机械工程学报

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1. 多臂协作机器人技术与应用现状及发展趋势

吴其林, 赵韩, 陈晓飞, 赵雅婷

机械工程学报 2023, 59 (15): 1-16. DOI: 10.3901/JME.2023.15.001

摘要（1065）

PDF（pc）（1421KB）（1172）

随着劳动力紧缺及人力成本的不断升高,需要使用机器人的领域越来越多,数量也越来越大。就许多应用场景而言,任务复杂多变、应用环境和条件限制也各有不同,单臂协作机器人已不能满足要求,多臂协作机器人系统便应运而生,且已成为未来发展的重要领域。因为发展的时间较短,还需要研发人员做大量的工作。对多臂协作机器人的技术与应用现状进行了较为系统的梳理归纳,从影响较大的几个方面,即多臂协作机器人的应用、机构与轻量化设计、动力学与控制、协同技术、人工智能技术进行了综述。在此基础上,根据人工智能、控制等领域的新发展,提出了多臂协作机器人今后应该加强研究和发展的6个方向,如应用场景向深度人机协同方向发展、结构及零部件更注重高速、高精度和高功重比、在动力学方面将更加重视平顺性设计、协调式协作机器人系统需朝着分层多元化发展、控制将更加趋于自适应柔顺控制和自主决策、交互趋于多信息融合的多维安全保护与自然交互。

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2. 数字工程及十个领域应用展望

陶飞, 张辰源, 刘蔚然, 张贺, 马昕, 高鹏飞, 张建康

机械工程学报 2023, 59 (13): 193-215. DOI: 10.3901/JME.2023.13.193

摘要（676）

PDF（pc）（2114KB）（895）

依赖物理手段规划、研究、设计、制造、试验和使用产品或系统，通常存在研制周期长、运营成本高、响应不及时、智能程度低、体系优化难等问题，数字工程为解决上述问题提供了新的思路和途径。通过总结近20多年数智化实践和分析未来发展趋势，从物理空间出发，提出基于“信息空间”提速增效、基于“数字空间”仿真分析、基于“数实空间”虚实交互、基于“数智空间”智能决策、基于“数智生态”体系优化的数字工程演进历程和五等级成熟度模型。在数字工程范畴下，定义了“数力”和“智力”，以及由“控全局、破孤岛、聚能力、跨时空、强智能、深协同”组成的数字工程“能力”，进而提出通过开发“数力”，运用“智力”，进而提升体系化解决问题和满足需求“能力”的数字工程新理解与系统思考。分析了NewIT时代下数字工程的六大需求与挑战。设计提出以“智能中枢”为核心，以“物理线程、模型线程、数据线程、服务线程”四线程为主线的数字工程体系架构，并阐述支撑数字工程的八类关键技术。最后结合团队科研实践，基于所提架构和技术，面向海陆空天复杂产品与装备研制，以及城市、医疗、能源等复杂系统工程重大需求，对核电厂数字工程、航空发动机数字工程、卫星互联网数字工程、海洋系统及海洋装备数字工程、风洞数字工程、未来战场数字工程、城市数字工程、高档数控机床数字工程、能源数字工程、车辆数字工程等重大领域进行应用探索。期望相关工作为复杂产品或系统全生命周期科学组织、智能管控和体系优化，以及为数字中国建设与数字经济发展提供参考。

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3. 智能产品交互设计研究现状与进展

罗仕鉴, 龚何波, 林伟

机械工程学报 2023, 59 (11): 1-15. DOI: 10.3901/JME.2023.11.001

摘要（531）

PDF（pc）（420KB）（713）

人工智能与通讯技术的蓬勃发展促进了智能产品的进步，加速了产品设计的变革。从工业设计出发，通过对国内外相关文献研究，讨论了智能产品和智能产品交互设计的相关概念，提出了智能产品交互设计的本体层、行为层和价值层三个层次模型，系统地探讨了设计大数据、需求驱动与知识驱动的设计、产品设计方案生成与衍化、产品设计标准生成、产品设计方案评价生成等五个方面的研究内容与体系结构，以及关键技术和存在的问题，阐述了智能产品交互设计中的主要方法。针对智能产品交互设计的发展，提出了智能产品交互设计的研究热点和未来趋势。

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4. 大型构件自动化柔性对接装配技术综述

赵欢, 葛东升, 罗来臻, 尹业灿, 丁汉

机械工程学报 2023, 59 (14): 277-297. DOI: 10.3901/JME.2023.14.277

摘要（437）

PDF（pc）（1201KB）（702）

大型构件对接装配是航空航天大型飞行器总装中的重要环节，随着具有快速响应需求的航天任务越来越多(如发射应急卫星和商业通信卫星等)，亟需提升运载火箭等大型飞行器的快速组装和发射能力。这对大型飞行器舱段对接装配的效率和可靠性提出了更高要求。因此，对接装配模式从原来的人工模式，正逐渐向自动化、数字化、智能化方向发展。针对大型构件自动化柔性对接装配中所涉及的三大关键技术进行综述，详细总结大型构件对接装配调姿定位机构、数字化测量技术、规划与控制技术的原理、特点与应用，并探讨了大型构件自动化柔性对接装配技术的未来研究方向。

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5. 基于科赫差测量平面涡流传感器的裂纹检测性能研究

陈国龙, 曹政, 张帅帅, 靳伍银

机械工程学报 2023, 59 (10): 17-29. DOI: 10.3901/JME.2023.10.017

摘要（193）

PDF（pc）（1094KB）（641）

柔性平面涡流传感器被广泛应用于具有复杂形貌零部件表面、近表面裂纹的探测中。基于传统线圈结构设计的柔性平面涡流传感器对特殊方向短裂纹的探测存在漏检率高的问题。为了提升柔性平面涡流传感器对各方向裂纹的检测灵敏度并抑制检测过程中的提离噪声,将差测量思想与分形几何相结合,提出一种科赫差测量平面涡流传感器。通过有限元分析,研究新型传感器与同尺寸的圆形差测量传感器对不同方向、长度、宽度和深度裂纹的检测性能,并对比分析二者的差异。有限元分析结果表明,对于90°方向5 mm长裂纹的检测,科赫传感器输出信号峰峰值比圆形的大71.8%;对于长度为3 mm裂纹的检测,科赫传感器信号峰峰值比圆形传感器大41.0%;在检测宽度为0.1 mm的裂纹时,科赫传感器输出信号峰峰值比圆形传感器大142.6%;科赫传感器在检测深度大于0.8 mm的裂纹时,其输出信号峰峰值是圆形传感器的1.5倍以上。有限元分析与试验结果表明,与圆形线圈相比,科赫线圈设计的平面涡流传感器在短裂纹探测方面具有更显著的优势。

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6. 复杂工况条件下多头注意力双向长短时记忆网络的风电机组缺失数据修复方法研究

余晓霞, 汤宝平, 王伟影, 吴宣勇, 李彪

机械工程学报 2023, 59 (14): 1-9. DOI: 10.3901/JME.2023.14.001

摘要（607）

PDF（pc）（1048KB）（622）

针对变速变载条件下风电机组监测参量中包含大量缺失数据导致基于深度学习的状态监测模型预警精度低的难题，提出一种多头注意力双向长短时记忆网络缺失数据修复方法(Multi-headed attention bidirectional long and short term memory network, MA-BiLSTM)。所提方法利用多头注意力机制抑制复杂工况条件下变速变载对神经网络特征提取时的干扰，采用跨层连接残差单元增加模型的特征提取能力，充分学习已有监测数据的隐藏特征以及多源参量间的关联关系；采用双向长短时记忆网络同时对风电机组监测数据的复杂变化规律进行学习，实现监测参量中缺失数据的预测修复。实例应用结果表明所提多头注意力双向长短时记忆网络能够抑制复杂工况条件下的变速变载干扰，实现单变量或多变量中缺失数据的预测修复，有效提升风电机组状态监测精度。

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7. 人工自愈赋能机器自主健康

高金吉

机械工程学报 2023, 59 (18): 1-2. DOI: 10.3901/JME.2023.18.001

摘要（754）

PDF（pc）（132KB）（592）

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8. 工业机器人定位误差补偿技术研究进展

刘伟, 刘顺, 邓朝晖, 葛吉民

机械工程学报 2023, 59 (17): 1-16. DOI: 10.3901/JME.2023.17.001

摘要（608）

PDF（pc）（803KB）（585）

工业机器人在推进工业自动化、柔性化、智能化发展道路上起着举足轻重的作用。机器人定位误差是制约其在生产制造领域应用的关键因素之一，定位误差的大小直接决定其制造所得产品的质量和精度，而机器人误差补偿技术对提高机器人的定位精度具有重要意义。以工业机器人定位误差测量-预测-补偿为线索，详细综述了国内外学者在开环测量和闭环测量技术、基于模型的误差预测和基于非模型的误差预测方法、在线补偿和离线补偿技术的研究进展。最后，对该领域的发展趋势进行了展望，以期对工业机器人定位误差补偿研究提供一定参考。

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9. 微小型仿蝗虫机器人设计及其无翻转跳跃运动实现

许毅, 张雨来, 斯云昊, 李昌, 黄强, 石青

机械工程学报 2023, 59 (9): 1-11. DOI: 10.3901/JME.2023.09.001

摘要（480）

PDF（pc）（804KB）（544）

以跳跃类昆虫为仿生对象,研制出一种微小型仿蝗虫机器人,可实现微小尺度下无翻转跳跃运动。通过分析蝗虫后胸跳跃足的骨骼肌肉模型,设计了基于斯蒂芬森六杆机构的仿生跳跃足结构;根据运动学优化六杆参数,解决了跳跃足末端轨迹的非线性和能量储存受限的问题;利用蝗虫蓄力时海特勒肿块与肌腱锁死实现能量锁存的工作机制,设计了基于棘轮-棘爪机构的锁能与释放装置,实现了机器人蓄力时能量的持续累积锁定,及起跳时的能量瞬时释放;利用动力学分析解算出机器人起跳阶段冲量矩和速度波动角的变化,从理论上验证了本机器人可实现无翻转跳跃的运动特性。最后,通过物理样机实验验证,表明设定胫节与地面夹角75°时,可实现机器人的无翻转、高爆发跳跃,即保持与起跳时一致的空中姿态且跳跃最大高度可达5倍体高。

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10. 刚柔复合驱动并联喷涂机器人机构设计与工作空间分析

赵嘉浩, 訾斌, 王威, 李元, 徐锋

机械工程学报 2023, 59 (15): 28-39. DOI: 10.3901/JME.2023.15.028

摘要（441）

PDF（pc）（954KB）（534）

大型装备空间尺度大,表面形状复杂,其表面自动化喷涂作业受到多因素限制。面向大型装备的表面喷涂作业,设计了一种由柔索及电动推杆复合驱动的并联喷涂机器人,其主要由双平台复合式末端执行器、柔索驱动模组及机器人整体框架等组成,具备工作空间大、末端灵活度较高的特点,并基于驱动索的锚接形式变化提出了不同构型。其次,分析并联喷涂机器人运动学及静力学,计算不同构型下并联喷涂机器人零姿态力封闭可行空间及力螺旋可行空间,并基于张力限制条件对并联喷涂机器人的定位置姿态空间及全局姿态空间进行了分析,考虑工作空间体积与姿态空间体积比等性能指标并综合实际工况展开构型选取。最后,搭建并联喷涂机器人实验平台,面向预设喷涂对象开展运动实验,结果验证了机构的合理性,表明该并联喷涂机器人具备较大尺度下的多姿态灵活作业能力。

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11. 面向航空发动机复杂机匣深腔测量的机器人位姿优化及关节路径平滑方法

漆琪, 杨吉祥, 丁汉

机械工程学报 2023, 59 (15): 17-27. DOI: 10.3901/JME.2023.15.017

摘要（495）

PDF（pc）（869KB）（526）

航空发动机机匣铸造件内腔余量分布不均且结构复杂,为实现机匣内腔余量的准确去除,须对机匣内腔轮廓进行精准测量。采用工业机器人夹持激光位移传感器,可充分发挥机器人灵巧运动的特点,实现复杂腔体的测量。但现有机器人加工刀具路径生成方法大多针对铣削、磨抛加工,主要关心路径的可达性,而未考虑非接触式测量中的夹角约束和路径平滑,直接应用于机器人测量导致测量角度无法满足要求、传感器振动大等问题。提出了一种面向机器人测量位姿优化及运动光顺的无干涉路径规划方法。首先,基于距离的干涉检测构建测量路径点的无碰撞区域,建立以机器人关节加速度为性能指标,考虑激光束出射方向与曲面法向夹角、机器人关节限位的优化函数,将姿态控制求解转变为优化函数的求解,采用分段差分进化算法进行求解。对测试路径进行实验并与基于图形的方法进行对比,结果表明,所提出的路径规划算法可有效约束测量方向与曲面法向之间的夹角,且与基于图形搜索的方法相比,可以生成更平滑的机器人关节路径,运行时间缩短50.3%,x、y、z方向的末端瞬时加速度分别减小15.83%、30.45%、41.72%。

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12. 制造大数据分析综述：内涵、方法、应用和趋势

汪俊亮, 高鹏捷, 张洁, 王力翚

机械工程学报 2023, 59 (12): 1-16. DOI: 10.3901/JME.2023.12.001

摘要（372）

PDF（pc）（555KB）（519）

随着5G、物联网(Internet of things, IoT)和云计算等技术的发展，制造系统中数据的体量持续增长，并涌现出了全新的大数据特性与内涵，逐渐成为支撑制造系统运行优化的关键要素。为了进一步释放制造大数据的要素红利，对制造大数据分析方法展开综述，理清制造大数据的内涵，梳理大数据分析方法的发展历程，归纳制造大数据分析的应用，总结挑战与发展趋势。首先，从制造大数据的特点、数据密集型科学的内涵、大数据驱动的智能制造系统新模式三方面论述了制造大数据的新内涵；接着，从支撑技术与方法特点，对制造领域的大数据分析方法的发展历程进行回顾。然后，从产品设计、生产调度、产品装配、质量优化、设备运维和制造服务六个关键应用领域，对大数据分析方法在智能制造中的应用进行综述。最后，讨论制造大数据分析方法面临的挑战，展望未来大数据分析方法的发展方向，以期激发制造大数据分析方法的新思维、新理论，并推进制造大数据技术进一步发展。

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13. 半导体基片超精密磨削技术的研究现状与发展趋势

郭东明, 康仁科

机械工程学报 2023, 59 (19): 299-329. DOI: 10.3901/JME.2023.19.299

摘要（432）

PDF（pc）（2392KB）（494）

单晶硅、碳化硅、氧化镓、氮化镓等半导体基片广泛应用于集成电路、功率器件和微传感器等半导体器件的制造。超精密磨削是半导体基片平整化加工和背面减薄加工的核心工艺技术，对半导体器件的加工效率及加工质量具有重要的影响。为了满足半导体器件的使用性能，半导体材料的种类逐渐增多，半导体基片的加工要求不断提高，对半导体基片超精密磨削技术不断提出新的挑战。为了实现半导体基片的高效率高质量磨削加工，需要对半导体基片超精密磨削理论、工艺、工具和装备全面深入的理解。围绕半导体基片超精密磨削加工的表面材料去除机理、表面质量及控制方法、高效低损伤磨削工艺和超精密磨削装备的国内外研究现状进行了系统的论述与总结，分析了目前半导体基片超精密磨削技术面临的难题及未来的发展趋势，为后续半导体基片超精密磨削技术的研究提供指导。

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14. 载运工具高性能薄壁承载结构成形及连接工艺研究进展

林忠钦, 马运五, 夏裕俊, 李永丰, 李淑慧, 李永兵

机械工程学报 2023, 59 (20): 1-17. DOI: 10.3901/JME.2023.20.001

摘要（407）

PDF（pc）（1713KB）（465）

飞机、运载火箭、高速列车、汽车等载运工具的承载结构普遍采用轻质高强薄壁结构，成形工艺需要满足最终构件的高强度、形状尺寸精度以及低成本短流程等要求；同时，运载工具薄壁承载结构越来越多地采用多材料、多结构混用以提升轻量化效果和设计灵活性，这对焊接与连接工艺带来巨大挑战。针对轻质高强板材热冲压技术以及薄壁构件铆接和电阻点焊技术的研究进展进行综述，系统分析新材料、新结构对成形和连接工艺带来的技术变革，并指出其面临的技术挑战和未来的发展方向，旨在对轻质高强薄壁构件的制造提供指导和借鉴。

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15. 面向减振降噪应用的声学超构材料研究进展

肖勇, 王洋, 赵宏刚, 郁殿龙, 温激鸿

机械工程学报 2023, 59 (19): 277-298. DOI: 10.3901/JME.2023.19.277

摘要（388）

PDF（pc）（1619KB）（454）

声学超构材料是由阵列化的人工微结构单元构筑的复合声学材料/结构。通过对声学超构材料中的微结构单元及其排布方式进行调控设计，可以实现对声波/弹性波(可视为固体中的声波)的人为高效操控，使其表现出超常的减振降噪性能及优势。当前，声学超构材料研究已成为机械工程、声学、力学、材料学、物理学等多学科交叉领域关注的热点方向。针对机械工程领域关注的装备振动与噪声控制技术背景，重点综述面向减振降噪应用的声学超构材料研究进展，分别从减振、隔声、吸声等功能应用需求出发，回顾国内外相关声学超构材料的研究进展，并指出当前研究不足，展望未来发展趋势，为推动声学超构材料在减振降噪领域的应用提供借鉴和参考。

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16. 绳驱7自由度仿人机械臂设计及其刚度建模与性能分析

吴志伟, 王博文, 闫磊, 徐文福

机械工程学报 2023, 59 (17): 17-32. DOI: 10.3901/JME.2023.17.017

摘要（392）

PDF（pc）（1467KB）（454）

针对传统绳驱机械臂刚度小、末端精度低等问题，研制了一种同时具有轻质量、低惯量和高刚度、高精度特点的绳驱7自由度仿人机械臂系统。采用模块式思想，将整个机械臂分为肩部、肘部、腕部三部分，分别设计了基于闭环绳索驱动的单自由度肘关节和3自由度肩、腕部关节，在运动副上配置编码器用于检测关节位置，有效提升了关节控制精度。建立了“驱动空间-关节空间-任务空间”多重运动学模型，分析了肘部拮抗关节和腕部耦合关节的运动规律，简化了运动传递关系、提高了传动精度和效率。推导了机械臂关节的等效刚度表达式，分析了不同关节角下的刚度特性。最后，针对所研制的绳驱7自由度仿人机械臂开展了样机的关节刚度测试、末端精度测试、负载测试等性能测试。实验结果表明，设计的绳驱机械臂具有运动灵活、定位精度和刚度高等特点。

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17. 一种食指康复外骨骼机器人设计与分析

田宇, 王洪波, 刘颖, 杜家正, 牛建业

机械工程学报 2023, 59 (9): 40-50. DOI: 10.3901/JME.2023.09.040

摘要（360）

PDF（pc）（785KB）（448）

针对现有手部康复机器人精细化操作不足与人机相容性较差的问题,从脑卒中临床康复需求出发,基于人体解剖学理论,提出一种新型欠驱动食指外骨骼康复机器人。采用2-UPS并联机构与鲍登线的新型组合设计,实现了掌指关节二自由度主动康复运动,提高了机器人精细化操作能力;在设计过程中将指骨作为人机闭式运动链的组成部分,并探讨了食指屈曲/伸展与内收/外展运动的耦合关系,完善了患者康复训练中的约束条件,使机器人运动与人体自然运动更加协调,提高了机器人的人机相容性;求解了机构的运动学反解,分析了机构的工作空间并完成了仿真验证;搭建实验样机并开展了机构性能测试,基于对15个被试开展的人机工程学与康复运动舒适性的调查问卷结果,采用层次分析法对设备进行了评价,结果表明该机构可以满足使用者的康复需求。

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18. 飞行器变形翼研究现状与展望

肖洪, 杨广, 郭宏伟, 刘荣强, 陶建国, 邓宗全

机械工程学报 2023, 59 (19): 1-23. DOI: 10.3901/JME.2023.19.001

摘要（339）

PDF（pc）（1923KB）（444）

传统固定构型机翼因其气动外形难以满足飞行器日益增长的性能要求，因此飞行器变形翼研究得到广泛的关注，已成为当前国际航空航天领域的研究热点，是飞行器实现大空域、宽速域的关键技术，其发展趋势是多维度、大变形、高刚度、轻量化等。近年来，科研人员设计出多种形式的变形翼，如变弦长、变后掠、变展长、展向变弯曲、弦向变弯曲、翼型变厚度等。根据翼面内变形和翼面外变形对变形翼进行分类，详细阐述变形翼的研究现状。分析飞行器变形翼研究发展趋势，包括多维度变形机构与大承载连续光滑变形蒙皮结构设计、高效能驱动器及分布式驱动技术、变形翼机构-蒙皮-驱动一体化设计与优化、融合环境的变形翼设计与验证等关键技术，为飞行器变形翼研究提供借鉴与参考。

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19. 机械产品装配偏差分析方法研究进展与展望

余海东, 高畅, 赵勇, 袁可

机械工程学报 2023, 59 (9): 212-229. DOI: 10.3901/JME.2023.09.212

摘要（272）

PDF（pc）（630KB）（436）

机械产品装配是制造过程的最终阶段,装配质量对机械产品的服役性能和可靠性有直接影响。建立合理的数学模型描述机械产品装配过程中的偏差传递、累积和淹没规律,对产品的容差设计与故障诊断,并进一步提高产品性能和服役周期具有重要意义。归纳并总结了现有机械产品装配偏差分析的理论方法,从基于刚性假设的偏差分析与考虑柔性变形的偏差模型两个方面系统地论述了目前机械产品装配偏差传递分析的研究进展。刚性偏差分析围绕尺寸链模型与确定性定位模型展开,并对基于尺寸链理论的雅可比旋量方法做了详细介绍与具体的应用分析。对于主流的柔性装配偏差传递建模方法,详细论述了影响系数法与装配偏差场传递模型的理论建模过程与及其应用范围,并从大型结构装配的现场应用出发,对装配偏差场传递模型进行了具体的案例分析。针对目前航空航天等领域机械产品大尺寸、高承载的发展趋势,提出了对于局部刚性整体柔性的大型结构装配偏差预测的难点以及研究展望。

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20. 基于实际行驶数据的电动汽车能耗分析与预测

赵敬玉, 徐铖, 李晓宇

机械工程学报 2023, 59 (10): 263-274. DOI: 10.3901/JME.2023.10.263

摘要（144）

PDF（pc）（84660KB）（428）

相比于传统燃油汽车,较短的行驶里程和较长的充电时间是电动汽车的两大技术难点,因此准确地能耗预测对于缓解驾驶者的"里程焦虑"具有重要意义。以天津市实车运行数据为样本,将车辆行驶数据划分为若干运动学片段,分析电动汽车行驶过程中对能耗影响的相关因素,包括行驶状态、运行工况对能耗的影响和制动能量回收对续驶里程的影响;以提高能耗预测模型的精度为目标,提出一种基于行驶工况类别的能耗预测方法,首先通过马尔科夫蒙特卡洛算法实现未来行驶工况曲线预测,融合神经网络算法识别出拥堵工况、城市工况和高速工况三种类别,从三类行驶工况提取出特征参数,分别输入到相应的XGBoost算法中构建能耗预测模型实现对未来行驶能耗的精准预测;该方法与传统能耗预测方法结果进行对比,结果表明所提出的方法在实际行驶条件下可以有效提高能耗预测精度。

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21. 不同线路条件下高速列车轮轨力的试验研究

张一喆, 张志超, 杜瑞涛, 祖宏林, 储高峰

机械工程学报 2023, 59 (10): 323-332. DOI: 10.3901/JME.2023.10.323

摘要（242）

PDF（pc）（17736KB）（425）

轮轨作用力是考量高速列车运行安全性和平稳性最关键的参数。随着运行速度的不断提高,高速列车动力学性能和走行部可靠性问题不断增多,开展高速状态下轮轨载荷特征、分布规律和安全性的研究显得愈发重要。采用连续测量测力轮对测量某高速列车在不同线路状况、运用速度下的轮轨作用力,分析研究直线、曲线、不同型号道岔等工况下的轮轨力时频特性、统计分布规律。结果表明,有砟轨道的轮轨力频响范围部分大于无砟轨道。轮轨力样本普遍呈正态分布,垂向力分布离散程度与速度正相关,而曲线工况下,横、垂两向力的分布均值取决于曲线的欠超高量。脱轨系数和轮重减载率最大值均出现在侧向过岔时,18号、42号道岔脱轨系数分别为0.49、0.37,两种型号道岔轮重减载率分别为0.20和0.23,满足安全要求。上述结论为轮轨动力学试验提供了参考,也为高速铁路设计给出建议。

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22. 高性能光学制造

戴一帆, 彭小强, 薛帅, 蒋庄德

机械工程学报 2023, 59 (21): 1-14. DOI: 10.3901/JME.2023.21.001

摘要（606）

PDF（pc）（600KB）（423）

聚变点火、同步辐射、光刻机、深空探测、侦察预警等高端装备要实现一系列前所未有的极端性能，并朝着多样化和复杂化的方向发展。强光元件、同步辐射反射镜、掩膜版和光刻物镜、深空探测X射线反射镜等关键光学元件是这些系统实现聚焦、极高能量输出、极高峰值功率、极端尺寸光束聚焦和纳米尺度精确图案转印等极端性能的关键。要实现这些高端装备的极端性能，对核心关键元件的光学制造提出了高精度、低损伤、低应力、洁净制造和功构一体等要求，要求实现的是多物理参数约束下的高性能。元件的性能不仅由设计约束，更受到制造水平的制约，传统的以提升精度为目标的光学制造方法面临挑战，亟待实现从高精度制造到高性能制造的跃升。高性能光学制造是指面向极端性能高端制造装备发展对材料/结构特殊、高功率/高能辐照、低缺陷和洁净制造等关键光学元件的制造需求，以服役性能精准调控为目标，通过高性能光学制造装备、工具、检测和工艺等方面的技术创新，制造特殊材料/结构或者极高功能的元件，可作业于极端性能服役环境的制造。将近年来国内外围绕光学元件和超精密零件高性能光学制造的工作进行初步凝练，总结高性能光学制造典型元件的特点、光学制造要求和光学制造技术，尝试阐明高性能光学制造的内涵，介绍高性能光学制造的关键技术和发展趋势，并给出了高性能光学制造的应用实例。

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23. 足式机器人液压驱动关键技术研究综述

俞滨, 李化顺, 黄智鹏, 何小龙, 巴凯先, 史亚鹏, 孔祥东

机械工程学报 2023, 59 (19): 81-110. DOI: 10.3901/JME.2023.19.081

摘要（365）

PDF（pc）（2329KB）（421）

足式机器人以自然界亿万年进化而成的哺乳动物、足式爬行动物或昆虫等足式生物为仿生原型，兼具足式生物肢体运动的灵活性和野外多种复杂地形的适应性，特别是与具备高功重比和快速响应能力优势的液压驱动相结合，大幅提升其运动性能和负重能力。首先，介绍足式机器人应用背景及其液压驱动基本原理，分析液压驱动在足式机器人设计与控制中的重要作用，列举现已公开的国内外多种形式液压足式机器人。其次，阐述近年来国内外研究机构针对足式机器人液压驱动单元、液压动力单元和液压控制方法三方面关键技术，取得的研究进展和研究成果。最后，从与仿生学深入融合的角度，提出了液压足式机器人腿部“肌骨”一体化仿生设计、机身“内脏”紧凑式仿生排布与控制“神经”多层级仿生融合的前沿发展趋势。

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24. 韧性产品交互式概念设计与知识推理方法研究

郭鑫, 王海涵, 王杰, 张凯, 赵武

机械工程学报 2023, 59 (11): 74-83. DOI: 10.3901/JME.2023.11.074

摘要（245）

PDF（pc）（655KB）（413）

设计具有更好的容错性和修正空间的韧性产品，有效应对复杂环境带来的扰动，是未来智能产品创新的关键因素之一。传统概念设计研究着重强调需求转化与功构映射，忽略了环境扰动对设计目标的影响，导致概念设计过程知识推理模糊、产品韧性水平不稳定等问题。论文以设计出具有抵御扰动、并能从破坏或冲击中恢复自身功能的韧性产品为目标，提出一种韧性产品交互式概念求解过程模型。基于“用户需求”正向收敛与“复杂环境”逆向扰动，构建韧性产品“需求-扰动”下设计目标理解及功能分解、基于功构配置的知识推理扩展方法(Requirement function knowledge deployment，RFKD)以及基于多阶段、交互式遗传算法的概念方案求解机制(Multi-stage interactive genetic algorithm for resilient conceptual design，MIGA-RCD)，并以核环境下某型号智能吊装平台概念设计过程为例验证了方法的可行性与有效性。相关成果在扰动-意图-方案交互驱动的韧性概念设计理论研究中实现了创新，有助于实现设计方案的智能求解与推理。

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25. 基于深度学习的产品概念草图生成设计研究

李雄, 苏建宁, 张志鹏

机械工程学报 2023, 59 (11): 16-30. DOI: 10.3901/JME.2023.11.016

摘要（548）

PDF（pc）（1750KB）（409）

概念草图设计作为人类的高阶视觉认知活动，是辅助设计师记录、构思、创造和评估想法的重要手段，对生成创新概念具有积极影响。为模拟设计师的这种高阶视觉认知行为，实现智能化辅助创意草图设计，提出一种基于深度学习的产品概念草图智能生成设计集成方法框架，包括端到端的草图设计GAN(Sketch2Render-GAN)和草图神经风格迁移网络(Sketch-NST)两个核心模块。前者实现概念草图生成与渲染，后者执行草图风格特征变换。分别以手电钻和自行车头盔为实验对象进行了验证，结果表明该方法框架可快速获得大量具有创新概念的草图，并实现草图自动渲染及风格变换。有助于辅助设计师在视觉认知层面突破设计固化，提高设计效率。此外，为改善工业设计师与AI模型间的人机设计协作模式，还开发了智能草图设计生成器(S-SDG_v0.1)，从而有效降低设计师应用智能算法辅助设计的门槛。

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26. 高性能制造：设计与制造的协同机制

宋学官, 李昆鹏, 胡正国, 郭东明

机械工程学报 2024, 60 (1): 2-12. DOI: 10.3901/JME.2024.01.002

摘要（610）

PDF（pc）（448KB）（405）

高性能制造，是由以几何精度为主的制造上升到以产品性能的精准保证为目标的制造，其作为推动我国装备制造业升级的引擎，以及引领传统制造理念提升的旗帜，对国家装备产业的发展具有十分重要的意义。高性能制造理论指出，传统的装备制造流程形成了设计、制造、服役等严格的上下游关系，一定程度上了推动了多任务协作能力，提高了装备制造的效率。然而，不容忽视的事实是，这种设计、制造的单向串行模式人为割裂了设计环节与制造环节的耦合作用，在提高制造效率的同时，亦不可避免地制约了高端装备性能的进一步提升。作为高性能制造理论的重要组成部分，针对上述设计、制造之间的耦合作用，展开了进一步的讨论。首次采用Karush-Kuhn-Tucker最优性条件，从数学角度定量定式的揭示了传统设计制造“不协同”的根源所在，并针对这些不足，给出串行、并行和循环模式的高性能制造解决方案和求解方法。为打破我国高端装备/零部件的高性能制造瓶颈，进一步推动我国高端装备高性能制造的发展提供了理论与技术参考。

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27. 基于模型控制的液压机械臂高精度轨迹跟踪

丁孺琦, 王振, 程敏, 徐兵, 刘子辰

机械工程学报 2023, 59 (14): 298-309. DOI: 10.3901/JME.2023.14.298

摘要（284）

PDF（pc）（837KB）（404）

液压机械臂具有高度非线动力学特性，末端轨迹跟踪误差大。为此，提出一种辨识动力学参数的基于模型的控制算法(Model-based control, MBC)。该控制算法由外环的液压缸位置反馈控制器、内环的力控制器以及前馈流量补偿控制器三部分输出叠加组成。力控制器充分考虑液压机械臂动力学模型，动态补偿惯性力、重力和摩擦力等干扰力对控制精度的影响；位置控制器用以消除液压执行器造成的力偏差；前馈流量补偿器根据液压执行器动力学模型计算流量补偿量，提高系统响应与精度。针对动力学模型中存在的参数不准确问题，采用了最小二乘参数辨识的方法，在激励轨迹下获取液压机械臂动力学参数精确值。试验结果表明，所提出的辨识动力学参数的MBC控制算法相比3D模型参数的MBC控制在自由空间运动位置跟踪精度提升了39.24%，相比与传统PID控制提升了93%，显著提高了轨迹跟踪精度。

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28. 可解释机械智能诊断技术的研究进展与挑战

林京, 焦金阳

机械工程学报 2023, 59 (20): 215-224. DOI: 10.3901/JME.2023.20.215

摘要（397）

PDF（pc）（456KB）（402）

基于深度神经网络的机械智能诊断方法近年来得到快速发展，各式各样的模型方法相继涌现。然而，此类方法的性能彰显主要是在实验室环境，实际工业场景鲜有应用。究其原因主要在于模型内部非线性变换复杂，特征提取机理不清晰，进而引发使用者对决策的信任问题。特别是对于一些关键设备，倘若不能提前知晓模型得到诊断结论的原由，贸然采取措施会隐藏相当大的风险。近年来，可解释机械智能故障诊断研究越来越多地被关注，一些学者已开始对该领域进行探索，并初见成效。为促进深化研究，推动该领域发展，首先对深度神经网络可解释性研究的各种范式进行分类和讨论，然后详述了可解释性机械智能诊断的当前发展，最后讨论了现有的挑战以及未来的研究方向。

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29. 液压元件及系统智能化发展现状及趋势思考

焦宗夏, 吴帅, 李洋, 张超, 靳红涛, 舒圣, 位仁磊, 李仁洁, 王易, 张昊园, 张亚东

机械工程学报 2023, 59 (20): 357-384. DOI: 10.3901/JME.2023.20.357

摘要（291）

PDF（pc）（1297KB）（398）

第四次工业革命利用信息化技术促进产业变革，将带我们进入智能化时代。由于液压系统作为核心动力和控制部分，广泛应用于先进制造、航空航天、海洋等重大装备，工业装备的智能化必然会要求液压元件及系统实现智能化。所以，近年来智能液压一直是液压领域的研究热点，推动液压领域进入智能时代，也给液压系统的研究带来新的活力，但也遇到了新的挑战，包括对智能液压系统的理解不一致，缺乏系统综合的研究，成碎片化的点突破等。分析智能液压系统的内涵与演进历程，阐述智能液压系统的架构体系，总结出智能液压系统具有的智能感知、智能调控、智能运维三大特征，并从这三个方面综述国内外的研究进展，揭示智能液压存在的问题和挑战；最后讨论应对挑战的研究路径和发展趋势。

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30. 碳纤维复合材料构件加工技术进展

贾振元, 付饶, 王福吉

机械工程学报 2023, 59 (19): 348-374. DOI: 10.3901/JME.2023.19.348

摘要（290）

PDF（pc）（2887KB）（398）

轻质高强、易于整体近净成形制造的碳纤维增强树脂基复合材料(简称：碳纤维复材)在航空航天、船舶、能源等领域先进装备的制造中优势显著，广泛用于制造各类构件。碳纤维复材构件的加工是其连接装配最终制造装备的重要环节之一。然而此类材料具有多相态、层叠、各向异性等特征，加工易产生分层等损伤，严重影响其服役性能和生产效率。因此，碳纤维复材构件的高质高效加工一直是机械加工领域的研究热点和难点，科研人员从多个角度进行了大量基础与应用研究，形成了颇为丰硕的理论与技术成果。本文总结了碳纤维复合材料构件加工技术的重要进展，概述了传统/非传统加工方法及其适配性，进而对传统加工方法的基础切削理论、加工刀具和工艺开展详细论述，介绍了碳纤维复材宏、细观尺度下的基础切削理论发展历程，分析了切削理论对抑制钻、铣削损伤的指导作用；进而剖析了钻、铣削加工刀具的设计理念，总结了加工刀具从传统结构改进向新式结构开发的发展历程；同时探讨了工艺参数、特殊轨迹加工与冷却工艺等对碳纤维复材加工质量的影响机制；最后展望了碳纤维复材加工理论与技术的发展方向，以及面对新型材料、特殊结构特征、加工过程控制等方面可能遇到的挑战和机遇。

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31. 一种基于脉冲光时钟同步的自动旋转激光经纬仪系统

贾康, 苏文军, 党锦龙, 石卫江, 刘志刚, 洪军

机械工程学报 2023, 59 (10): 1-8. DOI: 10.3901/JME.2023.10.001

摘要（147）

PDF（pc）（76194KB）（397）

旋转自动激光经纬仪(Rotary-laser automatic theodolite, R-LATs)作为一种离散式大尺寸空间测量系统,在大型装备的制造与智能制造场景中有着广阔的应用前景。在分析传统R-LATs系统测量原理的基础上,指出其无法保证整个测量场中多个传感器之间计数时钟的统一,限制其面向动态测量任务的多传感器并行测量能力。为此,设计出基于脉冲光时钟同步的R-LATs架构与测量数学模型,通过向全测量场发射具有可辨识时间戳的同步基准脉冲光,基于对齐具有相同时钟戳的光脉冲实现全部传感器计数时钟的传播与同步。进而为确保同步基准脉冲光机制的简洁可靠,设计出基于等差数列循环编码的同步基准脉冲光工作编码与解码算法。最后通过R-LATs的测量试验的传感器时序脉冲数据分析,证明了基于脉冲光时钟同步R-LATs的有效性。

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32. 序言

康国政, 杨冰, 张显程, 姜潮, 赵军华

机械工程学报 2023, 59 (16): 1-1. DOI: 10.3901/JME.2023.16.001

摘要（288）

PDF（pc）（139KB）（392）

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