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2020年  39卷  第9期

机械动力学
肘关节康复机器人机构设计及其运动学分析
李博超, 项忠霞, 刘传耙, 赵泽茂, 刘鹏举
2020, 39(9): 1313-1322. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190293
摘要(427) HTML (175) PDF 3059KB(58)
摘要:
现有研究中针对肘关节康复运动的机构设计几乎均采用串联机构作为机构本体,普遍存在精度低、运动惯性大、容易造成肘部肌肉的损伤等问题。鉴于此,本文设计了一种可实现肘关节二自由度康复运动的(2-PRR-S)R-PRCR并联机器人机构;并使用旋量理论验证了机构的自由度特性。利用空间几何分析法推导出机构位置逆解与位置正解表达式;进而给出了机构的雅克比矩阵,然后结合雅克比矩阵分析了机构的奇异位形。依据机构的约束条件,确定了机构的初始姿态工作空间;以最大化姿态工作空间为优化目标,并采用遗产算法对机构进行了尺度优化。基于人体肌肉运动机理,分析了肘关节康复运动时的训练效果,验证了所设计的并联机构的适用性,为后续肘关节康复训练策略的研究奠定了基础。
改进可靠性-成本函数的系统可靠性分配优化
吴和成, 张晨
2020, 39(9): 1323-1328. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190276
摘要:
为了得到系统在一定的可靠性水平下成本最低的可靠性分配方案,根据系统成本与可靠性的关系以及成本函数的一般特点,提出了一种改进的成本函数。结合可靠性工程应用的实际情况,构建了以系统成本为目标函数,以系统可靠性达到设计要求为约束条件的可靠性分配非线性规划模型。模型具有构造简单,参数容易获取等优点,便于可靠性工程人员实际使用。采用障碍函数法对模型进行求解,结果表明,在满足系统预设可靠性要求的条件下,能够得出总成本较低的系统可靠性设计方案。
风洞试验偏航机构动力学优化研究
赵远程, 王秋晓, 宋代平, 张建
2020, 39(9): 1329-1334. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190275
摘要:
为了提高风洞试验偏航机构的驱动能力、传力性能及平稳性,对偏航机构的参数进行了灵敏度分析和优化。针对影响性能的因子,通过运动学和动力学求解,提出了偏航机构动力学性能的评判指标。以Isight软件为平台,结合MATLAB,对偏航机构压力角、旋转部件转动惯量和直线滑块加速度等因子进行灵敏度分析。在此基础上,建立多目标优化模型,对影响因子进行了优化计算。结果表明:偏航机构压力角最大值降低了12.47%,旋转部件转动惯量减少了6.7%,直线滑块加速度均方根值减少了43.72%。
多裂纹梁不确定性损伤识别和实验研究
梁岗, 史单艳, 沈奎双
2020, 39(9): 1335-1345. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190278
摘要:
对于多裂纹梁识别过程中的测试数据的不确定性问题,基于传递矩阵法推导了悬臂裂纹梁的频率特征方程,构建损伤参数(损伤位置和损伤深度)和动态特征参量(频率和模态)的映射关系。基于贝叶斯推断理论建立了损伤参数识别的贝叶斯模型,选择均匀分布作为损伤参数的先验分布,以悬臂裂纹梁固有频率和模态振型的测试值作为样本信息,建立损伤参数的后验概率分布。采用马尔科夫链蒙特卡洛模拟方法来解决贝叶斯方程中存在的高维积分的问题,通过仿真算例分析和实验研究,实现了对多裂纹梁损伤参数的有效识别。
柔性联接CMAC控制电液伺服系统位置跟踪研究
李建英, 王云周, 康静, 孙宵
2020, 39(9): 1346-1351. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190279
摘要:
电液位置伺服系统由于响应速度快,功率体积比大,干扰抑制强等优点,在大惯量重载荷场合应用极其广泛。在大惯量情况下考虑柔性联接因素对电液位置伺服系统响应的稳定性和精度影响相当重要;通过机理建模的方法推导出包含负载弹性及负载与液压缸输出端柔性联接的非线性动力系统传递函数模型,对非线性动力系统传递函数模型进行模拟仿真和实验验证,进而分析柔性联接处弹性刚度对系统动态响应的影响。结果表明:考虑柔线联接机构时系统前期动态响应有延迟,但趋于稳定后控制精度和稳定性有所改善;对含柔性联接非线性动力系统的传递函数模型进行基于常规PID控制方法和CMAC算法控制器的实验验证可知,考虑柔性联接处弹性刚度的机理模型更加符合大惯量实际工况,CMAC算法控制器可以对柔性联接电液位置伺服系统中的参数进行优化,可提高电液位置伺服系统的跟踪性能。
齿面磨损故障对服役过程中螺旋锥齿轮传动误差的影响研究
余佳豪, 郭帅平, 蒋玲莉, 李鸿光, 李学军
2020, 39(9): 1352-1357. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200110
摘要:
针对螺旋锥齿轮服役过程中因齿面磨损导致的动态传动误差变化,考虑齿面磨损程度与载荷,基于有限元方法,研究单齿及全齿磨损故障下,载荷及磨损量对传动误差动态响应的影响规律。分析可知,齿面磨损将引起齿轮系统动态传动误差增大,在单齿磨损故障下磨损量与动态传动误差之间近似成正弦函数关系,载荷一定时,当磨损量足够大导致故障齿不参与啮合时,磨损量达到极值而不再增长;磨损量一定时,动态传动误差幅值的极值与载荷成指数函数关系。全齿磨损故障下,故障齿始终参与承载,磨损量与动态传动误差之间近似成线性函数关系。
ALIF-MMPE结合DAG-SVM的滚动轴承故障诊断
韩美东, 张金豹, 赵永强
2020, 39(9): 1358-1365. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190272
摘要:
针对滚动轴承故障诊断中非平稳振动信号下的有效故障特征提取问题,提出一种基于自适应局部迭代滤波、多元多尺度排列熵和有向无环图算法支持向量机的滚动轴承故障诊断方法。自适应局部迭代滤波通过构建自适应滤波函数,能够有效抑制噪声和模态混叠,经自适应分解后得到若干本征模态函数。仿真结果表明其效果优于经验模态分解。然后利用多元多尺度排列熵对包含显著故障信息的本征模态函数进行信息融合和特征提取,组成故障状态特征集。采用主成分分析对故障状态特征集进行降维,随机抽取部分样本带入有向无环图算法支持向量机中进行训练,其它则作为测试样本进行故障识别和诊断。试验故障诊断结果表明:自适应局部迭代滤波下多元多尺度排列熵优于多个本征模态函数下的多尺度排列熵和经验模态分解下的多元多尺度排列熵;本文方法能准确地识别滚动轴承不同的故障类型及故障程度。
含间隙铰机构尺寸优化及减磨效用研究
郭彩霞, 宿月文
2020, 39(9): 1366-1372. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190292
摘要(239) HTML (116) PDF 2155KB(16)
摘要:
提出了机构尺寸优化、多体动力学、磨损预测三者的集成分析框架。铰接副由非线性弹簧阻尼模型结合修正库伦摩擦力来表达,采用Archard模型结合有限元接触模型进行磨损预测,并通过广义简约梯度法实现整体优化计算,最后针对连杆机构铰接副磨损问题进行详细分析计算。结果表明构件的角加速度峰值可有效表征机构振动和磨损程度,优化后摇杆的最大加速度幅值降低了71%,机构运动平稳性大幅提升;间隙铰接副轴套低磨损区域明显扩大,最大磨损深度降幅为36%,证明了该算法对含间隙机构摩擦学优化问题的有效性。
恒温无尘车间中重载运输机械臂的设计
吴斌方, 李萍, 张耀, 刘默耘, 陈水胜
2020, 39(9): 1373-1378. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190283
摘要:
针对某企业将开放式车间升级为封闭式恒温无尘化车间,设计了一种用于恒温无尘车间的大型棒料重载运输机械臂,满足棒料运输的准确性及运行稳定性要求。首先,利用SolidWorks和ADAMS软件构造虚拟样机,其次,通过建立刚柔耦合模型并仿真,以确认模型的有效性,并获得应力和变形云图;最后,对机械臂进行结构轻量化设计,减轻其质量,并促使其运转更加灵活流畅。仿真结果表明,优化后的重载机械臂最大变形由0.532 mm降至0.409 mm,最大应力由480.33 MPa降至237.67 MPa,降幅高达50.5%,A级机械臂减重7.6%。
精密制造与加工
闭式整体叶盘电火花加工电极运动轨迹搜索与优化方法
庞鹏, 张云鹏, 王豆豆
2020, 39(9): 1379-1384. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190287
摘要:
针对闭式整体叶盘电火花成形加工时电极造型复杂、无干涉运动轨迹难以搜索等问题,研究了闭式整体叶盘的电火花加工电极设计方案,提出了一种电极结构及其运动轨迹设计方法。建立了成形电极减厚拆分原则,构造了直纹曲面的成形电极分型面;基于随机方向法进行了电极运动轨迹的搜索求解,得到了每个节点处电极上端面中心点的无干涉运动轨迹坐标;基于NURBS曲线对电极运动轨迹坐标点做出了拟合优化;进行了电极运动轨迹验证实验研究,实验结果表明叶片型面误差为±0.08 mm,满足了闭式整体叶盘的技术指标要求。研究表明,提出的电极结构及运动轨迹搜索优化方法适用于闭式整体叶盘的电火花加工,可作为此类问题的一种有效解决方案。
接触式R-test测量仪的标定和球心坐标计算方法研究
彭炳康, 赵淑军, 江磊, 朱绍维
2020, 39(9): 1385-1389. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190281
摘要:
接触式R-test测量仪是一种利用3个接触式位移传感器测量安装在机床主轴上的精密测量球相对于工作台的三维位移的装置,可用于检测五轴数控机床旋转轴的几何误差、联动误差等。如何提高测量仪的标定和球心坐标计算精度是R-test开发的难点。为此,研究了接触式R-test测量仪的结构模型和测量坐标系构建方法,并在测量坐标系中利用机床直线轴的高精度微量移动构建测量仪的在机标定模型,并推导了球心坐标的精确计算模型。最后,通过开发样机进行实际测量,验证所提出方法的精度和可行性。
金属表面缺陷检测的改进YOLOv3算法研究
方叶祥, 甘平, 陈俐
2020, 39(9): 1390-1394. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200158
摘要(382) HTML (165) PDF 1643KB(38)
摘要:
针对现有的金属表面缺陷检测方法存在着检测效率低、适用范围受限、处理步骤繁琐等缺陷,提出了基于改进型YOLOv3算法的实时缺陷检测方法。该方法将采集到的图片分为N×N个格子,每个格子用来检测缺陷的中心点是否在格子中,利用特征金字塔与残差层融合特征的方式对图片中的缺陷进行定位,得到多个缺陷的边界框,使用非极大抑制的方法筛选出得分最高的边界框。为了提高检测效果,在输入端对图像进行直方图均衡化,并基于缺陷权重优化了算法中的损失函数以提高缺陷分类的准确性。最后,利用改进型YOLOv3算法对钢板表面的压痕与划痕进行了实验检测,结果显示该方法可以快速、准确检测出钢材表面的压痕与划痕,精度分别为92%和90%。
大数据驱动的离散制造车间实时能效分析方法
张朝阳, 吉卫喜, 仇永涛
2020, 39(9): 1395-1403. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200159
摘要(442) HTML (133) PDF 4402KB(27)
摘要:
为实现生产过程的节能减排,提出一种大数据驱动的离散制造车间实时能效分析方法。首先,从能耗数据与工艺数据两个方面构建了制造数据封装模型,以实现制造大数据的采集与存储;其次,通过数据聚类与数据关联分析,建立了制造大数据分析方法,实现了能耗数据的特征提取及其与工艺数据的关联融合,并据此建立了离散制造车间多层次实时能效分析指标。该方法将大数据处理与制造车间能效分析相结合,通过能耗数据的挖掘分析与可视化展示,为智能车间的节能控制提供了决策依据。
锂电池叠片机隔膜纠偏神经近似内模及迭代学习复合控制
丁文华, 谢小鹏, 张攀峰, 韩磊
2020, 39(9): 1404-1411. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190319
摘要(307) HTML (118) PDF 3702KB(15)
摘要:
为了解决叠片过程中隔膜对齐度较差的问题,采用神经近似内模和迭代学习控制相结合的方法设计控制器来改进隔膜的纠偏效果,提出一种神经网络近似内模及迭代学习复合控制的隔膜纠偏控制算法。首先针对影响隔膜对齐度的复杂特性导致难以用物理数学模型去描述纠偏过程的问题,采用神经网络的优秀的非线性逼近能力建立纠偏系统的神经网络模型。其次为了提升系统的鲁棒性以及避免系统模型的非仿射非线性特性,采用一种神经近似内模对纠偏系统进行控制,仿真表明神经近似内模对纠偏系统能取得较好的控制效果,但是对周期性扰动的抑制能力有限。然而在锂电池叠片过程中,速度和张力的规律性变化会对隔膜偏移误差产生周期性的干扰。最后将迭代学习控制引入到神经近似内模控制中以应对纠偏系统的周期性扰动,仿真表明引入迭代学习控制后,纠偏系统的周期性扰动得到有效地抑制。试验结果表明所提出的纠偏控制算法可以有效地提升锂电池叠片机放卷系统的隔膜对齐度。
电弧增材工艺参数对成形质量的影响
刘东帅, 吕彦明, 杨华, 周文军, 袁飞
2020, 39(9): 1412-1418. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190258
摘要(393) HTML (121) PDF 4028KB(45)
摘要:
基于电弧增材逐层熔覆特性,单焊道成形质量对多层多道堆积成形具有重要影响。本文通过正交试验方法研究了TIG电弧增材技术中工艺参数对焊道余高及熔宽的影响规律,建立了焊道几何尺寸的数学模型。在此基础上进行了单道多层堆积及多道搭接实验,研究了其微观组织及显微硬度。结果表明:单层搭接时道间冷却充分,重叠部位分区明显,焊道两侧硬度大,不完全重结晶区域硬度较低;层间冷却5 s时堆积层分层不明显,顶层为片状组织,中下层大致为等轴晶组织,靠近基板的焊缝区硬度最大。
一种结合彩色图像分割的图像匹配算法
王正家, 解家月, 柯黎明, 钱峰
2020, 39(9): 1419-1425. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190244
摘要:
在零件检测时由于背景复杂、零件表面光照不均匀且存在油污及废屑等问题,导致特征选取与模板制作困难,因此现有图像匹配算法容易出现漏识别与误识别,从而给实际应用带来困难。针对上述问题,提出了一种结合彩色图像分割的图像匹配算法。首先,将HSV颜色空间中各通道的直方图分布曲线方波化;其次,根据方波分布确定阈值,实现自适应阈值分割与目标提取;最后,利用边缘特征进行模板匹配。实验结果表明,该算法能够消除光照和背景噪声的影响,快速准确地分割出目标对象,降低特征选取与模板制作的难度,且算法消除了误识别,耗时短,准确率高,成功应用于工业生产中。
风力机变桨轴承故障诊断的冲击链检测法
马振国, 邓巍, 赵勇, 于海龙, 皇甫玮, 马宏怡
2020, 39(9): 1426-1431. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190284
摘要(186) HTML (150) PDF 2541KB(18)
摘要:
通过研究风力机变桨轴承的结构和运转条件,本文发现随着叶轮的转动,变桨轴承的滚动体与滚道的四个接触点交替接触,这使得滚动体在滚道上连续滚动的时间较短。本文通过在叶轮不旋转时采集变桨轴承振动信号,得到滚动体在滚道上较长时间连续滚动的振动信号。通过分析变桨轴承故障振动信号的特征,得到了其冲击振动规律,提出了在时域波形中自动识别冲击振动及其近似周期性的冲击链检测方法。应用结果表明,冲击链检测方法能够有效地自动检测变桨轴承的局部故障以及滚道内存在异物的状态。
双型线矩形超音速喷嘴的设计及仿真研究
张影, 宋华, 杨健, 高明昕, 汪洋, 李文斌
2020, 39(9): 1432-1438. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190277
摘要(230) HTML (102) PDF 2076KB(19)
摘要:
为提高超音速设备对工件处理的均匀性,提出了一种双型线矩形超音速喷嘴。同时基于超音速喷管设计理论,分别对该矩形超音速喷嘴的两条型线进行设计,以获得相应的型线方程。建立了双型线矩形超音速喷嘴的流热耦合有限体积模型,进而对双型线矩形超音速喷嘴的入口压力和出口马赫数对喷嘴流场的影响展开分析。结果表明:双型线矩形超音速喷嘴的速度流场既能够达到设计的马赫数又满足均匀性要求,且能够使喷嘴出口得到横截面形状为矩形的流场,并分别总结了入口压力和出口马赫数对喷嘴流场的影响规律。
运载工程
多场景车道线检测与偏离预警方法研究
覃雄臻, 鲁若宇, 陈立明, 耿黄政, 杜玉峰, 高长斌, 孟浩磊
2020, 39(9): 1439-1449. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190290
摘要(385) HTML (130) PDF 5309KB(26)
摘要:
针对目前车道线检测与偏离预警方法适应性不强、检测精度不高,从而不能够满足多种道路环境下实际应用需求的问题,利用图像的不同特征信息并结合道路图像的空间位置关系及相关先验知识展开研究。提出一种能够适应多种道路场景的车道线检测方法,并建立相应的偏离预警模型,以增强整个系统的可靠性与环境适应性。
材料科学
激光立体成形TC4热-变形行为数值分析
鹿旭飞, 马良, 林鑫, 郑宇翔
2020, 39(9): 1450-1456. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190291
摘要:
本文针对激光立体成形过程中的热应力变形问题,首先利用原位测量平台监测了一次沉积和二次沉积单壁墙过程中的温度场和基板变形历史,然后基于测量结果校验了有限元热力耦合模型,最后分析了激光立体成形过程中热-变形的演化规律。结果表明,模拟结果与实验结果相符。随着沉积层数增加高温区面积不断增加,且熔池前沿温度梯度明显大于熔池尾部。相比一次沉积过程,二次沉积过程中熔池温度明显较高,且升温速率更快。另外,初始沉积阶段的高温度梯度和冷却阶段的高冷速是诱导热应力和变形的主要因素。
航空、宇航工程
风力机翼型尾缘锯齿降噪风洞实验研究
焦予秦, 赵越, 王德超, 艾国远, 归佳寅
2020, 39(9): 1457-1462. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190289
摘要:
随着风能产业的发展,风力机降噪成为行业发展的必然,尾缘锯齿是降低叶片自噪声的有效手段。多年来,国内外许多学者通过数值模拟、风洞实验和整机测量等手段开展了风力机尾缘锯齿降噪研究。在西北工业大学NF-3风洞的二元试验段开展翼型尾缘锯齿降噪实验研究,提出了通过尾迹来甄选噪声测量传感器的方法,并采用A计权以及1/8倍频程的方法进行噪声频谱分析。结果表明,通过尾迹甄选出的传感器可作为噪声分析数据来源;在风力机翼型后缘安装尾缘锯齿来降低噪声是可行的,降噪的频率为翼型自噪声的中高频段;使用A计权、1/8倍频程的方法表示噪声频谱能很好地进行噪声源分析。
微纳卫星联动式连接分离装置设计与分析
韩妙玲, 王冬, 田昀, 潘雪婷
2020, 39(9): 1463-1470. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190285
摘要(213) HTML (114) PDF 3688KB(20)
摘要:
针对微纳卫星连接分离的需求,提出一种基于形状记忆合金管解锁的低冲击、轻质量、联动式连接分离装置,并对弹射-导向组件、增力-预紧组件和触发-解锁组件的设计方法进行研究,通过理论分析和仿真确定连接分离装置中圆柱弹簧、扭簧、切槽螺栓主要参数。建立触发-解锁尺寸与增力-预紧组件安装位置的函数关系,计算安装位置的的取值范围。建立安装点位置优化数学模型,采用基于Tensor Flow的深度学习框架,得到安装点位置与基频之间的关系,在此基础上对锁定点位置进行优化,得到最佳锁定点布局。通过样机试验对装置中圆柱弹簧的参数、扭簧的参数、弹射-导向组件的设计的正确性进行验证,此外对样机的解锁冲击和解锁时间进行测量。
四旋翼飞行器互补滤波姿态求解器的设计
张萍
2020, 39(9): 1471-1476. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190288
摘要:
精确的姿态角在四旋翼飞行器稳定飞行中起着非常重要的作用,为了实现小型低成本四旋翼飞行器高精度姿态数据的输出,搭建了STM32F103、MPU6050和气压计组成的姿态检测系统。并基于四元数微分方程,提出了一种PI改善型互补滤波姿态求解器的设计算法。该算法对陀螺仪测量数据进行了高通滤波、对加速度计和磁力计测量数据进行了低通滤波,提高了姿态解算精度。最后,通过实验平台将测量的PI改善型互补滤波算法与普通互补滤波算法四旋翼姿态角进行了比较分析,实验结果表明,PI改善型互补滤波算法求解器的姿态角动态误差较小,性能更稳定,能够满足小型低成本四旋翼飞行要求。