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2020年 第31卷 第14期    刊出日期：2020-07-25
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版权页和目次
2020, 31(14):  0. 
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机械基础工程
机电系统的概率行为树建模及可靠性评价
杨培林, 刘青, 樊娟妮, 侯翌
2020, 31(14):  1639-1646.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.001
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直接利用模型检测工具提供的形式化语言对系统进行形式化建模直观性较差、建模难度大，因此利用概率行为树对机电系统进行形式化建模，并通过概率模型检测对机电系统进行可靠性评价。对机电系统功能执行过程中功能载体的状态及其变迁进行了研究。基于概率行为树的语义和句法，提出了机电系统状态变迁过程的概率行为树建模方法，开发了建模支持工具。利用该建模工具可实现机电系统的概率行为树建模并能将其转换为基于PRISM语言的形式化模型。基于机电系统的潜在故障，用连续随机逻辑对机电系统可靠性评价指标进行形式化规约。基于概率行为树模型和可靠性评价指标的形式化规约，利用模型检测工具PRISM实现了对机电系统的可靠性评价。该方法比直接使用形式化语言建模更直观、易于理解和掌握。
基于单开链有序求解的机构正向运动学建模原理及其两种求解方法
沈惠平, 许可, 杨廷力
2020, 31(14):  1647-1658.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.002
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提出了一种基于单开链有序求解的机构正向运动学建模原理。将机构分解为一系列具有不同约束度值的单开链单元，再根据约束度总和为零的原则，将一系列单开链单元划分为若干个自由度为零、耦合度为κ_i的基本运动链（BKC_i），逐一按BKC_i建立含最少虚拟变量数目的机构位置方程；给出了具体的数值法和封闭法两种方法。由于数值法较简单，故用κ维搜索法直接求解机构位置方程；封闭法求解时先用Mathematica进行符号处理，从含变量数为κ的机构位置方程中导出一个一元高次的非线性位置正解封闭方程，再求解该一元高次方程。分别给出4个实例予以详细说明与验证。所提原理及求解方法思路清晰，可使机构正向位置方程中的变量和计算量大大减少，适用于求解任意复杂平面机构、空间并联机构的位置正解。
磁流变减振器魔术公式模型在悬架控制中的应用
张丽霞, 庞齐齐, 潘福全, 葛小菡, 林炳钦, 何一超, 危银涛, 杜永昌
2020, 31(14):  1659-1665.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.003
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基于某款磁流变减振器特性实验数据，辨识了磁流变减振器魔术公式模型的各项参数，模型误差在8%以内。在适当简化磁流变减振器魔术公式模型的条件下，通过直接逆推得到磁流变减振器魔术公式逆模型。仿真中，磁流变减振器魔术公式正、逆模型实现加速度驱动阻尼控制策略期望阻尼力的误差平均值为3.67%。台架实验中，磁流变减振器魔术公式逆模型的应用使车身加速度降低了6.27%，实现了加速度驱动阻尼控制策略的控制效果。磁流变减振器魔术公式模型在半主动控制悬架系统仿真及台架实验中的成功应用对磁流变半主动悬架控制系统的研究有较强的实际意义。
超视界路况下网联汽车的辅助驾驶方法
张洪昌, 郭军, 赵伟, 密兴林, 曾娟
2020, 31(14):  1666-1671.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.004
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针对车辆前方超视界路况不易预测、驾驶员易因路况不明而错误操作车辆导致失稳等危险事故的情况，提出了一种超视界路况下的网联汽车辅助驾驶方法。设计了基于车联网实时通信技术的网联汽车辅助驾驶系统，它主要由云端服务、共享驿站和车载单元组成；研究了行驶车辆的路况信息识别方法，包括路面附着系数识别、道路曲率计算和路面坡度测量；研究了基于多车辆测量数据的路况信息融合与校正方法，建立了基于三自由度车辆的刚体力学的弯道安全车速计算模型。实车实验结果表明，所提方法能够准确测量车辆前方超视界的路况信息，并可使驾驶员提前、准确地获知超视界路况信息，特别是弯道路况信息。
竞争失效条件下针对磨损退化数据的刀具可靠性分析
王新刚, 张鑫垚, 杨禄杰, 马瑞敏
2020, 31(14):  1672-1677,1746.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.005
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研究了车刀在竞争失效模式下的可靠度。引入威布尔分布描述突发失效的可靠度模型，采用Gamma过程来描述刀具性能退化过程。从退化量的角度对刀具突发失效进行评估，考虑性能退化量条件下突发失效的概率来建立竞争失效的可靠度模型，对该模型中的参数采用最小二乘法进行估计计算。以VBMT090208型外圆车刀在使用过程中的磨损退化量作为数据基础，分别建立了突发失效与退化失效两者在竞争模式下的可靠度模型。结果表明，如果忽略突发失效，仅进行刀具的退化失效建模，或者在独立条件下构建突发失效及退化失效的竞争失效可靠度模型，刀具的可靠度将会被高估。
机器人用四点接触球轴承旋转精度影响因素
陈月, 邱明, 杜辉, 杨旭
2020, 31(14):  1678-1685,1692.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.006
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针对机器人用四点接触球轴承旋转精度难以预测和控制的问题，提出了同时考虑轴承内圈沟道和外圈沟道圆度误差的轴承旋转精度数值计算方法。根据轴承内部元件运动学和几何学关系建立轴承旋转精度数值计算模型。使用MATLAB编写轴承旋转精度求解程序，得到内圈沟道圆度误差幅值和谐波阶次、外圈沟道圆度误差幅值和谐波阶次、钢球直径偏差及钢球个数对轴承旋转精度的影响规律。进行了轴承旋转精度试验，验证了仿真结果的正确性。轴承旋转精度涉及很多指标，所研究的四点接触球轴承旋转精度衡量指标指轴承外圈径向跳动。结果表明：轴承外圈径向跳动随着内外沟道圆度误差幅值的增大先平稳后快速增大，随着内圈外沟道圆度误差谐波阶次的增大呈现周期性变化，随着钢球直径偏差的增大呈线性减小，随着轴承内部钢球个数的增大呈指数减小。所建模型解决了四点接触球轴承旋转精度难以进行理论求解的问题，能够准确预测轴承的旋转精度，为四点接触球轴承的精度设计提供了理论基础。
服务型制造
基于误差注意力的晶圆制造数据异常检测
余石龙, 鲍劲松, 李婕, 张启华
2020, 31(14):  1686-1692.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.007
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针对晶圆制造数据异常检测过程中异常特征提取难度大且检测效率不高的问题，提出了一种基于误差注意力的晶圆制造数据异常检测方法。在保持数据分布不变的前提下，将晶圆制造数据转化成灰度图像，根据与正常样本的误差对灰度图像生成基于位置的柔性注意力图，增加误差特征的显性表达并略去冗余特征；利用深度学习神经网络LeNet-5模型将注意力图进行卷积训练，得到异常检测的最优化模型。采用晶圆制造数据集与现有方法进行对比，所提方法耗时缩短160%、F2-Score提高3%，证明了所提方法的有效性。
基于OPC UA的智能制造车间数据通信技术及应用
宋庭新, 李轲
2020, 31(14):  1693-1699.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.008
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为实现多种设备的数据通信和统一信息管理，提出了一种基于OPC统一架构（OPC UA）的智能制造车间数据通信技术，对其通信原理和网络架构进行了讨论，提出了OPC UA与工业机器人操作系统ROS和传感器嵌入式系统等设备的整合方案，并在案例研究中详细讨论了基于Python语言的数据通信程序设计方法，开发了基于OPC UA的车间制造执行层（MES）机器人监控模块。实际应用结果表明，基于OPC UA的数据通信技术具有很高的通用性和兼容性，可有效实现智能车间设备信息的数据集成和统一管理。
基于JSON文档结构的工业大数据多维分析方法
李敏波, 许鑫星, 李强, 韩乐
2020, 31(14):  1700-1707,1716.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.009
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在智能生产制造过程中，工业数据存在复杂的关联关系和多源异构特性，不断增长的工业大数据使得数据分析与挖掘异常复杂，而传统的基于数据仓库或关系型数据库的工业数据分析方法数据处理不灵活、分析查询效率低。提出了基于JSON文档结构的工业大数据联机分析处理（OLAP）模型架构，使用Key-Value数据的JSON文档结构灵活定义工业数据结构，将维度信息中的表结构转换为基于JSON的文档结构，将事实包含的维度信息通过嵌套文档的方式保存。通过构建分析目标为根节点的文档树，基于Elasticsearch平台储存文档结构树并建立倒排索引，将查询与分析操作转变为文档内容的遍历与查询，使用倒排索引的方法提高数据分析查询的效率。设计了自定义配置检索条件与查询语句的智能解析引擎，实现了工业数据多维分析可视化图表的智能生成。
智能制造
坐标系导引下的线缆布线点位对应关系自动提取方法
王发麟, 郭学鹏, 李志农, 宋利康
2020, 31(14):  1708-1716.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.010
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针对复杂机电产品人工寻找线缆端点与电连接器各接线位置之间的点位对应关系效率低、易出错等问题，提出了一种坐标系导引下的线缆布线点位对应关系自动提取方法。建立了基于线缆布线工艺规划的线缆信息模型和电连接器信息模型，采用特征提取技术提取线缆信息和电连接器信息；分别建立了线缆端点坐标系和电连接器各点位坐标系，运用坐标转换将两坐标系变换到装配坐标系下并分析各坐标系之间的关系，在坐标系导引下自动提取线缆与电连接器之间的点位对应关系。将该方法应用于某型相控阵雷达装配体的线缆布线中，实例证明，该方法能快速且准确地提取线缆端点与电连接器各接线位置之间的点位对应关系。
滚筒振动对铺粉质量影响的离散元模拟
张江涛, 谭援强, 包涛, 徐仰立, 姜胜强
2020, 31(14):  1717-1723.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.011
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以Al₂O₃陶瓷粉末为研究对象，建立了Al₂O₃陶瓷粉末流动的离散元方法模型。针对增材制造铺粉工艺中滚筒振动对粉床质量的影响问题，模拟滚筒振动方向、振幅和频率对粉床的密实性、均匀性和平整度的影响规律。仿真结果表明：滚筒轴向振动可提高粉床密实性和均匀性，却会导致粉床平整度变差；滚筒径向振动会导致较差的粉床平整度，当振幅大于8 μm时，颗粒的压缩和回弹效应导致粉床质量显著降低；滚筒切向振动可以提高粉床的密实性和均匀性，对粉床平整度影响很小，但切向振动频率过高容易引起粉末飞溅。研究表明在切向方向对滚筒施加低频的振动可以有效提高增材制造粉床质量。
基于能耗的冷轧连退机组能效建模与工艺参数优化及排序建模优化
杨杰, 胡琦, 肖亭, 张文颖, 张超勇
2020, 31(14):  1724-1732.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.012
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以冷轧连续退火机组能耗集中的炉区作为研究对象，根据能量流与热力学理论，建立了能耗与主要工艺参数之间的映射模型；采用MATLAB结合一种改进的量子遗传算法对能效模型进行优化，获取在保证质量的前提下能效最高的工艺参数组合；以辅助设备能耗最低、生产规格跳变平缓以及满足交货期为优化目标，建立了冷轧连退产线生产调度多目标优化模型，采用非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）进行求解，得出最优排序。结果表明，该模型和算法对生产实际有一定的指导作用。
带时间窗的多中心半开放式车辆路径问题
辜勇, 袁源乙, 张列, 段晶晶
2020, 31(14):  1733-1740.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.013
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针对多中心协同配送下的车辆路径问题，建立了总成本最小化模型，所建模型满足多中心、多需求点和半开放式的特征。考虑到问题的复杂性，设计了一种三阶段求解算法：将K-mediods聚类算法用于原始数据分解，将原规模较大的多配送中心路径问题转换成多个单配送中心路径问题；设计了改进多蚁群算法来求解单配送中心路径问题，得到初始方案；在调整阶段，利用节约算法优化初始方案。分析了算例，并同其他文献的算法求解结果进行对比，结果表明，所提算法比GA-ACO算法求解得到的单中心配送最优路径值减小32.16%，总成本减小30.42%；比狼群算法解得的最优路径值和总成本均减小8.99%；比蚁群算法求得的最优路径值减小24.76%，最小配送成本减小3.40%，从而验证了所建模型的合理性和所设计多阶段算法的有效性。
工程前沿
电火花沉积重熔碾轧修整试验
徐安阳, 王晓明, 赵阳, 朱胜, 韩国峰
2020, 31(14):  1741-1746.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.014
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针对电火花沉积层存在的孔隙、微裂纹、表面组织疏松、连续性差及表面质量差等缺陷，提出了电火花沉积重熔碾轧修整加工方法。进行了所提方法与电火花沉积的对比试验，并对制备的沉积层进行了分析。结果表明：重熔碾轧修整时电极对沉积表面有较大的挤压碾轧作用，能有效消除沉积层内部孔隙、微裂纹、组织疏松等缺陷，细化沉积层晶粒结构，提高沉积层的连续性、完整性。电极对沉积层表面有显著的磨削涂覆作用，重熔碾轧修整表面粗糙度为电火花沉积表面粗糙度的76.3%，基本消除了表面孔洞、裂纹等缺陷，提高了沉积层表面质量。
基于超声波雷达的改进车位检测算法研究
仇旭, 朱浩, 邓元望
2020, 31(14):  1747-1753.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.015
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针对传统车位检测算法因难以捕捉距离跳变和确定车位姿态而导致检测准确性不足的问题，提出了一种基于拟合特征线段的改进车位检测算法。针对超声波雷达幅值衰减设计了能量增益补偿方案；根据车辆实时位姿和超声波距离数据拟合代表障碍物轮廓的特征线段，借助激光雷达对特征线段拟合精度进行评价，并进一步设计了融合车位初步检测、车位再判断、车位约束条件判断及车位姿态计算的检测流程。利用实车平台对所提算法进行了实验验证，实验结果表明，所提算法的平均检测准确率达92.5%，能为智能汽车泊车系统提供准确、可靠的目标车位信息。
薄壁机匣结构复杂冲击载荷与等效试验方法研究
欧阳志高, 李坚, 吴立强, 艾兴, 章的
2020, 31(14):  1754-1761.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.14.016
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航空发动机机匣属于典型薄壁框架结构，针对断轴后其承受的由涡轮转子的轴向冲击与周向扭转冲击构成的复杂冲击载荷，建立了包含涡轮转子与排气机匣等关键部件的数值仿真模型，以仿真结果中排气机匣的复杂冲击载荷与能量耗散为切入点，获得了复杂冲击过程中二者的动态响应；指出在涡轮转子的高速旋转与轴向移动复合运动因素中，初始转速对冲击载荷与能量耗散无明显影响；进一步转换涡轮转子与排气机匣的相对运动关系，分析结果表明，转换后的冲击载荷和能量耗散结果与转换前保持高度相似。在后续的等效试验方法中，这些研究结论可成为简化试验台结构设计的参考。
国际学术界璀璨星光中的华人科学家——“2020 ASME机械设计终身成就奖”获得者戴建生教授
陈定方
2020, 31(14):  1762-1763. 
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英文目次
2020, 31(14):  1764. 
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