機械工程設計

基于小波包變換的滾動軸承故障診斷

王冬云，張文志

摘要：目的：滾動軸承在其運轉過程中必然會產生振動，當軸承元件表面出現局部損傷類故障時，損傷點與軸承其他元件表面發生接觸都會產生沖擊作用，振動就會加劇，同時導致軸承系統的瞬時高頻共振。故障診斷的首要任務就是要將共振信號中的故障特征提取出來。方法：小波包變換技術通過對振動信號進行小波包分解，可以得到每一頻帶內振動信號的變化規律，從中提取出能夠真實反映軸承沖擊振動現象的特征頻帶信號。近年來，小波包變換技術被廣泛應用于振動信號故障診斷。針對故障軸承振動信號能量集中與調制的特點，提出了一種基于小波包能量與Hilbert變換的滾動軸承故障診斷方法。該方法將小波包能量法與小波包絡解調法有機結合應用于滾動軸承故障診斷；并針對目前故障特征提取無法自動完成的問題，提出了滾動軸承故障特征參數自動提取方法。該小波包能量法與小波包絡解調法相結合的故障診斷方法應用步驟如下：（1）根據軸承結構尺寸計算軸承故障的特征頻率；（2）選擇合適的小波函數和分解級數，對原始信號進行小波包分解和單支重構得到各節點的小波包系數；（3）計算小波包能量，選取能量集中的頻段進行 Hilbert變換，獲得信號包絡譜；（4）應用特征參數自動提取方法，計算各特征頻率對應的包絡譜值，并依此進行故障診斷。結果：應用基于小波包的滾動軸承故障診斷方法，在燕山大學軋機研究所的減速箱故障中提取到了滾動軸承點蝕故障信息。故障軸承型號為6406，轉速為900 r/min，采樣頻率為5000 Hz，采樣點數為8192。應用基于小波包能量與Hilbert變換的分析方法，觀察到該譜圖在38.9 Hz頻率處有明顯峰值，這與計算得出的外圈故障特征頻率37.9 Hz相近，初步推斷該齒輪箱的故障類型為外圈故障。打開減速箱機蓋后發現軸承外圈發生點蝕，與分析結果一致。結論：經對實際減速箱故障診斷表明，小波包能量法與小波包絡解調法相結合可以有效識別滾動軸承表面損傷的故障模式。

來源出版物：中國機械工程, 2012, 23(3): 295-298

入選年份：2016

我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略

王田苗，陶永

摘要：中國先進制造業的發展正處于工業化發展過程中，具有自動化、智能化、綠色化、網絡化、信息化的發展趨勢，隨著市場的激烈競爭、勞動力成本的逐漸上升，以及用戶對個性化、定制化的需求越來越迫切，老齡化社會的加劇形成，一線產業工人減少的趨勢不可逆轉，中國制造業迫切需要對關鍵技術和核心裝備進行升級改造，以增強競爭力，提高經濟效益。因此，中國工業機器人產業的發展空間巨大，尤其在汽車制造、機械加工、焊接、上下料、磨削拋光、搬運碼垛、裝配、噴涂等作業中將得到越來越多的應用。本文結合在智能機器人領域的相關工作，介紹了機器人及工業機器人的定義與內涵，工業機器人自20世紀中期以來的發展歷程，美國、日本、歐洲、韓國等國家工業機器人相關發展計劃；然后，分析了國內外關于工業機器人技術與產業發展現狀，中國工業機器人盡管在某些關鍵技術上有所突破，但還缺乏整體核心技術的突破，特別是在制造工藝與整套裝備方面，缺乏高精密、高速與高效的減速機、伺服電動機、控制器等關鍵部件，建議對模塊化、可重構的工業機器人新型機構設計，基于實時系統和高速通信總線的高性能開放式控制系統，在高速、負載工作環境下的工業機器人優化設計，高精度工業機器人的運動規劃和伺服控制，基于三維虛擬仿真和工業機器人生產線集成技術，復雜環境下機器人動力學控制，工業機器人故障遠程診斷與修復技術等關鍵技術開展攻關，并就工業機器人涉及的靈巧操作、自主導航、環境感知與傳感、人機交互與安全性、開放式控制系統等前沿技術的研究做簡要的綜述；進而，從工業機器人的規模化市場應用是前提、國產工業機器人的主機成本與可靠性是核心、工業機器人核心零部件是關鍵、技術與商務創新是工業機器人產業化發展的關鍵出路等方面提出了中國工業機器人產業發展的若干思考和建議，希望能夠在把握國內外工業機器人前沿技術發展動態的同時，為發展中國工業機器人技術與產業提供相關戰略思考與建議。工業機器人不只有工業裝備的屬性，未來一定會成為大眾產品。一旦進入到大眾生活之后，會像互聯網一樣，成為一個國家經濟社會文化發展綜合載體，會形成龐大產業。中國工業機器人產業將迎來爆發期，一個新的智能機器人時代即將到來；中國對工業機器人及工作站、成套生產線的需求是剛性與持續的，將迎接工業機器人發展的臨界點，工業機器人發展將有力的支撐中國先進制造業的升級換代。

來源出版物：機械工程學報, 2014, 50(9): 1-13

入選年份：2016

高速高加速度下的進給系統機電耦合

盧秉恒，趙萬華，張俊，等

摘要：隨著高端制造行業如航空航天、汽車、高速機車以及能源裝備等的日益發展，高效高精加工成為了數控機床的發展趨勢和主流，這對數控機床，尤其是進給系統的性能提出了更高的要求。進給系統本身是一個典型的機電耦合系統，系統的動態性能取決于伺服驅動特性、機械動態特性以及兩者的相互耦合作用關系。伺服系統在驅動電路和電機結構非線性影響下，輸出力矩中帶有眾多的諧波干擾分量，而且這些諧波成分會隨著運動位移、進給速度、加速度以及負載的變化而發生演變；機械執行系統在構件柔性、結合部非線性以及結構耦合的作用下具有多階振蕩模態，而各階模態會隨空間布局與運動狀態的變化而變化。在切削過程中，具有多頻諧波成分的切削力擾動會加劇系統間的機電耦合現象。尤其隨著進給速度和加速度的提高，進給系統中的數控指令處理過程、伺服電路的非線性以及電機的磁飽和，機械系統的時變特性以及高速切削下切削力的諧波特性等都變得更加復雜。系統間的機電耦合作用關系變得更加多變，對系統運動精度的影響更加顯著。而伺服驅動系統和機械系統之間的這種強烈耦合關系的存在，使得在進給系統的設計過程有必要考慮耦合作用對系統運動平穩性的影響。傳統的機電系統設計中，對機電耦合現象進行了相應的簡化，實行了手動的人為解耦，將機械結構和控制補償分開設計。這對于一些工程應用，是能夠滿足應用需求的。但是這樣的設計方法難以準確預知數控機床可以達到的精度水平，更無法面向高精度要求進行系統的主動設計，難以實現系統的智能控制。近些年來，眾多學者對進給系統中的機電耦合現象及其相關內容進行了一定的研究工作，對于理解和分析機電耦合問題具有重要的意義。但是針對在高速高加速度運行時的進給系統，伺服、機械以及切削力所具有的更復雜的特性，以及其對系統機電耦合的影響還鮮有研究。為此本文從理論分析和試驗仿真的角度，探尋在高速高加速下，進給系統各部分的特性變異規律，為機電耦合的本質機理研究奠定理論基礎，同時為了實現高檔數控機床的主動設計和智能控制提供理論依據。研究表明（1）高速高加速下，伺服系統的非線性加強，電動機線圈的飽和效應加大，使得伺服輸出力的頻率特性發生變化。隨著速度的增大，伺服輸出力的頻率成分增大，頻率幅值增大；隨著加速度的增大，伺服輸出力的頻率不變，幅值增大。（2）由于結合面剛度非線性以及摩擦阻尼的影響，機械系統的質量分布會隨著位置的不同發生偏移；絲杠螺母副以及軸承副的軸向剛度隨著加速度的不同而不同，并且隨著加速度的增大，存在剛度突變點，相應的額定動載荷和負載質量都會影響加速度對機械系統的影響。尤其在高速高加速度下，機械系統的以上時變特性變得更加顯著。（3）高速高加速下，切削力頻率分量增大，刀具安裝偏置對切削力的影響更加明顯，切削力諧波成分增多。總之，在高速高加速度的情況下，進給系統各部件的動態特性會變得更加多變，系統間的機電耦合關系變得更加復雜，對系統運動性能的影響更加顯著。因此在進行系統設計和控制補償過程中，需要更多的關注各個部件在高速高加速度系的多維演變規律，關注系統之間的耦合關系，關注切削力干擾對系統耦合作用的影響，在考慮各類耦合關系的基礎上，實現系統的機電集成設計和智能控制，提高進給系統的運動精度。

來源出版物：機械工程學報, 2013, 49(6): 2-11

入選年份：2016

增材制造：實現宏微結構一體化制造

李滌塵，賀健康，田小永，等

摘要：增材制造是信息技術、新材料技術與制造技術多學科融合發展的先進制造技術。其制造原理是材料逐點累積形成面，逐面累積成為體。這一成形原理給制造技術從傳統的宏觀外形制造向宏微結構一體化制造發展提供了新契機。人們期待發展新的制造技術，力求實現宏觀外形結構與微觀組織結構的一體化制造，使得零件制造短流程化，實現結構優化、材料節約和能源節省。未來增材制造技術向多層次結構的計算機輔助設計技術發展，形成材料設計、結構制造的系統工程。不同尺度下的組織結構決定了其各自的性能特點，而且工藝、組織、性能之間關系的良好集成能夠實現多尺度結構設計的概念。通過改變組成物質的種類、組合方式（顯微結構的幾何和拓撲特征）、制備工藝可以改變所制備的材料的宏觀性能（物理性能、力學性能、生物學性能等），由此可以設計和制造新結構。因此，如何將材料設計與制備的系統工程思想引入制造環節，實現材料設計、制備、成形一體化，將是制造科學與技術的發展方向。基于增材制造材料可控逐點堆積的原理，發展“宏微結構一體化制造”是實現“材料—設計—制造”一體化的方向。西安交通大學立足此學術觀點，探索了不同材料由點到面再到體的材料堆積共性科學規律，面向金屬、陶瓷和復合材料，融合冷熱加工過程，實現構件的控形控性制造。在金屬材料中，以空心渦輪葉片制造為研究對象，建立了空心渦輪葉片金屬直接制造的技術路線和裝備系統，在制造葉片結構形狀的同時，控制葉片定向組織；在陶瓷增材制造中，設計制造光子晶體微結構研究實現了具有特殊功能的電磁波性能調控，研究將會推動超材料從前沿研究向實際應用發展；在生物材料支架的增材制造研究中，通過對自然骨/軟骨界面分析，設計并制造了從材料到結構仿生軟骨/骨梯度組織工程支架，解決軟骨與骨融合的難題；研究了人工肝組織支架微結構和材料，提出的冰模壓印成形方法，提高了支架微觀結構的連通性，有效促進了細胞的活性和擴增，形成了肝細胞索，可促使人工肝組織在體內進一步向自然肝組織轉化。外形宏觀結構與微觀組織結構的一體化增材制造，使得制造過程短流程化，這一原理在金屬材料、陶瓷材料、復合材料的成形制造中有著其他制造方法難以替代的優勢，為制造技術展示出了新的發展前景，為多學科交叉研究和產業的發展提供制造技術支撐。

來源出版物：機械工程學報, 2013, 49(6): 129-135

入選年份：2016

數控機床可靠性技術的研究進展

楊兆軍，陳傳海，陳菲，等

摘要：數控機床是裝備制造業的工作母機，其技術水平的高低代表了一個國家制造業的發展水平。目前數控機床在高速、精密、多軸聯動和復合加工等先進功能方面取得了明顯進展，但機床功能的維持能力即可靠性尚不能滿足機床用戶的要求，成為產業發展的關鍵共性技術，受到行業和學術界高度關注。數控機床可靠性的技術研究工作起步較晚，它既不像電子產品和機械結構產品那樣已經具備了相對成熟的可靠性理論與技術，也不像航空航天產品和武器裝備那樣已經形成了比較完整的可靠性技術體系。數控機床屬于復雜機電液系統，需要針對產品特點研究開發可靠性技術。經過多年的研發，數控機床可靠性技術取得了明顯進展。在可靠性建模方面，主要以故障間隔時間為基本變量，對分布規律的研究經歷了從簡單函數分布到多重威布爾分布；在維修約束條件方面，從假設“修復如新”發展到“修復如舊”；在故障時序方面，從時間靜態進化到時間動態，使得模型不斷接近工程實際，為數控機床的可靠性設計和分析提供了依據。在故障分析方面，主要采用故障模式分析和故障樹分析（fault tree analysis，FTA）等方法。故障模式分析經歷了從簡單的故障模式影響分析（failure mode and effects analysis，FMEA）進展到故障模式影響及其危害性分析（failure mode，effects and criticality analysis，FMECA），使其更易于找出數控機床可靠性的薄弱環節；FTA亦從單純的故障原因邏輯分析發展到數控機床的計算機輔助故障診斷，并顯現出良好的智能化應用趨勢。在可靠性設計方面，針對基于強度應力干涉理論的機械機構可靠性設計不滿足數控機床可靠性設計需求的狀況，逐漸探索形成了包括可靠性設計準則、可靠性分配設計和可靠性增長設計的數控機床可靠性綜合設計理念、方法與技術規范，并將形成以可靠性綜合設計為核心的數控機床全生命周期可靠性增長技術。在可靠性試驗方面，隨著能夠模擬真實工況的各類數控機床功能部件（包括主軸、數控轉塔刀架和刀庫機械手等）的可靠性試驗裝備的研制成功，逐漸突破了單純依靠數控機床用戶現場跟蹤試驗的落后局面。開發功能部件可靠性臺架加速試驗技術正在成為可靠性試驗領域的研究熱點。此外，隨著數控機床的網絡化、智能化以及機械故障診斷技術的發展，數控機床故障的遠程監控和故障預警也已成為數控機床可靠性技術領域的熱點課題。在取得明顯進展的同時還存在著專門從事數控機床可靠性研究的學者和機構較少、數控機床可靠性數據積累薄弱和重視機床整機、輕視功能部件的可靠性研究等問題。這些問題需要產業與學術界共同努力加以解決。要強化產品全生命周期可靠性的技術理念，在數控機床可靠性建模、分析、設計與試驗等研究的基礎上，進一步開展或加強制造可靠性、運輸可靠性、使用可靠性、維修性設計和預防性維修策略等可靠性技術的研究，建立數控機床可靠性動態數據庫和故障案例庫，制定系列的數控機床可靠性技術規范和技術標準，逐步形成具有數控機床產品特色的可靠性技術體系，為數控機床提供全生命周期的可靠性保障技術。

來源出版物：機械工程學報, 2013, 49(20): 130-139

入選年份：2016

機械設備運行可靠性評估的發展與思考

何正嘉，曹宏瑞，訾艷陽，等

摘要：航空發動機、燃氣輪機、高速列車等重大裝備，其質量與性能的競爭主要體現為可靠性的競爭。我國重大機械裝備的可靠性與國際先進水平相比還有很大差距，是制約我國由“制造大國”走向“制造強國”的瓶頸之一。機械設備可靠性包括設計可靠性、制造可靠性、運行可靠性、維修可靠性和管理可靠性等。運行可靠性與設備使用條件、所處環境、使用時間、零件退化失效等因素有關，具有時變性、動態性和特殊性。傳統可靠性評估方法利用大量的具有概率重復性的樣本，確定設備的失效分布，獲得宏觀意義上一批同類設備共性的平均可靠性。然而，各個設備通常在不同的條件與環境下運行，其零部件的損傷、故障、失效的程度不同，運行可靠性也必然不同。針對某臺具體的機械設備進行運行可靠性評估是個性問題，基于大樣本條件并依賴概率統計數據得到的平均可靠性難以滿足個體設備的運行可靠性評估需求。本文歸納傳統可靠性理論應用于機械設備運行可靠性評估時面臨的問題，回顧相應的改進方法。闡述以動態建模與故障機理分析、信號處理與故障特征提取為理論基礎的機械設備運行可靠性的技術內涵。賦予運行可靠性新的含義，即運行可靠性是指設備在規定的條件下和服役的時間內由其零部件的運行狀態所決定的完成規定功能的能力。將運行可靠度定義為設備在規定的條件下和服役的時間內由其零部件的運行狀態所決定的完成規定功能的歸一化度量指標。提出基于機械設備狀態信息的運行可靠性評估方法，即首先利用相關系數法、凝聚函數法、峭度指標法等方法建立設備運行狀態與可靠性關聯映射模型，然后利用關聯映射模型計算運行可靠度，將信號處理和故障特征提取結果映射到運行可靠度的歸一化度量區間[0，1]，實現機械設備的運行可靠性評估。給出三個基于狀態信息的運行可靠性評估實例，即：（1）利用狀態參量法，并參考國際標準ISO3945，將評價回轉機械振動程度的絕對振動速度量轉換為無量綱的可靠度指標；（2）采用振動信號的小波包頻帶能量分解方法，計算歸一化小波包信息熵及其對應的可靠度，合理評估軸瓦松動與維修后兩種狀態下汽輪發電機組的運行可靠性；（3）運用模糊支持向量描述法和運行時間構造滾動軸承的單調性能退化損傷程度指標，計算出滾動軸承運行過程中的可靠度，評估損傷退化至失效連續狀態下滾動軸承的運行可靠性。應用效果表明，所提方法為機械設備運行可靠性評估方法缺乏大樣本和概率統計數據這一難題開辟了新途徑。最后引出機械設備運行可靠性評估有待解決的問題，為后續研究提供參考。

來源出版物：機械工程學報, 2014, 50(2): 171-186

入選年份：2016