机械工程学报杂志

机械工程学报杂志2024年第23期

• 从机器人到微纳机器人：改变的不止是尺寸

  李隆球, 刘军民, 庄仁诚, 常晓丛, 周德开

  随着机器人技术在工业、医疗、服务、教育和军事等领域的广泛应用，传统的宏观机器人技术逐渐无法满足日益增长的微型化、精细化和功能高度集成化需求。微纳机器人作为机器人领域的新兴分支，因其尺寸小、推重比大、可控性好、拓展性强，成为研究的热点和前沿。通过回顾机器人技术的发展历程，详细分析了机器人发展的四个阶段和五代动力转换，并总结了机器人应具备的技术特征。在此基础上，对微纳机器人的发展历程、内涵及所处技术阶段进行了深入探讨，重点分析了从宏观机器人到微纳机器人在介质环境、驱动方式、运载方式和多功能耦合方式等技术特征的基础性改变，以及这些改变带来的技术挑战。重点从设计、制造、控制和检测四个方面，深入探讨了微纳机器人的深层次变化。最后，提出了微纳机器人技术的未来发展方向和建议。通过对这些问题的详细探讨，为未来机器人技术的发展提供了理论指导和实践基础。期望微纳机器人技术能够在更多领域实现突破，为精准医疗、环境治理、微纳制造等提供新的技术解决方案，推动社会和科技的持续进步。

• 大空间刚柔耦合机器人关键技术研究现状及发展趋势

  訾斌, 赵嘉浩, 王威, 杜敬利, 杨桂林

  大空间复杂环境下的自动化、智能化作业在高端制造、航空航天、大型工程等国家重点领域至关重要，是国家制造业创新技术水平的体现。大空间刚柔耦合机器人主要面向大范围空间下的复杂作业需求，兼具刚性和柔性传动特性，有着大空间广域范围下的高运动灵活度与系统自适应性，其发展则依赖于机构学、材料学、力学与智能控制等多学科的交叉融合。针对大空间刚柔耦合机器人的核心理论与关键技术，对大空间刚柔耦合机器人的驱动形式与机构设计、系统建模与性能分析、运动规划与高效控制等方面的研究成果进行了综述，归纳了大空间刚柔耦合机器人的典型工程应用，并对其基础理论与关键技术的未来发展趋势进行了总结与展望。

• 空间轻质高刚度展开臂结构设计及动力学分析

  李潇, 史创, 闫凤霄, 郭宏伟, 李冰岩, 王浩威, 刘荣强

  为提高空间对地观测的精度，人们对用于支撑探测载荷的可展臂性能要求越来越高，提出了一种空间一维轻质高刚度展开臂机构，设计了展开臂锁定铰链及基于Kagome构型的网格臂杆，提出了一种铰链-梁等效动力学建模方法。首先，基于展开臂系统展开锁紧高刚度的需求，设计了用锁钩锁紧的绳索驱动式铰链。其次，基于展开臂系统轻质的需求，选用Kagome构型臂管替代实体臂管，并优选网格参数。然后，基于能量等效原理，分别建立了铰链和臂杆系统的等效刚度模型，在此基础上，建立了铰链-梁等效动力学模型，并采用理论计算、仿真验证和实验测试验证了模型的正确性，该模型可以为其他空间大型展开臂的建模和优化提供理论参考。

• 多点多维微力感知眼科手术器械

  刘建军, 杨洋, 郑昱, 广晨汉, 林闯, 王朝董

  眼组织十分脆弱，毫牛级的力都会对眼组织产生损伤，这种微小的力已经超出了医生的感知极限。针对视网膜黄斑剥离手术中手术镊与眼组织之间的作用力微小、不易感知的问题，提出一种基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)传感器的多点微力感知方法。此方法可以在眼科手术过程中总准确感知器械与眼组织的交互力。结合视网膜手术中的多点多维微力感知要求，提出一种全新的FBG布局形式。建立多点力假设下器械径向变形与FBG波长的理论模型，设计温度补偿方法，形成微力感知方法，实现对尖端径向力、巩膜径向力和巩膜接触位置的同步精准感知。最后，制作微力感知手术镊样机并通过实验进行标定，实验结果表明，尖端径向力、巩膜径向力、巩膜接触位置的均方根误差分别为0.2353 mN、1.51 mN、0.5730 mm，力、位置感知精度满足眼科手术要求。

• 一种非对称Stewart机构的运动精度分析

  刘晓飞, 郭孟涛, 万波, 陈冉, 赵永生

  对一种4/2型Stewart机构的运动精度进行了分析。建立了考虑轴承游隙和驱动分支尺寸误差的机构误差模型，分析了动平台位姿误差的空间分布情况；基于误差模型进行了机构各误差项的灵敏度分析；给出了在满足动平台运动精度要求的条件下各关节精度的取值方法；还给出了分别基于灵敏度-蒙特卡洛法与基于遗传算法的两种精度综合方法；建立了机构的静刚度模型，结合工况综合考虑了各关节误差与结构形变带来的误差影响；并与常规Stewart机构进行了对比分析，证明了其在俯仰工况下的适用性。对今后并联机构精度综合方面的研究具有一定的借鉴意义。

• 一种新型液压装载机工作装置的运动学分析

  黄鹏, 李长硕, 丁华锋, 陈子明, 赵玉倩

  针对一种新型液压装载机工作装置进行运动学分析。首先，采用修正的Grübler-Kutzbach公式计算新型液压装载机工作装置的自由度，分析得出工作装置符合液压装载机的作业要求，可以实现铲斗相对机架的转动和竖直提升运动。其次，基于机构运动环路理论建立新型液压装载机工作装置的运动学正反解数学模型，通过算例与仿真对比运动学正反解的结果，验证机构位置的准确性。第三，采用Denavit-Hartenberg法建立新型液压装载机工作装置的关节空间模型，并对工作装置的关节空间进行求解分析，验证机构运动过程的准确性。最后，通过对新型液压装载机工作装置虚拟样机的一个工作循环进行仿真，分析工作装置最大卸载高度、卸载距离、平移性、卸载性和回位性等性能参数，验证新型液压装载机工作装置的实用性。研究结果表明该新型液压装载机工作装置符合实际工作要求，为液压装载机工作装置设计提供了重要的理论依据。

• 新型模块化农业机器人设计分析与冗余协同控制

  潘宇真, 魏佳炜, KHAN Rezwan Al Islam, 陈雄, 王洪波, 商慧亮

  提出了基于模块化理论的多场景农业机器人，可应用于农业大棚、户外场景等。通过搭载不同的模块化农机设备，实现多种作物的监测、授粉、药物喷洒、采摘等任务，实现了农场自主运行，降低了人工成本。该农业机器人采用悬挂减震系统、独立转向驱动结构和双地形轨道轮设计，可以适应室内平地、轨道、室外农田等多种场景，实现多种运动模态和工作场景的自主切换。针对高精度的底盘机械臂协同运动控制，建立对应的运动学和动力学模型，并根据样机参数分析其控制精度。针对需要遍历目标任务点的工作，提出新型的冗余协同控制策略。试验结果表明，农业机器人样机各项参数均满足工作要求，冗余协同控制策略相比传统的间歇式的效率最多可以提升30%，动力学上的误差也得到数值验证，从数学模型和仿真角度量化了样机参数、遍历效率、控制精度等因素的影响，为进一步的改进和优化提供了指导。试验结果支持机器人在农业场景的设计和实际应用，为农业生产提供高效、精确的解决方案。

• 通用型多功能6自由度串联机械臂运动学综合仿真平台的设计与开发

  李剑, 刘贤松, 张英, 魏世民, 廖启征

  面向6自由度串联机械臂运动学仿真分析的通用需求，开发基于开放图形库(Open graphics library,OpenGL)的综合数字化仿真平台(ManiKASim)。首先，利用WolframScript将运动学分析的算法理论进行模块化设计，实现机械臂运动学分析算法的修改或者替换。其次，基于OpenGL，完成机械臂模型的加载及仿真。同时，利用Qt及其信号与槽机制，设计平台界面及完成平台各模块间的互相通信。最后，以UR10机械臂为例，对平台的运动学功能模块进行实例演示和验证。结果表明，设计和开发的综合数字化仿真平台(ManiKASim)整合了D-H矩阵、对偶四元数、倍矩阵、倍四元数4种常用正逆运动学分析的数学建模和代数求解方法，可用于三轴相交型、三轴平行型、一般6R、1P5R或2P4R等所有构型6自由度机械臂的运动学分析。同时，ManiKASim可以随时更改或者替换机械臂的正运动学、逆运动学、奇异分析、可达工作空间、灵活工作空间和姿态空间等模块的算法，提供了机械臂3D模型控制及运动学功能模块的可视化和表格表示，具有任意视野虚拟操控、全方位观察等功能。开发的ManiKASim仿真平台，可以满足6自由度串联机械臂运动学仿真分析的系统需求，提高分析研究的效率，为6自由度机械臂的设计与应用分析提供帮助。

• 高速大承载Schönflies并联机构动力学建模、性能分析及控制策略

  梁栋, 张珺鹏, 姚福林, 宋轶民, 孙涛

  面向纺织、食品、物流运输等行业中的高速及大承载作业需求，研究一类具有双闭环子结构稳定支链的Schönflies并联机构完备动力学建模、性能分析及控制问题。首先，借助线图法直观简洁表征支链自由度和约束空间，进而揭示出该机构动平台具有三平动和一转动的运动特性。在偏速度分析前提下，基于Kane方程建立机构的精细化多刚体动力学模型及其规范式，为后续性能评价及控制策略开发奠定基础。将任务空间动力学模型转化至关节空间，进而定义关节映射惯性指标和关节空间惯性变化系数指标对机构进行动力学性能分析。开发多体物理仿真模型，验证动力学模型的准确性，进而在获得关节约束力基础上引入摩擦，求解出驱动关节的库伦-粘性摩擦力矩。为实现精确运动控制，提出一种模糊非线性计算力矩控制策略，结合多体物理仿真模型，开展面向作业任务的控制仿真试验，多控制器试验对比结果表明，所提控制策略能有效抑制摩擦力矩及不确定因素影响，实现高精度轨迹跟踪/定位。

• 基于液态金属传感的自感知软体机械手制备及性能测试

  王权岱, 董文斌, 黄乐, 高广明, 杨振朝, 赵仁峰, 李言

  传统刚性机械手在人-机交互的场合存在潜在的安全性问题。在本体嵌入传感器的软体机械手凭借其柔性材料天然的柔顺性以及对自身状态和环境变化的感知能力，在非结构化工作环境的人机交互、易碎及不规则外形物品分拣以及医疗康复助力器械等方面具有良好的应用前景。然而传统传感器属于刚性体，无法匹配软体机械手反复拉伸弯曲工作条件下的大变形。论文采用镓铟锡液态金属合金代替传统电线作为导电体，通过纳秒激光对柔性基底表面处理改变液态金属在表面的润湿性实现液态金属图形化，从而制备出压力和弯曲传感元件；通过实验对所制备的柔性传感器的灵敏性和稳定性进行了测试；基于上述传感器制备工艺，制备了具有压力和弯曲状态自感知的软体机械手，通过实验测试了其对复杂形状物体的抓取能力以及操作过程中的自感知能力。提出一种具有自感知能力的软体机械手的设计制备方法，研究结果在软体机器人、康复辅助器械以及可穿戴柔性皮肤等方面也具有借鉴意义。

• 无人自行车质量偏心识别的认知学习方法研究

  黄用华, 梁子彦, 庄未, 杨海洋

  车体质量偏心对无人自行车航向轨迹跟踪性能有着重要影响，为实现车体质量偏心的在线识别，提出一种无人自行车质量偏心识别的认知学习方法。该方法考虑了车体质量偏心对直线轨迹的影响，并借助车体偏航轨迹和质量偏心之间的逆向映射关系，以车体航向角及航向角积分构造状态评价函数，引入反应式认知学习算法，构造正态分布的学习机制，对学习自动机的期望值和标准差进行迭代更新，并将迭代学习得到的结果补偿到平衡控制器中，最终实现无人自行车质量偏心的在线识别。数值仿真和样机实验结果表明：该方法在多种不同负载状态的场景下经过2～3轮迭代学习后(每轮学习时长为20 s)，车体质量偏心识别的绝对误差维持在0.01 rad内，相对误差不超过10%，并具备一定的抗干扰能力。研究结果可为后续无人自行车航向轨迹跟踪研究提供一定的理论支撑和技术参考。

• 考虑接地效应的轮胎柔性圆环建模及其径向振动特性研究

  余旭东, 赵剑, 郭烈, 李刚, 黄海波

  为了进一步研究轿车用子午线轮胎在自由和接地状态下的径向振动特性，从动力学建模、实验模态分析、参数辨识等研究手段出发，基于经典二维柔性圆环模型，提出了一种考虑垂向载荷和接地长度变化的改进轮胎柔性圆环模型，利用模态叠加法计算得到了胎面径向振动模态。该改进模型主要包括三个子模型：自由轮胎振动模型、静载状态下的轮胎接触模型和接地轮胎振动模型。首先，借助自由状态下的轮胎模态实验和理论模型，采用遗传算法对模型结构参数进行识别；其次，基于轮胎结构参数，利用静载状态下的轮胎接触模型，建立轮胎垂向力-垂向变形关系；最后，通过接地轮胎振动模型计算得到不同垂向载荷下的轮胎固有频率，并开发轮胎有限元模型进行验证。结果表明，提出的改进轮胎柔性圆环模型能够反映出1 000～5 000 N垂向载荷下接地轮胎频率分裂现象，并且可以有效预测接地振动行为。研究丰富了经典轮胎柔性圆环模型的应用场景，为接地条件下的轮胎振动和噪声分析提供了可供借鉴的思路和方法。

• 考虑弹流润滑的滚动轴承裂纹萌生及演化模型

  贺志远, 陈果, 陈家运, 刘曜宾, 盛嘉玖, 尉询楷

  滚动轴承在润滑装配良好的情况下，其最终的失效形式主要是由滚动接触疲劳引起的次表面裂纹直至表面剥落。为更好地揭示轴承疲劳裂纹的萌生及演化机理，基于连续损伤力学理论和有限元分析，建立了一种高效的考虑弹流润滑(Elastohydrodynamic lubrication,EHL)的轴承裂纹萌生及演化模型。比较了Hertz接触压力与考虑EHL压力耦合因素的轴承疲劳损伤演化结果，同时探讨了不同载荷以及随机表面粗糙度等因素对轴承损伤演化和循环寿命的影响规律。在线弹性力学基础上分析了材料属性对轴承损伤演化的影响。结果表明，仿真模拟的损伤演化过程和剥落形状与现有的试验结果相吻合，研究揭示了轴承裂纹萌生至损伤形成的物理机制，可以作为一种有效的模拟轴承损伤演化的工具。

• 多柔索驱动细长杆件减摇系统动力学分析与实验

  孙茂凱, 王生海, 韩广冬, 方楠, 陈海泉, 孙玉清

  细长杆件类结构物在吊装转运过程中呈现出典型的双摆特性，为解决高海况下细长杆件类结构物吊装过程中的摆动问题，提出了多柔索驱动的细长杆件减摇系统，并运用机器人学和牛顿欧拉方法建立细长杆件减摇系统的动力学模型，并进行动力学分析，研究了阻尼系数、吊钩与细长杆件质量和长度比以及船舶运动激励对细长杆件减摇系统的影响。根据多柔索驱动细长杆件减摇系统的原理搭建了缩比实验样机。硬件实验结果表明细长杆件减摇系统的仿真曲线与实验结果相吻合，验证了细长杆件减摇系统动力学模型的准确性，研究成果可为细长杆件这类双摆系统的多柔索减摇控制器设计提供依据，同时为细长杆件减摇系统的进一步的工程应用提供理论基础。

• 考虑动态波纹的陶瓷轴承-转子系统非线性振动特性研究

  王展, 陈思阳, 王子男, 张珂

  陶瓷轴承在运行过程中由于部件长期磨损会导致表面呈现波纹，而轴承内部温升会使波纹形貌产生热变形。所造成的表面波纹动态变化会加剧轴承-转子系统的振动并引起系统的不稳定。针对这一问题，提出一种动态的波纹模型，并建立12自由度的陶瓷轴承-转子系统的动力学模型。采用Newton-Raphson和Newmark-β嵌套迭代的求解方法将拟静力学模型和动力学模型进行结合。运用分岔图，相轨迹，轴心轨迹，庞加莱映射等分析转速，热变形，波纹幅值，波数等对系统非线性振动的影响。结果表明，波纹幅值的增加导致失稳区域的中心向高速区间移动，且扩大了热变形的影响范围。热变形增大了高速区间的失稳区域宽度。波数的变化会导致频谱幅值的大小顺序发生改变，越接近滚动体个数的整数倍，振动越不稳定。该研究为进一步探究陶瓷轴承及转子系统的动态运行机理并为其优化设计奠定理论基础。

• 紊流效应下节流管空气阻尼弹簧动力学建模及灵敏度分析

  陈俊杰, 刘晨, 邱光琦

  以节流管空气阻尼弹簧为研究对象，基于热力学和流体力学建立了空气弹簧主、副气室模型；考虑节流管空气阻尼弹簧工作过程中节流阻尼管内压缩气流的非线性特性，建立了节流阻尼管气流紊流模型；共同构建了系统内部压缩气体交换模型。采用Coulomb摩擦模型和分数导数Kelvin-Voigt模型描述橡胶气囊的幅频特性，结合气体交换模型，最终建立了节流管空气阻尼弹簧系统动力学模型，在系统平衡点附近进行了模型线性化并提出了系统动力学特性量化指标。在此基础上分析了节流阻尼管气流的紊流效应、橡胶气囊力学特性对系统动力学特性的影响规律，且所建模型可以较好地表述系统的幅频特性，验证了模型的有效性和准确性；并进一步研究了节流阻尼管关键设计参数对系统量化指标的影响规律。研究结果为空气阻尼弹簧在新能源汽车智能底盘中的产业化推广提供理论指导。

• 局部涂覆约束层阻尼纤维金属层合板非线性振动特性

  许卓, 许沛尧, 顾大卫, 谭大鹏, 李晖, 闻邦椿

  提出了一种考虑幅值依赖性的局部涂覆约束层阻尼的纤维金属层合板非线性振动模型。首先，基于Jones-Nelson非线性理论，推导了纤维层、金属层、黏弹性层和约束层4层之间的应力-应变关系。其次，利用能量法和Newton-Raphson迭代法求解了所研究结构的非线性振动特性；最后，基于复模法计算得到了结构的阻尼特性；为了验证模型的准确性和有效性，搭建了相应的实验测试系统，以涂覆不锈钢/Zn-33约束层阻尼的TA2/TC500纤维金属层板为研究对象进行了相应的测试。此外，还讨论了不同涂覆参数对纤维金属层合板非线性振动特性的影响。

• 磁化效应对高速磁悬浮外圆磨削电主轴回转精度影响规律研究

  孙文彪, 熊万里, 原帅, 曾旭, 汪剑

  回转精度是高速磁悬浮外圆磨削电主轴的重要性能指标，通常以回转误差来衡量，主要受动不平衡力和轴承特性等因素的影响。铁磁体轴承会因磁化效应输出非线性电磁力，工程上为了实现高回转精度控制，一般通过硬件试验建立查找表对轴承力进行线性化处理。但是当轴承设计变更时，需要重新试验以更新查找表，增加了研发成本和周期。如果能明确磁化效应对主轴回转精度的影响规律，省略试验环节，将有效节省成本和周期。为研究磁化效应对回转精度的影响规律，根据主动磁轴承的基本原理，对无磁化模型、固定磁导模型、Jiles-Atherton (J-A)瞬态磁导模型三种不同磁化模型的电磁力输出特点进行了对比。建立了包含转子动不平衡力、轴承电磁力和磨削力的电主轴刚性转子动力学系统模型。通过系统模型仿真研究了磁化效应对系统闭环幅频特性的影响，发现磁化效应会显著改变系统的低频和中频响应。砂轮中心处回转误差的时域仿真结果表明磁化效应会增大回转误差，固定磁导模型和瞬态磁导模型在偏置电流点附近小范围内的计算结果近似。采用固定磁导模型进行轴承设计，并采用瞬态磁导模型进行验证，是实现磁悬浮磨削主轴高回转精度的可行技术路线。

• 硬脆元件表面低温等离子体及其复合加工技术研究现状分析

  李伟, 胡小龙, 段辉高, 邓辉, 黄向明, 任莹晖, 艾哈迈德·穆罕默德·马哈茂德·易卜拉欣

  在芯片、光刻机、激光核聚变装置等国家重点工程驱动下，高精高质硬脆元件需求日益迫切，但是现有半导体晶圆、光学元件等硬脆元件表面加工技术还存在诸多局限，远不能满足实际需求。低温等离子体加工技术具有无机械接触和灵活性强等优势，可以实现硬脆材料元件表面的高效率近无损伤加工，但在加工均匀性、面型精度等方面仍面临着严峻挑战。因此非常有必要深入分析等离子体加工机理、工艺及装备方面的研究现状、存在的问题及发展趋势，为硬脆元件表面的高精高质加工提供技术参考和借鉴。分析了等离子体原子尺度下的加工机理，总结了硬脆元件等离子体加工技术及装备方面的研究现状；在此基础上，探讨了等离子体及其加工装备存在的问题，由此指出等离子体加工技术的发展方向，以期促进等离子体技术在硬脆元件加工方面的推广应用，助力我国半导体晶圆、光学元件等硬脆元件超精密加工制造水平的提升，支持国家重点工程的发展。

• 坡口角度对SK7钢/AZ31B镁合金搭接接头成形和力学性能的影响

  郎强, 宋刚, 刘黎明

  针对钢在上、镁合金在下的特殊搭接结构需求，提出了激光诱导TIG电弧复合填丝焊接工艺，填AZ61镁合金焊丝焊接SK7碳素工具钢和AZ31B镁合金，重点研究了坡口角度对焊接接头成形和力学性能的影响规律，分析了接头断裂行为与性能强化机制。结果表明，坡口的存在，改变了接头断裂模式，消除了钢侧壁冶金结合弱成为裂纹源的问题，增加了坡口处SK7/AZ61界面冶金反应面积，改善了焊丝在基体两侧的铺展。焊接接头性能随坡口角度的增加而增加，当坡口角度θ=75°时，接头线载荷达到117.36 N/mm。电弧向坡口的偏转放电转移了电弧热分布区域，保障了镁合金基体的背部完整性。作用在坡口处的激光束提高了SK7/AZ61界面的冶金反应温度，SK7/AZ61界面高温冶金反应生成的Fe3Al IMC和AZ61/AZ31B界面的同质熔合是实现接头可靠连接的关键，而脉冲激光在坡口上形成的匙孔的锁孔效应强化了接头性能。

• 基于拓扑优化的无竖杆体面心立方点阵结构设计与试验研究

  陈建超, 孙志广, 刘博玮, 丁明超, 王加春, 郭保苏

  现有点阵结构设计方法较少考虑晶胞结构实际受力工况，难以发挥出点阵结构的最佳性能。针对该问题提出基于拓扑优化的点阵结构设计方法，建立了适用于不同工况背景的优化模型，得到基于拓扑优化的多载荷、多约束优化列式。基于该列式提出了适应受力条件的点阵晶胞结构设计方法，构建了基于压缩工况条件下的新型无竖杆体面心立方点阵(Non-vertical struts body and face-centered cubic，NVBFCC)结构，建立了NVBFCC相对密度理论模型和等效力学模型，研究了晶胞的梁、杆尺寸对晶胞体积分数和结构强度的影响规律。完成了该点阵结构的准静态压缩试验和有限元力学仿真分析，结果验证了相对密度理论模型和等效力学模型的准确性，给出了梁、杆最优尺寸确定原则，实验表明较传统体面心立方晶胞结构，NVBFCC抗压强度和等效弹性模量分别高出136%、100%，显示所提出方法生成的点阵结构有着更优异的性能。

• 新型振动辅助粉末输送系统增材制造钴基合金/铜合金界面互锁结构

  唐锦荣, 王迪, 刘林青, 谭华, 李扬, 周伟, 陈国星, 杨永强

  多材料激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion,LPBF)成形过程中，高质量的粉末输送对于保证成形稳定性并提升零件的成形质量具有重要意义。设计了一种新型超声振动辅助粉末输送系统，分析了振动辅助模块的频率特征，并研究了针头直径对落粉效果的影响，通过0.3 mm直径的针头实现了稳定、良好的粉末输送效果。通过上述粉末输送系统LPBF成形三种具有不同界面互锁结构(齿形、正弦、矩形)的钴基合金/铜多材料零件，验证了该粉末输送系统的可行性。进一步研究了三种不同互锁结构的界面特征，分析了界面处宏观样貌、微观缺陷以及元素分布。结果表明，振动辅助模块在21 kHz频率下能正常落粉，成形零件界面出现了两种金属的混合区。齿形互锁结构的成形质量优于正弦与矩形结构，其界面处的材料结合良好。以上结果能为粉末输送系统设计以及金属多材料界面结构设计提供参考。

• 基于摩擦诱导选择性刻蚀的低反射率锗表面加工研究

  王义飞, 何旺, 陈婷婷, 崔立聪, 汪红波, 余丙军, 钱林茂

  具有特定表面结构的单晶锗在保持高红外折射率、低吸收、低色散、抗高温等传统优势的同时还具有反射率低的显著特点，这为高性能红外光学元器件制造、红外热辐射控制、光学涂层和减反技术的发展提供了理想的选择。湿法刻蚀在加工特定表面结构方面具有效率高、均匀性好等特点，在各向异性材料表面的纳米加工方面具有一定优势。然而，单晶锗表面的各向异性湿法刻蚀特征并不明显，使得其湿法刻蚀工艺进展缓慢，导致目前依然难以用湿法刻蚀的方法实现单晶锗微纳米结构的可控加工；同时，实现超低反射单晶锗表面的加工技术面临着易损伤、效率低、工艺复杂、成本高等技术挑战。为此，基于H2O2-NaOH刻蚀剂的摩擦诱导选择性刻蚀加工方法在单晶锗表面实现了可控的各向异性刻蚀，解决了传统湿法刻蚀加工技术难以在单晶锗表面直接加工纳米结构的瓶颈问题。最后，基于该方法加工出了多种单晶锗超构表面，并在800～1 800 nm波段范围内实现了13%的超低反射率。这种独特的微纳米加工技术为低反射单晶锗超构表面的可控构筑提供了新的解决方案。

• 动态载荷不确定条件下的周期性结构稳健拓扑优化

  蔡金虎, 黄静, 黄龙, 付志方, 吴宏宇, 尹来容

  周期性结构由于具有轻质、吸能、减震等性能优势而在航空航天、能源动力等领域的结构设计中受到广泛关注。然而，现有的关于周期性结构拓扑优化的研究大多是在静态载荷条件下进行的。考虑到实际工程中存在动态载荷的作用以及载荷不确定性对设计结果的重要影响，有必要开展动态载荷不确定条件下的周期性结构拓扑优化方法研究。综合考虑动态载荷的大小、方向、作用位置和激励频率存在不确定性，以结构动柔度模的均值和标准差的加权和为目标函数、结构体积分数为约束，建立了动态载荷不确定条件下的周期性结构稳健拓扑优化模型，提出了基于复合变量降维法和高斯积分法的不确定性量化与传播方法，导出了目标函数的计算方法及其对设计变量的灵敏度列式。通过数值算例验证了所提方法的有效性以及动态载荷不确定性对周期性结构拓扑优化设计的影响。

• 物理-经验混合知识模型驱动的感应电机工况辨识方法

  凌云飞, 刘志亮, 谢川, 左明健

  工况辨识是感应电机状态监测的基础，然而现有的非侵入式方法在精确度、鲁棒性和泛化性方面存在不同程度的问题。针对这些挑战，提出了一种对感应电机转速、负载转矩两种工况参数进行辨识的新方法，该方法基于物理-经验混合知识模型，融合了物理模型法的明确机理和经验模型法的易于实施两方面的优势。本文方法引入定子电流的频率与有效值两个维度的经验信息，从感应电机物理模型出发，分别推导了定子电流频率与有效值这两个因变量和感应电机转频、转矩负载之间的物理关系式，并以此作为后续分析的拟合函数形式，结合先验工况辨识经验数据集进行最小二乘拟合确定了该拟合函数中的待定系数，从而实现了仅使用定子电流信号对感应电机工况参数进行虚拟测量。本文方法引入了定子电流中包含的多维经验信息，并且采用了具有物理机制的拟合函数，因此具有辨识精确度高、鲁棒性强的天然优势。实验结果表明，采用本文方法辨识的工况参数与真实值吻合较好，同时与其他已有工况辨识方法进行了对比，验证了本文方法在工况辨识精确度上的先进性。

• 尖轨复杂型面激光测量与三维重构方法研究

  樊文刚, 吴昌昕, 吴志伟, 李江

  尖轨是道岔转辙器的关键基础部件，关乎着列车运行平稳性和安全性，其型面测量与重构是实现高效高质自动化加工的根本前提。针对线激光传感器测量所得海量点云数据处理速度慢和配准重构精度低的问题，提出一种尖轨复杂型面的激光测量与三维重构方法。首先，采用组合滤波法去除点云离群噪点，弥补了单一算法去噪能力不足的缺陷，结合直观对比结果和量化评估标准选择双边滤波进行平滑处理，提出基于提取尖轨轮廓的体素网格法完成精简。然后，根据尖轨端面几何特征提出一种尖轨点云三维型面粗配准方法，并对精配准算法改进，实现点云配准，精配准后左右侧点云的均方根误差值分别为0.065 mm和0.067 mm。最后，采用改进的贪婪投影法对配准后的点云进行三维重构，并对比重构数据与实测数据，轨高的平均偏差为0.16 mm，轨底宽的平均偏差为0.17 mm，验证了尖轨复杂型面激光测量与三维重构方法的有效性。

• 基于帽贝牙齿齿廓构形的PCBN仿生刀具研究

  马晶, 李胜杰, 刘强, 刘献礼, 杨绍成, 张明鉴

  淬硬钢Cr12MoV属于典型的难加工材料，在切削过程中产生的机械载荷高，切削难度大，刀具易磨损、崩刃，降低刀具的使用寿命。为解决淬硬钢Cr12MoV切削过程中切削力大的问题，基于仿生学原理，将帽贝牙齿内轮廓结构运用到PCBN刀具前刀面的设计中，提出了具有帽贝齿廓构形的PCBN仿生刀具。通过切削仿真分析PCBN仿生刀具结构参数对切削力的影响规律，发现前刀面第一圆弧半径R1对切削力的影响程度最大，前刀面第二弦长L3对切削力的影响程度最小。以切削力最小为目标对PCBN仿生刀具前刀面结构参数进行优化，并完成最优结构参数的PCBN仿生刀具制备。以切削力、切屑形态、刀具磨损为切削性能指标，与PCBN平面形刀具对比发现，PCBN仿生刀具切削力得到降低，省力效果最大可达16.1%；对切屑形态分析发现PCBN仿生刀具的锯齿化程度得到改善，切削过程更加平稳；PCBN仿生刀具前刀面和后刀面磨损面积较小，刀具使用寿命得到提高。

• 机电装备全工作域能效运维的难点与挑战

  段荣, 江志刚, 张华, 龚青山, 李明遥

  随着我国高能效机电装备的规模化应用与能效约束的持续加强，提升装备的专业化节能运维服务能力，保障装备的各工作单元在其各工况场景的全工作域运行中充分释放自身能效潜力，是我国工业能效全面提升进程中迫切需要解决的关键问题。然而，影响装备能效损失的内外因素众多，且深度耦合在装备全工作空间域的不同工作单元内及其全工作时间域的多工况场景中，致使能效运维的过程与目标难以有效控制，全工作域能效运维实施困难。为此，通过分析机电装备全工作域低能效服役的起因，探索全工作域能效运维的问题特征，明确影响工程实践的关键科学难题；进而详细综述机电装备的全工作域能效损失分析与调控因子识别、全工作域能效运维过程模型构建、全工作域多目标能效运维优化三大难题的代表性研究进展，讨论当前的研究现状与研究面临的主要挑战；从而给出全工作域能效运维的研究层次及其研究重点。

• 磁性剪切增稠抛光材料去除特性与预测模型

  田业冰, 马振, 钱乘, AHMAD S, 马锡峰, 苑祥昱, 范增华

  磁性剪切增稠抛光(Magnetorheological shear thickening polishing,MRSTP)是一种结合了剪切增稠和磁化增强双重刺激响应的新型多场复合抛光方法，能够满足难加工材料的高效精密抛光，但是MRSTP的微观材料去除与抛光介质流变学性能的关系尚不明确。利用磁流体力学、非牛顿流体运动学和微观接触力学，将单颗磨粒的材料去除模型与活性磨料的统计模型相结合，建立了MRSTP的材料去除预测模型。分析了抛光介质的流变特性，研究了加工参数对工件表面所受流体压力的影响规律，深入探究了磁场与应力场之间的耦合作用，揭示了MRSTP的材料去除机制。利用MRSTP方法在Ti-6Al-4V工件表面上获得了2.7 μm/h的最大材料去除率(Material removal rate,MRR)，MRR理论值与实验值的相对误差为18.95%，验证了材料去除预测模型的有效性，结果表明，MRSTP方法在实现难加工材料的高效加工方面具有巨大的潜力。

• 光固化3D打印SiOC (Fe)陶瓷及其吸波性能研究

  林骁, 刘志远, 刘长勇, 陈张伟

  以聚合物前驱体陶瓷材料为基础，以乙烯基二茂铁作为铁源，采用光固化3D打印的方式制造了SiOC (Fe)复合陶瓷吸波材料。利用光固化3D打印精度高、产品形状多样的特性，制备出具有特殊点阵结构的复合吸波陶瓷结构，探索了配方组成对打印件电磁吸波性能的影响。通过对复合材料的物相结构、微观形貌及吸波性能进行综合分析发现：当以乙烯基二茂铁作为铁源时，经过打印和热解处理的样品仍然含有非晶相的碳，这表明该陶瓷具有出色的高温稳定性和高温抗氧化性能。经过热解处理后，样品中出现了一定量的C和Fe3C晶体相，这说明VcFe与SiOC在高温热解过程中发生了反应，生成了自由碳和Fe3C。所有样品均属于软磁性材料，在10～18 GHz的频率范围内，所有样本的反射损耗值(R值)都在-10～-20 dB之间，表明所有样品对电磁波的吸收率都可达到90%～99%。