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2022年  41卷  第4期

机械动力学
一种仿象鼻气动连续体机器人的结构设计
张启航, 邵敏, 任树雄, 贺晶奎, 王晶
2022, 41(4): 493-499. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200551
摘要(327) HTML (213) PDF 4664KB(54)
摘要:
提出了气压驱动的仿象鼻连续体机器人结构设计的思路与方法,在对比分析象鼻与连续体机构的运动性能后,本仿象鼻气动机器人整体结构设计成多个构节串联的形式;通过分析机器人工作空间、灵巧度和可操作度等性能指标,确定机器人采用3构节串联形式;利用Adams仿真分析结果,对各构节最优的间隔盘数目、径向尺寸等设计参数进行了优选。结果表明,设计的机器人可以实现灵活的运动和目标物抓取功能,达到了设计目标。研究揭示了构节数目等设计参数对连续体机器人工作空间和运动学测度的影响。
中低速磁浮车辆-道岔主动梁刚柔耦合振动分析
唐语, 刘放, 邹逸鹏, 庞振华
2022, 41(4): 500-504. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200377
摘要:
针对中低速磁浮道岔,建立磁浮车辆-道岔梁耦合振动分析的数学模型,以分析磁浮列车通过道岔主动梁时的梁振动为研究目标。采用有限元软件对主动梁进行静力学分析,然后逆求主动梁的等效刚度曲线,并运用拉格朗日动力学方程建立磁浮车辆-道岔梁刚体动力学模型。基于动力学仿真软件,对磁浮车辆-道岔梁进行刚体动力学仿真,得到列车通过道岔时道岔梁中点垂向位移曲线图。然后采用ABAQUS和SIMPACK联合仿真,对主动梁进行刚柔耦合动力学仿真。分析结果表明:梁的刚度和重量对梁变形影响很大,对柔性主动梁动力学分析得出的垂向位移量大于刚体主动梁的位移量,柔性主动梁更与实际情况接近。
SUV双横臂悬架性能分析及优化设计
钱飚, 金智林
2022, 41(4): 505-510. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200376
摘要:
以某SUV双横臂悬架为研究对象,在Adams car中建立该悬架系统动力学模型,进行仿真试验,根据仿真结果分析各项定位参数随轮跳的变化规律。针对悬架存在的问题,即外倾角、前束角定位参数的变化不满足设计的要求,选择相关硬点,使用Adams/Insight模块对该硬点位置进行多目标优化设计。采用基于响应面模型的D-optimal算法对所选参数进行优化。优化前后对比表明,调整部分硬点坐标后的双横臂悬架有着更优秀的性能,改善了整车的直线行驶稳定性和不足转向特性。优化后的悬架运动学性能满足要求,此次优化设计结果有效。
纵-扭耦合下钻柱粘滑振动特性研究
田家林, 刘亚迪, 熊洁
2022, 41(4): 511-516. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200464
摘要:
石油钻井作业中通常伴随着剧烈的钻柱振动,导致钻井作业变得困难而低效。粘滑振动被认为是引发钻柱失效,引起钻井效率低下的主要原因之一。通过建立钻柱纵-扭耦合振动数学模型,推导相关动力学方程,分析岩石与钻头相互作用的4种形式,基于龙格库塔法以及自适应步长法对所建立的模型进行求解,结合算例分析,得到不同参数下钻头角速度和相对角位移变化。结果表明:高转速、低钻压的钻井条件下,纵-扭耦合作用的钻柱系统粘滑振动现象减弱。
一种PSO-NLM权值曲线包络分析的单向阀故障诊断方法
李锶宇, 黄国勇, 潘震, 钱恩丽, 何冬
2022, 41(4): 517-522. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200403
摘要:
针对单向阀受大量背景噪声干扰致使其故障特征难以提取的问题,提出一种粒子群算法(Particle swarm optimization, PSO)寻找非局部均值(Non-local mean, NLM)最优参数,对最优参数NLM权值曲线作包络分析的单向阀故障诊断方法。首先,运用粒子群优化算法以NLM滤波后信号的包络熵最小作为目标函数选取参数;其次,对于NLM算法取平均值的特性在滤波处理时会将部分冲击特征均值化,直接利用最优参数NLM加权运算得到的信号样本点权值分布曲线作为处理信号,从权重角度使故障冲击得到增强;最后,对权值分布曲线进行希尔伯特包络分析进而得到诊断结果。工程数据验证表明,提出的方法能更精准的提取到单向阀故障特征频率。
一种运动链拓扑对称性识别方法
吴昌军, 邓涛, 许辉, 张露
2022, 41(4): 523-529. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200384
摘要:
运动链拓扑对称性需要识别以减少机械装置新构型的备选方案,提高机械结构设计的效率。本文基于连杆邻接矩阵提出了一种新的运动链拓扑对称性识别方法。首先以连杆邻接矩阵为已知量导出汉明矩阵,计算汉明矩阵的平方阵与连杆邻接矩阵的立方阵,其次将上述平方阵与立方阵求积得积矩阵且将此积矩阵各行中的元素按降序排列得积矩阵行序列,最后将序列中各元素与拓扑因子相乘并求和得出运动链的拓扑对称性识别码(Topological symmetry recognition code,TSRC)。若同一拓扑图中两顶点的对称性识别码相同,则它们是对称的,否则是非对称的。通过单铰、复铰运动链和行星轮系的实例证明此方法的有效性,结果表明:此方法简单、高效且便于计算机编程。
工业机器人关节振动的鲁棒扰动观测器双环补偿控制
罗宝佳, 吴震宇, 詹明儒
2022, 41(4): 530-536. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200406
摘要:
针对工业机器人工作过程中执行机构振动现象,利用现代控制理论对其进行抑振。在对机器人负载侧转速波动机理分析的基础上,建立了RV减速机动态角传动误差和啮合摩擦激励的数学模型;以考虑动态角传动误差和摩擦因素影响的伺服电机-RV减速机-负载所构成的机电耦合系统为控制对象,采用内环鲁棒控制+外环扰动观测器的双环控制策略抑制负载侧的转速波动。结果表明:该方法相比PI控制,不仅使机器人在启动阶段能够快速平稳地对指令做出响应,并且克服了时变刚度所引起的控制系统不确定性,使得稳态工作阶段的转速波动得到了明显削弱,降幅近50%。
冗余驱动对3-PUS/S并联机构的性能改善
史康, 谢任远, 余维, 李德婷
2022, 41(4): 537-544. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200364
摘要:
研究了一种3-PUS/S并联机构,在3-PUS/S并联机构中添加一条冗余驱动支链形成4-PUS/S并联机构。主要运用对比分析方法,探究相同条件下引入冗余驱动支链对原机构性能的影响。具体研究内容有:采用空间矢量三角形法建立了两并联机构的位姿方程,得到了运动学反解模型;绘制两种并联机构在相同条件下的工作空间并进行对比分析;运用螺旋理论,得到了两种并联机构的约束雅克比矩阵、驱动雅克比矩阵,并进一步构建了完全雅克比矩阵;研究两种并联机构的静刚度,绘制了两种并联机构刚度矩阵最大特征值分布图谱并进行对比分析;采用朗格朗日方程建立了两种并联机构的动力学模型,在给定机构设计参数和动平台轨迹规划函数后,绘制了两种并联机构驱动力输出曲线并进行对比。最后得到了引入冗余驱动支链对原机构动平台的工作空间范围有略微减小、改善了刚度特性分布情况、提高了刚度、工作精度、改善了驱动性能的结论。
新型双模式缠绕绳驱动器的设计与应用
江励, 唐黎明, 田一鸣, 汤健华, 熊达明
2022, 41(4): 545-551. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200393
摘要:
为了满足仿人机械手的拟人性要求,作为其动力源的驱动器应该具有体积小、质量轻、输出速度快以及输出力大的特点。在缠绕绳驱动器的基础上针对现有双速度小型变速机构提出了一种全新的设计方案,并据此制造出了一款双模式缠绕绳驱动器的样机。在该驱动器的基础上一款仿人机械手指的样机被制造了出来。对其性能的验证结果表明,所设计驱动器的最大输出力比现有双模式缠绕绳驱动机构大87.8 N,最大输出速度是现有驱动机构的8倍;所设计的机械手指最大指尖力为16.0 N,最大弯曲速度为1552 °/s。
势能代价PRM算法的机械臂避障路径规划研究
张许有, 刘有余
2022, 41(4): 552-558. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200400
摘要:
为了提高概率地图算法(Probabilistic roadmap method,PRM)规划结果的质量,提出势能代价PRM算法,将其应用于机械臂避障路径规划。建立规划空间任意节点的势能评价标准;定义困难区域节点,研究基于Metropolis准则的障碍空间节点调整策略;建立机械臂连杆的势能函数;给出机械臂任意位姿间的安全路径检查方法。仿真测试表明:性能方面,提出算法的规划质量和规划时间均优于PRM、OBPRM、高斯采样PRM算法;机械臂避障路径规划方面,提出算法的规划质量显著优于PRM算法,在规划质量和时间消耗上优于OBPRM和高斯采样PRM算法,且能使机械臂规避所有障碍并到达目标位姿。
多切断点分离-重构技术推导非球型手腕6R机器人逆解公式
肖帆, 曾克俭
2022, 41(4): 559-565. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200380
摘要:
本文提出一种利用多切断点分解—重构技术求解非球型手腕机器人逆解新方法,简化了该类机器人逆运动学公式的推导过程。首先利用指数积公式的变形,说明了n自由度机器人的可分解性,以及重构连接的通用几何约束;然后以一款手腕前端偏置型机器人为例,给出了针对常见非球型手腕机器人的分解方法及重新连接的几何约束条件。以满足约束条件为目的,得到了只含θ6的非线性封闭方程,以及其它关节角关于θ6的求解公式,推导过程具有更直观的物理几何意义。最后使用二分法求解,算法约2 ms可得到目标位姿所有解,计算位姿误差在10−12 mm以内。
精密制造与加工
金属管材变角度单点渐进翻边成形方法研究
邱旭, 高新勤, 侯晓莉, 杨明顺, 王占军
2022, 41(4): 566-572. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200399
摘要:
在单点渐进管材翻边成形过程中,由于径向成形力大,容易引起管材起皱、破裂等缺陷,降低了成形质量和精度。现提出一种以球头金属棒代替旋压轮,以变角度形式进行薄壁金属管管端翻边成形的工艺方法,通过改变工具头与成形件之间的瞬时接触状态和材料的变形机理,降低成形力,提高成形质量。为验证该成形工艺的可行性,进行了金属管端单点渐进变角度翻边成形试验。结果表明:利用球头金属棒对管材进行变角度翻边,能够有效减小初始径向成形力,成形件的表面质量较好,表面波动幅度较小。
含隧道缺陷铝合金FSW搭接接头疲劳寿命预测
杨庆鹤, 王瑞杰, 赵红阳, 武陇岗, 覃秋雷
2022, 41(4): 573-579. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200413
摘要:
本文对含隧道缺陷的铝合金搅拌摩擦焊(FSW)搭接试件进行恒幅疲劳测试,并对接头断裂位置进行了观测,分析隧道缺陷对于铝合金FSW搭接接头疲劳强度的影响。分别采用缺口应力法和线弹性断裂力学法建立了相应有限元模型,分析了模型应力集中区域的应力变化,利用有限元应力分析结果数据预测接头疲劳寿命。结果表明,两种方法都可以用来预测含隧道缺陷铝合金FSW焊件的疲劳寿命,缺口应力法预测结果与实验结果较为接近,线弹性断裂力学法预测结果较为保守。实验结果及有限元分析结果表明,在本试验中隧道缺陷对疲劳强度影响较小,钩状缺陷对疲劳强度影响较大。
船用螺旋桨铣削参数优化和刀轴矢量控制方法研究
张明德, 沈智军, 谢乐
2022, 41(4): 580-586. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200401
摘要:
为提高螺旋桨桨叶全型面五轴铣削加工零件表面质量,通过目标矢量动态调整和优化工艺参数相结合的方式来实现。首先,通过定义特定的工装以及刀具,形成特定的加工纹路,且对螺旋桨的复杂区域进行可行域划分,得到桨毂等复杂区域的加工可行域。其次,建立干涉调整坐标系,对桨叶加工以及桨毂加工进行干涉调整,并得到各个轴的偏移补偿。然后,在此基础上建立了桨叶型面加工的铣削力学模型,并通过AdvantEdge FEM软件进行铣削力的仿真计算,得到最优铣削的加工参数。最后,进行螺旋桨桨叶型面的五轴铣削加工试验,对其结果进行检验与分析,并验证了该种加工方式的合理性。
陶瓷3D打印微流挤出喷头的结构参数优化
王中良, 段国林
2022, 41(4): 587-593. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200395
摘要:
为了降低陶瓷3D打印机在打印过程中产生的挤出压力,在幂律模型的基础上推导出陶瓷浆料在挤出过程中产生的总压力与材料流变特性、挤出装置结构参数和挤出速度关系的数学模型。其中挤出喷头的结构参数是影响挤出压力的关键因素,在其它工艺参数相同的条件下,通过对数学模型进行计算可以确定实现最小压力的挤出喷头的结构参数组合。由试验验证可知,使用优化后的挤出喷头能有效地降低打印过程中产生的压力,并且能改善陶瓷零件的成形效果。
仪器、仪表科学与技术
快速监督学习在显示器配件分类及识别中的应用
吴海波, 崔禹, 王森, 王晨, 潘云龙
2022, 41(4): 594-601. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200402
摘要:
针对常见显示器配件难以快速实时分类识别的问题,以显示器配件图像分类识别为核心,构建一种基于监督学习的显示器配件快速视觉识别系统。通过对生产线上实时采集的显示器配件图像进行低通中值滤波消除图像中的噪声、孤立亮点或暗点,使用高斯算子滤波削弱图像像素灰度变化,使图像表面均匀平滑;使用样本集对监督学习分类器进行6次训练;利用监督学习分类器对显示器配件进行分类识别。基于4种分类识别方法的实验对比结果表明:本文方法采用图像的预处理弥补了监督学习分类器因噪声影响而导致分类识别精度下降的不足,在实时性和鲁棒性方面明显优于其他3种分类识别方法,完成分类识别仅需12.9 ms,每一种配件的识别准确率达到96%以上,分类准确率达到100%,该算法满足显示器配件分类识别的工程应用及实时分拣需求。
轻量化卷积神经网络下的钢梁表面缺陷实时检测
宋小红, 王森
2022, 41(4): 602-609. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200481
摘要:
针对钢梁在工程项目中应用广泛,其表面缺陷若未能及时发现将很可能带来安全隐患。本文利用一种具有跨阶段分层结构的轻量化卷积神经网络实现了钢梁表面缺陷的快速实时检测。首先使用跨阶段局部网络搭建用于特征提取的骨干网络,不仅能丰富了梯度更新路径,而且有助于浅层表面缺陷特征的提取。其次,将跨阶段分层模块作为特征提取器嵌入到跨阶段分层结构的其中一个分支中得到轻量化的特征提取模块,极大的提高了检测速度。最后,将多尺度特征融合与YOLO层相结合完成目标检测任务。实验表明,具有跨阶段分层结构的轻量化卷积神经网络最高mAP为93.59%,帧率为30.3 s−1。在检测性能差距不大的前提下,其检测速度较YOLOv3提高了4倍,与YOLOv4相比提高了4.5倍。
均匀分布Logistic混沌序列的RRT*路径规划算法研究
马小陆, 袁书生, 王兵, 吴紫恒
2022, 41(4): 610-618. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200411
摘要(255) HTML (105) PDF 8928KB(14)
摘要:
针对RRT*算法存在收敛速度慢的问题,提出了一种均匀Logistic混沌序列采样的RRT*路径规划算法。该方法使用均匀分布Logistic混沌序列方法代替RRT*算法中随机数方法,保证了采样点的随机性和遍历性,提高了通过障碍物区域的概率,加速了随机树重布线的效率。最后通过仿真和实验证明,均匀分布Logistic混沌序列采样的RRT*算法比传统的RRT*算法的采样点少、路径规划时间短和稳定性好。
运载工程
摩托车实际道路载荷谱采集及车架疲劳仿真分析
闫豆豆, 徐刚, 李先文, 涂奎, 孙于胤
2022, 41(4): 619-625. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200387
摘要(183) HTML (105) PDF 5136KB(21)
摘要:
摩托车车架的疲劳性能决定着摩托车整车所能达到的最大服务寿命,影响着摩托车行驶安全性。为此,较为完整的摩托车虚拟耐久性分析过程被引入。本文在完成实际道路载荷谱采集工作的基础上,利用搭建的摩托车多体动力学模型,将等效后的道路载荷谱通过虚拟迭代再现;对摩托车车架应用准静态叠加法进行了疲劳仿真分析。结果表明:摩托车多体动力学模型精度较高,车架疲劳薄弱位置预测合理,摩托车虚拟耐久性分析过程基本满足工程应用需求。
多无人船编队控制及其位置估计算法研究
邓志良, 王振凎, 沈薇, 刘云平
2022, 41(4): 626-633. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200379
摘要:
针对因定位精度导致多无人船编队队形不稳定的问题,提出一种结合扩展卡尔曼滤波的领航-跟随编队控制策略,以提高定位精度形成稳定的编队队形。建立无人船系统数学模型,分析基于领航-跟随法的多无人船编队的数学模型;根据领航-跟随法设计编队控制律,并结合李雅普诺夫函数证明系统稳定性,针对编队中所需的位置信息,利用扩展卡尔曼滤波(EKF)融合GPS与IMU两部分数据,提高定位精度;进行多无人船编队以及队形变换等仿真实验,并对引入EKF后的实验数据进行分析。结果表明,编队控制器及位置估计算法可有效控制跟随无人船形成稳定的编队队形,且变换队形后,可迅速且稳定地完成队形重构。
材料科学
正交试验法优化铜铝超声波焊接工艺研究
熊志林, 张义福, 陈朵云, 张云
2022, 41(4): 634-638. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200523
摘要:
为提高铜(Cu)和铝(Al)异种材料超声波焊接接头性能,采用正交试验法对0.3 mm厚的Cu/Al箔片进行超声波焊接试验设计,采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等方法对最优参数下获得接头的界面组织成分和断口形貌进行研究,并进行拉伸力测试,探讨了界面连接机理及断口机制。结果表明:最优焊接参数组合为焊接时间(T)900 ms、焊接功率(P)600 W、焊接压力(F)0.5 MPa、振幅(L)45 μm,在该参数下的接头拉伸力达到527.49 N,铜铝界面结合紧密并发生互扩散,生成了约4.5 μm厚的金属间化合物层(IMCs),接头界面连接强度主要是由界面原子扩散和机械互锁决定,接头断裂形式为韧-脆混合断裂模式。
航空、宇航工程
采用广义回归神经网络的螺栓松动压电阻抗监测
张子涵, 杜飞, 张璐, 徐超
2022, 41(4): 639-645. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200386
摘要:
压电阻抗法是一种有效的定量化检测局部螺栓预紧力变化的有效方法。然而,实际工程结构使用环境复杂,环境温度的变化同样会引起压电片测量到的阻抗信息的变化。准确的监测螺栓预紧力必须对温度影响进行补偿。机器学习方法近年来受到广泛关注,为此本文提出采用广义回归神经网络对阻抗信息进行温度补偿,进而实现了不同温度下螺栓预紧力的定量化监测。该方法利用少量不同环境温度下的健康状态阻抗实部信息,训练广义回归神经网络,则该网络可以输出任意环境温度下的阻抗实部的预测信息,将该预测数据作为该温度下的基准数据,与实测数据对比计算损伤特征参量,即可实现螺栓预紧力定量化监测的目的。试验研究验证了基于广义回归神经网络方法的有效性,并与常用的阻抗曲线有效频率移动方法进行了对比,表明了该方法的准确性。
改进型自抗扰解耦的PMSM调速控制方法研究
付文强, 赵东标, 张瑶
2022, 41(4): 646-650. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200383
摘要:
为了解决永磁同步电机耦合性问题及提高其高速运行时抗扰动的能力,提出一种改进型自抗扰解耦的控制方法。系统内环引入虚拟控制量实现电流环的自抗扰解耦控制。为了提高扰动观测器的观测精度,对电流环的扰动观测器进行改进,将总扰动分为两部分,观测器只用来估计未知部分扰动。速度环采用自抗扰控制器,可以对负载变化进行扰动补偿,提高系统抗扰动能力。仿真结果表明:与传统的PI前馈解耦控制相比,该方法能够改善电流解耦性能,提高系统的调速精度及抗干扰能力。
偏置式空间RSSR急回仿生扑翼机构优化设计与分析
张瑞坤, 何畏, 王习术, 郑家伟, 孙磊
2022, 41(4): 651-656. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200394
摘要:
本文基于偏置式空间RSSR四杆机构,设计了一种具有急回特性的扑翼机构,通过运动分析建立了空间RSSR四杆机构的运动学模型。以关节轴承处构件运动角和机构的压力角作为优化模型的非线性约束条件,摇杆摆角和行程比系数为目标函数建立了扑翼机构的优化设计模型。利用遗传算法对机构进行了优化计算,得到了利与飞行的相对杆长参数。基于优化得到的相对杆长参数以及鸟类飞行参数,选取曲柄长度为10 mm设计了一款仿生扑翼机构。结果表明:所设计的扑翼机构最小传动角 \begin{document}$ {\gamma _{\min }} = 40.01^\circ $\end{document} ,节轴承处构件运动角最大为 \begin{document}$ 60.00^\circ $\end{document} ,扑动上极限夹角 \begin{document}$ {\varphi _{\max }} = {\text{21}}{\text{.92}}^\circ $\end{document} ,下极限夹角 \begin{document}$ {\varphi _{\min }} = - 18.11^\circ $\end{document} ,行程速比系数 \begin{document}$ K = 1.5 $\end{document} ,与选取仿生鸟类飞行运动参数一致。