中国机械工程

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2025, 36(02): 0.

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重载足式机器人变缩放比例腿设计

索喆, 李想, 刘建峰, 王继新

2025, 36(02): 191-196. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.001

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分析了二自由度比例缩放机构的运动特性，对比了多种变缩放比例设计方案及其优缺点，提出了一种变缩放比例腿，设计了非线性腿长调整机构，仅用一个驱动器即可实现大腿杆和小腿杆的长度按照非线性比例关系进行调整，进而在保证缩放特性的同时实现了缩放比例的调整。变缩放比例腿无需进行拆卸和更换零部件即可完成缩放比例的调整，改变了足端运动空间和机器人的承载能力。

铆钉裂纹对自冲铆接力学性能影响的仿真与试验研究

成艾国1, 王超1, 于万元2, 何智成1

2025, 36(02): 197-208. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.002

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通过有限元模型模拟了自冲铆接在连接高强度钢时产生的铆钉裂纹，并系统研究了铆钉的裂纹深度、位置和数量对钢铝自冲铆接接头力学性能的影响。首先使用LS-DYNA软件建立了2D轴对称仿真模型来模拟自冲铆接工艺过程，并通过对比试验和仿真的接头剖面验证了仿真模型的准确性。然后采用一种2D-3D有限元模型生成方法建立了模拟接头力学特性的3D仿真接头模型，并使用LS-OPT软件对铆钉断裂参数进行了标定。所建立的接头模型能够准确地模拟自冲铆接接头的力学特性。参数研究的结果表明：接头的力学性能随着裂纹深度的增大而下降，且随着外部裂纹位置的向下移动而逐渐增强，但内部裂纹的影响不大；当铆钉存在多个裂纹时，接头力学性能取决于最弱的裂纹，与裂纹数量无关。

煤矿电动车辆单踏板再生制动效能分析

任志勇1, 2, 3, 石琴1, 4, 闫凯2, 3

2025, 36(02): 209-219. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.003

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针对煤矿无轨辅助运输电动车辆提出了一种基于加速踏板的单踏板再生制动控制策略，以进一步提高再生制动能量回收率和能源利用效率。基于车辆制动动力学和能量守恒定律，对再生制动过程进行了理论建模。结合煤矿无轨辅助运输电动车辆驱动系统以及加速踏板的结构特征，建立了基于加速踏板开度的再生制动转矩求解模型，同时，为满足大强度制动工况需求，建立了由加速踏板切换至制动踏板时的再生制动转矩计算模型，对车辆加速、滑行及制动过程中控制策略的工作原理依次进行了分析。针对典型的驾驶循环工况，在底盘测功机上对单踏板再生制动控制策略的能耗经济性进行实车测试，结果显示NEDC和WLTC工况续驶里程分别增加了41.65 km和35.86 km。实车综合路试结果表明，加速、制动踏板切换过程中再生制动转矩过渡平稳，整车加减速过程平顺。研究结果为再生制动系统的优化开发奠定了技术基础，有利于煤矿电动车辆的推广和普及。

真空驱动软体可折展致动器驱动特性研究

徐齐平, 张柯航, 张宏伟, 鄂世举

2025, 36(02): 220-227，237. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.004

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为研究软体致动器驱动特性及其仿生应用，采用对称结构形式设计了一种基于Kresling折痕图案的软体可折展致动器，可实现快速驱动，只产生轴向收缩而不发生扭转（即单自由度直线运动）,兼具收缩比大和负载能力强等特点。基于功平衡原理并结合几何学理论对该软体可折展致动器进行理论建模与实验研究，探究其变形特性。结果表明：理论与实验结果基本吻合，收缩比随真空压力的增大而增大；在同一真空压力下，负载越大，收缩比越小；在相同收缩比下，负载越大，致动器所需真空压力越大。进一步分析了不同参数对致动器驱动性能的影响，在不同参数调节范围内，致动器的壁厚越小、相对角越小、边长越大，其收缩比、承载能力等性能越好。基于上述结果，优化设计出一种串联软体可折展致动器，将其安装在仿生拟人腿上，能够实现屈伸、跑步、踢球、吸附等不同功能。

数字压电叠堆执行器：原理、建模与控制

凌杰, 张允执, 陈龙, 朱玉川

2025, 36(02): 228-237. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.005

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针对高精度驱动需求，从新型离散构型和数字驱动原理出发，首先探究不同数字编码方式下数字压电叠堆执行器的动、静态输出特性；其次探究数字驱动下迟滞减小的内在机理，结合非线性动力学数学建模描述执行器的迟滞、蠕变和动力学等特性；最后提出数字开/关时间控制来消除剩余迟滞，进一步提高定位精度。实验结果表明，相比传统压电叠堆，数字压电叠堆迟滞减小66%以上，所提的建模方法在10 Hz以内均方根误差小于0.3889 μm，所提的数字开/关时间控制方法能够在10 Hz以内有效消除执行器剩余迟滞特性的影响。

重型高精度惯性摩擦焊机移动夹具定位误差分析

孙宝玉1, 李焕震1, 张刚2, 余卓成1, 关英俊1

2025, 36(02): 238-244，254. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.006

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针对航空发动机典型零件的高精度焊接质量需求，设计了一种新型重型高精度惯性摩擦焊机移动夹具的夹紧机构，对移动夹具进行定位误差分析。建立一种移动夹具定位元件公差与焊件位姿误差映射关系的理论模型，在忽略其他影响因素（如机床误差、焊件的定位基准面误差、夹紧力和热变形引起的误差等）对焊件焊接精度影响的情况下，利用该误差理论模型，根据某型转子要求的焊接精度，通过误差理论模型计算得到移动夹具夹紧机构定位元件的尺寸公差范围，再根据该尺寸公差范围设计移动夹具夹紧机构并夹装焊件，从而完成焊接试验。试验结果显示，同轴度误差、平行度误差和轴向缩短量误差三项误差中的最大误差分别为0.04 mm、0.02 mm和0.12 mm，各项误差检测结果均达到所要求的焊接精度（同轴度误差：0.06 mm；平行度误差：0.04/300 mm；轴向缩短量误差：±0.2 mm），证明计算得到的各定位元件的公差范围合理，所建立的误差理论模型对重型惯性摩擦焊机设计中移动夹具定位元件的公差分配具有重要的理论指导意义。

复杂机电系统的软件与物理统一的形式化功能分析

曹悦1, 刘玉生2, 秦绪佳1, 汤颖1

2025, 36(02): 245-254. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.007

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复杂机电系统的功能分析长期以来主要关注物理子系统实现的连续物理变换，忽略了软件子系统控制的物理过程之间的复杂执行顺序。针对这一挑战，提出了一种软件与物理统一的形式化功能表征与分析方法。对基于流的功能表示方法进行扩展，形成软件与物理统一的形式化功能表征。在此基础上，提出一种基于规则的功能分解方法，支持软件与物理混合功能的自动分解。以移动机器人系统为例，展示了软件与物理统一的功能分析过程。

考虑最小尺寸约束的内嵌可移动压电驱动柔顺机构拓扑优化设计

刘敏1, 2, 卢飞扬1, 占金青1, 2, 吴剑1, 朱本亮3

2025, 36(02): 255-264. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.008

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为了使柔顺机构构型与压电驱动分布同时达到最优，并满足工艺制造要求，提出考虑最小尺寸约束的内嵌可移动压电驱动柔顺机构拓扑优化设计方法。采用独立点密度插值模型描述主体结构的材料分布，利用水平集函数表征任意形状的内嵌可移动压电驱动器，通过结构指示函数识别实体和空相材料，采用滤波阈值技术控制主体结构的最小尺寸。同时建立非重叠约束以保证压电驱动器在优化过程中不与设计域边界发生重叠，并以柔顺机构的输出位移最大化为目标函数，建立独立点密度插值水平集联合拓扑优化模型，利用移动渐近线法求解拓扑优化问题。数值算例证明所提方法可以有效地同时优化主体结构和压电驱动器的位置分布，并满足最小尺寸要求。

钛合金内衬薄壁腔体结构设计与性能研究

焦纪强1, 2, 蒙峻2, 谢文君2, 郭方准1

2025, 36(02): 265-270. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.009

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二极磁铁真空管道是强流重离子加速器装置增强器的关键设备，为了降低涡流效应、减小磁铁气隙及降低真空管道加工难度，采用厚度为0.3 mm的不锈钢包裹3D打印钛合金内衬骨架制作薄壁腔体。通过仿真模拟对内衬骨架进行结构优化设计，制作薄壁腔体进行变形量测试和高温烘烤强度测试。完成了3D打印钛合金出气性能评价、薄壁腔体镀Ti-Zr-V薄膜前后极限真空测试和涡流发热对真空性能影响的研究。研究结果表明，内衬骨架厚度为4 mm、宽度为11 mm、间距为15 mm时，不锈钢和钛合金应力小于强度极限；拱形高度为0.5 mm的内衬骨架实测变形量为0.78 mm，经过35次250 ℃高温烘烤后结构稳定；TC4钛合金材料的出气性能和薄壁腔体的极限真空性能满足设计指标要求。

力流变工艺对轴承滚道表面质量与精度的影响

郭路广1, 2, 戴卓豪1, 王东峰1, 3, 王旭1, 吕冰海1, 袁巨龙1

2025, 36(02): 271-279. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.010

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为获得高质量的套圈滚动面形貌，改善形状精度，提高轴承服役性能，采用力流变抛光技术设计了正交试验方案，确认了试验参数范围，研究了力流变加工过程中抛光速度、磨粒粒径和磨粒浓度对材料去除率（MRR）和表面粗糙度Ra的影响规律。对数据进行信噪比分析，采用方差分析方法得到工艺参数对加工结果的影响权重和最优工艺参数。对比了最优参数加工前后套圈的形状精度，建立了力流变加工模型来分析精度改善机理。结果表明，抛光速度对材料去除率和表面粗糙度的影响都最为显著，磨粒粒径和浓度的影响相对较低。在最优工艺参数（抛光盘转速90 r/min，磨粒粒径2.5 μm，质量分数6%）下抛光90 min，Ra从初始的322 nm下降到12.982 nm，且方差不超过2.158 nm2，平均圆度从抛光前的约3.05 μm下降到约1.67 μm。仿真模型揭示了形状精度改善的原因是凸出部位易形成更高的材料去除率。研究结果表明，采用优化的力流变抛光工艺可有效提高轴承套圈滚道的表面质量和形状精度。在提高轴承服役性能的高质量加工方面，力流变抛光技术提供了一种可行方案。

考虑峰值功率受限约束的柔性作业车间调度研究

李益兵1, 2, 曹岩1, 郭钧1, 2, 王磊1, 2, 李西兴3, 孙利波4

2025, 36(02): 280-293. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.011

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针对车间峰值功率受限约束下的柔性作业车间调度面临的作业周期增加、机器负荷增大的问题，建立以最小化最大完工时间和最小化机器最大负载为优化目标、考虑车间峰值功率约束的柔性作业车间调度问题（PPCFJSP）模型。为更好地调度决策，首先将该问题转化为马尔可夫决策过程，基于此设计了一个结合离线训练与在线调度的用于求解PPCFJSP的调度框架。然后设计了一种基于优先级经验重放的双重决斗深度Q网络(D3QNPER）算法，并设计了一种引入噪声的ε-贪婪递减策略，提高了算法收敛速度，进一步提高了求解能力和求解结果的稳定性。最后开展实验与算法对比研究，验证了模型和算法的有效性。

基于多策略融合蜣螂优化算法的工业机器人运动学参数辨识方法

许佳璐1, 刘笑楠1, 李朋超2, 刘振宇1

2025, 36(02): 294-304. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.012

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针对蜣螂优化（DBO）算法在工业机器人运动学参数标定过程中存在的全局探索和局部开发能力不平衡、求解精度低等问题，提出了一种基于局部指数积（LPOE）运动学模型的多策略融合蜣螂优化算法（MSFDBO）。首先建立基于LPOE模型的运动学参数辨识模型；然后采用Piecewise混沌映射和精英反向学习策略进行种群初始化，得到分布更加均匀的种群；融入鱼鹰探索行为，提高DBO算法的全局探索能力，通过随机扰动机制扩大搜索范围，减少DBO算法陷入局部最优的可能性。为测试算法性能，使用12个基准测试函数对MSFDBO算法的搜索性能进行实验评估，结果表明该算法具有良好的寻优性能。对4台T6A-19型工业机器人的运动学参数进行辨识并补偿验证，实验结果表明，绝对位置平均误差、均方根平均误差分别降低了85.47%、83.92%。

非平坦环境下履带机器人多目标路径规划方法研究

张道德, 卢子健, 赵坤, 杨智勇

2025, 36(02): 305-314. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.013

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为实现非平坦环境下履带机器人路径规划高效、安全、节能等运行目标，提出了一种改进的快速精英多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)多目标路径规划方法。首先综合分析非平坦环境下履带机器人的作业需求，建立2.5D栅格环境模型简化复杂的环境地图；然后选取路径长度短、能量消耗低和安全性高作为机器人路径规划子目标指标；最后通过8邻域曼哈顿防碰撞算法改进栅格选择方式避免机器人与障碍物栅格顶点碰撞，并在NSGA-Ⅱ算法中引入精英替换策略扩大种群规模，防止优良路径基因流失，加速算法收敛。相较于多目标可变邻域搜索(MOVNS)算法，所提方法规划出的路径在路径长度上平均缩短9.02%、能耗上平均节省18.36%、危险率上平均降低7.28%，有助于提高非平坦环境下的路径规划质量。

基于虚拟运动神经系统的六足机器人自适应运动控制

刘春潮1, 朱雅光1, 2, 周亚婷1, 韩志刚1

2025, 36(02): 315-324,332. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.014

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模仿动物躯干的构造，搭建了六足机器人平台；提出了在线的自适应运动控制器，通过模仿人类手臂的顺应性关节运动来实现阻抗控制参数的在线学习。与现有的虚拟运动神经系统结合，使得六足机器人可在线适应行走步态和速度，以应对不同的复杂地形。自适应运动控制器可以适应不同的任务和未知的机器人动力学，使得轨迹跟踪行为更稳定。仿真模型和六足机器人实体测试结果证明，该方法可有效提高机器人的适应性。

利用改进卷积神经网络的螺杆砂带磨削表面粗糙度预测

杨赫然1, 2, 张培杰1, 2, 孙兴伟1, 2, 潘飞1, 2, 刘寅1, 2

2025, 36(02): 325-332. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.015

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为便捷、准确地预测磨削后螺杆转子的表面粗糙度，提出了一种基于自注意力卷积神经网络（SA-CNN）的磨削曲面粗糙度测量方法。通过正交试验获得螺杆转子的表面粗糙度以及粗糙度数值对应位置的表面图像，图像经自适应直方图均衡化、反锐化掩蔽等预处理后作为训练样本输入SA-CNN模型中。采用SA-CNN模型对磨削后的螺杆转子表面粗糙度值进行预测，并与经典网络ResNet、AlexNet、VGG-16、基础CNN以及图神经网络GNN预测结果进行对比。试验结果表明，SA-CNN模型的平均预测精度达到95.24%，均方根误差(RMSE)为0.0706 μm，平均绝对百分比误差(MAPE)为7.4206%，均优于对比网络，且模型收敛较快，表现出较高的精度和良好的鲁棒性。

仿生高强韧轻质管结构的抗弯性能研究

辛嘉铭1, 纪小刚1, 2, 孙榕1, 苏义麟1

2025, 36(02): 333-341. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.016

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基于玻璃海绵中八角形结构和竹节中维管束特征，利用数字光处理技术(digital light processing,DLP)工艺设计并制备了两类仿生轻质高强韧平面结构及对应的管状支架结构；采用仿真与实验相结合的方法，聚焦分析仿生平面结构在受压过程中的极限载荷、破坏模式和吸能情况；基于三点弯曲力学性能试验结果并结合数值模拟选取抗弯性能最优的仿生平面结构，并对各平面结构对应的仿生轻质管进行抗弯性能研究。结果表明，与传统蜂窝管相比，所设计的仿玻璃海绵轻质管抗弯性能更强，验证了平面结构对比结果的可靠性。研究结果可为新型轻质高强韧支架的设计和制备提供指导与参考。

血栓模拟物机械性能及切削破碎效果研究

洪丽1, 吴重军1, 李景文1, 陈令文1, 沈斌2, 丁庆伟3

2025, 36(02): 342-350. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.017

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主要对血栓模拟物中红细胞比容进行分析，研究血栓模拟物的机械性能及切削效果。制备了不同红细胞比容的体外血栓模拟物，通过压缩实验研究其机械性能，并结合血栓切削实验装置研究切削速度对其切削效果的影响。研究发现，模拟物的刚度会随着红细胞比容及储存时间的增加而降低；同时，以血清为储存介质保存10 d时，刚度会下降50%以上，而以生理盐水为储存介质保存相同时间，刚度降幅约为30%；另外，10%～20%红细胞比容模拟物与人体深静脉血栓样本刚度相近。实验结果也表明，切削速度在一定范围内提高时有助于对模拟物进行充分破碎，当切削速度过大时破碎效果几乎不再变化。研究结果可为血栓清除器械的设计与优化提供重要参考。

虑及刚度特性的管内机器人高精度焊缝打磨方法

王永青, 艾靖超, 李特, 兰天, 刘海波

2025, 36(02): 351-358,368. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.018

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针对管内机器人高精度加工难题，以管内焊缝余高修整打磨为例，提出了一种虑及刚度特性的管内机器人高精度磨削方法。首先基于轮式管内加工机器人建立了考虑气动支撑装置刚度特性的有限元仿真模型，获得了不同加工载荷和位姿下的变形关系；然后建立了基于高度特征的焊缝识别方法，采用三次B样条模型建立了焊缝母线参数方程，从而提出了融合刚度补偿量的加工轨迹点生成方法；最后通过机器人样机实验验证了所提方法对于管内焊缝打磨的有效性。结果表明：该方法可将约1 mm的焊缝余高精确修整至0.2 mm以内，加工后焊缝平均余高与设计余高的误差不超过5%，能够实现焊缝高精度加工。

采煤机移动软电缆机械特性研究

赵丽娟1, 2, 白忠健1, 谢波3, 林国聪1, 王天翔1, 高峰3, 刘子峰3

2025, 36(02): 359-368. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.019

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为研究采煤机电缆的机械特性，构建了MCP-0.66/1.14 3*95+1*25型电缆的实体模型并依据电缆实际运动状态设计了一种电缆弯曲装置。通过拉伸试验得到电缆股线的材料参数作为数值模拟的初始条件，并对不同成缆节径比、捻制方向及控制单元截面积的电缆进行数值模拟。结果表明：电缆受力随着成缆节径比的增大而增大，考虑制造成本与机械特性，该型电缆成缆节径比为6时更优；以R为右向、L为左向捻制进行捻制描述，不同捻制方向下电缆所受应力从大到小依次为RLR、RRL、RLL、RRR，而三层同向捻制工作时容易出现散股的情况，故RLL捻制时电缆的机械特性最佳；控制单元导体在直线移动阶段，疲劳寿命随着截面积的增大而增大；在弯曲阶段，疲劳寿命随着截面积的增大而减小。通过弯曲试验机对电缆进行弯曲试验，试验结果与仿真分析结果基本一致，验证了数值模拟的准确性。研究结果为电缆复杂的绞合结构设计与分析提供了新的思路，并为提高电缆机械性能和使用寿命提供了理论支撑。

重载列车紧急制动过程踏面轮廓变化定量预测

宋剑锋1, 时迎港2, 3, 黄伟建3, 赵琰淞3, 董永刚1

2025, 36(02): 369-379. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.02.020

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为了定量预测车轮踏面轮廓形貌变化，利用ABAQUS软件完成热机械耦合有限元仿真，求解制动过程中的踏面瞬态温度分布、硬度分布以及热弹、塑性应变；基于Archard磨损模型，利用Fortran语言对ABAQUS子程序进行二次开发，在此基础上采用ALE技术和Umeshmotion子程序求解有限元模型中车轮踏面的磨损深度动态变化。最后综合塑性变形和磨耗的影响，得到冷却至室温后踏面形貌的变化。结果表明：由于踏面塑性变形和轮轨磨损影响轮瓦接触状态，轮瓦磨损和轮轨磨损综合作用下磨损区域呈台阶状；在轴重25 t、初速度100 km/h、制动距离600 m的工况下，由于塑性变形和轮轨磨损的综合作用，轮轨接触斑中心最大凹陷深度约16 μm，轮轨接触斑边缘凸起约5 μm。

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2025, 36(02): 380.

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