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2019年  38卷  第3期

综述
智能制造及其关键技术研究现状与趋势综述
张映锋, 张党, 任杉
2019, 38(3): 329-338. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180300
摘要(591) HTML (125) PDF 878KB(174)
摘要:
新一代信息技术、人工智能等迅猛发展及其在制造领域的融合不断促使各先进制造国家积极探索智能制造的发展战略,以实现全制造流程与全生命周期数据的互联互通、业务的协同联动及决策的动态优化,最终达到制造系统的智能化、协同化、透明化、绿色化。为更全面地理解智能制造的内涵、现状与趋势,本文详细介绍了智能制造的历史与起源、制造模式的发展与演化,分析了国内外典型智能制造战略的内涵与特点,并从中抽取了若干影响智能制造有效实施的关键使能技术。最后,结合团队在智能制造领域近年来的研究基础,分析和讨论了智能制造未来的发展趋势。
机械动力学
车辆多级行星传动系统扭振特性分析与优化
张强, 李洪武
2019, 38(3): 339-343. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180193
摘要(300) HTML (40) PDF 903KB(82)
摘要:
针对某高速履带车辆七档行星传动系统匹配问题,利用集中质量法建立了等效扭振模型,分析了扭振系统无阻尼自由振动固有频率和振型对转动惯量及刚度的灵敏度。结合行星变速机构的固有特征和内外激励频率,分析了行星变速机构各档位的共振情况,并基于灵敏度分析对扭转模型进行了动力学参数的优化。仿真实验的结果表明,优化后的动力学参数可较好地避免扭转振动。研究结果为进一步分析行星传动系统匹配对扭转振动的影响及改进扭振性能具有一定指导作用。
磁悬浮飞轮转子系统动态试验分析
周元伟, 任正义, 黄同, 马燕芹
2019, 38(3): 344-350. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180190
摘要:
以600 Wh飞轮储能系统为研究对象,为计算飞轮转子系统的临界转速分布及评估在高转速下运动稳定性,采用SolidWorks进行三维建模并导入有限元软件SAMCEF Rotor求解其临界转速和模态振型。对飞轮储能系统进行升降速试验采集动态试验数据并通过时域图、频域图、轴心轨迹图进行分析。将有限元分析与试验数据进行对比,结果表明:飞轮转子系统在临界转速时振幅明显大于稳定转速时,在工作转速中,轴心轨迹重复性较好,没有超过气隙值0.3 mm,稳定性良好,为不同储能飞轮转子的改善和设计提供参考和依据。
螺栓连接结构动态特征学习与装配紧度智能监测
赵俊锋, 张小丽, 闫强, 申彦斌, 杨吉
2019, 38(3): 351-357. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180251
摘要(500) HTML (102) PDF 961KB(74)
摘要:
自动特征提取在机械系统智能状态监测中起着至关重要的作用,可以自适应地从原始数据中学习特征并发现新的状态敏感特征。本文重点研究了不同深度的卷积神经网络(CNN)模型在没有先验知识的情况下从激励响应信号中挖掘代表信息和敏感特征的能力,并将螺栓连接结构的特征提取和装配紧度分类过程融合在一起。通过车架试验台螺栓连接转子激振实验数据验证该方法的有效性。结果表明,CNN方法自适应学习的特征可以表示信号与装配状态之间的复杂映射关系,并且比其他方法具有更高的准确率。
小波矩和HMM的三维CAD模型归类与检索算法
李雨虹, 强会英, 王洪申, 杨笑蕊
2019, 38(3): 358-364. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180323
摘要:
为了在工程应用中检索已有的三维CAD模型,以便重用相应零件的设计信息,节省设计和加工成本,提出一种基于小波矩和仿射不变矩特征融合的隐马尔科夫模型(HMM)三维CAD模型归类与检索算法。对三维模型图进行归一化处理,并分别提取归一化图像的小波矩特征值和仿射不变矩特征值;通过K-W检验算法选择出鲁棒性好、稳定性高的组合不变矩特征并进行编码;构造五类三维模型的样本集,将上述特征值作为HMM的输入观测值,通过修正的添加比例因子的多观测序列Baum-Welch(B-W)算法进行模型的训练与识别。将本文算法与其他三种算法进行实验对比,结果表明,本文所提出的算法具有较好的识别率和检索效率,具有一定的实用价值。
空间3R机械臂逆向运动学的奇异轨迹线方法研究
周枫林, 游雨龙, 李光
2019, 38(3): 365-372. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180289
摘要:
针对机器人逆运动学多解问题,提出一种基于奇异轨迹线的多模块径向基神经网络的求解方法。根据奇异轨迹线理论,将关节空间严格划分成只具有单逆解的多个关节子空间区域,然后通过正向运动学,使各个关节子空间映射到同一工作空间,以获得多组工作空间位置相同但是关节区域不同的训练样本,每组训练样本只含单逆解。在多模块径向基神经网络结构中,每个子模块分别负责学习一组训练样本,从而将逆运动学多解求取问题转化为各个子模块对神经网络权值的训练问题,通过神经网络结构中的多个模块逆解预测,实现了机器人逆运动学的多解计算。算例表明基于奇异轨迹线的多模块神经网络能够正确输出多组逆解,满足求解精度要求,在逆运动学多解求取中具有较好的推广价值。
一类快慢耦合电路的复杂动力学特性及控制
崇富权, 苏程, 张艳龙
2019, 38(3): 373-378. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180189
摘要(229) HTML (141) PDF 962KB(71)
摘要:
引入周期激励建立了一类光滑的三维非自治快慢耦合簇发振荡电路。通过调节外激励交变电流源的频率使系统呈现出明显的两尺度效应即快变量和慢变量,结合数值仿真与两时间尺度法分析该电路模型系统在不同激励频率和幅值下系统的簇发机理和分岔模式,并通过分数阶混沌电路对系统的动力学行为演变进行控制。结果表明:若系统固有频率与外激励频率存在量级上的差异,则系统存在明显的快慢耦合簇发现象,且外激励频率越小,幅值微变或不变时系统快慢效应和簇发现象越明显;同时利用分数阶混沌电路对动力学系统演化过程进行了有效的轨道控制。
压力载荷对颗粒润滑界面动力学特性的影响
孟凡净, 刘焜
2019, 38(3): 379-385. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180177
摘要:
本文利用离散单元法建立了颗粒流润滑的数值分析模型,研究了压力载荷对颗粒流润滑的宏观流动、配位数和力链演变以及接触承载等动力学特性的影响规律。研究结果表明,颗粒润滑介质的平均速度沿间隙y向自下而上逐渐减小,而颗粒润滑介质的波动速度沿间隙y向的变化趋势则与此相反;颗粒介质间的微观接触结构和动力学特性具有瞬态性和易变性,且颗粒介质间的接触紧密程度和接触强度会随着压力载荷P的增大而变强;颗粒润滑系统的承载能力与系统内部的力链变化息息相关,且颗粒润滑系统的承载能力随着压力载荷P的增大而变强。
采煤机螺旋滚筒动态截割过程研究
赵丽娟, 范佳艺, 刘雪景, 王雅东
2019, 38(3): 386-391. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180188
摘要(280) HTML (70) PDF 959KB(62)
摘要:
为研究采煤机螺旋滚筒动态截割过程动力传递规律,基于相似理论建立螺旋滚筒模型与原型的相似准则,确定了模拟螺旋滚筒结构参数、运动学参数及截割材料特性参数,应用三维实体建模软件Pro/E、离散元分析软件EDEM联合仿真分析验证原型滚筒和模型滚筒动态截割过程中煤颗粒运动轨迹、量变规律、滚筒装煤率、滚筒载荷等性能。验证结果表明:原型滚筒和模型滚筒在截割过程中煤颗粒流动轨迹一致,截落的煤分布规律相似,载荷波动规律一致,滚筒装煤率预测误差1.82%,载荷数值误差小于2.1%,装煤率和载荷均值均满足推导的相似关系,验证了螺旋滚筒相似准则正确性。
环形自激振荡射流泵在气液掺混传质中的应用
曹柳, 邓晓刚
2019, 38(3): 392-397. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180187
摘要(422) HTML (198) PDF 1151KB(60)
摘要:
较传统环形射流泵而言,环形自激振荡射流泵,可以在无外界激励的作用下仅靠自身合理的尺寸设计在自激振荡腔室内形成循环的振荡效果,利用自激振荡腔室产生的强烈自激振荡涡旋来提高气液两相传质的效果。本文采用计算与实验相结合的方法,使用k-ε湍流模型对环形自激振荡射流泵进行CFD(Computational fluid dynamics)流场仿真,并针对脱氧后的水溶解氧的能力进行了研究。结果表明,环形自激振荡射流泵掺混能力较传统环形射流泵提升15%~20%,与传统曝气头相比,混合能力提升30%以上。混合过程中由于自激振荡产生的脉冲效果使气相和液相之间产生了剧烈的剪切场,在剪切力的作用下使混合液中的气泡数量增多,气泡粒径变小,从而增加了气相与液相接触的面积,进而达到提高气液两相掺混传质的目的。
电控空气悬架系统刚度调节预瞄算法研究
马志敏, 苑庆泽, 吴作柱, 梁华芳
2019, 38(3): 398-403. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180196
摘要(273) HTML (43) PDF 955KB(51)
摘要:
架变刚度控制可以很大程度改善客车乘坐舒适性。本文以电控空气悬架系统(ECAS)为基础,前悬架采用反馈控制方法,后悬架采用预瞄前馈与反馈相结合的控制方法,通过对空气弹簧充放气从而实现悬架刚度调节。在AMESim和Simulink中分别搭建ECAS模型和控制算法,在TruckSim中搭建整车模型,利用三者联合仿真对控制算法进行验证。为了提升高度跟踪精度,采用柔性PID取代传统PID控制策略,结果显示:该控制方法能够准确跟踪目标高度值,并且很好地抑制了"过冲"与"过放"问题。通过对平顺性指标进行测量发现,与无控制车辆相比,车身垂向加速度减小约60%,表明舒适性得到很大改善。
精密制造与加工
滑块五杆机构在研磨机应用的可行性研究
王登科, 尹明富, 孙会来, 赵镇宏
2019, 38(3): 404-408. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180172
摘要(161) HTML (48) PDF 991KB(44)
摘要:
提出了一种基于五杆滑块机构的研磨加工新技术,并对运动部分进行结构设计,针对该技术方案的可行性进行分析。建立了平面研磨和球面研磨的数学模型,采用矩阵运算形式,得到研磨轨迹曲线方程。利用MATLAB计算,进行计算机仿真,得到不同参数匹配下的平面和球面研磨轨迹。仿真分析表明,在驱动转速和工件盘转速不成倍数关系情况下,有助于提高轨迹复杂度,降低表面粗糙度。同时,仿真结果证明了该技术方案应用于平面和球面研磨加工的可行性。
3DP工艺中双液滴渗透数值模拟与仿真研究
王媛媛, 杨伟东, 贾鹏飞, 牛子佳, 张思祥
2019, 38(3): 409-414. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180194
摘要:
为了提高3DP工艺的精度,需预测粘结剂与颗粒材料粘结的形态,而通过实验很难观测到液滴在粉床中的渗透过程。本文通过应用水平集方法建立了双液滴渗透过程的数学模型,运用多物理场仿真软件COMSOL对其进行了数值模拟,分析了主要工艺参数-液滴水平间距和滴落高度对液滴渗透的形态的影响。同时为验证数学模型和仿真结果的一致性,搭建了实验平台,采用高速摄影对液滴的滴落渗透过程进行图像采集,并通过电子显微镜观测最终的凝聚形态。将实验结果与仿真结果进行了对比,验证了数值模拟的准确性,为进一步的实验研究提供了理论依据。
增材制造中STL模型三角面片法向量自适应分层算法研究
田仁强, 刘少岗, 张义飞
2019, 38(3): 415-421. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180191
摘要:
本文提出了增材制造技术中STL模型三角面片法向量自适应分层新算法。该方法寻找与层厚t相交的三角面片的最小法向量,应用三维模型体素中x-y分辨率和STL模型中三角面片法向量与制造方向间夹角变化关系,实现STL模型的自适应分层。用此方法分层,减少了分层参数处理的复杂性,使自适应分层变得更加简单且易实现,得到的分层厚度值更加准确。由于自适应分层是在允许的误差范围内得到的分层厚度,因此在STL模型轮廓变化明显的区域分层更加精细。
数控内齿珩轮强力珩齿加工齿面挖根机理研究
张国政, 韩江
2019, 38(3): 422-427. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180174
摘要:
为揭示数控内齿珩轮强力珩齿加工后齿面产生挖根现象,基于单颗磨粒切削力模型,建立单颗磨粒切削渐开线齿面力学模型,分析得出齿面珩削压力分布规律,利用三维有限元方法进一步验证其齿根应力最大,指出珩削压力是齿面挖根原因之一。根据内啮合齿面接触方程,分析渐开线齿面的端面齿廓相对速度的变化情况,分析出内齿珩轮强力珩齿加工时,被珩工件齿轮的端面齿廓相对速度变化是齿根处最大,进而造成齿根多珩,洞悉了齿面相对速度也是影响齿面挖根主要因素之一。最后,通过两种方式的强力珩齿实验证明,采用定中心距变压珩齿容易产生齿面挖根现象。
圆度误差的神经网络评定及测量不确定度研究
张珂, 张玮, 阎卫增, 侯怀书
2019, 38(3): 428-432. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180324
摘要(128) HTML (36) PDF 886KB(25)
摘要:
为了更为准确的而又简便的评定圆度误差及其不确定度,根据最小二乘法建立圆度误差模型,基于BP神经网络算法优化目标函数的参数,阐述了BP神经网络优化算法的原理和实现方法。通过求解实例表明该方法对于圆度误差评定的非线性优化问题能得到最优解。采用传统的测量不确定度表示指南方法和蒙特卡洛方法计算得到圆度误差的不确定度,通过实例验证蒙特卡洛法的可靠性和准确性。该方法不需要求出数学模型中的传递系数,利用MATLAB操作简单,为圆度误差测量结果不确定度评定提供了更加简便的方法。
仪器、仪表科学与技术
新型六自由度微动并联机构的工作空间分析
程颖, 杨德华, 吴常铖, 费飞
2019, 38(3): 433-439. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180178
摘要(257) HTML (155) PDF 1156KB(29)
摘要:
在实现天文光学镜面毫米级行程位姿调整和微纳米级精密定位中,基于全柔性铰链的新型3SPS+3(SP-U)六自由度并联机构的工作空间主要由柔性铰链相对较小的回转空间所定义。分析了3SPS+3(SP-U)并联机构运动自由度及其部分自由度解耦特性,并根据实物样机的几何参数建立了其运动学逆解模型。在此基础上,基于柔性铰链回转空间及支链行程范围,采用搜索法分析了其工作空间,并采用激光跟踪仪对样机的工作空间进行了实测。理论计算和实测结果验证了该机构动平台中心点的平动位移空间可达±3 mm,转角空间可达±1°,确保了其在应用中具有足够的工作范围,达到了设计目标。
不确定非线性机械系统的自适应分解模糊控制
万敏, 宋伟鹏, 李建国
2019, 38(3): 440-444. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180170
摘要(244) HTML (49) PDF 935KB(22)
摘要:
为了保证系统较高的控制精度,就必须提高模糊系统的逼近精度,但其所需的大量的模糊规则会造成控制系统计算负担过重,不能满足实时性要求。为此,本文针对不确定机械系统的控制问题,设计了一种分解模糊系统用于系统中不确定函数的逼近和补偿,在此基础上针对不确定系统设计了鲁棒自适应控制律对非线性系统进行轨迹跟踪控制。仿真实验证明,本文设计的自适应分解模糊控制不但能对机械系统的未知部分进行实时补偿,并且比传统自适应模糊控制的控制精度更高,误差收敛更快,更有利于实时控制。
电场驱动喷射高粘度导电材料的3D打印机理研究
刘志浩, 杨建军, 赵佳伟, 吴堂福
2019, 38(3): 445-451. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180175
摘要:
为了实现高粘度导电材料在3D打印制造嵌入式封装电子产品中的高精度打印,本文通过理论分析与实验验证相结合的方法,揭示了喷嘴结构与电场对流体流速与液滴形态的影响,最终得出相同气压下,喷嘴尖端处越短,截面收缩越大,液体流速越快;电场除了对液滴有收缩形成泰勒锥的作用,还会影响液体流速;对于超高粘度导电材料的打印,对打印结果影响最大的因素是气压与平台移动速度,在一定气压与电压范围内,打印均能实现,而通过调整平台移动速度可改善喷印质量。研究成果对改善高粘度导电材料的3D打印形貌、成型精度和可控性提供了理论基础和方向指导。
刚度和惯量对电动负载模拟器的影响分析
刘伟良, 杨瑞峰, 郭晨霞, 葛双超
2019, 38(3): 452-456. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180186
摘要(155) HTML (95) PDF 966KB(18)
摘要:
为了提高电动负载模拟器的加载性能,根据电动负载模拟器的系统构成,建立其相应的数学模型,分析系统刚度和负载惯量对多余力矩、系统稳定性和响应速度这3个方面的影响,分析和确定了系统的最佳刚度和负载惯量,利用MATLAB软件对结果进行仿真验证;仿真结果表明:加载后的正弦曲线能够较好的复现,且响应速度快、稳定性好;设计电动负载模拟器最佳的刚度和负载惯量的时候,不仅要考虑到对多余力矩的抑制,还要考虑到系统的稳定性和响应的快速性。
元胞自动机理论在并联机构工作空间搜索法中的应用
夏永强, 罗玉峰, 石志新, 羊龙, 谢冬福
2019, 38(3): 457-464. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180179
摘要:
针对传统并联机构工作空间搜索法所得边界精度低、效率低等问题,提出一种通用的基于元胞自动机理论的快速搜索方法。该方法以元胞自动机中邻域思想和黄金分割法原理为基础,研究了并联机构工作空间求解的数值法,并总结出这些方法的不足。通过引入元胞自动机的邻域提取粗糙化边界和搜索方向,并将黄金分割二分法引入维度搜索中,以实现任意精度的边界点搜索,其后仿真算例检验了此方法的有效性与快速性,并与极坐标搜索法、蒙特卡洛法、精确化处理进行对比。分析表明:该算法在求解精度、效率具有明显优势,并且适用于二维、三维的并联机构工作空间的求解。
燃油喷嘴内腔锥角的精密测量系统研究
毕超, 房建国, 闵罗肖, 鲍晨兴
2019, 38(3): 465-471. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180192
摘要(142) HTML (172) PDF 970KB(19)
摘要:
为实现航空发动机燃油喷嘴组件内腔锥角的快速精确检测,在双球法锥角测量原理的基础上,基于三轴运动平台、直线位移传感器、浮动夹头和多轴运动控制器等搭建了一套喷嘴内腔锥角精密测量系统,以解决喷嘴内腔锥角的自动化测量难题。该测量系统采用紧凑的立柱式结构,其运动机构由XYZ直线轴构成,控制系统采用主流工控机与专用多轴运动控制器相结合的二级位置闭环数字复合控制方式,并且设计了具有"自适应入孔"功能的新型双球锥孔测头。最后,应用该测量系统对3个圆锥孔零件和某喷嘴样件的内腔锥角特征分别进行了多次重复测量。实验结果表明,所搭建的测量系统能够完成既定的测量任务,而且系统的测量精度指标能够满足检测任务需求,因而可以作为一项喷嘴结构尺寸检测的技术解决方案。
运载工程
并联机器人运动学标定方法研究
李金和
2019, 38(3): 472-479. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180173
摘要:
并联机器人运动学误差的标定是并联机器人工程应用的主要问题之一,测量位形的选择和辨识算法对参数辨识结果和误差补偿效果有重要影响。工程实践中,为了提高测量效率或者受到测量环境的限制,往往利用布置简单和数量较少的位形获取测量数据,这可能导致所构造的线性回归模型出现强复共线性,为此提出了一种残差比例指标的测量位形优选方法和一种主元分析的几何误差源辨识算法来实现变量空间的降维操作,二者可有效地提高测量效率,改善辨识算法的鲁棒性和抗差能力。通过计算机仿真验证了所提方法正确可行。
修正准静态叠加法下的齿轮箱箱体寿命预测
高天阳, 肖守讷, 杨冰, 阳光武
2019, 38(3): 480-486. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180185
摘要:
针对某型内燃机车齿轮箱箱体出现裂纹的情况,建立齿轮箱箱体有限元模型,提出了一种根据实测动应力修正准静态叠加法的应力时间历程计算方法,对单位加速度激励下的响应进行修正。分别用准静态叠加法和基于实测动应力修正的准静态叠加法计算绝对值最大主应力时程,使用雨流计数法对应力时程进行循环计数,根据Miner累积损伤理论对齿轮箱箱体寿命进行预测,后者预测结果与实际结果较为接近。两种方法计算结果差异较大,初步推测所测齿轮箱体发生共振,并通过对比加速度谱的频谱分析结果与齿轮箱箱体模态分析结果进行了验证。该研究为齿轮箱箱体结构设计和优化时疲劳寿命的预测提供了参考。
航空、宇航工程
带气膜孔的失谐整体叶盘的模态研究
白斌, 张伟, 李超, 白广忱
2019, 38(3): 487-492. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180182
摘要(281) HTML (156) PDF 1105KB(16)
摘要:
在保证精度的条件下,为了提高航空发动机的计算效率与模拟的准确性,对经典混合界面子结构模态综合法(HISCMSM)进行改进,采用改进的HISCMSM建立了带气膜孔的失谐整体叶盘的有限元模型(FEM)并对其进行了模态分析,与高保真有限元模型方法(Finite element model method,FEMM)相比,相对误差≤ 0.79%,比整体高保真FEMM和经典的HICMSM计算效率分别提高31.01%~55.78%,0.89%~5.45%,研究中考虑了气膜孔的影响,发现气膜孔使得叶盘的模态频率降低,其中气膜孔的大小使得模态频率先减小后增大再减小,气膜孔的排列及角度的改变对叶盘模态频率的影响不大,而气膜孔数对其影响较大。为叶盘结构的设计提供了一定指导意义,为下一步的动力响应研究奠定了基础。