机械工程设计

惯性载荷下飞行模拟器大臂结构的拓扑优化

许华旸，关立文，王立平，等

摘要：近30年来，由于安全、可靠和训练成本低等优点，飞行模拟器开始在飞行员训练领域引起广泛重视。飞行模拟器通过大臂高速旋转时产生的离心力，以及中框和吊篮位姿的实时调整，为飞行员提供真实的训练体感。根据离心加速度需要，大臂的长度一般为6～8 m，重达十几吨至几十吨不等。庞大的重量和转动惯量为飞行模拟器的强度、刚度和实时控制带来巨大挑战，所以飞行模拟器大臂的设计对于整体设计的成败至关重要。不难看出，飞行模拟器大臂具有转动惯量低、强度与刚度足够、动态性能好等要求。设计出满足上述约束条件的最佳结构属于结构优化问题。在结构优化的过程中，只有初始的拓扑最优，才能保证最终的设计最优，所以本文考虑采用基于拓扑优化的设计方法，得出飞行模拟器大臂的初始设计形貌。飞行模拟器大臂结构所承受的主要载荷为离心力和切向力等惯性载荷。与固定载荷不同，惯性载荷会随同伪密度β的变化而变化，这种变化为此类问题的求解带来诸多困难。最早于2005年，Bruyneel和Duysinx对该问题进行了深入研究，发现惯性载荷下结构整体柔顺度的灵敏度不再始终为负值，这导致整体柔顺度出现非单调特征、以及非有效的材料体积约束和材料低密度区出现“附属”效应等3个主要困难，并针对SIMP建模方法下的该问题提出了一种改进的MMA算法，该算法虽然能够保证收敛，但是速率较慢。20世纪80年代，陈树勋等人提出导重法，并将其应用于大型精密天线的保型设计。导重法的提出旨在克服传统的虚功原理法在天线结构优化过程中“忽略了设计变量所引起的载荷的变化的缺陷”，而由于大型精密天线的主要载荷就是自重，所以克服该缺陷对于得到更优的结果至关重要。由于该方法物理意义明确，算法简单，且收敛快速，2011年刘辛军等将其引入到固定载荷下连续体结构拓扑优化问题的求解中，为拓扑优化问题的求解提供了新的解决思路。本文将导重法用于惯性载荷下、以转动惯量为约束的拓扑优化问题的求解。首先，本文对导重算法进行改进，得到固定载荷下以整体柔顺度为目标、以转动惯量为约束的拓扑优化迭代公式。随后，考虑到迭代计算时惯性载荷本身随SIMP建模方法中的伪密度的变化，本文进一步推导了重力作用下的单工况拓扑优化迭代公式和重力-离心力同时作用下的多工况拓扑优化迭代公式，并通过相应算例证明其可行性和有效性。最后，本文将得到的迭代算法应用于飞行模拟器大臂的优化设计中，并将由此得到的拓扑形貌与商业化优化软件Optistruct中得到的结果进行比较，对比显示：本文中的算法与成熟的SLP（sequential linear programming，序列线性规划法）或 MMA（method of moving asymptotes，移动渐近线法）在拓扑优化形貌和迭代效率上差别不大，而在结构光顺性和工艺性上更优于Optistruct所得到的结果。

来源出版物：机械工程学报， 2014， 50(9)： 14-23

入选年份：2016

低频伺服力激励下进给系统建模与动态响应分析

王磊，刘海涛，梁滔，等

摘要：在现代精密加工过程中，为了得到精确的形状和高质量的表面，对刀具相对于工件的运动精度提出了越来越高的要求，这在很大程度上取决于数控进给系统的运动精度，即要求在伺服驱动系统作用下，机械执行系统具有较高的运动精度。丝杠螺母副组件将伺服电动机的旋转运动转化为工作台的直线运动，是目前机床进给系统中最常见的机械传动部件。然而，在机床动态设计过程中，由于中间环节选择不合理，由此引入机械结构件过大的弹性变形、摩擦力等影响，以及伺服输出力扰动，会限制系统高精度的机械传动，甚至在伺服激励等外在激励下还有共振的危险。丝杠螺母副进给系统动力学建模是进行机床进给传动动态设计的基础，有很多学者为此做了大量的工作，这些建模方法能较好的描述进给系统的主要振动形式，如进给丝杠的拉/压振动、扭转振动以及工作台的其他方向的振动。然而，不同于伺服输出力高频成分或其他方向高频激励可能会引起机械系统共振的建模分析，多数学者并没有关注伺服电动机对进给系统的激励作用，特别是电动机输出力的低频谐波成分包含扭矩的扰动，这些激励频率远远低于机械系统的共振频率，但仍然会影响进给系统的精密传动，即传统的进给系统建模研究忽视了丝杠扭转扰动对平移运动精度的作用。由于伺服驱动电路的非线性特性（调制方法，功率管驱动方式，死区效应等）以及伺服电动机本身结构的不理想（定子开槽，转子永磁体之间有气隙等），伺服电动机驱动系统输出的力矩并不是理想的名义力矩，而是存在多谐波成分的波动力矩。这种波动力矩既作为机械系统的驱动力矩完成机械系统的指令运动，又作为一种外在激励作用在机械系统中引起机械系统运动参数(位移，速度和加速度)的波动。因此，需要研究伺服电动机这种激励的谐波性质以及随运动参数的变化特性。针对精密丝杠直线进给系统在低频伺服力激励下产生动态响应的原因及机理进行了建模研究，提出了一种进给系统动力学模型。其特色在于不同于伺服输出力高频成分或其他方向高频激励可能会引起机械系统共振的建模分析，描述了伺服电动机的伺服输出力的低频谐波成分对进给系统动态响应的影响。采用集中参数法建立了进给系统的动力学模型，利用拉格朗日方法，推导了精密车床进给系统的运动方程。仿真和试验结果表明，（1）伺服力矩中存在着众多的谐波成分，频率数值远远低于进给系统的第一阶固有频率66 Hz，而且随着速度的增大，频率分量增大；（2）刀尖点在z轴进给方向振型所对应的第一个固有频率，仿真与试验结果误差在5%之内，验证了所建动力学模型的有效性；（3）与测量的匀速运动下刀塔运动速度响应对比，所建模型能有效地反映伺服输出力低频谐波成分对机械系统动态响应的影响；响应的幅值变化量15%左右。最后指出，在精密机床进给系统设计中，必须考虑伺服激励的低频谐波成分带来机械系统的微小强迫振动。

来源出版物：机械工程学报， 2015， 51(3)： 80-86

入选年份：2016

大型数控滚齿机立柱动力学仿真分析

杨勇，王时龙，田志峰，等

摘要：目的：为避免大型数控滚齿机滚削力引起立柱振动而影响加工精度，对大型滚齿机立柱刚度特性及谐响应进行了仿真分析。方法：在滚齿机立柱结构特征、滚刀主轴传动原理及动力学理论基础上，采用 FEM 仿真技术方法，建立了滚齿机立柱与滚刀箱有限元仿真模型，仿真求解得到了立柱模态及谐响应参数，并采用滚齿机工况参数与仿真数据相结合的理论分析法，对论文所研究滚齿机立柱动力学特性进行解析。结果：由滚齿机立柱动力学仿真分析结果可知，立柱前 10阶谐响应频率均大于滚齿机滚刀主轴工作与最高设计转速对应的激振频率。立柱振动变形值较大的1～3阶振型相同，振幅较小的4～5阶振型相同，即1～5阶与6～10阶的振型分别呈周期性变化，振型出现这种周期性变化，主要是由滚齿机滚削载荷为周期性变化所引起；立柱结构不会产生共振，刚度与强度均满足设计要求，且在滚刀工作转速与最高设计转速状态下，立柱结构偏重，可通过降低立柱壁厚进行优化。立柱沿X方向倾斜，建议滚齿机装配时，立柱沿X负方向的安装倾角可在 0°～0.032°范围内进行调整。并且立柱竖直导轨中下部及立柱低部导轨槽边沿产生较大的凹凸变形，主要是由于在滚齿切削振动中，立柱在这些位置将承受较大的拉或压应力，故在该位置产生较大的弯曲变形；如滚齿机滚刀转速高于1562.28 r/min时，建议在这些部位进行优化。同时，建议对滚刀主轴与滚刀箱滑板下边沿的相对位置，在装配设计时进行优化调整，可避免滑板下边沿对竖直导轨压痕过大，而影响齿轮加工精度。结论：（1）大型数控滚齿机立柱振动频率均高于或远离滚刀工作转速与最高设计转速两种转速对应的第 1、2谐次激振频率，表明滚刀主轴转速在0～365 r/min范围内进行加工时，立柱不会产生共振，且立柱结构刚度与强度均满足设计要求，但立柱结构偏重，建议通过适当减小立柱壁厚进行优化，并进行刚度强度校核。（2）经动力学分析，发现立柱X轴丝杆螺母孔周围、竖直导轨中下部及底部导轨槽边沿处变形较大，当滚刀主轴工作转速高于1562.28 r/min时，建议适当优化这些位置的立柱壁厚。（3）立柱在滚削载荷作用下，整体沿X轴方向倾斜，将引起滚刀与工件主轴中心距变化，使齿轮工件在螺旋线方向产生锥度，造成齿轮出现切向、齿向、齿面及齿廓等偏差，从而影响或降低滚齿机加工精度与齿轮质量。因此，在滚齿机装配时，立柱沿X轴负方向的安装倾角可在 0°～0.032°范围内进行调整，并在装配设计时对滚刀主轴与滚刀箱滑板下边沿相对位置进行优化调整，以避免滑板下边沿对竖直导轨压痕过大，从而影响齿轮加工精度。因此，通过立柱动态响应的振动频率与变形量分析，得到了立柱设计结构在滚齿机加工时能避开共振频率范围，揭示了立柱振动变形量的变化规律，提出了立柱结构设计与安装方法的改进建议，为大型数控滚齿机部件的设计优化提供了理论依据与参考。

来源出版物：中国机械工程， 2013， 24(11)： 1473-1479

入选年份：2016

中国机器人的发展战略思考

高峰，郭为忠

摘要：自1959年世界上第一台工业机器人问世以来，机器人发展取得了巨大成就，在制造业、服务业、医疗保健/医疗、国防和太空等各个领域被广泛应用。“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业战略格局。机器人已从早期的工业机器人发展为种类繁多的现代工业机器人、特种机器人和服务机器人，正在逐步发展成具有感知、认知和自主行动能力的智能化装备。机器人涉及学科领域众多，是数学、力学、机构学、材料科学、自动控制、计算机、人工智能、光电、通讯、传感、仿生学等多学科和多技术综合的成果，体现国家高技术领域的综合实力。现阶段机器人的智能和自主能力仍很薄弱，现代机器人将面临如何与人互助作业、如何服务人的生活、如何实现人机交互与自律协同的控制等一系列技术挑战，作业能力的提升、人机交互能力的改善、安全性能的提高是发展的首要目标，需要突破制约人—机交互、人—机合作、人—机融合发展的瓶颈问题，解决3个方面基础科学问题，即揭示机器人与非结构化环境和不确定性作业任务的适应性规律，为现代机器人创新与设计提供理论基础；揭示机器人理解人的行为和抽象指令的机理，为智能机器人构建人机沟通及安全机制提供理论依据；揭示人机交互与自律协同控制原理，为机器人实现人机协调合作提供技术支撑，进而突破三维环境感知、规划和导航、类人的灵巧操作、直观的人机交互、安全机器人行为等关键技术，掌握减速器、感知驱动与控制等基础部件设计制造技术，开发包括海底资源探测与开采机器人、地震搜救与作业机器人、核电维护和退役与救灾机器人、消防救援机器人、太空作业机器人、外星探测与作业机器人、山地运载机器人、移动式制造机器人系统、增材制造机器人系统、微纳制造机器人系统、多指多臂多智能体机器人系统、家庭服务和保安机器人、军用机器人等各类新型机器人装备。建议我国采取发展战略，（1）加强工业机器人整机设计理论与方法研究，寻求新思维，突破驱动电机、减速器、驱动控制等核心基础部件瓶颈，提升机器人操作灵活性、在线感知能力；（2）加强服务机器人研究，提升机器人理解人的行为和抽象指令、人机沟通与协调合作能力，建立机器人安全机制；（3）针对在核辐射、军事战场、自然和人为灾害等危险甚至不可达区域执行任务的需要，开展特种机器人研究，解决在线实时交互、动态未知环境中自主作业等问题，实现机器人与人共处同一环境空间互助作业，为开发国家亟需的现代机器人提供科学理论和关键技术支撑。

来源出版物：机械工程学报， 2016， 52(7)： 1-5

入选年份：2016

基于解析模态分解的机械故障诊断方法

时培明，苏翠娇，赵娜，等

摘要：目的：旋转机械设备在工业生产中占有非常重要的地位，保障旋转机械的安全运行是非常重要的，因此对旋转机械的故障诊断具有重要现实意义。目前，常用的旋转机械故障诊断的方法，例如：经验模态分解、小波分析、神经网络及包络解调等，都难以提取复杂故障特征频率，尤其是具有紧密间隔的故障频率。针对这一问题，提出一种基于解析模态分解（analytical mode decomposition，AMD）的旋转机械诊断方法。只要知道信号的频率成分，AMD方法就可以将含不同频率成分的信号分解为单频率信号，尤其能够分解有紧密间隔频率成分的信号。对于可预知故障特征频率的旋转机械的故障诊断，可利用AMD方法提取机械振动信号中故障特征频率所在频段的信号，并求该段信号的频谱，若频谱中含有故障特征频率，则说明机械振动信号中存在该故障。方法：对于旋转机械故障中可以预知故障特征频率的情况下，提出了一种基于 AMD的旋转机械故障诊断方法。该方法通过 AMD提取振动信号中故障特征频率所在频段的信号，并求该段信号的频谱，判断信号中是否存在故障以及故障类型。该方法具体步骤如下：（1）若某旋转机械中可能存在的故障频率为，对原振动信号进行AMD分解，提取出各个故障频率所在频段的信号；（2）求出所有提取出的信号的频谱，看频谱中是否有故障特征频率成分；（3）将信号频谱中有故障特征频率的保留，将频谱中不含故障特征频率的去除；（4）经AMD提取出的各个信号中含有的故障特征频率为，根据所含频率成分判断旋转机械是否存在故障以及发生故障的部位。结果：以美国西储大学实验台数据为例进行分析，应用本文所提方法对滚动轴承故障信号处理后，诊断出了滚动轴承发生故障的部位，且与实际情况相符。和EMD方法相比，经本文方法处理后的故障信号频谱中的频率成分更单一，且故障频率的幅度也有所增加。在处理过程中，由于实际信号中含有高频噪声以及其他噪声成分，使 EMD分解出的前几个分量均为噪声成分，大大增加了分量个数，因此，延长了实际信号的整个处理过程。而AMD方法只针对故障特征频率成分进行处理，略去了对其他不相关频率成分信号的分析处理，使处理速度加快，缩短了处理时间。结论：提出一种基于AMD的旋转机械的故障诊断方法，由于一些旋转机械故障频率的可预知性，因此可以利用 AMD方法提取故障频段的信号并求其频谱，来判断提取的信号中是否有故障频率，进而判断旋转机械是否存在故障以及故障发生的部位。通过对含内圈故障的滚动轴承振动信号和转子不对中故障数据的分析处理，证明了本文方法可以提取出信号的故障特征频率，说明该方法能够实现对旋转机械的故障诊断。通过与EMD方法的比较，表明了应用AMD方法对旋转机械故障诊断更加快速、准确。

来源出版物：中国机械工程， 2016， 27(5)： 674-679

入选年份：2016

液压机驱动系统分区控制节能方法

刘志峰，李磊，黄海鸿，等

摘要：目的：液压机具有装机功率大、周期内瞬间载荷高且负载差异大的特点，导致驱动系统的输出功率与动作的消耗功率不匹配。且每个成形过程完成后，液压机存在较长的待机时间用于完成上下料动作，产生较大的待机能量损耗。为了减少液压机工作过程的能量消耗，从改变液压机系统动作节拍的角度实现其能量匹配。方法：针对液压机的能效特点，提出了一种液压机驱动系统的分区控制节能方法。将多个液压机原有的驱动部分（由多个电机和泵组成的电机泵组）从整个液压机系统中分离组成泵站，将泵站作为液压机组的驱动系统，为液压机组提供能量。液压机组的驱动系统划分为与液压机动作相对应的驱动区，不同液压机在同一驱动区的驱动下完成该区所对应的动作。结合不同液压机的相同动作对压力和功率需求差异较小的特点，利用驱动单元的能效优化方法，使驱动单元的输出功率与该动作消耗的功率相匹配。构建了液压机组的调度方法，实现不同液压机分时共享同一驱动区。结果：以某公司公称压力20 MN，装机功率510 kW的拉深液压机为例，对采用分区控制方法前后的单台液压机的能量消耗及效率提升情况进行对比。同时，为了更清楚地比较采用液压机组驱动系统分区控制方法后，单台液压机的能量节约情况，选择6台相同的液压机作为液压机组，不改变每个动作接入系统液压系统的电机和泵的个数，不改变每个动作持续的时间长度，进行单一工况的设计。结果表明液压机在工作时，输入能量的40%消耗在电机的空载运行上，只有20%用于液压机的成形阶段，等待阶段的存在降低了液压机的工作效率，液压系统输入输出功率的不匹配导致了能量的损失。液压机正常工作时，一次成形过程的能量消耗为4864.29 kJ。采用液压机组分区控制节能方法以后，仅去掉每个动作处于待机的电机，单台液压机进行一次成形过程的能量消耗为2898.46 kJ，能量节约 1965.83 kJ，效率提升为 13.3%。仅去除多余电机泵组的方式，并不能使每个动作电机的平均负载率处在容许的范围，没有达到高效率的能量匹配。若依据能量匹配方法，对每个驱动单元的组成进行优化，能量消耗将会进一步减少。结论：（1）液压机组分区控制节能方法，使用特定的液压驱动区为不同液压机的相同阶段提供成形能量，实现了驱动单元输出功率与动作消耗功率的匹配。（2）通过不同液压机之间的节拍协调，对多台液压机的工作时间进行调度，使液压机组分时共享同一驱动系统。（3）液压机处于等待状态时，将不同液压机的等待时间根据调度方法分散于不同的时间区间，驱动区不冲突地为其他液压机提供能量，缩短甚至消除了驱动区的等待时间，大大提高了整个液压系统的能量利用率。

来源出版物：中国机械工程， 2016， 27(14)： 1942-1948

入选年份：2016