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2015年 第26卷 第9期    刊出日期：2015-05-10
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2015, 26(9):  0. 
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相关文章 | 计量指标
智能制造
基于混合特征的移动机器人图像匹配算法
陈卫东, 张兴家, 朱奇光, 陈颖
2015, 26(9):  1137-1141. 
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针对移动机器人定位过程中视觉图像处理速度慢以及特征点提取与匹配实时性、准确性差的问题，提出了基于颜色矩的改进SIFT分级图像匹配算法。首先改进SIFT算法，扩大极值点检测范围;采用Sobel算子计算特征点的梯度方向和幅值;以向量夹角为准则度量SIFT特征相似性，提高SIFT特征提取与匹配的速度和精度。图像匹配时先采用颜色矩对环境图像序列进行相似性排序，改进SIFT特征，再与排序后图像依次进行精确匹配，分级匹配提高了移动机器人的定位速度和精度。实验结果表明：与原SIFT相比，改进SIFT提高了特征向量的显著性，误匹配率降低约9.2%，特征点数量减少约20%;分级匹配提高了图像匹配速度和精度，SIFT特征计算量减小60%，总体耗时缩短40%。达到移动机器人定位实时性和鲁棒性的目的。
机械基础工程
内燃机活塞表面瞬态温度传感器的研制
崔云先, 赵家慧, 刘友, 丁万昱, 盛晓幸, 宫刻
2015, 26(9):  1142-1147. 
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针对内燃机活塞表面温度变化迅速的特点,研制了一种瞬态温度传感器用于测量活塞表面温度。采用直流脉冲磁控溅射的方法将NiCr薄膜直接溅射沉积在高温烧结后嵌有NiCr、NiSi丝的陶瓷元件端面,NiCr薄膜外侧溅射Si3N4保护膜。传感器外壁选用带螺纹的304不锈钢作为铠装套筒。采用自行研制的薄膜热电偶静动态标定系统对所研制的瞬态温度传感器进行标定,结果表明:所研制的传感器在50~400℃范围内具有良好的线性和热稳定性，其塞贝克系数在39~41μV/K之间,非线性误差小于0.34%,重复性好;热接点薄膜厚度为355nm时,传感器的响应时间为41.7μs,且响应时间随着薄膜厚度的增大而增加;该瞬态温度传感器可以满足曲轴转速为1800r/min的内燃机活塞表面瞬态温度测试的需求。
智能制造
基于移动最小二乘的数控龙门导轨磨床定位误差建模及补偿技术
杨昌祥, 王立坚, 何川, 范开国, 杨建国
2015, 26(9):  1147-1151. 
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为提高国产大型龙门导轨磨床精度，针对大型龙门导轨磨床的定位误差，应用移动最小二乘法建立误差模型。移动最小二乘法是形成无网格方法逼近函数的方法之一，生成的曲线曲面具有精度高、光滑性好等许多优点，其建模精度远高于普通最小二乘法（LS）。为实现大型导轨磨床的在机实时补偿，应用外部坐标偏移法对大型龙门导轨磨床定位误差进行补偿。补偿后，大型龙门导轨磨床精度提高89.3%，有效提高了该龙门导轨磨床的加工精度。
机械基础工程
阳极氧化层对活塞热负荷的影响研究
王毅, 杨靖, 张云飞, 刘凯敏, 邓帮林, 冯仁华
2015, 26(9):  1152-1157. 
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为了探究某发动机铝质活塞阳极氧化对其热负荷的影响,借助硬度塞温度测试法及数值分析手段,分别对该发动机原始活塞和阳极氧化活塞进行温度场和热应力计算分析。结果表明,在最大负荷工况下，阳极氧化活塞最高温度较原始活塞最高温度降低了7.1%,其最大热应力较原始活塞最大热应力减小了24.5%,其他区域温度和热应力均有不同程度的减小。阳极氧化工艺降低了活塞的热负荷,同时有利于增强活塞的可靠性,延长其使用寿命。
智能制造
主从式机器人系统中力反馈的实现
盛国栋, 曹其新, 潘铁文, 冷春涛, 顾凯
2015, 26(9):  1157-1160,1166. 
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设计了一套适用于医疗和装备维修的主从式机器人系统，并对其力反馈实现进行了研究。采用六维力传感器获得了从端的受力情况，并对获得的力信息进行了滤波、离线坐标系标定和重力补偿等处理，提高了力反馈信息的准确性和抗干扰能力。为进一步减小主从位置误差对系统的影响，在力反馈中实时附加一个与主从位置误差反向的作用力,并将其与传感器获得的力信息进行线性融合。实验结果表明，该方法可以提高系统的力反馈性能，满足主从式机器人系统对力反馈的要求。
机械基础工程
结合部对HSK主轴系统动态特性的影响
陈建, 田良, 商宏谟, 沈春根, 王贵成,
2015, 26(9):  1161-1166. 
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根据HSK主轴系统的工作原理，在ANSYS软件中建立了HSK主轴系统的动力学模型。其中，各结合部都简化为均布弹簧单元，各部件简化为多段梁，并使用Timoshenko梁理论和有限元理论系统分析结合部对HSK主轴系统动态特性的影响。模态实验和有限元分析结果对比证实了Timoshenko梁理论分析HSK主轴系统动力学模型动态特性的可行性和有效性。提出结合部对主轴系统各阶模态影响的研究思路，并利用ANSYS有限元软件中的谐响应分析模块，分别研究了轴承-主轴、主轴-刀柄和刀柄-刀具各结合部对HSK主轴-热装刀柄-刀具系统刀尖点频响函数的影响，提出了相应的抗振措施。
随动导丝及喷水机构大锥度高速电火花线切割研究
李凌铃, 刘志东, 岳伟栋
2015, 26(9):  1167-1172. 
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高速往复走丝电火花线切割机床大锥度（≥±5°）切割时，受到诸多因素的影响，尤其是电极丝采用导轮定位产生的结构误差的影响，加上切割时工作液不能很好地包裹住电极丝并随着电极丝沿倾斜方向进入加工区域，使其加工精度和表面粗糙度比直体切割时差很多，对于锥度零件的多次切割特别是大锥度零件的多次切割则显得更加困难，其根本原因是没有能够保持电极丝空间位置及稳定性的随动导丝器和喷水机构。为此，设计了一种随着电极丝倾斜能随动导丝并跟踪喷液的六连杆大锥度随动导丝及喷水机构。通过试验，在相同加工参数条件下，新型随动机构与现有机构相比，圆锥加工误差从80μm减小到40μm，表面粗糙度Ra从4.059μm减小至3.495μm，多次切割后加工精度可以达到25μm（锥度±20°，工件厚40mm），表面粗糙度Ra达到1.670μm。
大口径传输反射镜在装配紧固力下的面形误差分析
李桂华, 王辉, 熊召, 高亮, 曹庭分, 周海
2015, 26(9):  1173-1178. 
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400mm级通光口径的大型传输反射镜是我国在建的高功率固体激光装置中的关键部件，反射镜的面形精度对最终的激光打靶精度有直接影响。针对反射镜所采用的螺纹紧固型装配固定方式，通过结构有限元分析和波面拟合方法研究了理论螺纹紧固力和反射镜面形变化定量作用规律。考虑零部件的制造误差、材料以及人为操作等变化因素的影响，实际中各个螺钉的紧固力在一定范围内呈随机分布，基于蒙特卡罗模拟仿真方法研究了实际螺钉紧固力的不确定性对反射镜面面形精度的影响，得出了满足面形精度要求的临界紧固力大小，为现场反射镜装配工艺的校准和优化提供了理论借鉴。
基于砂轮径向振动主动控制的ELID内圆磨削
李秦峰, 任成祖, 张斌, 李德成, 陈晓峰
2015, 26(9):  1179-1183. 
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在线电解修整(ELID)磨削过程中砂轮表面会生成一层具有一定厚度的氧化膜,其刚度远小于工件及砂轮结合剂的刚度,可以有效衰减磨削过程中的振动。将ELID技术应用到无心内圆磨削中,通过调节电解参数来改变氧化膜的状态,进而对砂轮径向振动进行控制。通过试验研究了电解参数的改变对砂轮径向振动的影响规律,并基于此规律设计了控制器,对磨削过程中的砂轮径向振动进行了主动控制磨削试验。试验结果表明,该控制器可以将磨削过程中的砂轮径向振动控制在设定值附近，维持ELID磨削的稳定。在实际的ELID内圆磨削中,可以先将砂轮径向振动控制在较高值,以实现较大的材料去除率;一段时间后再将砂轮径向振动控制在较低值，以提高工件表面质量。
飞机空气导管泄漏特性的试验研究及数值模拟
王合旭, 蒋彦龙, 施红, 韩建军
2015, 26(9):  1183-1188. 
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在研究国内外现有空气导管泄漏探测系统的基础上,搭建了管道泄漏探测试验台,并结合FLUENT三维泄漏流场的数值模拟，研究了不同导流洞大小、绝热层厚度及泄漏位置情况对泄漏探测性能的影响。试验结果与FLUENT计算结果表明:绝热层导流洞孔径及绝热层厚度的增大均能一定程度地增强感温线捕捉泄漏信号的效果;泄漏位置也会影响探测性能。给出了小孔泄漏流量的计算方法。研究结论可为国内飞机空气导管的相关研究工作提供参考。
液压型风力发电机组恒转速输出补偿控制
艾超, 闫桂山, 孔祥东, 陈立娟
2015, 26(9):  1189-1193. 
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以液压型风力发电机组为研究对象，针对其液压调速系统恒转速输出问题，建立了定量泵-变量马达液压调速系统数学模型，得到了系统泄漏、系统压力瞬态调整和模型参数误差对机组恒转速输出的补偿控制数学模型。以数学模型为基础，给出了液压型风力发电机组恒转速输出补偿控制方法。以30kV·A液压型风力发电机组实验台为仿真和实验基础，对提出的控制方法展开研究。仿真和实验结果表明，液压型风力发电机组恒转速输出补偿控制方法具有较好的控制效果，可实现机组的恒转速输出的高精度控制。
风力机专用翼型综合优化设计方法
陈亚琼, 方跃法, 郭盛, 温如凤
2015, 26(9):  1194-1200. 
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为了得到拥有优良气动特性且低噪声水平的风力机专用翼型的轮廓线，提出了翼型多工况点多目标综合优化设计方法。该方法应用Bezier曲线对翼型的轮廓线进行参数化表达，并推导出由翼型离散数据点反求Bezier曲线控制点的一般方程。基于翼型噪声预测半经验模型，采用XFOIL计算翼型的气动性能，结合遗传优化算法得到优化翼型。以美国NREL风力机翼型S834为初始翼型，对多工况多目标权重分配方案进行综合设计。研究表明，相对于初始翼型，优化翼型在主攻角范围具有更好的气动性能和声学性能。
一种针对圆形设计容差的二元测量系统能力评价的新方法
吴小芳, 何桢, 施亮星
2015, 26(9):  1200-1204. 
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在一些测量过程中,测量仪器测得的数据是二维的,且设计容差为一个圆,当二元被测质量特性具有相关性时,无法直接利用常用的一元测量系统能力评价指数对圆形设计容差的二元测量系统进行分析和评价。提出了一种基于面积之比构造评价指数的方法,利用测量误差椭圆面积与设计容差圆面积之比和测量误差与测量值的椭圆面积之比建立测量系统能力评价指数,将常见的一元测量系统能力指数延伸到二元测量系统中,通过多元方差分析(MANOVA)估计评价指数来评价二元测量系统的能力。通过实例对该方法进行了验证。
超高压水射流中空化现象对轮胎破碎作用研究
宋守许, 查辉, 田光涛, 余德桥
2015, 26(9):  1205-1209,1214. 
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为了探讨超高压水射流破碎轮胎过程中,冲击波和微射流的作用机理,基于FLUENT软件环境,采用VOF模型求解Navier-Stokes方程,数值模拟了近壁面的空泡溃灭过程,结果表明,射流冲击物面时，空泡溃灭产生的压力脉冲远大于微射流产生的冲击压力。结合超高压水射流破碎轮胎试验，通过对胎面胶的切槽断面形貌进行观察,研究了微射流和冲击波对橡胶材料的破坏作用,认为橡胶材料在受到空化作用破坏时,表现出明显的冲击脆化现象,微射流在材料壁面冲击出边缘齐整的针孔状形貌，冲击波引发材料产生拉伸破坏。
壁面粗糙度效应对微流体流动特性的影响
谭德坤, 刘莹
2015, 26(9):  1210-1214. 
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壁面粗糙度对微流道流动特性有重要影响。分别用矩形、三角形和圆顶形粗糙元对壁面粗糙度进行模拟,详细讨论了雷诺数、粗糙元高度、粗糙元间距等因素对流速、压降及流动阻力的影响。结果表明:与光滑流道相比，粗糙度使壁面附近的流动发生明显改变，从而导致微流道内流速、压降及流阻高于经典理论预测值;微流道内流动阻力随着雷诺数及粗糙元高度的增大而增大，而随着粗糙元间距的增大,流动阻力逐渐减小。三种粗糙元相比，矩形粗糙元的影响最大,圆顶形次之,而三角形粗糙元的影响最小,可见在实际应用场合，确立合适的粗糙元形状对分析结果非常重要。
基于解耦型GMDH的车身材料参数反求
殷为洋, 王琥, 冯慧, 汤龙
2015, 26(9):  1215-1221. 
摘要 ( )   PDF (655KB) ( )  
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动态载荷作用时,具有应变率效应的材料在碰撞仿真中会展现出不同于静态载荷时的性能,准确的材料参数是获得可靠仿真结果的前提。主流的近似模型优化方法忽略了对变量间耦合关系的判定,造成近似模型中存在不必要的耦合项,增大误差项所占比重,降低模型的效率和泛化能力。为此,提出了解耦型数据分组处理方法(GMDH),在建模初期判断变量之间的耦合关系,进而确定模型的耦合项。在高维非线性函数测试中,该方法表现出优良的建模性能;将该方法与台车试验结合,反求出两种材料构成的拼焊板参数,与试验结果的对比表明,该反求方法具有较高的精度。
基于虚拟故障注入的液压系统性能仿真与优化
郭姣姣, 刘伟, 余知朴, 翟玮昊
2015, 26(9):  1221-1226. 
摘要 ( )   PDF (714KB) ( )  
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针对液压系统故障表象多样造成底层故障溯源困难的问题，以液压缸内外泄漏为故障事例，研究了底层虚拟故障信息的构造方法，将虚拟故障信息注入到活塞杆线性定位系统一体化仿真模型中，获得了虚拟故障对系统响应特征的影响及其差异。采用正交试验设计方法（DOE）对系统多个参数进行灵敏度分析，获得了影响系统性能的关键参数。进一步构造了基于时间乘绝对误差积分准则（ITAE）的最优算法器，对系统关键参数进行优化。研究表明，优化后的系统响应对内外泄漏故障敏感性降低。研究方法为复杂液压系统的故障源辨识和抗故障设计提供了参考。
先进材料加工工程
集成机理与数据的复杂模锻过程在线建模方法
吕文兵, 陆新江, 黄明辉, 雷杰, 邹玮
2015, 26(9):  1227-1232. 
摘要 ( )   PDF (577KB) ( )  
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大型航空锻件高精度成形成性依赖于精确的锻造过程模型，然而不规则的锻件形状、复杂的微观流变过程、强非线性与时变的负载力使得高精度的锻造过程模型难以获得。为此，在结合解析建模和数据建模优点的基础上，提出了集成机理与数据的复杂模锻过程在线建模方法。应用物理与过程知识推导了锻造过程的解析模型，在此基础上提出使用在线极限学习机方法构建由于泄漏、不确定性、干扰等引起的偏差模型，实现了锻造过程模型的实时进化，从而满足强非线性与时变性的锻造过程要求。实验结果表明，新方法能有效地建立复杂锻造过程模型，且比现有的方法有更好的建模精度。
工艺参数对21-6-9高强不锈钢管数控弯曲壁厚减薄影响的显著性分析
方军, 鲁世强, 王克鲁, 姚正军
2015, 26(9):  1233-1238,1277. 
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为实现21-6-9高强不锈钢管数控弯曲精确成形，提高其成形质量与成形极限，需要对弯曲过程中壁厚减薄进行有效控制。基于ABAQUS/Explicit有限元软件平台，建立了21-6-9高强不锈钢管数控弯曲三维弹塑性有限元模型，并对其可靠性进行了验证。通过有限元模拟和正交试验，研究了工艺参数对21-6-9高强不锈钢管数控弯曲壁厚减薄影响的显著性及规律。结果表明，影响壁厚减薄的显著性工艺参数依次为芯棒伸出量、管材与芯棒间隙、管材与防皱块摩擦因数、管材与芯棒摩擦因数、管材与压块摩擦因数和弯曲速度，其影响规律为：壁厚减薄率随着芯棒伸出量、管材与防皱块摩擦因数、管材与芯棒摩擦因数、管材与压块摩擦因数、弯曲速度的增大或管材与芯棒间隙的减小而增大。采用多元线性回归方法建立了最大壁厚减薄率与显著性工艺参数之间的回归预测模型，经对比验证，回归预测模型结果与正交试验结果之间的相对误差不超过5%。
基于改进多目标粒子群算法的冷连轧规程优化设计
魏立新, 王利平, 马明明, 车海军, 杨景明
2015, 26(9):  1239-1242,1259. 
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合理的轧制规程能够提高轧机的产量和产品的质量，带来显著的经济效益。采用多目标粒子群算法，选择等相对负荷和预防打滑为目标进行冷连轧规程优化。针对算法存在的收敛性和分布性难以均衡的问题，引入一种基于平行坐标系的密度和收敛潜能计算方法;同时，为克服算法易于陷入局部最优的缺陷，提出一种带个体扰动的全局最优领导粒子选择策略。仿真结果表明，该方法能快速跳出局部极值，获得具有更好收敛性和分布性的近似Pareto前沿。最后应用该方法对某五机架冷连轧机进行了轧制规程优化。
 
机械基础工程
基于控制分配的主动前轮独立转向车辆转角分配算法
袁希文, 文桂林, 周兵
2015, 26(9):  1243-1250. 
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针对新近提出的主动前轮独立转向(AIFS)系统基于规则的转角分配方法自适应性差、无法实现最优分配的问题，提出了一种基于控制分配的转角分配算法。指出了传统主动前轮转向(AFS)存在的问题，阐述了主动前轮独立转向系统的结构和工作原理;在MATLAB/Simulink中建立了整车四自由度数学模型，设计了AIFS滑模控制器和转角分配模块;通过阶跃转向工况对所提出的转角分配算法进行了仿真验证。结果表明：该分配算法可以使AIFS自适应内外轮载荷转移变化，自动调整内外轮转角大小，较AFS可以更好地跟踪理想横摆角速度和理想运动轨迹，实现了“能力越大的轮胎贡献越大”的控制目标，提高了车辆极限转弯时的侧向稳定性。
 
四轮转向车辆的操纵稳定性分析
刘刚, 陈思忠, 郑凯锋, 王文竹
2015, 26(9):  1250-1254. 
摘要 ( )   PDF (530KB) ( )  
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针对四轮转向(4WS)车辆的操纵稳定性问题，以线性二自由度车辆模型为基础，从时域和频域两个角度分析了如何通过控制后轮转角相位与角度来提高4WS车辆的低速机动性和高速稳定性。用0.4g的侧向加速度来界定四轮转向系统的有效工作区域，推导出后轮转角的合理范围。对比分析了两种典型控制算法的稳态特性和瞬态特性，稳态特性不依控制算法的改变而改变，控制算法二则明显提高了4WS车辆的瞬态响应品质。研究结果为4WS系统的开发提供了理论依据。
轮式车辆垂直障碍通过性研究
黄朝胜
2015, 26(9):  1255-1259. 
摘要 ( )   PDF (565KB) ( )  
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为了预测轮式车辆垂直障碍通过能力并获取通过障碍过程中传动系的准确载荷,建立了用于越障过程分析的统一模型,模型统一描述了任意轴数车辆的任意轴的越障过程，综合考虑了越障过程中越障轮与非越障轮附着系数差异及悬架限位、车轮离地等影响因素。讨论了障碍通过能力判定指标，验证了传动系载荷计算的准确性，分析了悬架限位行程对传动系载荷的影响。
学科发展
超声波辅助选择性电沉积技术研究进展
兰龙, 谭俊, 杜军, 王猛
2015, 26(9):  1260-1270. 
摘要 ( )   PDF (974KB) ( )  
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选择性电沉积技术可用于机械零件局部表面功能性涂层的制备，还可用于局部损失部位的尺寸恢复，该技术具有沉积电流密度大、沉积速度快的特点，但同时存在沉积层残余应力大、易产生裂纹、质量不均匀等不足。将超声波引入选择性电沉积可减小沉积层的内应力，提高沉积层的硬度和耐腐蚀性能，实现机械零件局部高性能涂层的制备及小型精密件的快速成形。介绍了浸没式超声辅助选择性电沉积、超声辅助喷射电沉积以及工件振动式超声辅助喷射电沉积等超声波在选择性电沉积技术中的应用方式，重点介绍了超声波对镀层表面形貌、相结构、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等的影响，探讨了超声空化、热效应和机械效应等超声波影响选择性电沉积的机理，并指出了超声波辅助选择性电沉积技术存在的问题及发展方向。
陶瓷零件增量成形技术的研究进展
张海鸥, 应炜晟, 符友恒, 王桂兰
2015, 26(9):  1271-1277. 
摘要 ( )   PDF (510KB) ( )  
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陶瓷材料因其优越性能而一直受到广泛关注，但传统的陶瓷零件制造技术工艺复杂、难度大、周期长、成本较高，从而限制了陶瓷材料的应用范围，而3D打印增量成形技术为克服传统技术的不足提供了一种新的途径。介绍了现有陶瓷零件增量成形技术，并从所能达到的密度、强度、收缩率水平几个方面分析了各项技术的优缺点，重点介绍分析了成形与烧结一体化的高致密陶瓷零件的高效增量成形新技术，并指出该一体化成形技术将是陶瓷零件增量制造技术未来的重点研究方向。
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2015, 26(9):  1278. 
摘要 ( )   PDF (79KB) ( )  
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