中国机械工程

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2016, 27(19): 0.

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正弦变载荷工况下液压泵振动信号的形态学滤波方法

刘思远, 杨梦雪, 王闯, 张文文

2016, 27(19): 2557-2563.

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液压泵的振动信号在受到大幅度变载荷作用时将引起振动特征的变化，特别是在正弦载荷变化的作用下，将会产生幅值调制现象。采用传统的单一尺度结构元素的形态学方法对该类信号进行滤波的效果不一定理想。因此，针对正弦载荷液压泵振动信号的特点，在单尺度形态滤波分析方法的基础上，提出了兼顾形态学结构元素长度和高度尺度的多尺度形态学滤波方法。首先，以冲击特征比值和二阶原点矩作为评价指标，提出综合考虑结构元素长度和高度尺度的寻优方法，确定最优长度和高度尺度算子组合。然后，用最优尺度组合对正弦载荷模拟仿真信号和变载荷液压泵故障振动信号进行滤波处理，分析结果证实其滤波效果优于单尺度滤波方法滤波效果。

过盈配合单向分形界面微观接触面积研究

沈健, 易利祥, 周丹, 刘光复, 杜晓东

2016, 27(19): 2564-2569.

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通过对模拟压缩机叶轮和轴过盈配合的试件表面轮廓进行分析，发现切削加工的粗糙配合表面具有单向粗糙度特征，同时垂直加工纹理方向的表面轮廓具有明显分形特性。基于M-B分形接触的修正模型，建立了具有单向粗糙度分形特征表面的理论接触模型，推导出接触面积与法向载荷的函数关系式。结合真实粗糙表面，建立了具有分形特性的单向粗糙度实体模型，利用有限元分析软件对实体模型进行了仿真分析，验证了接触面积与法向载荷函数关系的正确性。

面齿轮磨削加工工艺参数的优化

明兴祖, 罗旦, 刘金华, 严宏志

2016, 27(19): 2569-2574.

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基于磨削面齿轮工艺参数的分析，在满足产品质量要求和磨削加工条件等设计约束的前提下，建立了以磨齿效率和表面质量为目标函数的多目标优化数学模型。将内点罚函数法与遗传算法相结合用于该数学模型的优化计算，获得了三组最优的磨削用量方案且三组方案均能使磨齿效率和表面质量得到较大提高。根据优化后的结果设计并完成了工艺实验，实验结果也验证了该方法的正确性、有效性和实用性。

轻型机械臂的轻量化结构设计优化方法

杨世强, 王蓓蓓,

2016, 27(19): 2575-2580,2588.

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在轮式移动机器人基础上，开发移动机械臂，设计了一种轻型五自由度机械臂，建立了三维实体模型，以减轻机械臂自身质量为目标，对关键构件进行了减重孔方案设计和结构优化，利用有限元方法计算得到了在不同载荷下不同方案的应力应变规律、模态与振型，对比分析了不同减重方案的优劣性，给出了最优减重方案，为机械臂结构设计提供了理论依据。

基于磨料水射流的螺杆转子加工新方法研究

何雪明, 陈泽华, 武美萍, 张荣

2016, 27(19): 2581-2588.

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螺杆转子传统加工过程中存在刀具磨损和过高切削热量等难题。为此，将具有无刀具磨损、切削热量低、绿色环保特点的磨料水射流加工方法引入螺杆转子加工研究之中，提出了磨料水射流多轴联动加工螺杆转子的新方法，以提高转子加工精度和效率。采用任意拉格朗日与欧拉方法构建了转子加工模拟模型，将模拟分析结果与实验数据进行比较，验证了模拟模型的正确性。最后，通过磨料对水射流多轴联动加工模拟结果的分析，证明了螺杆转子加工新方法的合理性。

电化学机械精准光整加工技术研究

庞桂兵, 徐文骥, 周锦进

2016, 27(19): 2589-2593,2601.

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介绍了该研究组近年来在电化学机械精准光整加工技术研究方面的工作进展情况，包括：光整过程中同时完成形状成形的光整与成形复合加工技术；同时改善零件精密度和表面形貌的跨尺度精确成形加工技术；保证精密度条件下改善表面形貌的自由曲面零件手持式工具光整加工技术。研究工作表明：通过合理优化电化学机械加工工艺系统结构和参数，对于齿轮、轴承等规则表面零件，可以实现同时改善零件精度和表面几何形貌；对于非规则表面零件，可以在保证零件精密度条件下改善零件表面几何形貌。

主动光立体标靶检测及其在工业机器人位姿测量中的应用

张旭, 郑泽龙

2016, 27(19): 2594-2601.

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基于工业机器人位姿视觉测量方法提出了用主动光立体标靶进行机器人末端位姿测量的方法。以主动红外光代替反光标志点，以主动光图案特征代替亮度特征作为表达位置信息的形式，设计了六面体主动光标靶。通过合理设置特征面图案，使立体标靶特征面提供蕴含空间几何约束的信息，并在此基础上设计了特征面识别算法。在室内环境、室外环境、混合光环境等实验条件下，该算法可实现对主动标靶健壮的识别和定位。在高精度四轴移动平台上的测量误差评价实验表明：运用该标靶的立体视觉系统在0.5~3m工作范围内平均位置误差为0.0857mm，平均姿态误差为0.1086°，满足机器人位姿测量的要求。最后在YASKAWA的Motoman-MH80六轴机械臂上进行了机器人末端位姿的测量实验，验证了该方法的可行性和高效性。

宽幅摊铺机螺旋分料器转速对分料质量的影响

姜婉, 朱振东

2016, 27(19): 2602-2606.

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针对目前我国宽幅摊铺机在工作时由于螺旋分料器沿宽度方向上下料量分布不均匀，导致摊铺机不能连续工作，摊铺效率低下的现状,建立了螺旋分料器的仿真模型。提出了通过评价每个螺距横截面质量流量来研究螺旋轴转速对径向下料量影响的方法，同时建立了螺旋轴转速、摊铺机前进速度和刮料板速度模型，实现三者的有效匹配，从而改善分料质量，提高路面摊铺的效率。

基于自适应神经-模糊推理系统模糊信息融合的采煤机截齿磨损在线监测

张强, 王海舰, 李立莹, 刘志恒

2016, 27(19): 2607-2614.

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为实现对截齿截割过程中磨损程度的实时精确在线监测，分别测试和提取不同磨损程度的截齿在截割过程中的振动信号、声发射信号和温度信号，建立不同磨损程度截齿截割信号的多特征样本数据库,根据最小模糊度优化模型计算求解各特征信号的最优模糊隶属度函数，采用自适应神经-模糊推理系统多维模糊神经网络方法实现多传感特征信息的决策融合，输出置信度和权重较高的截齿磨损量融合结果。通过随机测试实验对融合系统进行验证，结果表明，基于ANFIS模糊信息融合的截齿磨损监测系统辨识度较高，测试结果最大误差在6.5%以内，系统具有良好的融合效果以及较高的测试精度。

面向轮胎3D花纹的语义建模方法

董玉德, 宋忠辉, 张荣团, 白苏诚, 张方亮, 刘彦超

2016, 27(19): 2614-2623.

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针对以几何特征为主导的建模方式会造成轮胎3D花纹模型创建操作繁琐、设计信息表达分散且不完备的问题，提出了以语义为主导的3D建模方法。该方法是在花纹设计的应用理论及实用技术探讨和研究的基础上，将理论设计中的花纹沟、装饰品及交汇特征的结构抽象分解得到轮胎花纹语义单元，从而构建花纹语义模型库和结构设计知识库。在此基础上引入轮胎节距信息，实现了轮胎花纹从概念设计到装配设计的层次化、系统化、形式化表达。最后，以CATIA/CAA为开发平台引入基于特征的建模技术,开发出语义级轮胎3D花纹设计系统。实例分析结果表明，该系统适用于多种类型的轮胎花纹建模，提高了CAD技术对设计信息表述的支持能力，增强了产品建模的自动化水平,有效地减少了设计人员的重复性工作，缩短了研发周期。

基于改进蚁群算法的机器人末端路径排序优化

张铁, 苏杰汶

2016, 27(19): 2624-2629.

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建立了针对机器人加工时的末端运动路径排序优化问题的数学模型，将该模型转化为广义旅行商问题并用蚁群算法求解。同时对经典的蚁群算法进行了改进，即采用多阶段搜索策略、邻域搜索策略及多蚁种搜索策略，使改进后的蚁群算法能为机器人求取一条更优的末端运动路径。计算机仿真与机器人加工实验结果表明，改进蚁群算法所得的末端运动路径比基本蚁群算法所得结果缩短了3%以上。

基于干扰观测器的龙门机床双驱系统的同步控制

李萍, 朱国力, 龚时华, 岳岚

2016, 27(19): 2630-2636.

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根据动梁式龙门机床双驱动系统的结构特点及运动特性，基于拉格朗日方程，建立了龙门机床两轴之间的机械耦合模型，结合传动系统动态模型和伺服系统三闭环控制结构，得到了龙门机床双驱动系统模型；为了降低非对称结构和偏心负载等干扰对同步性能的影响，提高系统的抗干扰性，提出了一种基于干扰观测器（DOB）的双驱动系统同步控制方法；最后进行了仿真分析，仿真结果表明，通过干扰观测器对干扰进行补偿后，龙门机床双驱动系统的同步性能得到了明显的提高。

纵-扭复合振动超声深滚加工工艺试验

郑建新, 侯雅丽

2016, 27(19): 2636-2640.

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采用正交试验法对Q235钢端面进行了纵-扭复合振动超声深滚加工，探索了工艺参数对表面粗糙度和显微硬度的影响，并基于试验结果构建了表面粗糙度和显微硬度的预测模型。试验结果表明：经纵-扭复合振动超声深滚加工后，工件表面粗糙度值显著减小，而显微硬度有大幅提高；表面粗糙度值随静压力增大先增后减，随进给量的增大而急剧增大，而随滚压速度的增大变化不明显，且进给量对表面粗糙度的影响最显著；显微硬度随静压力的增大而提高，随进给量和滚压速度的增大有微小波动，且静压力对显微硬度的影响最显著；基于t-检验与相关系数计算结果发现，进给量与静压力的交互作用对表面粗糙度的影响最大，而静压力与滚压速度的交互作用对显微硬度的影响最大。基于正交试验结果和预测模型获得了最优工艺参数，两者的结果接近，表明预测模型可靠。

龙门起重机金属结构的多目标动态优化

袁媛, 杨正茂, 孟文俊

2016, 27(19): 2641-2646.

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针对龙门起重机金属结构动态特性的复杂性和非线性，综合考虑龙门起重机金属结构设计中尺寸参数及起升载荷的不确定性，利用参数化有限元模型和试验设计方法，在龙门起重机金属结构动态系统中，建立了设计变量和动态参数间的关系。通过运用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)，寻求桁架梁尺寸及节间布置最优化方案，并满足低应力、高固有频率及轻量化的要求，在构建高精度的响应面近似模型的基础上，运用Monte-Carlo模拟技术对优化方案的鲁棒性进行了评价。结果表明，该优化方法有效地实现了龙门起重机的动态结构优化，显著提高了其设计质量和效率。

基于阻力测试的采煤机结构受力分析

陈洪月, 张坤, 袁智, 毛君,

2016, 27(19): 2646-2651.

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为了获取采煤机截割工作过程中行走支撑部件的载荷，采用经典力学理论建立了采煤机整机6阶模型，分析了模型求解时存在的不足，针对采煤机与刮板机间的四点支撑而引起的过约束问题，采用变形协调原理建立采煤机整机的受力模型，通过实验方法获取了左右驱动滚筒的载荷，并将其作为模型输入，采用逐步判别法进行数值求解。结果表明：左导向滑靴和平滑靴在Y向的受力比右侧小，两个导向滑靴的轴向受力相对较小且方向相反。最后通过实验对求解结果有效性进行了验证。

电液驱动可变气机构缓冲过程研究

涂波, 田华, 卫海桥, 潘明章

2016, 27(19): 2652-2658.

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电液驱动可变气门机构缓冲过程影响气门机构的冲击性能及气门运动的响应性能。基于AMESim仿真软件，设计了电液驱动可变气门系统，研究了节流阀节流面积和节流行程对气门运动缓冲过程的影响规律，并采用遗传算法对节流阀控制参数进行寻优，改善气门运动缓冲性能。结果表明，减小节流行程和增大节流面积可以提高气门运动的响应性能。通过遗传算法对控制参数进行寻优，在优化的控制参数下气门行程终了速度明显改善，气门开启至最大行程时速度降至0.11m/s，气门关闭落座速度降至0.07m/s，同时保证气门运动的响应性能。

基于自组装成品率的球栅阵列焊点工艺参数分析

陈轶龙, 贾建援, 付红志, 朱朝飞

2016, 27(19): 2658-2662.

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为了提高球栅阵列焊点封装器件的自组装成品率，研究了焊点体积偏差率及焊盘直径对器件自组装成品率的影响。考虑封装器件的温度翘曲变形、焊点体积的不可避免的制造误差及焊点位置的随机性，分析了器件自组装过程。通过求解不同体积焊点的形态，得到了不同体积焊点的液桥刚度曲线。基于不同体积焊点的液桥刚度曲线，仿真分析了焊点体积偏差率及焊盘直径对器件自组装成品率的影响。结果表明，焊点体积偏差率及焊盘直径的减小会增大焊点液桥刚度曲线的公共范围，从而提高器件的自组装成品率。

平面折展机构平面弹簧的设计与分析

刘凯, 曹毅, 丁锐

2016, 27(19): 2663-2667,2674.

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针对常规平面弹簧变形过程中运动端容易产生周向旋转从而造成振动和磨损的问题，设计了一种基于LEMs的平面弹簧，该弹簧由平面薄板加工成形且能实现平面外运动，具有体积小、易加工，结构简单及变形过程中运动端不发生周向旋转等优点。首先，基于悬臂梁模型和伪刚体模型分别推导了LEMs平面弹簧的刚度计算公式。其次，为验证所推导公式的正确性，建立了LEMs平面弹簧的ANSYS仿真模型，并将有限元分析结果与上述两种理论模型的计算结果进行了对比。结果表明，在变形较小的情况下由悬臂梁模型所推导的公式计算精度更高，在变形较大的情况下使用由伪刚体模型所推导的公式更为合适。最后，通过大量实例分析推导了两个公式的适用范围，并用一组数值算例证明了其正确性。

多蛋交接耐压壳仿生研究

张建, 左新龙, 王纬波, 唐文献

2016, 27(19): 2668-2674.

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以鹅蛋壳为生物原型，开展了多蛋交接耐压壳仿生设计及性能研究工作。首先，通过蛋壳生物学试验，建立了蛋形函数；其次，对深海多蛋交接耐压壳进行设计，建立了蛋壳个数分别为2、3、4、5、6的数值模型，研究其临界屈曲载荷、极限强度载荷和储备浮力特性；最后，通过正交试验设计，分析了多蛋交接耐压壳主要几何参数对其性能的影响规律。结果表明：Kitching蛋形函数与鹅蛋经线的吻合程度最高，其长轴与偏心距之比取45，蛋形系数取0.69；深海多蛋交接耐压壳的临界屈曲载荷远大于极限强度载荷，即极限强度载荷为结构设计的主要因素；蛋形壳个数对极限强度载荷和浮力系数影响很小；蛋形壳厚度对极限强度载荷和浮力系数影响较大；加强肋对浮力系数影响较小，而对极限强度载荷影响较大。

光学镜片亚表面损伤形成数值模拟与分析

任志英, 高诚辉, 陈为平, 林有希

2016, 27(19): 2675-2681.

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针对当前光学镜片亚表面损伤的研究重点主要集中在加工工艺参数及磨粒粒径、分布等方面的现状，基于脆性材料压痕断裂理论，深入分析了加工过程所导致光学镜片亚表面损伤，对不同锐度角的磨粒在相同载荷不同加工速度下与光学镜片表面间的抛光过程进行了微观动态仿真。获得了在不同加工参数作用下磨头与镜片表面间的摩擦接触、应力应变分布及亚表面损伤等情况，归纳出亚表面损伤裂纹深度、亚表面损伤空穴深度、体积去除率、表面破损率、磨粒锐度角及磨抛速度等相关参数之间的关系，并得出如下结论：当磨粒锐度角为54°~58°,加工速度为7～8m/s时，加工后的镜片在保证一定加工效率的同时，产生的亚表面损伤及表面破损率最小。

基于个体特性的驾驶行为操纵模式建模方法

肖献强, 殷延杰, 王家恩

2016, 27(19): 2681-2686,2692.

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为研究能体现驾驶人个体特性的驾驶行为操纵模式建模方法，通过汽车驾驶模拟器采集驾驶人的驾驶行为操纵数据，利用卡尔曼滤波器对原始数据进行预处理，采用数据/机理相混合的方法对驾驶人的驾驶行为操纵数据进行分析，研究提出基于有向图的个性化驾驶人驾驶行为操纵模式建模方法。以山区高速公路超车行为为例进行建模方法试验，测试结果表明该方法构建的驾驶行为操纵模式能有效地体现出驾驶人驾驶的个体特性，为研究开发个性化和智能化的驾驶安全辅助系统涉及的驾驶行为操纵模式建模问题提供了技术支撑。

城市重载电动汽车适配功率电机可行性研究

关玉明, 王锡瑞, 燕唐, 刘琴, 刘晨晨

2016, 27(19): 2687-2692.

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为满足城市重载电动汽车独特的行驶特点以及其驱动电机的要求，提出了一种新型永磁电机结构——适配功率电机（PAM）。PAM 电机不仅继承了永磁直流电机高启动扭矩、结构简单可靠、易控制的特点，同时也可以满足城市重载电动汽车行驶速度低、启动刹车频繁、载重量大的行驶特点。以一台6/8kW的PAM样机为例，分析其外特性曲线与城市重载电动汽车驱动电机的匹配情况，从整个转速区间全面分析PAM电机的运行特点。最终通过分析研究与实验验证，PAM电机作为城市重载电动汽车的驱动电机具有一定优势。

基于二分梯度法的汽车尾气发电最大功率跟踪算法

房伟, 全书海 , 方洪 , 谭保华, 黄亮

2016, 27(19): 2693-2697.

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基于建立的汽车尾气热电发电实验系统，采用最小二乘法对热电输出功率与电压的数据进行了拟合，并针对已有开路电压比例系数法、干扰观测法等MPPT算法在热电发电系统中应用存在的不足，提出了基于二分梯度法的新型MPPT算法，并给出详细算法实现步骤。实验结果表明，采用二分梯度法的MPPT算法相比传统算法在跟踪精度和速度上有较大提升，其最大功率点跟踪精度达到98.7%，跟踪速度为120ms。

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2016, 27(19): 2698.

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