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机械工程学报
机械工程学报

宋天虎

半月刊

0577-6686

jme@cmes.org cjme@263.net

010-88379907

100037

北京百万庄大街22号

机械工程学报/Journal JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊进登机械工程方面的基础理论、科研设计和制造工艺等方面的学术论文，报道自然科学基金项目论文和国外学者的论文反映本学科的最新发展和最新科研成果。在国内外机械科技领域享有很高声誉，并有较大影响。曾荣获“中国期刊奖”，在中国科协、北京市和全国科技期刊评比中均获得奖励。在国内已成为机械类和力学类核心期刊。已被美国工程索引（EI）等国内外20余种文摘刊物和数据库收录。
正式出版
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    面向多级循环再利用需求的产品易拆解交互式设计与知识推送研究

    鲍宏高翼飞万超刘志峰...
    257-267页
    查看更多>>摘要：设计具有更好的循环再利用性、低碳排放及经济性的产品,有效应对绿色贸易壁垒,是未来产品实现生命周期碳中和、资源节约与循环的关键因素之一.传统易拆解设计研究着重强调易拆解设计准则的导入,忽略了多级循环再利用需求对设计目标的影响,存在概念与详细设计过程与多级循环再利用需求及其场景协同交互程度差、知识使用粗略、设计效率低等问题.论文基于产品设计需求和多级循环再利用需求,构建了面向概念设计与详细设计阶段的产品易拆解设计过程框架,面向零部件多级循环再利用策略开展易拆解结构的关联度分析,通过结构聚类形成易拆解模块化结构,构建面向不同设计阶段的设计-评价交互式模型及易拆解性评价体系,探讨了面向多级循环再利用需求的易拆解设计知识推送策略、关键技术与系统开发,并以洗碗机产品的设计案例验证了方法的可行性.

    多级循环再利用易拆解设计模块化交互性设计知识推送

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    微观几何设计制造的关键技术与工程应用

    刘振宇陈轲文裘辿李明...
    268-280页
    查看更多>>摘要：近年来,高端装备制造技术朝着极高精度、极高性能与极限尺度方向迅猛发展,对几何学提出了一系列新的问题和需求.微观几何学描述和刻画在表面或内部具有微小尺度细节的几何特征,为表征、设计、加工和测量微观特征提供了数学基础.本文阐述了微观几何的基本概念与内涵,分析了微观几何在微尺度建模、跨尺度关联和局部形状控制方面的特点.从微观几何的表示与建模、多物理场仿真、智能设计与优化、高精度制造、高效率测量等五个方面梳理了微观几何设计制造的关键技术,并凝练了微观几何设计制造亟需解决的宏观-微观耦合的几何表征、材料-结构-工艺-性能一体化设计、原子尺度的几何表征与测量等关键科学问题.最后介绍了作者团队在基于混合维的复杂零件真实表面建模、基于接触簇约束的复杂产品装配仿真与分析、复杂微孔结构建模与拓扑优化设计等方面的相关研究工作.

    微观几何微观表面微观结构几何表征设计优化高精制造

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    柔性手爪机构设计与变刚度技术研究发展综述

    潘杰于靖军裴旭
    281-296页
    查看更多>>摘要：手爪是作业型机器人系统中重要组成部分,其作业形式和性能决定着机器人的整体能力.通过对手爪的创新设计可有效降低机器人对材料加工、零部件装配、运动感知和控制算法开发等依赖,显著提升机器人对复杂作业环境和对象的自适应能力.当前机器人手爪的种类主要分为刚性手爪和柔性手爪两大类.相比刚性手爪,柔性手爪在未知环境下作业、夹持几何非规则物体、夹持表面易碎物品和安全人机交互等方面具有良好的优势.与此同时,柔性手爪在实现柔顺性变形同时也存在因结构刚度不足而导致输出力小、操作精度差等问题,目前尚未被很好地解决,因此如何在保证柔性手爪柔顺变形的同时保持手爪的载荷输出能力是当前亟需解决的问题.针对柔性手爪的机构设计和变刚度技术共性话题,结合提升柔性手爪的形状自适应性和作业载荷能力的背景需求,从柔性手爪的构型设计和变刚度技术两个方面详细分析了柔性手爪在发展中所取得的显著进展和不足,系统总结了柔性手爪的研制技术和所面临的主要挑战,为柔性手爪的多功能化和智能化提供新思路,拓展柔性手爪的应用领域,提升机器人的整体作业能力.

    柔性手爪柔顺变形自适应机构设计变刚度

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    基于固有频率的运动冗余并联机构位置逆解优选方法

    吴震李秦川叶伟
    297-307页
    查看更多>>摘要：运动冗余并联机构在规避奇异、增大工作空间、提升机构性能等方面具有显著优势,但运动冗余并联机构位置逆解不唯一,需要考虑性能指标进行优选.提出一种运动冗余并联机构位置逆解优选新方法.首先,基于闭环矢量法和全局独立广义位移坐标法,对运动冗余并联机构进行运动学和弹性动力学建模.其次,选用机构的第一阶固有频率(基频)为弹性动力学性能指标,对于动平台某个确定的输出位姿,运用粒子群优化算法,根据基频最大得到运动冗余并联机构的最优位置逆解.然后,利用多项式拟合技术,建立最优位置逆解与动平台输出位姿参数的响应面映射模型,获得动平台在不同输出位姿下的最优位置逆解.最后,以运动冗余2PUPR-PRPU并联机构(P:移动副,U:虎克铰,R:转动副)为例应用了所提的方法,通过位置逆解优选前后机构的基频对比证明该方法的有效性.

    并联机构运动冗余位置逆解优选固有频率

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    一种五轴并联加工单元的参数与刚度优化设计

    何雨镐谢福贵解增辉王金斗...
    308-315页
    查看更多>>摘要：大型复杂构件具有尺寸大、结构复杂、局部加工特征多等特点,针对该类构件的高精加工需求,提出了"大范围定位+局部五轴精雕细刻"的原位加工模式,开发了"全向移动平台+高刚度定位机构+高精度五轴并联加工单元"的移动式混联加工机器人.该装备的核心部件是末端的五轴并联加工单元,对整机装备的加工性能影响重大.为了进一步提升五轴并联加工单元的运动/力传递性能以及刚度,开展了基于运动/力传递性能评价方法的结构和尺寸参数分层优化和以提升刚度为导向的结构优化.提出了多参数分层优化方法,实现了多结构和尺寸参数优化,使运动/力传递性能相对于参数优化前提高了48.37％;采用虚拟铰链法和有限元法建立了五轴并联加工单元的刚度模型,揭示了各构件刚度对末端刚度的影响规律,辨识出机架为五轴并联加工单元的刚度薄弱环节.建立了基于刚度贡献率的刚度逐级优化方法,并针对机架进行了结构优化,使五轴并联加工单元的刚度提高了 63.83％,刚度质量比提高了 52.06％.基于上述优化设计结果,设计了运动/力传递性能以及刚度性能更优的五轴并联加工单元,为研发加工性能更优的新一代移动式加工装备奠定了基础.

    五轴并联加工单元运动/力传递性能参数分层优化刚度建模结构优化

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    工业机器人全域误差场精细化建模方法及其误差补偿策略

    张德权李星奥张宁宁国松...
    316-329页
    查看更多>>摘要：工业机器人在其全寿命周期内受多源不确定性因素影响,导致末端执行器实际位置与期望位置存在偏差,直接影响所加工产品质量.为此,开展工业机器人误差补偿研究,提出了基于非运动学标定原理的全域精细化误差场建模方法与误差补偿策略,并进行了实验验证,旨在为提升国产工业机器人精度性能提供一种有效工具.以工业机器人末端执行器名义位置为输入节点,相应的定位误差为输出节点训练径向基函数神经网络,结合交叉验证和粒子群优化算法提高训练效率及模型精度,使用较少样本准确构建工业机器人定位误差场.根据误差场预测工业机器人任意点定位误差,通过编辑控制器设定值以增加预偏置的方式实现误差补偿.针对三款额定负载分别为3 kg、12 kg和50 kg的国产工业机器人开展误差补偿实验,相同样本点下所建立误差场与基于误差相似性原理的误差模型相比精度更高,补偿后三款工业机器人绝对定位误差范围分别减小了 44.14％、77.48％和80.65％,最大绝对定位误差分别减小了 42.55％、76.07％和82.24％,验证了所提方法的工程适用性.

    工业机器人误差补偿误差场模型径向基函数神经网络精度保持性

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    大型全可动射电望远镜结构设计进展与挑战

    冯树飞班友连培园王伟...
    330-344页
    查看更多>>摘要：面对日益增长的射电望远镜口径和工作频率,如何满足复杂环境载荷下的望远镜性能,是大型全可动射电望远镜结构设计的难点.首先对射电望远镜的结构设计进行了概述,接着,回顾了国内外典型大型全可动射电望远镜的结构设计特点,展示了等刚度思想下保型设计,以及机电一体化设计所取得的成功,最后,针对下一代大型亚毫米波射电望远镜所面临的超高精度挑战,结合研究现状,概述了保型拓扑优化设计、多组件耦合设计、光机电一体化设计、可靠性设计、机/结构创新设计以及精准建模等方向的研究趋势.

    射电望远镜反射面天线保型设计机电一体化环境载荷

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    在轨组装空间天线模块化单元设计方法

    李欢笑吕胜男马小飞李昊...
    345-353页
    查看更多>>摘要：随着航天技术的快速发展,单次展开的空间天线已无法满足重大工程对大尺寸天线的任务需求.基于模块化单元的在轨组装技术是实现大尺寸空间天线的有效途径.传统基于近似拟合的单一模块化天线设计方法无法准确表征通用空间天线结构的构型.针对该问题,提出了一种基于多构型拓扑的天线模块化单元设计方法,采用多构型模块化单元解决了大型平面天线及反射面天线在轨组装中的兼容性问题.结果表明,天线模块化单元设计方法可高精度模拟平面、球面、旋转抛物面及抛物柱面等多种天线构型,是实现大型空间天线天线在轨组装的可靠技术.基于上述研究,本文通过对研制的原理样机进行收拢展开试验,验证了所提出的模块化单元设计方法的可行性与有效性.

    空间天线在轨组装模块单元设计方法收拢展开

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    机电复合传动主谐次扰动相位自适应补偿方法

    张伟刘辉刘金刚严鹏飞...
    354-365页
    查看更多>>摘要：机电复合传动系统因具有功率密度大、调速范围广的特点得以在重型特种车辆上应用.然而,作为主要动力源的发动机,其曲轴扭矩剧烈波动引发系统扭振,影响行驶平稳性和使用寿命,传统机械减振装置减振特性无法实时调整,减振效果受限.研究了一种基于电机转矩自适应补偿的车用机电复合传动系统扭振减振方法,该方法通过重构扰动信号解决了发动机主谐次扰动前馈补偿信号的时滞问题.首先,建立了考虑轴弹性的机电复合传动系统动力学模型和发动机瞬态扭矩模型,分析了机电复合传动系统的扭振特性;其次,利用复矢量分析方法确定了双电机前馈调控方案中发动机主谐次扭振响应最优补偿条件,并通过灵敏度分析揭示了扭振主动控制力矩补偿误差的机理,然后,针对前馈控制信号相位偏差,提出了一种基于PI调节器的自适应时滞相位修正方法,该方法通过重构发动机主谐次激振信号实现时滞相位补偿.最后,进行了数值仿真和HIL测试研究.结果表明,前馈控制系统中时滞相位误差是控制效能劣化的主要因素,采用自适应PI调节器可以有效消除时滞相位误差,进而降低驱动系统转矩波动幅值,确保动力系统的平稳运行.

    机电复合传动混合动力扭振补偿振动抑制自适应控制

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    3.9 GHz超导高频腔调谐器的结构设计

    甄亭亭相升旺张乐孙森...
    366-374页
    查看更多>>摘要：硬X射线自由电子激光装置3.9 GHz超导高频腔调谐器运行在真空、低温以及辐射等严苛环境下,通过精密调节机构对腔体施加纵向拉力,改变腔体尺寸,实现频率的精确控制.针对调谐器在严苛环境中如何实现高精度调节提出了整机设计思路,采用同轴叶片式结构,结合理论计算和仿真分析,确定叶片的尺寸及数量,保证设计上满足强度、刚度、稳定性及调节范围等性能参数要求.严格控制加工制造工艺及尺寸精度,避免结构因刚度的非对称性造成扭转.对简化的叶片组件进行疲劳测试,确认焊接结构满足运行寿命需求.对关键元件进行辐射测试,保证结构能在辐射环境中正常运行.进行整机仿真分析和样机常、低温下的运动测试,进一步验证结构在模拟运行环境下的精密调节性能.全文通过理论计算、仿真分析及样机制造与测试三方面的工作,确保该同轴叶片式调谐器结构设计满足3.9 GHz超导高频腔在严苛环境下的精密调谐要求,为后续超导腔系统水平测试、工程设计定型打下了基础.

    调谐器同轴叶片结构真空低温高精度调节

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