创刊于1951年 月刊
ISSN 1005-2402
CN 11-3398/TH
主 管: 中国科学技术协会
主 办: 中国机械工程学会、北京机床研究所有限公司
主编: 黄正华
执行副主编: 谭弘颖
机床杂志社社长: 黄祖广
国内邮发代号: 2-636
国外代号: M397
境内定价: 18 元 , 全年 216 元
境外定价: 全年 180 美元
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2024, (4): 5-12.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.001
摘要:
为了提高永磁同步电机（PMSM）伺服控制系统的响应速度和鲁棒性，文章提出了一种基于终端滑模的永磁同步电机控制方法。首先对传统滑模面收敛性进行分析，引入了非奇异终端滑模面；其次在传统趋近律的基础上提出了一种新型趋近律，并设计了基于新型的趋近律的电流-转速控制器；最后设计了滑模观测器对电机存在的扰动进行前馈补偿，并进行转速观测。通过软件仿真和实验证明，所提出的新型控制算法较好地抑制了永磁同步电机在接近平衡点时的抖振问题，且具有较低的超调量、良好的抗扰动能力和较快的响应速度，验证了所提方法的可行性和有效性。
为了提高永磁同步电机（PMSM）伺服控制系统的响应速度和鲁棒性，文章提出了一种基于终端滑模的永磁同步电机控制方法。首先对传统滑模面收敛性进行分析，引入了非奇异终端滑模面；其次在传统趋近律的基础上提出了一种新型趋近律，并设计了基于新型的趋近律的电流-转速控制器；最后设计了滑模观测器对电机存在的扰动进行前馈补偿，并进行转速观测。通过软件仿真和实验证明，所提出的新型控制算法较好地抑制了永磁同步电机在接近平衡点时的抖振问题，且具有较低的超调量、良好的抗扰动能力和较快的响应速度，验证了所提方法的可行性和有效性。
2024, (4): 13-18.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.002
摘要:
齿槽转矩会恶化电机性能，为削弱盘式永磁电机齿槽转矩，文章提出了定子偏移和不等定子齿靴两种结构优化方法。首先通过能量法与傅里叶分解推导出轴向电机齿槽转矩公式，进行定子槽口宽度优化得到原模型的最小齿槽转矩；然后用公式推导计算与有限元分析，得到定子偏移结构的偏移角度；最后通过理论分析和仿真计算得到基于最小齿槽转矩的不等定子齿靴扩张宽度比，不等定子齿靴结构可使定子上下两侧的齿槽转矩相互抵消。对比结果表明，不等定子齿靴结构对齿槽转矩削弱效果最好，当扩张宽度比取1.2时，齿槽转矩降低71%。
齿槽转矩会恶化电机性能，为削弱盘式永磁电机齿槽转矩，文章提出了定子偏移和不等定子齿靴两种结构优化方法。首先通过能量法与傅里叶分解推导出轴向电机齿槽转矩公式，进行定子槽口宽度优化得到原模型的最小齿槽转矩；然后用公式推导计算与有限元分析，得到定子偏移结构的偏移角度；最后通过理论分析和仿真计算得到基于最小齿槽转矩的不等定子齿靴扩张宽度比，不等定子齿靴结构可使定子上下两侧的齿槽转矩相互抵消。对比结果表明，不等定子齿靴结构对齿槽转矩削弱效果最好，当扩张宽度比取1.2时，齿槽转矩降低71%。
2024, (4): 19-25.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.003
摘要:
文章针对传统无速度传感器直接转矩控制转速不稳定、超调量大等问题做出两点改进。首先，引入自耦PI对传统MRAS无速度传感器直接转矩控制进行改进，该方法改善无传感器直接转矩控制调速性能、降低超调量、减小稳态误差；其次，针对直接转矩控制具有转矩脉动大、调速性能差等缺点，提出变论域静态模糊自适应PI控制策略，减小转矩脉动并改善调速性能，大大提升了抗负载能力；最后，在Matlab/Simulink仿真环境下进行了仿真并进行分析，证明了上述方法的有效性和可行性。结果表明，相对于传统的无速度传感器直接转矩控制系统，仿真结果显示减小了转速超调量，缩短了转速上升中到达高速工况的响应时间，提升了抗负载能力。
文章针对传统无速度传感器直接转矩控制转速不稳定、超调量大等问题做出两点改进。首先，引入自耦PI对传统MRAS无速度传感器直接转矩控制进行改进，该方法改善无传感器直接转矩控制调速性能、降低超调量、减小稳态误差；其次，针对直接转矩控制具有转矩脉动大、调速性能差等缺点，提出变论域静态模糊自适应PI控制策略，减小转矩脉动并改善调速性能，大大提升了抗负载能力；最后，在Matlab/Simulink仿真环境下进行了仿真并进行分析，证明了上述方法的有效性和可行性。结果表明，相对于传统的无速度传感器直接转矩控制系统，仿真结果显示减小了转速超调量，缩短了转速上升中到达高速工况的响应时间，提升了抗负载能力。
2024, (4): 26-32.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.004
摘要:
射流电解加工单孔喷嘴系统存在显著不足，不能适用于大规模表面微织构制造，因此提出多孔条形喷嘴加工工艺。利用不受加工结构限制的3D 打印技术制作多孔喷嘴模型，搭建射流电解加工实验装置。利用Comsol软件进行流场与电场仿真，以喷嘴到工件表面流速大小和电流密度等为评价依据，对喷嘴腔体内部流道进行优化。研究表明，条形喷嘴结构能够形成形态稳定的射流，对工件实现高效加工。当加工电压为475 V、占空比为70%时，材料去除率达到峰值。
射流电解加工单孔喷嘴系统存在显著不足，不能适用于大规模表面微织构制造，因此提出多孔条形喷嘴加工工艺。利用不受加工结构限制的3D 打印技术制作多孔喷嘴模型，搭建射流电解加工实验装置。利用Comsol软件进行流场与电场仿真，以喷嘴到工件表面流速大小和电流密度等为评价依据，对喷嘴腔体内部流道进行优化。研究表明，条形喷嘴结构能够形成形态稳定的射流，对工件实现高效加工。当加工电压为475 V、占空比为70%时，材料去除率达到峰值。
2024, (4): 33-37.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.005
摘要:
文章采用激光焊接技术制造Q355/SKH9高速钢焊接接头，并开展V型缺口冲击韧性实验。研究结果表明：当试验温度下降后，接头受到了更小冲击吸收能量作用，焊接接头形成了明显梯度冲击韧性；在BM中存在大量回火板条型马氏体组织，HAZ热处理时内部形成了不同焊接热循环过程；在BM和HAZ断口部位形成了许多撕裂棱，表现为准解理断裂；断HAZ具备优异韧性，达到了比BM更优的韧性；经过回火处理后，板条马氏体与粒状贝氏体获得了更强冲击韧性；BM保持相对稳定的显微硬度与剪切强度，HAZ形成了大梯度变化的显微硬度与剪切强度；经过焊接热循环处理与之后回火过程，HAZ基体与晶界部位形成了更多碳化物，增大HAZ强度与硬度。
文章采用激光焊接技术制造Q355/SKH9高速钢焊接接头，并开展V型缺口冲击韧性实验。研究结果表明：当试验温度下降后，接头受到了更小冲击吸收能量作用，焊接接头形成了明显梯度冲击韧性；在BM中存在大量回火板条型马氏体组织，HAZ热处理时内部形成了不同焊接热循环过程；在BM和HAZ断口部位形成了许多撕裂棱，表现为准解理断裂；断HAZ具备优异韧性，达到了比BM更优的韧性；经过回火处理后，板条马氏体与粒状贝氏体获得了更强冲击韧性；BM保持相对稳定的显微硬度与剪切强度，HAZ形成了大梯度变化的显微硬度与剪切强度；经过焊接热循环处理与之后回火过程，HAZ基体与晶界部位形成了更多碳化物，增大HAZ强度与硬度。
2024, (4): 38-43.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.006
摘要:
针对焊接之后的焊缝提取误差大、不易提取的问题，文章提出了一种DBSCAN聚类（density-based spatial clustering of applications with noise）与改进主成分分析（principal component analysis，PCA）算法融合的焊缝提取算法。首先对焊缝图像进行灰度化、自适应中值滤波等预处理；其次对图像应用Canny边缘检测算法提取焊缝边缘，并使用DBSCAN密度聚类算法聚类焊缝边缘；之后依据改进的PCA算法寻找焊缝的主成分，将焊缝向主向量映射统计，根据图像分辨率自动分配一个阈值获取焊缝的左右边界，再将焊缝的左右边界反映射到次主向量获取焊缝的上下边界；最后按照文章提出的算法完成了三组对比实验，分析了算法受分辨率、焊接方式、光照强度等因素的影响。实验证明，文章提出的算法对直缝提取效果良好，提取精度超过了95%。
针对焊接之后的焊缝提取误差大、不易提取的问题，文章提出了一种DBSCAN聚类（density-based spatial clustering of applications with noise）与改进主成分分析（principal component analysis，PCA）算法融合的焊缝提取算法。首先对焊缝图像进行灰度化、自适应中值滤波等预处理；其次对图像应用Canny边缘检测算法提取焊缝边缘，并使用DBSCAN密度聚类算法聚类焊缝边缘；之后依据改进的PCA算法寻找焊缝的主成分，将焊缝向主向量映射统计，根据图像分辨率自动分配一个阈值获取焊缝的左右边界，再将焊缝的左右边界反映射到次主向量获取焊缝的上下边界；最后按照文章提出的算法完成了三组对比实验，分析了算法受分辨率、焊接方式、光照强度等因素的影响。实验证明，文章提出的算法对直缝提取效果良好，提取精度超过了95%。
2024, (4): 44-50.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.007
摘要:
熔化极气体保护电弧焊（gas metal arc welding，GMAW）焊接过程存在惯性大、时滞大等非线性特征以及不确定的干扰因素。为了提高焊接质量，文章提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器（extended kalman filter，EKF）算法的焊缝实时跟踪技术，采用霍尔电流传感器来捕捉实时焊接电流。为了实现焊枪摆动中心始终对准焊缝中心，文章通过有限长单位冲激响应滤波器（finite impulse response，FIR）对采集的电流进行滤波，并建立提取焊枪高度和水平偏差的数学模型，采用EKF实现控制焊枪。通过在有垂直和水平方向偏差的焊缝上进行实验验证，结果跟踪精度可达到±0.25 mm，所以该方法可满足机器人实时跟踪的要求。
熔化极气体保护电弧焊（gas metal arc welding，GMAW）焊接过程存在惯性大、时滞大等非线性特征以及不确定的干扰因素。为了提高焊接质量，文章提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器（extended kalman filter，EKF）算法的焊缝实时跟踪技术，采用霍尔电流传感器来捕捉实时焊接电流。为了实现焊枪摆动中心始终对准焊缝中心，文章通过有限长单位冲激响应滤波器（finite impulse response，FIR）对采集的电流进行滤波，并建立提取焊枪高度和水平偏差的数学模型，采用EKF实现控制焊枪。通过在有垂直和水平方向偏差的焊缝上进行实验验证，结果跟踪精度可达到±0.25 mm，所以该方法可满足机器人实时跟踪的要求。
2024, (4): 51-56.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.008
摘要:
SiCp/Al复合材料是一种典型的难加工的材料，由于其基体中颗粒增强导致常规切削中加工质量差、切削阻力高、加工损伤高，机械加工性差，常规切削已不能满足加工要求。通过切削仿真，对比分析常规与超声振动辅助切削条件下复合材料的切削过程、SiC颗粒的损伤特性、工件的表面形貌与亚表面损伤。结果表明，相比于常规切削，超声振动辅助切削可以提高复合材料的表面完整性，减少复合材料的亚表面损伤，并且能够提高工件的表面质量。
SiCp/Al复合材料是一种典型的难加工的材料，由于其基体中颗粒增强导致常规切削中加工质量差、切削阻力高、加工损伤高，机械加工性差，常规切削已不能满足加工要求。通过切削仿真，对比分析常规与超声振动辅助切削条件下复合材料的切削过程、SiC颗粒的损伤特性、工件的表面形貌与亚表面损伤。结果表明，相比于常规切削，超声振动辅助切削可以提高复合材料的表面完整性，减少复合材料的亚表面损伤，并且能够提高工件的表面质量。
2024, (4): 57-62.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.009
摘要:
在钛合金深孔钻削过程中，由于其难加工性经常会存在刀具磨损严重、排屑困难和内孔表面质量差等问题。为了获得具有良好内孔表面质量和切屑形态的钛合金深孔类零件，以新型钛合金TC32为研究对象，在不同工艺参数下基于深度学习和BP神经网络进行了TC32钛合金的容屑系数预测和加工试验验证。研究结果表明：预测模型的决定系数${R^2}$为0.921，拟合程度和精度较高，预测性能良好；当进给量为0.08 mm/r、主轴转速为435 r/min时容屑系数为5.6，切屑形态以C形屑和短带状屑为主，排屑顺畅且加工过程稳定。
在钛合金深孔钻削过程中，由于其难加工性经常会存在刀具磨损严重、排屑困难和内孔表面质量差等问题。为了获得具有良好内孔表面质量和切屑形态的钛合金深孔类零件，以新型钛合金TC32为研究对象，在不同工艺参数下基于深度学习和BP神经网络进行了TC32钛合金的容屑系数预测和加工试验验证。研究结果表明：预测模型的决定系数${R^2}$为0.921，拟合程度和精度较高，预测性能良好；当进给量为0.08 mm/r、主轴转速为435 r/min时容屑系数为5.6，切屑形态以C形屑和短带状屑为主，排屑顺畅且加工过程稳定。
2024, (4): 63-70.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.010
摘要:
以SiCp/Al为代表的金属基复合材料，由于其内部结构的局部不均匀性，传统的二维粗糙度参数指标描述、研究此类材质试件的表面形貌具有局限性，三维粗糙度参数能更全面、细致地反映试件表面特性。文章以三维参数表征SiCp/Al试件表面，采用正交试验将磨削工艺参数与三维参数（Sa、Sq、Ssk、Sku、Sbi、Sci、Svi）之间的关系透明化、数据化，如磨削参数对三维指标的影响权重、多位三维参数的综合指标。试件表面形貌较为复杂，既有砂轮磨粒在较软的铝基体上划过产生的沟槽，也有SiC颗粒被拔出，出现的凹坑，脱落或破碎的SiC微粒随砂轮拖动而产生的划痕；由于磨削热导致铝基体熔化，存在铝基体涂抹现象。表面形貌受磨削参数变化影响较为明显，发现不同的磨削参数对三维表面形貌指标影响的权重不同，揭示了砂轮目数对$ Sa $指标影响最突出，随着砂轮目数增加，权重从34%开始减小到13%，主轴转速、进给速度和磨削深度开始成为显著影响因素，均从最初22%的权重逐渐增加到29%。三维参数综合评价指标对应的最优磨削加工参数组合是Am为320 目， Vs为4 000 r/min， Vf为20 mm/min，ap为20 μm。
以SiCp/Al为代表的金属基复合材料，由于其内部结构的局部不均匀性，传统的二维粗糙度参数指标描述、研究此类材质试件的表面形貌具有局限性，三维粗糙度参数能更全面、细致地反映试件表面特性。文章以三维参数表征SiCp/Al试件表面，采用正交试验将磨削工艺参数与三维参数（Sa、Sq、Ssk、Sku、Sbi、Sci、Svi）之间的关系透明化、数据化，如磨削参数对三维指标的影响权重、多位三维参数的综合指标。试件表面形貌较为复杂，既有砂轮磨粒在较软的铝基体上划过产生的沟槽，也有SiC颗粒被拔出，出现的凹坑，脱落或破碎的SiC微粒随砂轮拖动而产生的划痕；由于磨削热导致铝基体熔化，存在铝基体涂抹现象。表面形貌受磨削参数变化影响较为明显，发现不同的磨削参数对三维表面形貌指标影响的权重不同，揭示了砂轮目数对$ Sa $指标影响最突出，随着砂轮目数增加，权重从34%开始减小到13%，主轴转速、进给速度和磨削深度开始成为显著影响因素，均从最初22%的权重逐渐增加到29%。三维参数综合评价指标对应的最优磨削加工参数组合是Am为320 目， Vs为4 000 r/min， Vf为20 mm/min，ap为20 μm。
2024, (4): 71-77.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.011
摘要:
文章以含40%Al 的Al-Fe复合金属为研究对象，对颗粒状和屑状40Al-Fe复合金属分别进行压制预变形，并对屑状40Al-Fe复合金属预制坯进行了二次热压缩变形，重点研究压制预变形及二次热压缩对Al-Fe复合金属成形性和界面影响。结果表明：压力为16 MPa时，颗粒状40Al-Fe复合金属预制坯（密度为4.54 g/cm3）成形性良好且形成致密界面；压力为16 MPa时，屑状40Al-Fe复合金属预制坯（密度为3.50 g/cm3）可以成形但界面存在孔洞，Al屑主要为“片层状”“狗牙状”“圆圈状”“波浪状”，其经二次热压缩变形，“圆圈状”Al屑连成一个整体，“狗牙状”与“波浪状”Al屑均演变为“片层状”，而Fe屑仍为“片层状”“块状”，未发生明显变形。变形温度300 ℃、变形速率0.5 s−1、变形程度0.1是目前生产工艺最佳参数，此时屑状40Al-Fe复合金属成形性最佳且界面结合良好（密度为4.66 g/cm3）。
文章以含40%Al 的Al-Fe复合金属为研究对象，对颗粒状和屑状40Al-Fe复合金属分别进行压制预变形，并对屑状40Al-Fe复合金属预制坯进行了二次热压缩变形，重点研究压制预变形及二次热压缩对Al-Fe复合金属成形性和界面影响。结果表明：压力为16 MPa时，颗粒状40Al-Fe复合金属预制坯（密度为4.54 g/cm3）成形性良好且形成致密界面；压力为16 MPa时，屑状40Al-Fe复合金属预制坯（密度为3.50 g/cm3）可以成形但界面存在孔洞，Al屑主要为“片层状”“狗牙状”“圆圈状”“波浪状”，其经二次热压缩变形，“圆圈状”Al屑连成一个整体，“狗牙状”与“波浪状”Al屑均演变为“片层状”，而Fe屑仍为“片层状”“块状”，未发生明显变形。变形温度300 ℃、变形速率0.5 s−1、变形程度0.1是目前生产工艺最佳参数，此时屑状40Al-Fe复合金属成形性最佳且界面结合良好（密度为4.66 g/cm3）。
2024, (4): 78-83.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.012
摘要:
为研究超声振动作用对先进陶瓷磨削材料去除机理的影响，文章在超声振动方向垂直于磨削表面条件下，采用钎焊磨头对氧化锆陶瓷开展了超声辅助磨削（ultrasonic assisted grinding，UAG）试验。基于磨削表面微观形貌、磨削力和磨削比能分析，对变磨削深度条件下普通磨削（conventional grinding，CG）与超声辅助磨削的材料去除机理进行了对比。结果表明：当磨削深度低于10 μm时，两种方法对应的表面材料去除机理均以塑性去除为主，且普通磨削表面伴有片层状破碎，而超声辅助磨削表面则存在尺寸细小的纹路状微破碎，同时磨削力与磨削比能也较低。当磨削深度超过10 μm后，材料去除机理均转变为脆性断裂模式，且加工表面出现微裂纹，但相同条件下超声辅助磨削表面微裂纹尺寸较小。
为研究超声振动作用对先进陶瓷磨削材料去除机理的影响，文章在超声振动方向垂直于磨削表面条件下，采用钎焊磨头对氧化锆陶瓷开展了超声辅助磨削（ultrasonic assisted grinding，UAG）试验。基于磨削表面微观形貌、磨削力和磨削比能分析，对变磨削深度条件下普通磨削（conventional grinding，CG）与超声辅助磨削的材料去除机理进行了对比。结果表明：当磨削深度低于10 μm时，两种方法对应的表面材料去除机理均以塑性去除为主，且普通磨削表面伴有片层状破碎，而超声辅助磨削表面则存在尺寸细小的纹路状微破碎，同时磨削力与磨削比能也较低。当磨削深度超过10 μm后，材料去除机理均转变为脆性断裂模式，且加工表面出现微裂纹，但相同条件下超声辅助磨削表面微裂纹尺寸较小。
2024, (4): 84-89.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.013
摘要:
针对压电驱动器输入电压与输出位移的动态迟滞特性，采用基于Prandtl-Ishlinskii的压电动态迟滞模型，实现了对刀具定位台的精确控制。实验分别采用逆模型前馈补偿控制和自抗扰控制方法对定位台控制系统进行测试，结果表明在单频输入信号下，采用自抗扰控制算法的系统均方根误差较逆模型前馈控制下降了1.137～1.137 5 µm；系统相对误差有明显下降。结论表明自抗扰控制成功减小了定位台的迟滞特性，提高了控制精度，较逆模型前馈补偿控制有更好的优越性。
针对压电驱动器输入电压与输出位移的动态迟滞特性，采用基于Prandtl-Ishlinskii的压电动态迟滞模型，实现了对刀具定位台的精确控制。实验分别采用逆模型前馈补偿控制和自抗扰控制方法对定位台控制系统进行测试，结果表明在单频输入信号下，采用自抗扰控制算法的系统均方根误差较逆模型前馈控制下降了1.137～1.137 5 µm；系统相对误差有明显下降。结论表明自抗扰控制成功减小了定位台的迟滞特性，提高了控制精度，较逆模型前馈补偿控制有更好的优越性。
2024, (4): 90-93.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.014
摘要:
文章提出了一种单轴直驱数控转台的研发方案，对研发过程中的关键技术进行了深入分析，包括内部总体结构、主要部件的选择、锁紧密封机构的设计及装配调试等方面。为类似单轴或双轴直驱数控转台的研发提供了有益的借鉴。
文章提出了一种单轴直驱数控转台的研发方案，对研发过程中的关键技术进行了深入分析，包括内部总体结构、主要部件的选择、锁紧密封机构的设计及装配调试等方面。为类似单轴或双轴直驱数控转台的研发提供了有益的借鉴。
2024, (4): 94-99.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.015
摘要:
针对以气凝胶为基体的热防护筒件在机加工过程中存在手动调姿繁琐、产品表面易损伤等问题，结合气凝胶热防护层材料性能，提出了一种可实现工件无损装夹并能进行位姿调节的方案设计，通过柔性真空吸附装置实现工件无损装夹，通过4个三坐标定位器实现工件六自由度位姿调节，基于快速位姿算法，结合误差权值分配法，利用Levenberg-Marquard（LM）算法对含有误差的位姿调节参数进行修正，得到更准确的目标位姿参数，仿真结果显示，修正后位姿调节参数误差减小了50%～90%。最后进行了试验验证，修正后，工件位姿调节参数位置误差小于0.6 mm，姿态误差小于0.25°，其装置性能满足目前工艺需求，可有效提升以气凝胶为基体的复合材料机加工生产效率。
针对以气凝胶为基体的热防护筒件在机加工过程中存在手动调姿繁琐、产品表面易损伤等问题，结合气凝胶热防护层材料性能，提出了一种可实现工件无损装夹并能进行位姿调节的方案设计，通过柔性真空吸附装置实现工件无损装夹，通过4个三坐标定位器实现工件六自由度位姿调节，基于快速位姿算法，结合误差权值分配法，利用Levenberg-Marquard（LM）算法对含有误差的位姿调节参数进行修正，得到更准确的目标位姿参数，仿真结果显示，修正后位姿调节参数误差减小了50%～90%。最后进行了试验验证，修正后，工件位姿调节参数位置误差小于0.6 mm，姿态误差小于0.25°，其装置性能满足目前工艺需求，可有效提升以气凝胶为基体的复合材料机加工生产效率。
2024, (4): 100-106.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.016
摘要:
机加工过程中航空铝合金零件的腐蚀是一个普遍而又难以解决的问题，这与切削液的长期浸泡有直接关系。文章通过浸泡实验模拟机加工过程中切削液对航空铝合金零件的腐蚀现象，再结合其他实验分析机加工过程中航空铝合金的腐蚀机理。航空铝合金腐蚀区域Al、Mg、Zn和Cu元素含量明显降低；腐蚀区域C和O元素大幅增加，而这些变化与现场液杂质相关。含量较高的Cl−对航空铝合金具有非常强的腐蚀性，含量较高的Ca2+、Mg2+、Na+可以间接加速航空铝合金零件的腐蚀。阳离子杂质一方面提高切削液电导率，加速航空铝合金的电化学腐蚀；另一方面消耗缓蚀剂含量，削弱缓蚀剂的保护作用。文章为机加工过程中航空铝合金零件的保护和切削液缓蚀剂的研究提供一定理论依据。
机加工过程中航空铝合金零件的腐蚀是一个普遍而又难以解决的问题，这与切削液的长期浸泡有直接关系。文章通过浸泡实验模拟机加工过程中切削液对航空铝合金零件的腐蚀现象，再结合其他实验分析机加工过程中航空铝合金的腐蚀机理。航空铝合金腐蚀区域Al、Mg、Zn和Cu元素含量明显降低；腐蚀区域C和O元素大幅增加，而这些变化与现场液杂质相关。含量较高的Cl−对航空铝合金具有非常强的腐蚀性，含量较高的Ca2+、Mg2+、Na+可以间接加速航空铝合金零件的腐蚀。阳离子杂质一方面提高切削液电导率，加速航空铝合金的电化学腐蚀；另一方面消耗缓蚀剂含量，削弱缓蚀剂的保护作用。文章为机加工过程中航空铝合金零件的保护和切削液缓蚀剂的研究提供一定理论依据。
2024, (4): 107-112.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.017
摘要:
为提高多头螺杆转子的加工质量，文章探究了外包络铣削工艺参数对表面粗糙度和硬度的影响，并对工艺参数进行优化。以主轴转速、间歇进给量及加工倍率作为因素进行正交试验，试验结果表明：加工倍率是影响表面粗糙度值最主要的因素，间歇进给量是影响显微硬度值最主要的因素。采用多目标优化算法对工艺参数进行优化，得到最优工艺参数组合如下：主轴转速为191 r/min，间歇进给量为3.1 mm，加工倍率为15%。用该组参数加工可使表面粗糙度值降低17.15%，显微硬度值提高7.60%。文章提出的方法可为工艺参数的优化提供参考。
为提高多头螺杆转子的加工质量，文章探究了外包络铣削工艺参数对表面粗糙度和硬度的影响，并对工艺参数进行优化。以主轴转速、间歇进给量及加工倍率作为因素进行正交试验，试验结果表明：加工倍率是影响表面粗糙度值最主要的因素，间歇进给量是影响显微硬度值最主要的因素。采用多目标优化算法对工艺参数进行优化，得到最优工艺参数组合如下：主轴转速为191 r/min，间歇进给量为3.1 mm，加工倍率为15%。用该组参数加工可使表面粗糙度值降低17.15%，显微硬度值提高7.60%。文章提出的方法可为工艺参数的优化提供参考。
2024, (4): 113-118.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.018
摘要:
文章将DLP光固化成型技术与熔模铸造工艺相结合，研制了适用于陶瓷浆料打印的光固化增材制造装备。以实现DLP光固化成型工艺参数：曝光时间、曝光层厚及曝光强度等为设计出发点，合理设计光固化打印机的选型及零部件布置，验证最佳工艺参数，确定了设备最佳曝光时间为30～35 s；最佳打印曝光层厚为0.1 mm。
文章将DLP光固化成型技术与熔模铸造工艺相结合，研制了适用于陶瓷浆料打印的光固化增材制造装备。以实现DLP光固化成型工艺参数：曝光时间、曝光层厚及曝光强度等为设计出发点，合理设计光固化打印机的选型及零部件布置，验证最佳工艺参数，确定了设备最佳曝光时间为30～35 s；最佳打印曝光层厚为0.1 mm。
2024, (4): 119-124, 147.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.019
摘要:
根据整体成型箱底的实际工艺加工需求，文章设计了一套内外形车切装置，其中内形车切装置可实现不同直径、不同高度产品的加工需求，增强了工装的适应性和工艺性。外形车切装置采用型面吸附压紧方式，既能有效控制加工变形，又极大地提高了作业效率。该成套装置有效解决了无底孔箱底定位夹紧难、加工易变形、专用工装适应性差及加工效率低等问题。
根据整体成型箱底的实际工艺加工需求，文章设计了一套内外形车切装置，其中内形车切装置可实现不同直径、不同高度产品的加工需求，增强了工装的适应性和工艺性。外形车切装置采用型面吸附压紧方式，既能有效控制加工变形，又极大地提高了作业效率。该成套装置有效解决了无底孔箱底定位夹紧难、加工易变形、专用工装适应性差及加工效率低等问题。
2024, (4): 125-131.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.020
摘要:
为了解决车身腰线锐利化带来的品质问题，以某车型后门外板为研究对象，文章展开了腰线二次拉延成形仿真以及冲压模具结构优化设计。在设计阶段对产品成形过程进行数值模拟。通过优选冲压方向、腰线二次拉延等方法优化冲压工艺，解决了腰线前端开裂、起皱以及优化了腰线滑移等质量问题。在冲压模具结构设计上，通过增加双导向、垫块和平衡块等方法，实现了模具实物上下型面间隙稳定，避免了由于工装精度不足导致的滑移线等质量问题。最终按照工艺方案用于模具制造，并根据仿真结果指导实物调试，得到了无开裂、起皱以及腰线滑移在基准内的合格零件。研究表明，该后门外板的二次拉延方案可实现锐利化腰线在后门外板上的工业化应用。
为了解决车身腰线锐利化带来的品质问题，以某车型后门外板为研究对象，文章展开了腰线二次拉延成形仿真以及冲压模具结构优化设计。在设计阶段对产品成形过程进行数值模拟。通过优选冲压方向、腰线二次拉延等方法优化冲压工艺，解决了腰线前端开裂、起皱以及优化了腰线滑移等质量问题。在冲压模具结构设计上，通过增加双导向、垫块和平衡块等方法，实现了模具实物上下型面间隙稳定，避免了由于工装精度不足导致的滑移线等质量问题。最终按照工艺方案用于模具制造，并根据仿真结果指导实物调试，得到了无开裂、起皱以及腰线滑移在基准内的合格零件。研究表明，该后门外板的二次拉延方案可实现锐利化腰线在后门外板上的工业化应用。
2024, (4): 132-139.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.021
摘要:
精密卧式车床的关键部件会在内外热源的综合影响下发生热变形，进而严重影响加工精度。数据驱动的热误差建模方法为解决此问题提供了有效手段，而厘清车床的关键热误差元素及其传导机理可进一步提高车床热误差的建模效率、精度和鲁棒性。文章针对车床X轴丝杠摩擦热、主轴发热、Z轴鞍座发热以及液压刀塔和拖板发热4个关键热误差元素开展了溯源测试，并根据溯源结果建立了热误差模型并开发了热误差实时补偿系统。车削验证实验结果表明，补偿后车床的加工误差在反复的加工和冷机过程中均稳定降低了75%以上，文章所提的热误差溯源和补偿方法有效提高了车床的加工精度和稳定性。
精密卧式车床的关键部件会在内外热源的综合影响下发生热变形，进而严重影响加工精度。数据驱动的热误差建模方法为解决此问题提供了有效手段，而厘清车床的关键热误差元素及其传导机理可进一步提高车床热误差的建模效率、精度和鲁棒性。文章针对车床X轴丝杠摩擦热、主轴发热、Z轴鞍座发热以及液压刀塔和拖板发热4个关键热误差元素开展了溯源测试，并根据溯源结果建立了热误差模型并开发了热误差实时补偿系统。车削验证实验结果表明，补偿后车床的加工误差在反复的加工和冷机过程中均稳定降低了75%以上，文章所提的热误差溯源和补偿方法有效提高了车床的加工精度和稳定性。
2024, (4): 140-147.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.022
摘要:
目前，关于机床空间误差建模的研究较少考虑由于机床自重引起刀尖点处的偏移量，导致空间误差模型的预测精度与实际结果存在偏差。为了解决上述问题，文章提出一种综合考虑几何误差和机床自重引起刀尖点处偏移量的空间误差建模方法。首先，基于多体系统理论和齐次坐标变换原理建立机床空间误差模型，其次利用正交实验法选出25组加工点，通过仿真分析得到样本点处机床自重引起的刀尖点处偏移量，并通过拟合建立刀尖点偏移量模型，揭示了刀尖点偏移量随加工位置的变化规律，从而建立了一种综合考虑几何误差和机床自重引起刀尖点处偏移量的空间误差模型，最终以“S”形试件为研究对象，进行仿真分析和实验验证，通过对比预测结果和实验结果发现获得的“S”形试件的轮廓误差变化趋势基本相同，残差值较小且低于测量结果的10%，验证了该方法的正确性。该方法的核心思想适用于各类多轴机床。
目前，关于机床空间误差建模的研究较少考虑由于机床自重引起刀尖点处的偏移量，导致空间误差模型的预测精度与实际结果存在偏差。为了解决上述问题，文章提出一种综合考虑几何误差和机床自重引起刀尖点处偏移量的空间误差建模方法。首先，基于多体系统理论和齐次坐标变换原理建立机床空间误差模型，其次利用正交实验法选出25组加工点，通过仿真分析得到样本点处机床自重引起的刀尖点处偏移量，并通过拟合建立刀尖点偏移量模型，揭示了刀尖点偏移量随加工位置的变化规律，从而建立了一种综合考虑几何误差和机床自重引起刀尖点处偏移量的空间误差模型，最终以“S”形试件为研究对象，进行仿真分析和实验验证，通过对比预测结果和实验结果发现获得的“S”形试件的轮廓误差变化趋势基本相同，残差值较小且低于测量结果的10%，验证了该方法的正确性。该方法的核心思想适用于各类多轴机床。
2024, (4): 148-152.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.023
摘要:
机床直线轴在空间不同位置处的定位误差难以全面快速测量，而机床加工过程中工件安装位置各异，单一位置的定位误差测量结果难以全面客观反映机床直线轴和工作空间的真实精度；同时，空间体对角线误差测量需长时间的光路调整，亦大幅降低了测量效率。为此，本文提出考虑空间位置差异的机床直线轴定位误差及空间体对角线误差快速辨识方法。该方法基于多站分时测量原理，采用激光跟踪干涉仪测量三轴机床的空间误差，根据空间误差差异辨识不同位置处的直线轴定位误差；同时，通过测量点与初始点理论距离与真实距离偏差计算空间体对角线误差，进而全面评估机床空间精度。相较于传统测量方法，该方法可快速辨识不同空间位置处的直线轴定位误差和工作空间体对角线误差，为机床直线轴和空间精度的快速测量和综合评价提供了一种新的思路和方法。
机床直线轴在空间不同位置处的定位误差难以全面快速测量，而机床加工过程中工件安装位置各异，单一位置的定位误差测量结果难以全面客观反映机床直线轴和工作空间的真实精度；同时，空间体对角线误差测量需长时间的光路调整，亦大幅降低了测量效率。为此，本文提出考虑空间位置差异的机床直线轴定位误差及空间体对角线误差快速辨识方法。该方法基于多站分时测量原理，采用激光跟踪干涉仪测量三轴机床的空间误差，根据空间误差差异辨识不同位置处的直线轴定位误差；同时，通过测量点与初始点理论距离与真实距离偏差计算空间体对角线误差，进而全面评估机床空间精度。相较于传统测量方法，该方法可快速辨识不同空间位置处的直线轴定位误差和工作空间体对角线误差，为机床直线轴和空间精度的快速测量和综合评价提供了一种新的思路和方法。
2024, (4): 153-158, 180.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.024
摘要:
针对机器人在抓取目标工件的过程中由于光线强度变化、图像环境复杂和拍摄设备移动等造成的工件识别精度低的问题，文章提出一种改进YOLOv5s的工件识别检测算法。首先，通过数据增强扩充数据集并进行预处理；其次，使用改进的k-means聚类算法重新生成更有效的预设锚框，缩短收敛路径；然后，在特征融合网络中添加CBAM注意力机制，有效抑制背景信息干扰，提高特征提取速度；此外，将特征融合模块中原有的特征金字塔结构替换成加权双向特征金字塔Bi-FPN结构，实现高效的加权特征融合和双向跨尺度连接，提高网络对不同尺度特征的融合效率；最后，通过采用α-IoU作为边界框回归损失函数，提高模型的定位效果。结果表明，改进后的YOLOv5s算法对工件检测的mAP值提升了6.03%，检测速度提升了13.7 fps，验证了改进算法的有效性。
针对机器人在抓取目标工件的过程中由于光线强度变化、图像环境复杂和拍摄设备移动等造成的工件识别精度低的问题，文章提出一种改进YOLOv5s的工件识别检测算法。首先，通过数据增强扩充数据集并进行预处理；其次，使用改进的k-means聚类算法重新生成更有效的预设锚框，缩短收敛路径；然后，在特征融合网络中添加CBAM注意力机制，有效抑制背景信息干扰，提高特征提取速度；此外，将特征融合模块中原有的特征金字塔结构替换成加权双向特征金字塔Bi-FPN结构，实现高效的加权特征融合和双向跨尺度连接，提高网络对不同尺度特征的融合效率；最后，通过采用α-IoU作为边界框回归损失函数，提高模型的定位效果。结果表明，改进后的YOLOv5s算法对工件检测的mAP值提升了6.03%，检测速度提升了13.7 fps，验证了改进算法的有效性。
2024, (4): 159-166.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.025
摘要:
为满足机床加工车间大量定制化产品，且多以小批量、多品种模式为主所带来的提升现场管理水平、提高生产安排合理性、提升生产效率和能源利用率、降低运营成本、产品不良率和设备故障率等迫切需求，文章对机床加工数字化车间建设的技术进行研究。针对机床加工数字化车间的数据互联互通问题，在分析数字化车间建设目标、整体性能需求和建设内容的基础上，建立了机床加工数字化车间总体架构设计模型，并对机床加工数字化车间数据的互联互通和各信息化系统的集成给出建设内容和遵循原则。为机械加工行业数字化车间总体架构模型的建模、数字化车间信息化系统功能和系统集成要求提供依据。
为满足机床加工车间大量定制化产品，且多以小批量、多品种模式为主所带来的提升现场管理水平、提高生产安排合理性、提升生产效率和能源利用率、降低运营成本、产品不良率和设备故障率等迫切需求，文章对机床加工数字化车间建设的技术进行研究。针对机床加工数字化车间的数据互联互通问题，在分析数字化车间建设目标、整体性能需求和建设内容的基础上，建立了机床加工数字化车间总体架构设计模型，并对机床加工数字化车间数据的互联互通和各信息化系统的集成给出建设内容和遵循原则。为机械加工行业数字化车间总体架构模型的建模、数字化车间信息化系统功能和系统集成要求提供依据。
2024, (4): 167-172.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.026
摘要:
针对柔性作业车间的多目标调度问题，文章建立以最大完工时间、能耗为目标的数学模型，提出一种多目标的改进遗传算法的求解方法。首先，在交叉算子中使用均匀交叉法，采用了基于邻域的变异算子。其次，针对交叉变异算子进行了非均匀改进，旨在增加算法搜索能力。通过动态调整非均匀交叉和非均匀变异的概率，提高搜索空间覆盖率，避免陷入局部最优解。最后，采用基准算例Kacem测试集进行测试。实验证明，该改进算法有效地解决了同时考虑最大完工时间和能耗的多目标调度问题，取得了显著的改善效果。
针对柔性作业车间的多目标调度问题，文章建立以最大完工时间、能耗为目标的数学模型，提出一种多目标的改进遗传算法的求解方法。首先，在交叉算子中使用均匀交叉法，采用了基于邻域的变异算子。其次，针对交叉变异算子进行了非均匀改进，旨在增加算法搜索能力。通过动态调整非均匀交叉和非均匀变异的概率，提高搜索空间覆盖率，避免陷入局部最优解。最后，采用基准算例Kacem测试集进行测试。实验证明，该改进算法有效地解决了同时考虑最大完工时间和能耗的多目标调度问题，取得了显著的改善效果。
2024, (4): 173-180.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.027
摘要:
为了准确地反映产品服务系统设计中的顾客需求，文章基于手段－目的链理论从顾客期望角度获取顾客需求，提出了云模型、模糊DEMATEL和改进的分析型Kano模型相结合的方法确定顾客需求重要度。利用云模型解决专家评价模糊不确定问题，确定顾客需求初始重要度。考虑到顾客需求间的有向影响关系，引入模糊DEMATEL方法，对顾客需求初始重要度进行修正。基于贴近度的顾客需求分类准则，构建了改进的分析型Kano模型，引入基于顾客满意度的顾客需求重要度指数和满意度指数，确定顾客需求最终重要度。以某数控机床产品服务系统设计为例，验证了所提模型的可行性和有效性。
为了准确地反映产品服务系统设计中的顾客需求，文章基于手段－目的链理论从顾客期望角度获取顾客需求，提出了云模型、模糊DEMATEL和改进的分析型Kano模型相结合的方法确定顾客需求重要度。利用云模型解决专家评价模糊不确定问题，确定顾客需求初始重要度。考虑到顾客需求间的有向影响关系，引入模糊DEMATEL方法，对顾客需求初始重要度进行修正。基于贴近度的顾客需求分类准则，构建了改进的分析型Kano模型，引入基于顾客满意度的顾客需求重要度指数和满意度指数，确定顾客需求最终重要度。以某数控机床产品服务系统设计为例，验证了所提模型的可行性和有效性。
2024, (4): 181-187.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.028
摘要:
针对最小化最大完工时间的柔性流水车间调度问题，文章提出了多目标选择的改进的遗传算法（MTGA），设计了针对该问题的一维的编码与解码方法，采用对立的方法进行种群的初始化。针对遗传算法，交叉操作进行整个工序的交叉向最优解靠拢加快了算法的收敛速度，变异操作中对所有的工序操作顺序进行整体变异，选择操作将种群分成多份做到向多个较优解靠拢，扩大了算法的搜索范围，降低了陷入局部最优的概率，并应用了两套交叉和变异概率增加算法灵活性。通过多个已有算法进行对比验证了算法的有效性。
针对最小化最大完工时间的柔性流水车间调度问题，文章提出了多目标选择的改进的遗传算法（MTGA），设计了针对该问题的一维的编码与解码方法，采用对立的方法进行种群的初始化。针对遗传算法，交叉操作进行整个工序的交叉向最优解靠拢加快了算法的收敛速度，变异操作中对所有的工序操作顺序进行整体变异，选择操作将种群分成多份做到向多个较优解靠拢，扩大了算法的搜索范围，降低了陷入局部最优的概率，并应用了两套交叉和变异概率增加算法灵活性。通过多个已有算法进行对比验证了算法的有效性。
2024, (4): 188-195.
doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.029
摘要:
针对分布式3D打印机（3DPs）在工业物联网（IIoT）中共享、协作、生产全球化的定制产品过程中，3D打印任务（3DPTs）在分布式3D打印机上分配工作量不平衡，以及提交的每个模型的定制属性和实时性等问题，文章提出了用于IIoT中个性化3D打印的实时绿色感知多任务调度架构，给出了一种稳健的在线分配算法，使得每个3D打印任务能够精确地满足用户定义属性，并且平衡了分布式3D打印机之间工作负荷，同时开发了一种基于优先级的自适应实时多任务调度（ARMPS）算法，实时调度每一个3D打印任务，满足3D打印任务的实时性以及动态性要求。在高负载下进行仿真实验，经性能评估测试，表明所提出的算法具有稳健性，调度架构具有鲁棒性和可扩展性。
针对分布式3D打印机（3DPs）在工业物联网（IIoT）中共享、协作、生产全球化的定制产品过程中，3D打印任务（3DPTs）在分布式3D打印机上分配工作量不平衡，以及提交的每个模型的定制属性和实时性等问题，文章提出了用于IIoT中个性化3D打印的实时绿色感知多任务调度架构，给出了一种稳健的在线分配算法，使得每个3D打印任务能够精确地满足用户定义属性，并且平衡了分布式3D打印机之间工作负荷，同时开发了一种基于优先级的自适应实时多任务调度（ARMPS）算法，实时调度每一个3D打印任务，满足3D打印任务的实时性以及动态性要求。在高负载下进行仿真实验，经性能评估测试，表明所提出的算法具有稳健性，调度架构具有鲁棒性和可扩展性。
