制造技术与机床

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荣林森, 朱祥龙, 董志刚, 康仁科, 潘蕊

2023, (3): 13-17. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.001

摘要 HTML PDF(1383KB)

摘要:
针对用于加工某种非回转体锥罩的大长径比磨杆，采用加工仿真的方法来探究其在不碰撞情况下的最大尺寸。确定磨杆初始尺寸并建立三维模型，利用CATIA软件生成覆盖罩体内廓表面的加工轨迹，并开发专用后处理器来生成G代码。通过VERICUT软件完成加工仿真，根据仿真结果优化磨杆结构，缩减磨杆碰撞处直径，增大磨杆不碰撞处直径。优化后确定了磨杆尺寸长为1 855 mm，大端直径为150 mm。经过最终仿真检验，证明通过仿真方法确定了不碰撞情况下的最大尺寸的磨杆。

基于三点偏置刀位偏差补偿的五轴侧铣加工路径优化方法

陈力智, 周立峰, 王东, 马驰, 于建华

2023, (3): 18-23. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.002

摘要 HTML PDF(1683KB)

摘要:
直母线刀具在五轴侧铣加工非可展直纹面过程中难与曲面准确贴合，为解决此问题，提出通用的三点偏置方法完成刀具初始定位，沿刀轴计算刀具与被加工曲面之间的几何偏差，基于偏差补偿思想偏置得到轴迹面采样点在空间中的理想分布，据此建立轴迹面拟合模型，通过奇异值分解（SVD）算法求解该模型，以加工偏差绝对值之和最小为目标，求解得到最优加工路径。仿真算例表明，与基于智能算法的侧铣路径优化方法相比，所提方法在提升加工精度方面优势明显。

单晶硅纳米磨削亚表面损伤形成机制及其抑制研究

田海兰, 韩涛, 闫少华, 易红星, 闫海鹏

2023, (3): 24-30. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.003

摘要 HTML PDF(2164KB)

摘要:
硅晶圆纳米磨削过程中产生的亚表面损伤限制了其使用寿命，亟需研究纳米磨削过程中单晶硅的亚表面损伤形成机制和抑制方法。文章首先建立了单晶硅纳米磨削的分子动力学仿真模型，研究其亚表面损伤形成机制。随后研究了磨削参数对磨削过程中磨削力、磨削温度以及亚表面损伤形成的影响机制。最后提出了单晶硅纳米磨削的损伤抑制策略。结果表明：单晶硅纳米磨削过程中结构相变和非晶化是其主要亚表面损伤形成机制。原始的Si-I相在挤压和剪切作用下形成了Si-II相、Si-III相、Si-IV相、bct5-Si相以及非晶。磨削深度增加导致了磨削力和磨削温度升高，而磨削速度的增加导致磨削力减小，磨削温度升高。磨削力增大是导致亚表面损伤严重的主要原因，而一定程度的高温有利于抑制单晶硅的亚表面损伤。在纳米磨削单晶硅时，可通过减小磨削深度和提升磨削速度来实现亚表面损伤的抑制。

切削参数对树脂聚酰胺-66材料的切削性能影响

张继林, 沈建成, 贾海深, 梁泽芬, 张得福

2023, (3): 31-38. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.004

摘要 HTML PDF(2242KB)

摘要:
为了研究切削参数对树脂聚酰胺-66材料切削性能的影响规律，采用单因素和响应面法进行试验设计与分析，利用切削试验平台测试了树脂聚酰胺-66材料切削过程的切削力、切削温度和粗糙度。单因素研究表明，当增加切削速度时，切削力逐渐降低，切削温度和粗糙度逐渐增加；当增加进给量和背吃刀量，切削力、切削温度和粗糙度都逐渐增加。通过响应面法分别构建切削参数与切削力、切削温度和表面粗糙度之间的二次回归模型，研究了切削速度、进给量和背吃刀量参数及其交互作用对树脂聚酰胺-66材料切削性能的影响。结果表明：二次回归模型显著，其拟合精度分别为98.89%、99.09%和96.00%，预测出切削速度为90.02 m/min、进给量为0.11 mm/r和背吃刀量为2.0 mm时，切削力最小、切削温度最低和粗糙度最小。对最优切削参数进行切削试验，与预测结果对比，得出切削力分别为32.558 N和31.762 N；切削温度分别为92.5 ℃ 和90.1 ℃ ；粗糙度分别为0.732 μm和0.694 μm，试验值与预测值的误差率分别为2.44%、2.59%和5.19%。

数控机床数字孪生标准体系研究

薛瑞娟, 黄祖广, 王金江, 陶飞, 张培森, 吴怡然

2023, (3): 39-50. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.005

摘要 HTML PDF(2367KB)

摘要:
数字孪生作为推动智能制造的关键使能技术，如何在机床领域落地应用成为备受关注的焦点。然而，数控机床数字孪生术语、架构、关键技术等相关标准的缺乏，严重阻碍了数字孪生技术在数控机床领域的推广应用。为解决上述问题，亟需制定数控机床数字孪生标准给予参考和指导。因此，首先分析了数控机床数字孪生标准的需求，在此基础上，结合数字孪生五维模型和前期对数字孪生技术的研究，构建了数控机床数字孪生标准体系框架，该标准体系主要包括通用、安全、测评等基础共性标准和数控机床配置、数字孪生建模、数据处理、连接交互、集成与服务等关键技术标准，并对数控机床数字孪生标准的应用与定位进行了分析讨论。期望相关工作能为数控机床标准及数字孪生标准研究与制定人员提供参考，同时为数字孪生技术在数控机床领域的落地应用提供指导。

云制造环境下模具加工任务与制造资源服务匹配研究与应用

邝超鹏, 陶建华, 李庭泰, 陈彬, 马尧, 王伟

2023, (3): 51-59. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.006

摘要 HTML PDF(2304KB)

摘要:
针对传统模具企业加工任务需求的不断变化，更多个性化的模具加工任务被提出，不同区域企业间缺乏沟通与合作，传统的模具企业仅仅依靠自身拥有的加工资源，难以满足复杂多变的加工任务的需求。引入云制造模式，对模具加工任务的分类、编码规则以及任务间的相互关系进行研究，建立模具制造企业订单项目模型，利用UML建模技术，对模具加工任务进行形式化描述，确定模具加工任务的约束关系，并提出了模具加工任务与制造资源服务匹配的3种模式，以及金银铜质制造资源服务检索算法，结合层次分析法、专家评估法和熵权系数法的主客观综合方法计算最优指标权重系数，得出的结果作为最优服务。结果表明：有效地促进企业间的协同工作，企业生产制造方式更加丰富化，有效提高闲置加工资源的利用率，降低生产成本。

混合QoS条件下基于信息公理的制造资源服务配置研究

张源铄, 王有远

2023, (3): 60-64. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.007

摘要 HTML PDF(887KB)

摘要:
为实现云制造环境下企业制造资源的有效配置，提出一种在混合QoS条件下基于信息公理的制造资源服务配置方法。首先对混合QoS指标进行区分，基于信息公理计算指标信息量，利用模糊三角数将语义短语转化为模糊数，构建了一种混合QoS指标信息量计算方法。根据各QoS指标信息量和相应权重计算制造资源综合信息量并进行排序，实现制造资源配置优选。最后通过仿真实验验证了方法的可行性。

面向零件装配的机器人工件识别

钟佩思, 付琳, 刘梅, 王晓, 郭世贺

2023, (3): 65-70. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.008

摘要 HTML PDF(1522KB)

摘要:
针对工业机器人装配柔性低、工件识别鲁棒性差的问题，提出一种基于机器视觉的工件识别方法应用于零件装配领域。该方法首先利用双层旋转滤波器的尺寸不变性和旋转不变性实现特征点的均匀提取，利用rBRIEF算法生成带有方向信息的特征点描述符，计算Hamming距离进行特征点匹配，利用RANSAC算法对结果进行优化，实现目标工件的准确识别。用工件图片对本文方法进行检验，试验对比分析了该方法与3种传统方法在旋转、缩放变换下的工件识别效果，结果表明，该方法能够更准确、高效地识别工件。最后，搭建基于机器视觉的轴孔装配实验平台，验证工件识别的可行性。

一种基于视觉识别的机器人随动挂件系统

薛家兴, 刘晓琳, 薛彦杰

2023, (3): 71-75. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.009

摘要 HTML PDF(1402KB)

摘要:
悬挂链输送作为发动机缸体铸件工序转运过程中的一个重要环节，针对现有工艺流程中人工挂件生产效率低、劳动强度大、存在安全隐患和造成铸件磕碰伤等问题，设计了一种基于视觉识别的机器人随动挂件系统，该系统采用视觉识别技术和机器人随动跟踪技术，实现悬挂链在运动状态下300 kg重载缸体自动抓取挂件。系统已投入使用，运行稳定可靠，机器人有效替代人工，生产效率提高10%，因铸件磕碰伤导致的废品率降至0.4%以下，具有良好的应用前景。

基于最小二乘法CNC无线测头智能检测控制系统设计

薛明, 吴光明, 刘惠强

2023, (3): 76-84. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.010

摘要 HTML PDF(2205KB)

摘要:
为提高CNC在机检测效率和质量，针对现有的接触式测头各种检测误差，研究一种基于最小二乘法曲线拟合插值方法的测量误差补偿模型，该算法通过最小二乘法分别对测头模型标定、系统测量误差补偿模型构建，设计了一套精度较高的CNC无线测头智能检测与控制系统，达到在机测量零件尺寸精度和误差补偿。生产结果证明该系统误差补偿算法的可行性、有效性与优越性较高，提高了生产效率、生产质量，降低了次品率、生产成本，能广泛适用于CNC数控铣削精密加工零件尺寸测量与误差补偿。

运载火箭箭体制造关键装备与技术现状及发展

刘冬

2023, (3): 85-93. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.011

摘要 HTML PDF(2641KB)

摘要:
运载火箭是一个国家进入空间的主要手段，其制造水平对控制空间的进程至关重要。箭体结构作为运载火箭的主体部分，是火箭制造中的关键。经过几十年的发展，箭体制造技术逐渐从以手工操作为主的模式转向绿色化、自动化技术为主的模式。根据国内外运载火箭箭体结构制造情况，对箭体结构制造流程中的关键技术及其装备进行了详细的介绍，包括板材成型、铣削加工、钻铆、焊接和箭体对接这5个主要流程，总结了相关技术的国内外差距以及应用难点，为我国运载火箭箭体结构制造水平的发展提供参考。

“三位一体”数字化制造实验平台设计与研究

刘基盛, 谭自强, 李威, 贾志新, 方鹏程

2023, (3): 94-100. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.012

摘要 HTML PDF(2222KB)

摘要:
为适应机械设计与制造的教育数字化转型发展要求，利用了互联网技术、反求设计、五轴数控加工、虚实结合技术以及现代机械设计方法等技术手段，设计了“三位一体”数字化实验平台，开发了数字化设计模块、数字化制造模块以及数字化检测模块，研究了复杂零件数字化制造过程的先进技术方法以及可行性和有效性，基于“三位一体”实验平台，使复杂叶轮优化设计后的等熵效率提升了0.7%，流量提高了3.92%，并改善了加工质量和制造效率，提高了五轴数控机床的使用精度。“三位一体”数字化制造实验平台的设计和研发为企事业单位和高等院校的教育数字化转型提供了理论基础和建设方案，有助于机械设计与制造行业创新复合型人才的培养。

电磁直线执行器变论域双模糊自抗扰控制

李德同, 葛文庆, 谭草, 陈杰炜, 鲁应涛, 李晓晨

2023, (3): 101-106. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.013

摘要 HTML PDF(2190KB)

摘要:
针对电磁直线执行器系统内部参数扰动和外部不确定性干扰对控制系统的影响，提出了一种变论域双模糊自抗扰控制方法。设计了内电流环采用PI控制，而位置环采用变论域双模糊自抗扰控制的双闭环控制。在不改变输出论域划分的前提下，以一级模糊控制的输出作为伸缩因子，灵活调节二级模糊控制的输出论域，使得模糊控制具有自适应性，提高了控制系统的稳定性和抗干扰能力。研究结果表明，与现有控制方法相比，文章所提出的控制方法不仅具有较好的轨迹跟踪能力和控制精度，并对系统内外部不确定性扰动具有良好的鲁棒性。

带时间窗约束的AGV集配货绿色路径规划问题研究

郑晓军, 高峰, 高佳, 郭星泽

2023, (3): 107-114. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.014

摘要 HTML PDF(1228KB)

摘要:
针对柔性制造车间背景下带时间窗约束的自动化导引运输车（automated guided vehicle，AGV）集配货绿色路径规划问题，以最小化AGV集配货过程能耗及时间偏离能耗作为组合优化目标，构建AGV绿色车辆路径规划模型，根据所研究问题特性，提出了一种改进变邻域搜索的混合遗传算法（GA-VNS）对其进行求解，并设计了5种邻域结构来提高算法寻优能力。通过对Solomon算例测试集进行求解，并与国际已知最优解进行数据对比，验证文章所提算法的可行性；进一步以某柔性制造车间某一生产时段的AGV物流运输任务作为实验案例，分别使用所设计的算法、GA和VNS算法对问题进行求解，数值实验结果表明了文章所提模型及算法的优化、适用性，为车间实现节能减排的发展目标提供一种可行方案。

基于干扰观测器的机械臂自适应模糊滑模控制

李虎, 刘泓滨

2023, (3): 115-120. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.015

摘要 HTML PDF(1426KB)

摘要:
机械臂在轨迹跟踪控制中存在建模误差和外界干扰等问题。为了提高机械臂轨迹跟踪的精度和速度，设计了一种基于干扰观测器的机械臂自适应模糊滑模控制策略。首先，使用新型趋近律来减小机械臂滑模控制系统中抖振的影响；其次，采用干扰观测器对机械臂建模误差和外界干扰进行估计，根据干扰观测器的观测值对机械臂的输入力矩进行补偿；最后，对于无法观测的部分，采用模糊系统中的万能逼近原理对未知的干扰进行估计，进一步提高机械臂的轨迹跟踪性能。通过仿真试验表明，该控制策略不仅可以克服建模误差和外界干扰所带来的影响，还可以有效地削弱系统的抖振，保证了机械臂各关节位置跟踪的精度和速度。同时也说明了该控制策略的有正确性和有效性。

基于负载转矩观测器的热连轧电机模型预测控制

刘涛, 方毅芳, 吴达远

2023, (3): 121-129. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.016

摘要 HTML PDF(1886KB)

摘要:
在大型热连轧机传动领域，交流电机作为传动电机取代直流电机已经是必然的发展趋势。交流异步电机凭借低成本、质量小、易操作、结构简易、运行可靠、易于维护、能够用于易燃易爆等恶劣环境等优点，在大型热连轧机主传动领域受到广泛青睐。针对大功率低转速的热连轧机异步传动电机设计模型预测转矩控制系统，并设计负载转矩观测器对速度外环控制器做前馈补偿。仿真实验结果表明，该控制系统能够有效地对热连轧机异步传动电机进行控制，具有较快的响应速度和较高的稳定性。

汽车桥壳液压胀形工艺增压系统设计

吴娜, 刘超

2023, (3): 130-134. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.017

摘要 HTML PDF(1868KB)

摘要:
液压胀形是制造管壳类零件的一种先进成形方法。在分析汽车桥壳液压胀形工艺的基础上，设计了双级增压系统以实现液压胀形过程中低压快速充液、补液增压、高压校形以及快速泄压的工作要求。确定了压力控制路径和增压器位移路径，给出了基于位移控制为主、压力控制为辅的控制策略，并进行了生产性试验，得到了成形性较好的液压胀形汽车桥壳管件。

基于分区压边技术的铝合金方盒形件拉深技术研究

张红升, 秦泗吉, 张婷婷

2023, (3): 135-140. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.018

摘要 HTML PDF(1681KB)

摘要:
提出了一种适用于盒型件等非轴对称结构的径向分区压边方法，可对法兰不同径向区域独立加载压边力。首先，采用理论方法建立了法兰区皱纹模型，并推导出相对于传统压边方法，新方法只需要更小的压边力即可以抑制起皱，初步验证了径向分区压边方法的理论可行性。然后，采用有限元方法对成形效果进行了数值模拟。结果表明，径向分块压边圈对控制材料的流动更有效，可有效地抑制起皱并且提高成形极限。最后进行了板材拉深成形实验。同样施加5.9 kN的压边力，径向分区压边方法作用下的盒型件具有更好的成形效果，验证了所提出的新压边方法用于板材成形是切实可行的。

以应变能最小为目标的航空薄壁件装夹优化方法

门星臣, 王仲奇, 杜兆才, 李超, 常正平

2023, (3): 141-148. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.019

摘要 HTML PDF(1679KB)

摘要:
在薄壁件装夹过程中，定位布局、夹紧布局及夹紧顺序等参数的不同，导致薄壁件变形程度也不同。现有研究大多以节点法向变形最小为优化目标，忽略了不同方向上的变形程度以及不同区域的装夹应力分布影响，提出以应变能最小为目标进行航空薄壁件装夹方案优化，当整体应变能最小时，薄壁件变形程度较小，应力分布也较均匀。应用拉丁超立方采样和有限元软件生成样本数据，建立最小化整体应变能为目标，定位元件位置为决策变量的BP神经网络预测模型，并应用遗传算法优化定位布局。在薄壁件装夹过程中，定位与夹紧是相互联系的过程，在定位布局优化的基础上，构建装夹顺序、夹紧位置与整体应变能之间的非线性映射关系，对所建立的映射关系迭代寻优，确定最优装夹顺序与装夹位置。以曲面薄壁件作为应用实例，验证所提方法的正确性和有效性。

基于可换钻尖机夹钻的钛–钢复合管板钻孔工艺试验研究

杨德存, 江磊, 税妍, 邓亚弟, 向志杨, 文小山

2023, (3): 149-155. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.020

摘要 HTML PDF(1700KB)

摘要:
汽轮机凝汽器端管板多采用钛–钢复合管板，由于管板两种金属的加工性能存在较大差异，导致管孔加工效率较低。文章对可换钻尖机夹钻一次成型管板管孔的钻孔工艺进行了试验研究，首先设计钛–钢复合试板的一次钻孔成型试验方案，对试验中的钻孔孔径、孔壁粗糙度、钻孔过程切削力等数据进行测量分析，并对加工过程中的切屑排出、积屑瘤等状态进行分析，总结了可换钻尖机夹钻钻孔工艺对钛–钢复合管板的加工适应性。试验结果表明，换钻尖机夹钻钻孔孔径尺寸稳定，加工过程切屑排出良好，针对汽轮机凝汽器的钛–钢复合管板管孔的粗加工具有较好的一次钻孔成型能力。

基于三维模型的消耗式装配工艺方法研究

余章勇, 王亮, 郑晋峰

2023, (3): 156-162. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.021

摘要 HTML PDF(2717KB)

摘要:
复杂产品的装配工艺对齐套性、一致性和完整性有很高要求，需要支持在BOM变迁的情形下实现基于模型的可视化装配。通过研究多BOM的数据关系与变迁过程，建立了可追溯的BOM静态信息模型和BOM变迁的动态过程模型。提出了基于路径与零件实例的从PBOM到MBOM的消耗式物料分配方法，并使用三维坐标动态运算的方式来保证三维模型组装与显示的正确性。依据此方法设计了内存数据结构，进行了系统功能实现和验证，证明该方法满足实际的应用要求。

基于工业机器人动力学模型的差分力矩偏差碰撞检测方法

张振宇, 钟佩思, 张超, 王祥文, 刘梅, 孙钰雁

2023, (3): 163-172. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.022

摘要 HTML PDF(3292KB)

摘要:
针对工业机器人的碰撞检测问题，提出一种基于工业机器人动力学模型的差分力矩偏差碰撞检测方法。采用基于惩罚函数的自适应遗传算法计算动力学参数辨识中的最优激励轨迹；采用自适应学习率的单层神经网络实现机器人动力学参数辨识，得到机器人动力学模型；利用该动力学模型和工业机器人自身携带传感器及驱动电流信号等计算预测力矩和实际力矩的力矩偏差，对力矩偏差进行向后一阶差分和向后二阶差分，从而将工业机器人碰撞区分为有意碰撞和无意碰撞，实现机器人碰撞检测并触发相应的避撞机制，避免造成设备及人员损坏。用6R工业机器人进行实物碰撞检测验证，实验结果表明碰撞检测算法能够有效区分无碰撞、无意碰撞和有意碰撞，提高了工业机器人协同作业的安全性。

工件测量功能在西门子840D sl五轴数控机床中的应用

王大双, 洪荣晶

2023, (3): 173-178. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.023

摘要 HTML PDF(1362KB)

摘要:
以西门子840D sl五轴数控机床为例，详细阐述了西门子840D sl五轴机床五轴功能参数配置方法、3D测头调试与标定方法、基于空间标准球与西门子五轴标定循环（CYCLE9960）精确计算五轴转换几何矢量方法。通过对五轴机床回转轴心、轴线等运动系统的矢量校准，有效减少五轴数控机床工件测量误差。同时对840D sl五轴坐标转换和西门子测量循环的工作原理和执行过程也进行了深入研究，基西门子840D sl五轴机床加工过程中刀轴矢量的运动变化规律，采用一种适用于通用五轴机床的工件测量方法，进而实现加工过程中工件坐标自动测量，缩短了零件的加工辅助时间，提高了加工效率和精度。

面向制造流程的检测过程精确仿真技术研究

刘静, 武琼, 马飞

2023, (3): 179-183. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.024

摘要 HTML PDF(1483KB)

摘要:
制造过程中的工件是理论形态与毛坯余料的结合，自动化测量碰撞风险极高，为预先规避风险，提出了面向制造流程的检测过程精确仿真方法。根据数控加工过程与坐标测量机检测过程在运动上的相似性，构建了基于VERICUT的测量机仿真环境，并利用仿真工位间的毛坯继承性得到零件加工中间几何状态模型，实现了面向制造流程的检测过程精确仿真。应用验证表明，该方法通过计算机虚拟仿真能够有效地发现测量轨迹及测量参数等方面的不合理问题，避免直接测量实体造成事故和不必要的损失。

基于非线性超声的SLM制备车用合金疲劳损伤检测

贾广辉, 袁留奎, 常浩, 张昊

2023, (3): 184-188. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.03.025

摘要 HTML PDF(1549KB)

摘要:
为了提高对车用选区激光熔融GH4169镍基合金疲劳损伤的检测能力，设计了一种基于非线性超声的高效检测方法。根据超声非线性系数精确判断试件的疲劳损伤状态，并通过高次谐波检测技术快速测定合金疲劳损伤。研究结果表明：二次谐波与基波相比形成了更低幅值。与初始试件相比，经过18 000次疲劳测试后，试样形成了更大变化幅值信号。试样组织中形成了等轴晶形态，大部分柱状晶表现出较强方向性。周期疲劳试样形成了大量疲劳裂纹。增加疲劳周期后，非线性超声测试变化不断增大，形成了相近的变化特征。与缩颈处测试点相比，喇叭口处测试点超声非线性系数跟疲劳周数之间虽然也呈现正相关的特点，但只发生了小幅增长。该研究对提高激光熔融试样的疲劳损伤检测精度具有很好的理论支撑价值。

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