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2017年  36卷  第1期

综述
智能制造及其核心信息设备的研究进展及趋势
赵升吨, 贾先
2017, 36(1): 1-16. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0101
摘要:
介绍了国内外制造目前面临的问题,德国工业4.0提出的背景和工业1.0~4.0的发展历程及其相应的动力驱动方式。分析了德国工业4.0的实质、所需的4个网络平台及5大创新技术领域。论述了中国制造2025战略规划的十大重点领域与23个重点方向,中国智能制造专项的基本思想和重点任务。指出了智能工厂三个重要架构领域即产品和系统架构、增值和企业构架、数据和信息等组成的IT构架,智能机器的三大基本要素即信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行。指出智能制造过程中实现各个环节信息获取、实时通信和动态交互及决策分析和控制的关键基础设备是智能制造的核心信息设备,其重点产品六个类型为智能制造基础通信设备、智能制造控制系统、新型工业传感器、制造物联设备、仪器仪表和检测设备、制造信息安全保障产品。探讨了智能机器的实施的三个途径,并对几种典型智能机器的基本原理与特点进行了分析。论述了智能制造核心信息设备人才战略规划的重要性及其七大培养途径,并为智能制造核心信息设备人才培养战略提出了十大具体措施。
机械动力学
引信机构智能设计系统研究
黄文通, 陆静, 王家宁, 王炅
2017, 36(1): 17-22. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0102
摘要:
针对目前引信机构设计经验及知识的重用率和继承度较低的问题,在引信机构设计过程中引入基于知识工程的专家系统、仿真流程化、参数化等技术方法,实现引信机构的智能设计,能够在一定程度上提升产品设计质量,缩短设计周期,降低研发成本。引信机构智能设计系统采用多种知识表示方式,通过基于规则和案例的混合推理方法从知识库中检索符合设计要求的案例,利用系统的仿真子系统和模型库子系统实现方案的有限元分析和参数化设计。通过系统测试表明,该智能设计系统能够实现对知识和经验的重用,可行有效。
改进FMEA与故障传播模型混合故障诊断方法
张红旗, 邵晓东, 苏春, 柳纯
2017, 36(1): 23-28. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0103
摘要:
针对机电产品多种故障原因和故障模式并存问题,在常规故障模式及其影响分析(FMEA)基础上,提出了一种改进FMEA与故障传播模型混合故障诊断方法。分析系统常见故障模式及其故障原因,确定每种故障原因对当前故障模式的贡献率;根据故障传播模型进行故障模式推理,计算每种故障模式的发生概率;采用[0,1]区间的概率值来度量故障的严重度和检测度,得到风险扩展数(REN);通过比较每种故障模式的发生概率和REN值,确定系统关键部件及其主要故障模式,为系统维修策略的制定提供理论依据。计算分析结果表明,该方法能有效识别系统的主要故障模式和关键零部件,并与工程实际相吻合。
仿人机器人头颈协调系统的研制
信继忠, 柯显信, 杨阳, 卢孔笔
2017, 36(1): 29-33. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0104
摘要:
研制出仿人机器人头颈协调系统,主要包括仿人机器人和控制系统。仿人机器人具有22个自由度,控制系统采用上下位机结构,并完成包含四种工作模式的人机软件界面。在ADAMS软件中,对眼球圆周转动以及眼颈协调运动进行运动学仿真。实验结果表明,在头颈协调系统中,机器人的面部器官能够逼真地再现8种基本表情,结合颈部运动,可以实现更多丰富多样的表情,比如愧疚、仰天大笑及傲慢等,头颈协调运动能够使得机器人实现对小球和人脸的可靠性检测和跟踪。
燃烧室对醇醚燃料发动机排放影响的数值模拟
张莉娟, 张翠平, 刘文坤, 田俊龙, 王鹏
2017, 36(1): 34-38. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0105
摘要:
为了研究燃烧室形状对醇醚燃料发动机排放的影响,应用AVL_Fire软件模拟研究5种不同形状的燃烧室对发动机燃烧过程和排放的影响。结果表明:不同形状的燃烧室对湍动能的影响主要在上止点附近;不同燃烧室内NO的生成区域较大,基本遍布于整个燃烧室内,而Soot主要分布在温度高的油束附近和凹坑壁面处;直口燃烧室A和敞口燃烧室B内的Soot排放均较低,NO排放均较高;缩口平底燃烧室D的NO排放很少而Soot排放高;缩口尖底燃烧室E内的NO和Soot排放均较低,具有较好的排放特性。
不完全Gamma分布下弹簧触指的可靠性寿命评估
王建平, 程德勇, 杨恩, 孙兴汉
2017, 36(1): 39-45. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0106
摘要:
针对高压断路器固封极柱内滑动联接用弹簧触指在极小样本无失效情况下的可靠性试验评估问题,采用不完全Gamma分布作为弹簧触指失效率的先验分布,基于多层Bayes可靠性评估方法建立概率模型,根据最小二乘法求出二参数Weibull分布中的待定参数,得到弹簧触指可靠性数学模型。研究结果验证了不完全Gamma分布作为失效率先验分布运用到多层Bayes方法可靠性评估中的合理性,为弹簧触指的可靠性评估提供了一定的理论指导。
奇异值能量标准谱在机械振动信号降噪中的应用研究
刘敏, 张英堂, 李志宁, 陈建伟, 尹刚
2017, 36(1): 46-51. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0107
摘要:
针对机械设备振动信号的宽频带、非线性和非平稳特性,提出了一种基于奇异值能量标准谱的自适应降噪方法。首先利用平均最近邻域发散度判定法计算嵌入维数并对信号进行相空间重构,然后对相空间重构矩阵进行奇异值分解,最后提出奇异值能量标准谱概念,根据能量标准谱拐点位置自适应地确定奇异值的重构阶数以重构有用分量,从而实现信号降噪。数值仿真和柴油机缸盖振动信号分析结果表明,本方法能够有效消除信号中的噪声并保留原信号的特征,提高信噪比。
直驱泵控压力伺服系统自适应模糊PID控制
石姣姣, 郑建明, 李旭波, 彭超, 宋艳超
2017, 36(1): 52-57. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0108
摘要:
直驱泵控压力伺服系统属于典型的非线性时变系统,采用传统PID控制存在系统适应性差、压力波动幅度大以及跟踪控制精度低等问题。根据PID参数对压力伺服系统响应特性的影响规律,设计了根据系统误差和误差变化率在线自适应调整PID参数的自适应模糊PID控制器,分别采用传统PID控制和自适应模糊PID控制策略进行了直驱泵控压力伺服控制仿真与实验研究。结果表明,自适应模糊PID控制策略能大大改善PID控制的性能,使系统具有响应速度快、压力波动幅度降低、滞后与超调小的特点,提高了系统的动态品质和控制精度。
精密制造与加工
灰色理论在慢走丝线切割加工中的应用
肖帮东, 张国军, 徐中, 黄浩, 陈志
2017, 36(1): 58-67. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0109
摘要:
慢走丝电火花线切割中工艺指标与工艺参数之间具有高度非线性关系,难以实现电火花多工艺参数优化,针对此问题,以电火花线切割SKD11模具钢为试验对象,选用水压、脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流和进给速度为可变因素,表面粗糙度(Ra)和材料去除率(MRR)为工艺指标,设计田口试验,采用灰色关联分析方法研究加工参数对工艺指标的影响关系;建立改进的灰色神经网络模型对Ra和MRR预测,其平均相对误差分别为7.92%和8.13%。结果表明,该模型能反映出电火花线切割SKD11模具钢的工艺规律并能成功预测出Ra和MRR,为电火花线切割SKD11模具钢工艺参数的选择提供了依据。寻找的一组优化参数对SKD11模具钢的线切割加工具有一定的参考意义。
CFRP/铝合金叠层结构动态钻削力预测研究
于海夫, 薛惠峰
2017, 36(1): 68-73. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0110
摘要:
建立了CFRP(carbon fiber reinforced plastics)/铝合金叠层结构制孔轴向力分阶段预测模型,提出一种面向分阶段的钻削过程描述方法。阐述了CFRP与铝合金的叠层方式,根据钻削过程中钻头所处位置确定不同的钻削阶段;在钻削过程分析的基础上,通过解析建模方法给出了叠层结构动态轴向力预测方法,并详细分析了模型公式中积分限的计算方法;进行了叠层结构制孔实验,测量分阶段的瞬时制孔轴向力。通过对比发现提出的预测模型与实验值吻合较好,能够准确预测CFRP/铝合金叠层结构制孔轴向力。
五轴端铣摆线齿轮刀具轨迹规划及试验研究
许建民, 罗善明, 廖龙兴
2017, 36(1): 74-82. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0111
摘要:
提出以端面铣刀代替球面铣刀端铣摆线齿轮齿廓的加工方法。利用前倾角和侧倾角分别解决端铣刀局部干涉与刀杆碰撞干涉问题的方法,得出无干涉加工摆线齿轮刀轴前倾角的计算公式。建立端铣摆线齿轮的几何模型和五轴数控仿真模型,获得其无干涉刀具轨迹。利用五轴联动立式加工中心实现摆线齿轮的高速端铣加工,得到精加工的摆线齿轮样件,并对精加工的摆线齿轮齿廓的精度和表面粗糙度进行了测量和分析。该摆线齿轮样件的最大偏差值为0.051 mm,最小偏差值为-0.085 0 mm,所测齿廓表面粗糙度的平均值Ra为0.504 6 μm。研究结果表明:高速端铣摆线齿轮的加工方法可以达到磨削摆线齿轮的加工精度,实现了摆线齿轮加工的“以铣代磨”。
平面机构运动输出精度可靠性及寿命
刘柏希, 屈涛, 张弦
2017, 36(1): 83-88. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0112
摘要:
平面机构传递路线较长,对机构运动输出精度产生的影响不能忽视。将影响机构运动精度可靠性因素分为非累积性因素和累积性因素,提出了非累积性因素和累积性因素耦合作用下平面机构的运动精度可靠性分析方法;以Archard磨损模型为理论基础建立了磨损可靠性干涉模型;提出了在额定转速下机构寿命的计算方法。对曲柄滑块机构结果表明:累积性因素是影响机构运动精度的主要原因,当累积性因素累积到一定程度时,机械可靠度急剧下降,并计算了机构在额定转速下机构的额定寿命。
单晶锗各向异性对加工表面粗糙度的影响
苗实, 史国权, 石广丰, 蔡洪彬
2017, 36(1): 89-94. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0113
摘要:
为了减少锗组件加工时易发生断裂破坏和加工表面质量不均一问题,从单晶锗结构的各向异性特征出发,研究了单晶锗材料解理面和滑移面上的应力变化;给出晶体取向对切屑脆-韧去除方式影响程度的判据;建立了单晶锗任意晶面的解理面和滑移面上应力计算模型;分析了单晶锗车削表面粗糙度以及切削力的各向异性分布规律。并对典型晶面及任意晶面的切屑脆-韧去除方式和晶向之间关系进行了计算。通过切削试验,验证了模型和判据的正确性。
仪器、仪表科学与技术
一种分度式主动螺旋管道测量装置设计
刘清友, 张书扬
2017, 36(1): 95-101. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0114
摘要:
ILI(in-line inspection)管道在线检测对油气输送管道安全可靠运行至关重要。设计开发了一种全新的基于螺旋测量原理的主动螺旋管道测量装置,该装置能够自主生成管道测量螺旋线,整合了位移传感器和角度传感器,进行了管道测量对比实验以及管道缺陷检测实验;实验数据采用MATLAB处理,反演出管道内壁模型,通过对管道内壁模型的分析来判断管道内部的情况。实验证明了分度式主动螺旋测量方法的可行性,通过对比实验分析了分度式螺旋测量与普通螺旋测量的区别,实验结果表明:该方法描述管道内壁的三维模型更精确,能被管道机器人或管道猪牵引进行测量作业。特别对于微小管径管道、非管道猪管道有一定的应用前景。
CV-GAC模型与图割优化的运动目标检测和分割
宋琳, 高满屯, 王三民, 王淑侠
2017, 36(1): 102-107. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0115
摘要:
针对视频图像序列中运动目标的分割问题,提出了一种融合测地线的水平集模型(CV-GAC)和图割优化相结合的算法。采用高斯混合模型和背景差分获取目标的运动区域,在运动区域内自动设置初始曲线的轮廓,对运动区域进行数学形态学运算,利用融合测地线的水平集模型自适应处理目标的拓扑变化,并用图割进行能量函数的最优化。实验结果表明,与其他传统方法相比,缩短了运动目标分割的时间,能够正确和快速提取运动目标的活动轮廓。
面向舱室布局优化的上肢操作舒适性评估方法研究
邓丽, 陈波, 余隋怀
2017, 36(1): 108-113. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0116
摘要:
针对舱室布局设计评估决策问题,考虑关节力矩对关节舒适性的影响,提出了以上肢操作舒适性评估布局方案优劣的方法。应用CATIA软件进行了主要操作姿势仿真实验,然后根据人体生物力学模型分析关节力矩,通过Kane动力学方程建立了上肢动力学模型,进而借助NASA力量模型将关节力矩引入到关节舒适性评估中,解决了不同关节角度组合时上肢的整体舒适性评估问题。关节角度和上肢操作舒适性关系曲线可为舱室的布局工效评估与优化提供参考,在设计初期阶段考虑人的因素,及时发现设计缺陷,提高设计效率。
运载工程
双三次Q-Bézier曲面拼接的车身设计
郭磊, 阿丽莎, 胡钢
2017, 36(1): 114-118. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0117
摘要:
针对车身曲面难以用单张曲面进行表达的情况,提出用光滑拼接多张带形状参数的双三次Q-Bézier曲面技术构造曲面方法,并用多张双三次Q-Bézier曲面拼接描述汽车车身曲面;提出由设计师构建多个单张双三次Q-Bézier曲面,再进行曲面间的光滑拼接,在编辑各组双三次Q-Bézier曲面公共边界的位置及其各形状参数的情况下,得到大量的车身造型方案。该方法基于双三次Q-Bézier曲面的生成及其拼接原理,可以高效调整车身曲面及其公共边界,获得光滑的曲面连接效果,从而快速获得多种汽车车身造型方案。所提方法运算速度快、易于操作,具有良好的可拓展性。
材料科学
6061-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场的数值模型和参数影响分析
肖毅华, 张浩锋
2017, 36(1): 119-126. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0118
摘要:
针对带圆柱搅拌针的搅拌头,推导了一种搅拌摩擦焊热源模型的一般表达式,按照滑动摩擦、粘着摩擦和混合滑动摩擦与粘着摩擦3种机制计算其中的摩擦应力,得到3种热源模型。采用ABAQUS软件,通过子程序实现热源模型并进行加载,建立了12.7 mm厚6061-T6铝合金板的搅拌摩擦焊温度场数值模型。数值模拟结果与实验结果的对比表明:基于粘着摩擦和混合滑动摩擦与粘着摩擦的模型能较好地预测温度场,两者给出的焊接稳态温度场基本一致,而基于滑动摩擦的模型预测的温度场偏高。通过改变模型参数的取值,系统地研究了边界条件、预热时间、焊接参数、搅拌头结构尺寸对温度场、产热功率和搅拌头所受力矩的影响,得到一系列规律和指标。
航空、宇航工程
航空发动机轴承内环松动理论研究
桑潇潇, 廖明夫
2017, 36(1): 127-138. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0119
摘要:
研究了轴承内环松动的航空发动机转子系统的振动特性。结合内环间隙的轴承组件的结构和几何特点,研究轴承内环和锁紧螺母之间的相对运动关系。在此基础上提出了轴承内环和锁紧螺母之间滑动摩擦载荷的计算方法。建立了带有轴承内环间隙的竖式转子的动力学方程。该方程考虑了内环间隙带来的刚度非线性以及内环和锁紧螺母之间的摩擦载荷带来的阻尼非线性。数值求解动力学方程,得到转子系统的振动响应如波形、频谱和轴心轨迹等。定量研究转子结构参数,如转子的不平衡量、内环间隙尺寸和锁紧螺母拧紧力矩等对转子振动特性的影响。结果表明:内环端面和锁紧螺母之间的内摩擦取决于它们的相对运动关系,正比于锁紧螺母拧紧力矩,并可能促进转子同步正进动,进而导致转子失稳;转子失稳时,振动响应包含系统固有频率、工频及固有频率和工频的差频3种等频率成分;转子不平衡量、内环间隙大小和锁紧螺母拧紧力矩等均对转子的失稳产生影响;合理控制这些参数可以避免因内环松动导致的转子失稳。
力限条件设计复杂二自由度法及试验研究
汪阳丰, 刘兵山, 王珂, 丁昳婷, 杨正玺
2017, 36(1): 139-146. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0120
摘要:
在航天产品振动环境试验中,传统加速度单控的方法存在较严重的过试验现象,力限技术采用力与加速度双控能较好地减轻过试验。获取合理的力限试验条件是力限振动试验的基础。阐明了力限试验减轻过试验的机理,获取力限条件的复杂二自由度法的原理及存在的一些问题。结合复杂二自由度法设计模型并进行了试验,试验中输入加速度在试验件振动方向的前两阶主模态频率处分别下凹约19.5 dB、17.2 dB,证明力限试验条件更接近真实环境。
椭圆轨道上绳系系统的建模与动力学仿真
何洁, 郑飞
2017, 36(1): 147-151. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0121
摘要:
针对位于椭圆轨道上的绳系系统,利用“圆锥”模型通过仿真研究其动力学运动特性。绳系系统是具有一定面积的主星和子星通过若干根超长的绳索连接而成的结构。基于主星的大面积和绳索的超长度,分别将其建立成两两相连的质量杆和用力连接的小圆柱。在动力学模型的基础上,针对主星和整体系统进行动力学仿真研究。研究表明,系统在椭圆轨道姿态稳定、主星展开正常。在材料范围内较小的绳索伸长使绳索紧绷,省去了展开过程中力的设置。
SVR在航空发动机基线挖掘中的应用研究
曹惠玲, 张卓, 曲春刚
2017, 36(1): 152-160. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0122
摘要:
针对航空发动机基线难以获取的问题,利用支持向量回归机(support vector regression,SVR)算法,采用厂家监控系统数据和飞机快速存储记录器(quick access recorder,QAR)数据两种方式对基线进行挖掘分析,提供了获取基线的多种途径和方法,取得了比较可靠的结果。支持向量回归机在处理非线性回归分析时具有快速、准确的优点,能够进行单参数及多参数的基线回归分析,通过计算结果比较分析,多参数基线回归与单参数基线回归、一元线性基线拟合相比具有偏差小、精度高的优势,能够有效提高发动机基线监控的准确性。
航空发动机点火系统半导体电嘴端部电极间隙的设计研究
邵跃, 吴恩会, 张涛, 夏国斌, 程蕾
2017, 36(1): 161-164. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0123
摘要:
介绍了航空发动机点火系统的工作原理,通过公式推算探讨了影响半导体电嘴最小发火电压的因素;并且根据半导体电嘴端部长期所处的恶劣环境,列举了满足电嘴端部使用要求的电极材料;同时基于实际试验数据,分析了电极间隙、储能电容量及最小发火电压之间的相互关系,通过非线性拟合分析,详细论述了电极间隙设计的理论计算过程,为合理选择半导体电嘴电极间隙提供了依据。