中国机械工程

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2021, 32(19): 0.

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大尺度构件重载高精加工机器人本体设计与性能提升关键技术

丰飞, 杨海涛, 唐丽娜, 丁汉,

2021, 32(19): 2269-2287. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.001

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基于典型大尺度构件的移动机器人化加工需求背景与发展现状的总结与分析，提出了大工作空间、高刚度、高精度、重载、轻量化、高动态响应、大负载自重比的大尺度构件加工机器人本体的基本性能要求。围绕上述基本性能要求，从机器人本体构型与机构优化设计，高性能加工机器人专用控制器与加工机器人操作系统开发，加工机器人运动学参数动态标定及位姿误差实时预测与动态补偿，刚柔耦合多体动力学建模，机器人动力学控制及主动振动控制等方面，论证了重载高精度加工机器人本体的优化设计及机器人性能提升方法，并完成了大尺度构件加工机器人本体构型与机构的概念设计。大尺度构件加工机器人本体的创新设计与研制，可为航空航天等领域的典型大尺度构件提供高性能的超柔性机器人化加工系统，并有助于推动国产工业机器人关键性能的提升。

单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验

张忠华, 柴君凌, 阚君武, 林仕杰, 王淑云, 黄乐帅

2021, 32(19): 2288-2293，2304. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.002

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为实现高可靠性及宽频带振动能量的回收，提出了一种单磁耦合式压电振动俘能器。建立了俘能器的动力学方程，采用COMSOL仿真分析了磁铁水平耦合距离d、竖直耦合距离h及耦合角α对势能的影响；设计制作了样机，并进行了试验测试。试验结果表明，俘能器的势能曲线随水平耦合距离d减小由单势阱变为双势阱，且存在较佳的磁铁水平耦合距离（d=11 mm），使双势阱的阱深适中、俘能器的固有频率减小、有效频带变宽；竖直耦合距离h增大对有效频带的影响较小，h≤2 mm时，相较于无磁耦合（NMC）降低了固有频率；仅改变耦合角α时，存在最佳参数组合（d=14 mm、h=6 mm、α=67.5°）使俘能器获得较低的固有频率（16 Hz）和较宽的有效带宽（19.6 Hz），较无磁耦合时的有效带宽拓宽了6 Hz，进而提高了俘能器的发电性能。

底盘构件多轴随机载荷下高周疲劳准则研究

董国疆, 张猛, 魏留伟, 张永强

2021, 32(19): 2294-2304. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.003

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为探明汽车底盘构件在随机载荷下多轴高周疲劳准则的应用方法与寿命预测规律，以某品牌B级轿车为研究对象，通过采集试验场强化路轮心六分力信号，建立了整车多体动力学模型，应用虚拟迭代法获取转向节与其他零件连接点的载荷时间历程；建立转向节有限元模型，通过模态仿真与试验验证了有限元模型的准确性；提取了von Mises应力下寿命值最小节点的应力分量时间历程；研究了8种高周疲劳准则所基于的3种类型临界平面的计算方法，通过多轴循环计数提取临界面上正应力幅与剪应力幅，并计算不同准则对应的等效应力幅，总结幅值分布与寿命预测规律。研究结果表明，在幅值分布与寿命预测方面，Zhang-Yao准则的等效剪应力幅值整体偏大，预测寿命为1.09×105周次，较其他准则偏于保守；McDiarmid准则的大应力幅仅占3.4%，预测寿命为1.25×106周次，明显大于其他准则的预测寿命值，而改进的McDiarmid准则预测寿命值明显减小。在计算成本方面，von Mises准则无需提取临界面与多轴循环计数，应用最为便捷；Findley准则提取临界面过程需要计算所有平面的正应力与剪应力数据，故计算成本最高。

形状记忆合金双程弯曲驱动器的设计及试验

李杰锋, 潘荣华, 杨忠清

2021, 32(19): 2305-2311，2320. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.004

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为解决变体机翼中蒙皮大变形与承载力之间的矛盾，同时满足光顺性及疲劳寿命的要求，提出了一种以形状记忆合金板为驱动元件的双程弯曲驱动器。基于形状记忆效应及材料力学弯曲理论，通过对驱动器变形过程中的力学特性进行分析，推导出双程弯曲驱动器的设计理论，再利用热成形法与反变形训练法制备出驱动器样件并进行了变形性能测试。研究结果表明：依据推导出的理论所设计的形状记忆合金双程弯曲驱动器的变形量与试验结果一致；随着加热温度的升高，驱动器的挠度及输出力逐渐增大，直至达到最大值；随着回复弹簧钢板厚度的增大，驱动器的最大挠度及最大输出力减小，加热变形响应速度减慢，但冷却回复响应速度加快；经过循环激励后，驱动器的变形效果稳定。

晶粒尺寸对多晶铜接触力学特性的影响

林起崟, 张瑜寒, 洪军, 王晨, 张宁静,

2021, 32(19): 2312-2320. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.005

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为研究晶粒尺寸对材料接触力学特性的影响，考虑多晶铜基体弹塑性变形情况，基于分子动力学方法，在原子尺度下模拟了金刚石压头与不同晶粒尺寸的铜基体的接触与分离过程。研究结果表明：在不同晶粒尺寸下，多晶铜黏着接触过程中的最大黏着力基本保持不变，最大法向接触力随晶粒尺寸的减小表现出先增大后减小的趋势。纳米硬度和接触刚度分别与接触过程中的塑性能和弹性能的变化相关，且纳米硬度与接触刚度的变化总体成负相关。最后，采用公共近邻分析方法研究了多晶铜基体弹塑性变形过程，研究发现晶界数量对材料的纳米硬度有重要影响，并进一步影响其接触力学特性。

断屑钻尖后刀面的砂轮磨削位姿算法

马玉豪, 李勇, 江磊, 丁国富

2021, 32(19): 2321-2325,2330. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.006

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定义了断屑钻尖后刀面的结构参数，构建了三个坐标系并分析了对应的转换矩阵；建立了断屑钻尖刃线及后刀面参数化数学模型；采用坐标变换矩阵描述了砂轮的运动方式，借助运动学原理，在数控磨削过程中提出了基于工件坐标系的断屑钻尖后刀面砂轮磨削位姿算法。基于VC++环境，开发了相应的计算程序并进行了一系列的磨削加工和测试来验证所提算法的有效性。测量结果表明：所提算法可保证断屑钻尖后刀面的结构精度，并可灵活调整磨削过程中砂轮姿态。

用于超精密蜗轮副加工的误差诱导重塑与精准抵消新工艺

彭东林, 周启武, 郑永, 杨继森, 张天恒, 王阳阳

2021, 32(19): 2326-2330. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.007

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提出了将智能全微机化传动误差检测仪器（iFMT仪器）以仪器单元的形式嵌入蜗轮母机各环节，再采用动态检测技术贯穿精密蜗轮副形成全过程的全新工艺。在iFMT仪器的实时监测下，实现了各环节独自精度的提高，尤其是通过诱导相关误差的改变来抵消其原始误差，从而显著降低对高端加工装备和个人特殊技能的要求。研究结果表明：蜗轮与蜗杆及刀具的成套性、测试仪器与辅助测试装置的成套性、尤其是测试技术与加工工艺的成套性，可保证所提新工艺能任意复制、放大或移植到其他相类似的应用场合。

单颗磨粒超声辅助磨削SiC陶瓷材料去除机理

丁凯, 李奇林, 雷卫宁, 徐铭洲, 王许

2021, 32(19): 2331-2339. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.008

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为研究不同磨削速度下超声振动作用对SiC陶瓷磨削过程中材料去除机理的影响，采用钎焊单颗金刚石磨粒工具，基于连续变磨削深度试验方法，在SiC陶瓷抛光表面开展了超声辅助磨削与普通磨削对比试验。结果表明，随着单颗磨粒磨削深度的逐渐增大，SiC陶瓷超声辅助磨削与普通磨削时的材料去除机理均经历了“塑性去除→脆-塑转变→大尺寸脆性断裂”的变化；在磨削速度为1 m/s时，相比于普通磨削，单颗磨粒超声辅助磨削可显著增大SiC陶瓷的脆-塑转变临界切厚及相应的磨削划痕横截面积，并减小切向磨削力与磨削比能；而随着磨削速度的增大，超声辅助磨削与普通磨削在单颗磨粒磨削划痕尺寸、磨削力之间的差异逐渐减弱。

基于修复涂层力学性能影响规律的再制造毛坯表面污染物状态评估

柯庆镝, 姜丰, 张鹏, 田常俊, 秦小州

2021, 32(19): 2340-2347,2356. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.009

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针对再制造工程中毛坯修复前的表面污染腐蚀物及其预处理工艺问题，结合再制造毛坯预处理及修复实验，分析了毛坯表面污染腐蚀物含量对修复涂层性能的影响规律。通过对再制造毛坯表面污染腐蚀物含量的研究，分析其对再制造修复涂层质量的影响规律，而后设计了考虑污染腐蚀物含量的再制造修复涂层结构样件，对其涂层结构的微观组织与力学性能进行了检测及对比分析，检测结果表明，表面污染腐蚀物增多会导致其后续修复涂层结构的力学性能迅速下降，且其影响规律是非线性的。最后，结合力学实验结果构造了该影响规律的映射函数，在考虑再制造修复涂层服役性能需求下，基于该函数可给出表面污染物含量的合理阈值区间，从而进一步合理规划再制造毛坯预处理工艺，为再制造工程实践提供数据及技术基础。

周期性功能梯度结构稳态热传导拓扑优化设计

李信卿, 赵清海, 张洪信, 张铁柱, 陈建良

2021, 32(19): 2348-2356. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.010

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提出了一种考虑周期性约束的功能梯度结构稳态热传导拓扑优化设计方法。建立了基于变密度理论的固体各向同性微结构惩罚（SIMP）模型的周期性功能梯度拓扑优化模型。以整体结构散热弱度最小化为目标函数、体积分数为约束条件进行宏观拓扑优化，提取了最优构型中各预设梯度层的体积分数；通过重新分配单元散热弱度，实现了梯度层周期性约束设置。借助基于偏微分方程的灵敏度过滤方法消除数值不稳定问题，并采用移动渐近线法对设计变量进行了迭代更新。通过2D和3D数值算例分析了全局周期以及周期性分层梯度设置下，不同离散单元和子区域个数对宏观结构和微观构型的影响规律。研究结果表明：所提方法能够实现周期性约束下功能梯度结构的拓扑优化设计，不同子区域个数条件下均能获得清晰的周期性功能梯度结构且所获得的结构具有良好的散热性能。

面向软体机器人的嵌入式3D打印聚二甲基硅氧烷材料实验研究

张伟, 马恺骐, 金国庆,

2021, 32(19): 2357-2366. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.011

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基于自主搭建的嵌入式直接喷墨打印（DIW）式3D打印系统，对聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料在水凝胶中进行打印，实现了软体机器人复杂内部结构的嵌入式3D打印。对PDMS材料性能进行了详细分析，并对打印过程进行了模拟仿真，从而确定了工艺参数组合；开展了固化拉伸对比实验、单丝圆线打印实验以及圆管打印实验，确定了最优打印参数组合；最后使用所确定的最优参数组合，打印出复杂仿生结构、柔性单向阀和软体抓手并进行相关实验，验证了采用嵌入式3D打印PDMS的方式制造复杂结构软体机器人的可行性。

参数对均匀微滴打印多尺寸锡焊料凸点阵列的影响

高昆, 黎映相, 齐乐华, 吴浪, 周怡, 豆毅博, 罗俊

2021, 32(19): 2367-2373. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.012

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为实现航空装备微电子电路的快速、精准修复，提出了多尺寸均匀锡焊料凸点阵列直接打印的方法，分析了打印凸点的位置精度和高度一致性等质量影响因素。利用开发的均匀锡焊微滴3D打印设备开展了多尺寸锡焊料凸点阵列均匀微滴直接打印试验，试验结果表明，所开发的设备可获得高度标准差不超过6 μm、位置误差不超过±5 μm的焊料凸点阵列；采用加热重熔方法可将多颗焊滴堆栈立柱整形为单颗多尺寸规格的焊料凸点阵列，重熔凸点的高度一致性得到了显著提高，但应限制堆栈焊粒数量。该试验结果为航空装备昂贵芯片的小批封装和单件损伤快速修复提供了新方法。

基于多传感器信息融合和多粒度级联森林模型的液压泵健康状态评估

单增海, 李志远, 张旭, 黄亦翔, 李彦明, 刘成良, 张轩

2021, 32(19): 2374-2382. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.013

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液压泵健康状态评估对工程设备的运行状态监测有极其重要的意义，现有基于振动信号分析的方法数据来源单一、可靠性低，为此，提出了一种基于多传感器信息融合和多粒度级联森林模型的液压泵健康状态评估方法。通过试验系统采集了不同工作时间下液压泵的压力、温度、流量等信号，分别提取信号的时域特征组成初步特征。使用多个分类器获取初步特征的类别概率向量，将其与随机森林模型选出来的重要特征进行拼接形成最终特征，并使用多粒度级联森林模型进行健康状态评估。试验结果表明，所提方法在仅有5%训练比例的情况下分类精确率仍可达99.5%，可以有效提高液压泵健康状态评估的准确度。

大变温工况下电接触件的力学特性与接触性能分析

肖仕红, 张靖柯, 张辉耀, 周士超, 何先友, 岳琳琳

2021, 32(19): 2383-2389. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.014

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为提高电钻杆用冠簧式接触件在大变温钻井工况下的电接触性能，对接触件展开了力学特性和电接触性能研究。基于静力学和热力耦合有限元分析方法，通过分析簧片挠度与接触压力、插入力与插针插入深度的关系，研究了大变温工况下不同装配间隙接触件的插入力、接触压力、接触面积变化规律。研究结果表明：接触压力随挠度增大而增大，增幅逐渐减小，插入力随插入深度先增大后减小最后趋于稳定；温升导致接触件接触压力、接触面积减小，降低了电接触性能，当装配间隙为0.07 mm≤δ≤0.2 mm时对电接触性能的影响程度较小；综合考虑150 ℃下的接触压力、接触面积和最大等效塑性应变，冠簧式接触件最优装配间隙为0.07 mm。该研究结果可为电钻杆用冠簧式接触件的结构设计及优化提供参考。

智能时代的人机共融体：技术驱动、以人为本——《The Humachine：Humankind，Machines，and the Future of Enterprise》导读

王柏村, 彭晨, 易兵, 杨赓

2021, 32(19): 2390-2393.

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在人工智能飞速发展的今天，如何帮助工厂和企业应用人工智能提升竞争力，以及如何控制在应用人工智能时所带来的风险，成为人类必须面对且亟需解决的问题。《The Humachine：Humankind，Machines，and the Future of Enterprise》一书探讨了人工智能的局限性以及人工智能所带来的机会，研究人类和机器可以互相补充配合的领域，提出了一个面向企业层面的“1+1>2”的智能体：人机共融体（Humachine）。人机共融体基于云计算、大数据等技术，通过实施组织管理框架来创建，该框架通过应用卡斯帕罗夫定律，以满足博斯特罗姆集体超智能的条件来解决莫拉韦克悖论。人机共融体为构建具有可持续竞争优势、有效益、有道德的企业提供了方法和建议，同时也为学者们研究人-信息-物理系统（HCPS）、协作机器人、智能制造、智慧医疗、智能社会等提供了参考。

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2021, 32(19): 2394-2394.

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