机械工程学报

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• 迁移拓扑规划的机械设备群体协同智能诊断方法

  杨彬, 李雅宁, 雷亚国, 李响, 曹军义, 武通海

  机械设备群体协同服役是实现网络化协同制造的核心载体，对设备群体进行数据中心化的智能诊断，存在数据流通壁垒、个体差异显著的挑战难题。为突破数据流通壁垒、提升诊断模型的群体适应性，现有研究尝试建立去中心化、分布式的协同诊断架构，然而，在规划设备群体诊断任务时存在盲目性，且在融合各设备节点的局部诊断模型过程中，忽视了个体重要度分布不均的客观事实。对此，提出迁移拓扑规划的群体协同智能诊断方法，首先建立迁移拓扑结构，描述各设备节点之间诊断知识的流出与流入关系；然后综合考虑数据质量、可用数据量、诊断知识可迁移性、通信资源、个体重要度等多重因素，优化求解迁移拓扑规划问题，以确定设备群体诊断知识的流向关系与个体重要度分布；最后建立个体重要度加权的协同诊断架构，训练适用于设备群体的全局诊断模型。通过多台设备的轴承故障数据对提出方法进行验证，结果表明：优化后的迁移拓扑结构，能够有效地反映设备群体诊断知识的最佳流向关系，提高了全局模型的诊断精度与群体适应性。

• 多载荷激励下轧机四列滚子轴承故障动力学建模及其响应特性研究

  吝水林, 胡博文, 孙建亮, 彭艳

  四列滚子轴承作为轧机的关键部件，在恶劣服役环境下发生故障可能引发轧机振动加剧、产品表面质量下降甚至生产事故。针对现有动力学方法局限于通用单列轴承，且模型关键参数依赖实验室数据而无法保障模型的准确性和有效性，提出多载荷激励下轧机四列滚子轴承故障动力学建模及响应特性研究方法。通过构建辊系整体和轴承局部激励载荷模型，准确表征轧制过程中的力学行为与动态激励。在此基础上，提出轧机轴承故障动力学建模方法，揭示故障特征与系统响应之间的内在机制。为进一步验证模型与方法的有效性，搭建工业测试平台并进行试验验证，对比分析理论结果和实测数据。结果表明，接触载荷和加速度信号会在滚动元件经过故障区域时先后产生两次冲击，其中首次冲击后因与故障前壁持续接触导致载荷小幅回弹，二次冲击则引发内外滚道接触载荷交替变化及高频振动。随着碰撞能量衰减，系统最终转为以低频本征振动为主导的响应状态。此外，在轧制产品厚度为3.2 mm的SPA-H钢时，上工作辊因滚动体故障在稳态轧制阶段仍产生显著冲击响应和位移波动，导致辊缝失稳，而下工作辊则保持平稳运行状态。

• 圆光栅任意角位置测角误差分离与自校准方法

  金雨生, 丁建军, 李常胜, 刘阳鹏, 刘昕东

  圆光栅角编码器的综合精度直接关系到高端装备与精密检测性能。针对基于自准直仪和多面棱体的离散标定测点稀疏、难以表征全圆误差分布的问题，提出一套无需外部基准的自校准体系：构建基于傅里叶时移特征的测角误差检测模型，推导多传感器测角数据和误差谱的解析传递关系，并设计最小方差、平均和传递函数模值三类权重的数据融合策略，实现全圆连续误差提取与补偿。围绕传感器布局、融合权重、传感器一致性与采样密度开展仿真(含安装相位与噪声的蒙特卡洛)与试验验证。基于雷尼绍REXM20USA255码盘及配套的T2001-30A读数头和Ti2000A12E细分盒搭建角度计量平台，并与光电自准直仪与多面棱体检测结果进行比对，试验结果表明：在最小方差权重下检测效果最佳，单传感器经自校准后的全圆绝对误差约±0.8″；提升采样密度可显著降低谐波误差残余(PV值由0.29″降至0.10″)；综合可观测性与抗噪声能力，推荐三读数头布局。该方法验证了自校准理论的有效性，为无法配置外部高精度仪器的场景提供可部署方案。

• 数据机理双模型融合的刀具磨损监测方法

  陈安航, 张海霞, 袁东风, 韩乔剑, 李娜, 曹凤

  针对刀具磨损监测中数据驱动方法缺乏物理可解释性、机理模型实时性不足的问题，提出一种数据与机理双模型融合的预测算法。首先，构建振动信号多尺度时空特征提取网络，通过融合多尺度卷积神经网络与Transformer，捕捉刀具退化的动态特性；建立铣削过程的有限元仿真模型，基于Usui磨损率方程模拟刀具几何演化；设计强跟踪卡尔曼滤波算法，利用机理仿真结果作为状态转移先验、数据预测值作为观测更新量，实现刀具磨损量的动态最优估计。试验结果表明，与单一模型驱动的预测方法相比，所提的数据机理双模型融合预测算法能显著提高刀具磨损监测的精度与鲁棒性。

• 智能夹具用高精度夹持力传感器研究

  赵友, 赵玉龙, 郭鑫良, 王建军, 蔡永康, 陈兆翔, 郭振飞

  在精密机械加工过程中，零件受机床夹具夹持的稳定性与可靠性直接影响零件加工的表面质量和尺寸精度。为在线测量机械加工过程中零件所受夹持力的大小及其动态变化情况，提出一种基于压阻式测力芯片的内嵌式智能夹具夹持力传感器设计与制造方法。该智能夹具内部封装有夹持力传感器，夹持力传感器以智能夹具的拉杆作为弹性敏感元件，压阻式测力芯片粘贴在拉杆上检测拉杆受到的拉力，并根据智能夹具内部结构关系将拉力转换为夹持力。通过理论计算和有限元仿真方法，对拉杆强度、传感器固有频率、夹持力与拉杆拉力之间的换算关系进行了分析。加工制造智能夹具零部件，并通过内嵌式封装的方法实现夹持力传感器与夹具的集成封装。通过静态和动态性能测试研究了传感器的综合性能技术指标。所研制的夹持力传感器的直线度为-0.31%FS、滞后为0.39%FS、重复性为0.18%FS，安装固有频率为154 Hz，对应可用的最高机床主轴转速为6 930 r/min。所研制的智能夹具夹持力传感器具有良好的静态和动态特性，能够满足精密加工过程中零件夹持力的在线与动态检测应用需求。

• 基于自适应压缩感知的波纹复合板界面光声快速成像方法研究

  张彦杰, 徐智慧, 李彧, 王涛, 杨荃, 蒋瑞澎, 王伟

  波纹辊轧制工艺中复杂界面缺陷的高效检测是提升金属复合板质量的关键挑战。针对传统超声成像方法在波纹界面检测中存在的位置偏差和效率不足问题，提出一种融合自适应压缩感知与改进相移迁移法的光声成像新方法。通过构建分段常数波速函数模型和加窗计算方法，有效解决了传统相移迁移法在第二层介质底面成像的失真问题。创新性地引入基于信号排列熵的自适应采样策略，实现压缩感知技术在保持成像质量前提下的数据采集量优化。试验结果表明，在使用分段数为6，采样率为0.3的自适应压缩感知方法后，计算时间减少82%，重构信号标准差降低82%，成像结果PSNR值提升5.7%。该方法在成像精度和速度方面均优于传统算法，为复杂界面金属复合板的快速成像检测提供新的思路。

• 压电致动器的精密位力自感知方法研究

  王彧, 崔玉国, 杨依领, 崔志英, 毛昊阳, 娄军强

  降低微纳定位系统的成本以及设计难度，研究压电致动器的精密位力(即输出位移与输出力)自感知方法。首先，根据压电致动器在外力和电压下产生变形，同时压电晶片产生电极化而在其表面形成电荷，进而基于第一类压电基本方程，并考虑压电致动器绝缘电阻与运放偏置电流的影响，提出了能够精密、简便地自感知压电致动器输出位移与输出力的电流积分法。其次，给出影响自感知精度的运放偏置电流、压电致动器绝缘电阻、荷位常数、荷力常数的精密辨识方法，并通过试验进行了相应辨识。最后，试验验证所提出的精密、简便自感知方法的有效性，结果表明所提出的自感知方法不仅具有较高的精度、分辨率以及稳定性，而且能够较好地反映压电致动器输出位移与输出力的蠕变与迟滞特性。

• 基于涡流热成像的钢丝绳表面缺陷红外视觉检测方法

  周坪, 周公博, 王晗宇, 王攀, 闫晓东, 李远博

  钢丝绳作为重要的提升、牵引与承载构件，在服役过程中其表面易产生断丝缺陷，严重影响绳系统的运行安全。针对传统视觉检测方法易受钢丝绳表面油污影响，引入脉冲涡流热成像技术，结合钢丝绳金属构件热传导特性，提出一种基于脉冲涡流热成像的钢丝绳表面缺陷红外热视觉检测方法。通过脉冲涡流热成像仿真探明钢丝绳感应加热机理与断丝缺陷的温度分布规律；构建钢丝绳断丝缺陷热视觉检测系统，设计基于脉冲涡流热成像的钢丝绳断丝缺陷表征与信号处理方法；建立钢丝绳表面缺陷红外热像数据集，并设计基于深度目标检测网络的YOLOv5_WR-seg模型对钢丝绳断丝缺陷进行检测识别；研究在役钢丝绳表面油脂油污对红外热视觉检测方法的影响，实现油脂油污覆盖下断丝缺陷的检测，克服油脂油污对断丝缺陷检测的视觉干扰。试验结果表明，所提出的方法可以实现有/无油污覆盖下钢丝绳表面断丝缺陷的准确检测。

• 阵列电磁超声全矩阵采集与全聚焦成像方法研究

  郑阳, 张宗健

  采用全聚焦方法实现电磁超声全聚焦成像检测，以跑道型线圈作为阵元，设计两个不同阵元宽度的八阵元横波线阵电磁超声传感器(Electromagnetic acoustic transducer, EMAT)，并建立电磁超声全矩阵数据采样试验系统。试验在试块不同位置上采集人工缺陷的电磁超声检测全矩阵数据，并通过后处理对缺陷进行全聚焦成像检测，研究电磁超声全聚焦成像检测缺陷的规律，初步分析影响电磁超声全聚焦成像检测的因素，同时对比分析不同阵元宽度线阵EMAT对电磁超声全聚焦成像检测的影响。结果表明，电磁超声全聚焦成像能够有效检测出试块不同区域内的缺陷，证明了电磁超声实现全聚焦成像的可行性和有效性，同时线阵EMAT的全聚焦成像受阵元辐射声场扩散性影响，在相同检测区域内较小阵元宽度的线阵EMAT能够获得更好的缺陷成像效果。

• SiC铝合金复合材料梯度航天探测结构电弧增材制造

  郑博, 余圣甫, 余振宇, 孟筱灏

  含SiC 2 wt.%以上铝合金材料梯度航天探测结构具有良好的抗变形能力，常用于制备高超声速飞行器导引头。研制具有良好工艺性能的含SiC铝合金粉芯丝材，分析铝合金材料梯度航天探测结构特点并进行了双丝电弧增材制造工艺研究。结果表明，开发的Al-Si-SiC合金体系粉芯丝材在双丝电弧增材制造过程中，对主丝电弧稳定性影响小，沉积金属具有较高的强度和高的弹性模量。分析了铝合金材料梯度航天探测结构特点，采用分区成形策略，旁轴送丝电弧增材制造构件成型精度控制方法，制备出了SiC质量分数从2%～4%材料梯度变化的铝合金梯度航天探测结构，结构件平均尺寸偏差为±1.16 mm，在5g加速度、10 min振动测试条件下未发生明显变形、开裂现象，抗振动变形能力强。研究结果可为制备高性能陶瓷相改性航天复杂铝合金构件提供理论依据和基本数据。