提出的切削刃计算方法和加工运动仿真方法的有效性进行了验证。
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    19. 无人驾驶车辆的运动控制发展现状综述
    熊璐, 杨兴, 卓桂荣, 冷搏, 章仁夑
    机械工程学报    2020, 56 (10): 127-143.   DOI: 10.3901/JME.2020.10.127
    摘要1280)      PDF(pc) (8545KB)(2402)    收藏
    回顾无人驾驶车辆的运动控制问题。从系统模型、控制方法以及控制结构等角度切入,分别在纵向运动控制、路径跟踪控制和轨迹跟踪控制三个层面对国内外的研究进展进行综述,并提出对无人驾驶车辆运动控制技术的发展展望。当前运动控制研究多集中于常规工况,为实现无人驾驶车辆在处理人类驾驶员认为具有挑战性或缺乏操纵能力的复杂动态场景下的潜力,运动控制研究须从常规工况向极限工况拓展,但是极限工况下车辆的非线性和多维运动耦合特征显著增强,对系统建模以及算法的自适应性和鲁棒性的要求进一步提高。同时,为应对复杂场景下的多目标协调优化问题,考虑环境不确定性的运动规划与控制集成设计需要深入研究。增加执行器手段可以提升极限工况下车辆的侧向响应速度和控制裕度,但是冗余异构执行器的控制分配研究仍有待突破。运动控制的实现依赖于路面附着系数、质心侧偏角等信息输入,因此基于多源传感信息融合的关键状态与参数估计问题亟需解决。此外,将机器学习应用到车辆运动控制领域也是一个重要的发展方向。
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    20. 大数据分析技术在新能源汽车行业的应用综述——基于新能源汽车运行大数据
    佘承其, 张照生, 刘鹏, 孙逢春
    机械工程学报    2019, 55 (20): 3-16.   DOI: 10.3901/JME.2019.20.003
    摘要725)      PDF(pc) (240KB)(2325)    收藏
    为应对化石能源危机和环境污染问题,新能源汽车技术的发展与应用引起广泛重视。新能源汽车具有高信息化的特点和智能网联化的发展趋势,在日常运行中会产生大量行驶数据信息。利用海量多源异构数据进行安全预警与监管、车辆技术分析,是推动我国新能源汽车行业发展的关键。综述了大数据分析技术在新能源汽车行业的应用情况,概述了大数据分析技术的基础理论、发展历程,介绍了新能源汽车国家监测与管理平台的架构和功能,并着重阐述了新能源汽车大数据分析过程。分别从动力电池数据、汽车运行数据和充电数据的角度出发,分析了现有的研究方向和研究方法,列举了部分研究成果和应用情况。最后,对当前新能源汽车大数据分析领域存在的问题和发展应用前景进行了总结和展望。
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    21. 超声振动对单颗金刚石工具划擦RB-SiC材料去除行为的影响
    郑非非, 董志刚, 张嘉桐, 刘津廷, 康仁科
    机械工程学报    2019, 55 (1): 225-232.   DOI: 10.3901/JME.2019.01.225
    摘要571)      PDF(pc) (63624KB)(2321)    收藏
    超声辅助磨削在硬脆材料加工领域的诸多优势已被广泛认可,研究超声辅助磨削机理对于促进超声辅助磨削工艺技术的应用有重要价值。通过单颗金刚石压头模拟砂轮磨粒,在反应烧结碳化硅(Reaction bonded silicon carbide,RB-SiC)上进行超声振动辅助的划擦试验,研究超声辅助磨削的材料去除行为。对比分析了划擦过程中不同超声振幅下的法向划擦力和切向划擦力的变化规律,通过对划痕宽度、划痕深度和划痕截面积的统计分析研究了不同振幅下划痕的三维形貌特征。在综合分析划擦力、划痕微观形貌和金刚石压头磨损的基础上,讨论了超声振动对硬脆材料加工的去除行为的影响。相比于常规的划擦试验,引入超声振动作用后,划擦力显著下降,而划擦导致的材料去除体积显著增加。超声振动划擦中金刚石压头对工件表面独特的高频冲击作用及断续的能量输入方式被认为是导致上述现象的根本原因。
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    22. 基于机器学习的设备剩余寿命预测方法综述
    裴洪, 胡昌华, 司小胜, 张建勋, 庞哲楠, 张鹏
    机械工程学报    2019, 55 (8): 1-13.   DOI: 10.3901/JME.2019.08.001
    摘要1928)      PDF(pc) (1101KB)(2233)    收藏
    随着科学技术的发展和生产工艺的进步,当代设备日益朝着大型化、复杂化、自动化以及智能化方向发展。为保障设备安全性与可靠性,剩余寿命(Remaining useful life,RUL)预测技术受到了普遍关注,同时得到了广泛应用。传统的统计数据驱动方法受模型的选择影响明显,而机器学习具有强大的数据处理能力,并且无需确切的物理模型和专家先验知识,因而机器学习在剩余寿命预测领域表现出了广阔的应用前景。鉴于此,详细分析和阐述了基于机器学习的设备剩余寿命预测方法。根据机器学习模型结构的深度,将其分为基于浅层机器学习的方法和基于深度学习的方法。同时疏理了每类方法的发展分支与研究现状,并且总结了相应的优势和缺点,最后探讨了基于机器学习的剩余寿命预测方法的未来研究方向。
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    23. 大数据下机械智能故障诊断的机遇与挑战
    雷亚国, 贾峰, 孔德同, 林京, 邢赛博
    机械工程学报    2018, 54 (5): 94-104.   DOI: 10.3901/JME.2018.05.094
    摘要1782)      PDF(pc) (359KB)(2190)    收藏
    机械故障是风力发电设备、航空发动机、高档数控机床等大型机械装备安全可靠运行的“潜在杀手”。故障诊断是保障机械装备安全运行的“杀手锏”。由于诊断的装备量大面广、每台装备测点多、数据采样频率高、装备服役历时长,所以获取了海量的诊断数据,推动故障诊断领域进入了“大数据”时代。而机械智能故障诊断有望成为大数据下诊断机械装备故障的“一把利器”。与此同时,大数据给机械智能故障诊断的深入研究和应用提供了新的机遇:“数据为王”的学术思想有望成为主流、诊断整机或系统级对象成为可能、全面解析故障演化过程成为趋势等;但也遇到了新的挑战:数据大而不全呈“碎片化”、故障特征提取受制于人为经验、浅层诊断模型诊断精度低等。阐述了机械智能故障诊断大数据的特点;从信号获取、特征提取、故障识别与预测三个环节,综述了机械智能故障诊断的国内外研究进展和发展动态;指出了机械智能故障诊断理论与方法在大数据背景下的挑战;最后讨论了应对这些挑战的解决途径与发展趋势。
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    24. 仿生机器人研究现状与发展趋势
    王国彪, 陈殿生, 陈科位, 张自强
    机械工程学报    2015, 51 (13): 27-44.   DOI: 10.3901/JME.2015.13.027
    摘要1027)      PDF(pc) (8055KB)(2126)    收藏
    仿生机器人是指依据仿生学原理,模仿生物结构、运动特性等设计的性能优越的机电系统,已逐渐在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等不适合由人来承担任务的环境中凸显出良好的应用前景。按照工作环境可将仿生机器人分为陆面仿生机器人、空中仿生机器人以及水下仿生机器人三类。指出仿生机器人经历了原始探索、宏观仿形与运动仿生、机电系统与生物性能部分融合三个阶段,并概述三类仿生机器人国内外研究现状。分析发现当前研究还存在着生物运动机理研究不深,结构设计、材料应用、驱动及控制方式大多较为传统、能量利用率低等问题,导致了仿生机器人从宏观到微观与生物都存在较大差异,“形似而神不似”,远未达到实际应用程度。指出了仿生机器人正向着刚柔混合结构,仿生结构、材料、驱动一体化,神经元精细控制,高效的能量转换的类生命系统方向发展。
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    25. 复杂曲面零件超精密加工方法的研究进展
    李敏, 袁巨龙, 吴喆, 吕冰海, 孙磊, 赵萍
    机械工程学报    2015, 51 (5): 178-191.   DOI: 10.3901/JME.2015.05.178
    摘要678)      PDF(pc) (3958KB)(2125)    收藏
    超精密加工技术是降低工件表面粗糙度、去除损伤层,获得高形状精度、表面精度和表面完整性的终加工手段。复杂曲面零件的广泛应用和精度要求的不断提高,取决于复杂曲面零件的超精密加工技术。概述了复杂曲面零件的超精密成形加工、超精密抛光等加工方法,分析各种典型加工方法和材料去除机理,从加工精度、工具与曲面吻合度、加工效率与成本、环境友好性等方面对几种复杂曲面超精密加工方法进行比较。对复杂曲面零件超精密加工技术的发展趋势进行预测。
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    26. 纵扭超声换能器设计及其性能测试研究
    袁松梅, 唐志祥, 吴奇, 宋衡
    机械工程学报    2019, 55 (1): 139-148.   DOI: 10.3901/JME.2019.01.139
    摘要761)      PDF(pc) (53954KB)(2104)    收藏
    纵扭超声振动加工在碳纤维复合材料等硬脆性材料上的应用越来越得到重视,针对现有纵扭超声换能器存在扭振分量较小或纵扭节面不重合等问题,设计一种新型的纵扭超声换能器。通过理论解析法设计了一种指数型变截面杆纵振超声换能器,然后在指数型变截面杆上设计螺旋槽,将一部分纵向振动转换为扭转振动;利用有限元软件分析螺旋槽结构参数对纵、扭谐振效果的影响规律,优选出最佳的螺旋槽参数;在此基础上对换能器进行模态分析和瞬态分析,结果表明换能器能够实现纵扭超声振动,且谐振频率与设计值误差较小,振幅值满足一般加工要求;最后对设计好的换能器实物进行阻抗分析和振幅测试,结果表明谐振频率与仿真值相差较小,纵振振幅9.4 μm,扭振振幅5.3 μm,能够适用于大部分的超声加工,也验证了设计方法的正确性。
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    27. 微纳振动能量收集器研究现状与展望
    亓有超, 赵俊青, 张弛
    机械工程学报    2020, 56 (13): 1-15.   DOI: 10.3901/JME.2020.13.001
    摘要1588)      PDF(pc) (246984KB)(2044)    收藏
    振动能量广泛分布在我们周围的环境中,比如人体运动、机器振动、微风吹动、水纹波动、声音振动等,收集环境中的振动能量对未来电子器件的自驱动化具有十分重要的意义。阐述了电磁、压电、摩擦电三种微纳振动能量收集器的工作机理和最新研究进展。对三种微纳振动能量收集器的特点和面临的挑战做出了归纳与概括。最后,对微纳振动能量收集器的发展趋势做出了展望。
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    28. 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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    29. 基于TRIZ及功能类比的产品概念设计创新*
    刘晓敏, 黄水平, 王建辉, 林贵杰
    机械工程学报    2016, 52 (23): 34-42.   DOI: 10.3901/JME.2016.23.034
    摘要786)      PDF(pc) (1672KB)(1934)    收藏

    介绍了类比源设计与功能类比作用原理,从两者作用原理及发明问题求解理论(Theory of inventive problem solving,TRIZ)的相关性描述得到启发,提出基于TRIZ的类比源设计求解过程模型。首先,借助于所建立的产品功能结构模型,找出用户需求与产品各功能之间的关联性。其次,将用户需求权重值赋予相关的产品各分功能,从而得到产品功能相似度矩阵,再利用Matlab工具对该矩阵进行标准化,这有利于类比源设计与待设计问题之间相关性的定量化表示。最后,构建出一种基于TRIZ及功能类比的概念设计过程模型。以紫外光油烟净化机为例,对其功能类比源设计的功能相似度进行分析,并利用有效价值分析法对所获得的功能原理解方案进行评价,验证了所构建模型的正确性。

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    30. 软体机械手研究综述
    张进华, 王韬, 洪军, 王煜
    机械工程学报    2017, 53 (13): 19-28.   DOI: 10.3901/JME.2017.13.019
    摘要1322)      PDF(pc) (3786KB)(1912)    收藏

    软体机械手(下面简称软体手)是一种由柔性材料制成的新型机械装置。凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性,软体机械手具有了高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点,受到国内外学者和机构的广泛研究,并表现出良好的应用前景。综述了软体机械手的应用领域、驱动方式、材料与制造、建模与控制的相关问题,并梳理了软体机械手研究中依旧存在的问题和可能的解决方案以及软体机械手的发展趋势。软体机械手是软体机器人领域的一个重要分支,其研究涉及材料学、力学、化学、机械设计与制造、电子与控制科学以及仿生学等诸多领域的交叉和融合。对软体机械手的研究将极大丰富人们对柔性材料的复杂、丰富特性的理解,也将为更好地把柔性材料融入产品的设计提供理论和技术指导。

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    31. 软体机器人:结构、驱动、传感与控制
    王田苗, 郝雨飞, 杨兴帮, 文力
    机械工程学报    2017, 53 (13): 1-13.   DOI: 10.3901/JME.2017.13.001
    摘要1830)      PDF(pc) (9902KB)(1892)    收藏

    软体机器人由软材料加工而成,自身可连续变形,与刚性机器人相比具有更高的柔顺性、安全性和适应性,在人机交互、复杂易碎品抓持和狭小空间作业等方面具有不可比拟的优势。综述软体机器人的发展历程,将软体机器人归为传统绳索驱动/气动肌肉机器人、超弹性材料软体机器人和智能材料软体机器人三大类。从仿生结构和仿生运动、驱动与加工、传感与控制三个方面对软体机器人的相关科学问题以及存在的技术难点进行总结与分析。分析了软体机器人在仿生结构、抓持作业和医疗康复等领域潜在的应用价值。对软体机器人目前的发展现状和存在的关键科学难点进行了系统的总结,并得出刚柔耦合、可变刚度和驱动传感控制一体化等研究方向可能是未来软体机器人研究新的突破点。

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    32. 2自由度绳索牵引并联机器人的高速点到点轨迹规划方法
    张文佳, 尚伟伟
    机械工程学报    2016, 52 (3): 1-8.   DOI: 10.3901/JME.2016.03.001
    摘要3865)      PDF(pc) (387KB)(1881)    收藏
    合理的轨迹规划方法可以提高机器人运动控制的平稳性、快速性和工作效率。当前绳索牵引并联机器人的轨迹规划方法主要采用多项式函数和三角函数满足平稳性要求,但规划算法复杂、快速性较差。针对一种2自由度绳索牵引并联机器人,根据动力学模型推导绳索拉力的单向性约束条件,提出一种新的点到点轨迹规划方法——S型-梯形组合规划方法。考虑到具体的点到点轨迹包含若干个需要依次到达的目标点,构成起始段、中间段和终止段三种不同的运动段,故采用S型-梯形组合规划方法分别设计这三种运动段的速度曲线,使得机器人在起始点和终止点的加速度为零,而中间若干点的加速度不为零,实现动态轨迹规划。仿真试验表明所提出的规划方法不仅可以满足绳索拉力的单向性约束条件,且加速度为简单的一次曲线,可以实现高速的点到点运动。
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    33. 单自由度八面体概率滚动机器人
    关永瀚, 姚燕安, 刘超
    机械工程学报    2020, 56 (7): 44-51.   DOI: 10.3901/JME.2020.07.044
    摘要854)      PDF(pc) (87293KB)(1739)    收藏
    提出一种由10个连杆,12个转动副构成具有八面体几何形态的单自由度概率滚动机器人,利用单自由度缩放变形实现定向前进步态和概率转向步态交替进行的翻滚运动。运用螺旋理论计算自由度,进行运动学分析和运动可行性分析,讨论了稳定性和翻滚条件,建立动力学模型进行仿真。在进行定向前进步态时机器人的移动方向是确定的;在进行概率转向步态时机器人有三个可能的移动方向,这个随机过程在理想条件下符合概率为1/3的拉普拉斯试验。机器人的移动路径为正交网格结点连线,可以实现遍历运动,提出了运动控制算法并进行运动仿真。制作一台原理样机进行运动试验,验证了前进和转向功能。
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    34. 机构学与旋量理论的历史渊源以及有限位移旋量的发展
    戴建生
    机械工程学报    2015, 51 (13): 13-26.   DOI: 10.3901/JME.2015.13.013
    摘要765)      PDF(pc) (454KB)(1721)    收藏
    旋量理论以其简洁的形式,数学的概括性在许多科学领域尤其是机构学领域得到深入而广泛的应用,但其历史发展仍不为学者们所充分了解。从最初的几何体研究导致新机构的发明,到旋量理论与旋量代数、李群与李代数的提出以及发展直至形成旋量理论体系,详尽阐述机构学与旋量理论的历史渊源以及有限位移旋量的发展,进行历史性的详尽查证与研究。引经据典,回顾旋量理论自18世纪的研究开发,以及与其他数学分支的关联,同时回顾有限位移旋量自20世纪50年代后尤其是20世纪90年代的发展,探讨《机构学与机器人学几何基础与旋量代数》专著中阐述的有限位移旋量与瞬时旋量以及李群、李代数的关联。
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    35. 软体机械臂仿生机理、驱动及建模控制研究发展综述
    闫继宏, 石培沛, 张新彬, 赵杰
    机械工程学报    2018, 54 (15): 1-14.   DOI: 10.3901/JME.2018.15.001
    摘要1565)      PDF(pc) (721KB)(1719)    收藏
    软体机械臂由柔性材料制作,具有高柔顺性、复杂环境适应性及安全人机交互性等特点,研究涉及材料学、仿生、机械设计和制造、传感器技术等多学科交叉融合,其发展为柔性材料应用、仿生机器人研究等提供参考和技术支持,在工业生产、医疗手术、救灾探测、生活护理等方面具有广阔应用前景,受到国内外学者及机构的广泛关注和研究。文章从仿生原理、驱动方式、变刚度方式、建模及控制等方面对软体机械臂研究进行综述,介绍章鱼臂及象鼻等生物结构仿生机理;按驱动类型将软体机械臂分为流体驱动、线驱动、气动人工肌肉、形状记忆合金、电活性聚合物、混合驱动等;介绍拮抗机构、阻塞、材料相变三种变刚度方式;以及目前常用于软体机械臂上的建模方法及控制策略。从中归纳和分析,得到软体机械臂的关键问题包括可重复性、精度、低输出力和建模控制等,其关键技术及未来发展方向包括新柔性材料制备和成型技术、刚柔结合/可变刚度机器人、柔性传感器技术等。
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    36. 大型液压铲上车回转驱动系统及特性研究*
    赵斌, 权龙, 黄家海, 程珩, 李光, 张永明
    机械工程学报    2017, 53 (6): 176-186.   DOI: 10.3901/JME.2017.06.176
    摘要497)      PDF(pc) (2934KB)(1701)    收藏

    大型液压铲是露天矿山开采和大型工程施工广泛采用的装备,但国内所用一直依赖进口,2008年太原重工开始研发国内首台机重260 t,斗容15 m3的液压铲。上车回转是液压铲最频繁的动作,每个作业循环都要进行两次加减速,如果回转系统设计不好,就会引起液压系统严重发热,影响机器作业效能。为了缩短国内首台液压铲的研发周期,在实际系统制造之前充分了解其运行特性,分析对比开式回路和闭式回路设计方案的优劣,确定液压系统元器件的规格和参数,采用机械系统动力学仿真软件ADAMS和机电系统仿真软件AMESim联合,建立所研制液压铲整机的联合仿真模型,仿真机器实际运行工况下,两种回路方案的运行和能效特性,通过分析对比,确定采用电液比例控制的双闭式回路并联驱动上车回转,使用电液比例泵直接控制回转马达,消除系统节流损失。同时,为简化回路,利用自身配置的先导泵对闭式回路进行补油。进一步研究了上车转动惯量大范围变化对回转特性的影响,确定了加减速时间与回转角度的关系,设计出完整的电液回转系统,并应用到所研发的机器中。试车试验和现场试验测试表明,所设计的电液比例双闭式回转回路能够在转动惯量大范围变化的情况下,控制上车平稳加减速,直接回收利用回转制动动能,发热小,连续长时间作业。

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    37. 考虑结构柔性的行星轮系耦合振动特性研究*
    魏静, 张爱强, 秦大同, 舒锐志
    机械工程学报    2017, 53 (1): 1-12.   DOI: 10.3901/JME.2017.01.001
    摘要1864)      PDF(pc) (3009KB)(1675)    收藏

    针对传统集中质量法精度不高和大规模有限元模型计算量大、后处理困难的问题,在轴系单元法基础上提出一种针对行星轮系耦合振动分析建模方法。根据行星轮系结构特点,将行星轮系中各种构件分为简单轴系单元、行星架轴系单元及齿圈轴系单元等轴系模型,建立不同类型的行星轮系耦合动力学模型。研究结果表明,考虑结构柔性后,在低速阶段动态啮合力偏差与集中质量法求解结果基本相同,但随着转速增加,动态啮合力偏差与系统各阶共振频率均略有降低;而同一转速下,动态啮合力偏差随着齿圈厚度增大逐渐增加,但其变化量呈逐渐减小趋势。在所有结构中,轴的柔性化对振动影响最大,而行星架柔性对振动影响最小;各级齿轮副啮频相互耦合共同成为系统激励频率,而高速级啮频为最主要激励频率;振动能量不仅沿功率流方向传递,同样也会逆功率流方向传递。

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    38. 双爪式爬杆机器人的夹持性能分析
    江 励, 管贻生, 周雪峰, 杨铁牛, 苏满佳, 吴鸿敏
    机械工程学报    2016, 52 (3): 34-40.   DOI: 10.3901/JME.2016.03.034
    摘要3608)      PDF(pc) (791KB)(1662)    收藏
    双爪式攀爬机器人已成为一类重要的和主流的攀爬机器人,这类机器人中两端手爪对攀爬对象抓夹的安全性和可靠性是攀爬的前提条件和基本要求,也是一个关键问题。基于此,在介绍自行开发的双爪式爬杆机器人Climbot之后提出这类机器人抓夹圆杆时的夹持力封闭性问题,对封闭性进行论证。分别分析机器人进行平面攀爬和空间攀爬时对支撑端夹持器产生的负载形式,建立其力平衡模型。基于该模型,计算夹持器的各种尺寸参数对夹持性能的影响,并对计算结果进行系统的分析。通过几组攀爬夹持试验对提出的夹持模型进行验证。结果对夹持器的设计和攀爬安全性的保证具有重要的参考和指导意义。
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    39. 空间可展开天线机构研究与展望
    刘荣强, 史创, 郭宏伟, 李冰岩, 田大可, 邓宗全
    机械工程学报    2020, 56 (5): 1-12.   DOI: 10.3901/JME.2020.05.001
    摘要1060)      PDF(pc) (50395KB)(1648)    收藏
    空间可展开天线机构是近年来快速发展的研究方向之一,是支撑大型空间天线的关键装备,其发展趋势是高展收比、高精度、高刚度、轻量化。经过近30年的发展,空间可展开天线已获得大量实际应用,随着天线的超大型化需求,经典的结构形式不易满足天线日益增长的性能要求,近年来出现了以百米级尺度为目标的可展开天线机构形式,如协同展开式天线、环柱式天线、薄膜天线等。介绍空间可展开天线机构的典型结构形式、应用案例、最新的技术进展,对可展开天线机构的构型设计、优化设计、动力学分析的研究现状进行了综述,分析可展开天线机构研究当前存在的主要问题与发展趋势,为开展空间可展开天线机构研究提供借鉴与参考。
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    40. 智能应急救援装备研究现状与发展趋势
    董炳艳, 张自强, 徐兰军, 朱自虎, 杨琪, 赵京, 李德武, 陈树君
    机械工程学报    2020, 56 (11): 1-25.   DOI: 10.3901/JME.2020.11.001
    摘要1357)      PDF(pc) (41350KB)(1637)    收藏
    在地震、火灾等灾害现场,抢险救援任务的紧迫性突显了对智能化应急救援装备的迫切需求。智能应急救援装备的使用可极大地提高救援队伍的战斗力,快速、高效地处理各类灾害,特别是突如其来的严重灾难,大大减少救援人员的伤亡和国家的财产损失,具有重要的研究意义。按照工作环境和用途可将智能应急救援装备分为空中救援装备、陆地救援装备、水下救援装备以及通用救援装备等。在对智能应急救援装备及关键技术的研究现状进行概述的基础上,分析发现了当前研究还存在着缺乏高效的机构设计方法、装备可靠性不佳、智能化程度较低、通信技术成熟度不高以及人机友好性较差等问题,这都导致了智能应急救援装备在大型灾害现场应用程度不高。指出了智能应急救援装备将向着先进的结构设计、可靠的运动性能、高智能化、快速精准的通信及良好的人机交互的方向发展。
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