机械工程设计

基于小波包变换的滚动轴承故障诊断

王冬云，张文志

摘要：目的：滚动轴承在其运转过程中必然会产生振动，当轴承元件表面出现局部损伤类故障时，损伤点与轴承其他元件表面发生接触都会产生冲击作用，振动就会加剧，同时导致轴承系统的瞬时高频共振。故障诊断的首要任务就是要将共振信号中的故障特征提取出来。方法：小波包变换技术通过对振动信号进行小波包分解，可以得到每一频带内振动信号的变化规律，从中提取出能够真实反映轴承冲击振动现象的特征频带信号。近年来，小波包变换技术被广泛应用于振动信号故障诊断。针对故障轴承振动信号能量集中与调制的特点，提出了一种基于小波包能量与Hilbert变换的滚动轴承故障诊断方法。该方法将小波包能量法与小波包络解调法有机结合应用于滚动轴承故障诊断；并针对目前故障特征提取无法自动完成的问题，提出了滚动轴承故障特征参数自动提取方法。该小波包能量法与小波包络解调法相结合的故障诊断方法应用步骤如下：（1）根据轴承结构尺寸计算轴承故障的特征频率；（2）选择合适的小波函数和分解级数，对原始信号进行小波包分解和单支重构得到各节点的小波包系数；（3）计算小波包能量，选取能量集中的频段进行 Hilbert变换，获得信号包络谱；（4）应用特征参数自动提取方法，计算各特征频率对应的包络谱值，并依此进行故障诊断。结果：应用基于小波包的滚动轴承故障诊断方法，在燕山大学轧机研究所的减速箱故障中提取到了滚动轴承点蚀故障信息。故障轴承型号为6406，转速为900 r/min，采样频率为5000 Hz，采样点数为8192。应用基于小波包能量与Hilbert变换的分析方法，观察到该谱图在38.9 Hz频率处有明显峰值，这与计算得出的外圈故障特征频率37.9 Hz相近，初步推断该齿轮箱的故障类型为外圈故障。打开减速箱机盖后发现轴承外圈发生点蚀，与分析结果一致。结论：经对实际减速箱故障诊断表明，小波包能量法与小波包络解调法相结合可以有效识别滚动轴承表面损伤的故障模式。

来源出版物：中国机械工程, 2012, 23(3): 295-298

入选年份：2016

我国工业机器人技术现状与产业化发展战略

王田苗，陶永

摘要：中国先进制造业的发展正处于工业化发展过程中，具有自动化、智能化、绿色化、网络化、信息化的发展趋势，随着市场的激烈竞争、劳动力成本的逐渐上升，以及用户对个性化、定制化的需求越来越迫切，老龄化社会的加剧形成，一线产业工人减少的趋势不可逆转，中国制造业迫切需要对关键技术和核心装备进行升级改造，以增强竞争力，提高经济效益。因此，中国工业机器人产业的发展空间巨大，尤其在汽车制造、机械加工、焊接、上下料、磨削抛光、搬运码垛、装配、喷涂等作业中将得到越来越多的应用。本文结合在智能机器人领域的相关工作，介绍了机器人及工业机器人的定义与内涵，工业机器人自20世纪中期以来的发展历程，美国、日本、欧洲、韩国等国家工业机器人相关发展计划；然后，分析了国内外关于工业机器人技术与产业发展现状，中国工业机器人尽管在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，特别是在制造工艺与整套装备方面，缺乏高精密、高速与高效的减速机、伺服电动机、控制器等关键部件，建议对模块化、可重构的工业机器人新型机构设计，基于实时系统和高速通信总线的高性能开放式控制系统，在高速、负载工作环境下的工业机器人优化设计，高精度工业机器人的运动规划和伺服控制，基于三维虚拟仿真和工业机器人生产线集成技术，复杂环境下机器人动力学控制，工业机器人故障远程诊断与修复技术等关键技术开展攻关，并就工业机器人涉及的灵巧操作、自主导航、环境感知与传感、人机交互与安全性、开放式控制系统等前沿技术的研究做简要的综述；进而，从工业机器人的规模化市场应用是前提、国产工业机器人的主机成本与可靠性是核心、工业机器人核心零部件是关键、技术与商务创新是工业机器人产业化发展的关键出路等方面提出了中国工业机器人产业发展的若干思考和建议，希望能够在把握国内外工业机器人前沿技术发展动态的同时，为发展中国工业机器人技术与产业提供相关战略思考与建议。工业机器人不只有工业装备的属性，未来一定会成为大众产品。一旦进入到大众生活之后，会像互联网一样，成为一个国家经济社会文化发展综合载体，会形成庞大产业。中国工业机器人产业将迎来爆发期，一个新的智能机器人时代即将到来；中国对工业机器人及工作站、成套生产线的需求是刚性与持续的，将迎接工业机器人发展的临界点，工业机器人发展将有力的支撑中国先进制造业的升级换代。

来源出版物：机械工程学报, 2014, 50(9): 1-13

入选年份：2016

高速高加速度下的进给系统机电耦合

卢秉恒，赵万华，张俊，等

摘要：随着高端制造行业如航空航天、汽车、高速机车以及能源装备等的日益发展，高效高精加工成为了数控机床的发展趋势和主流，这对数控机床，尤其是进给系统的性能提出了更高的要求。进给系统本身是一个典型的机电耦合系统，系统的动态性能取决于伺服驱动特性、机械动态特性以及两者的相互耦合作用关系。伺服系统在驱动电路和电机结构非线性影响下，输出力矩中带有众多的谐波干扰分量，而且这些谐波成分会随着运动位移、进给速度、加速度以及负载的变化而发生演变；机械执行系统在构件柔性、结合部非线性以及结构耦合的作用下具有多阶振荡模态，而各阶模态会随空间布局与运动状态的变化而变化。在切削过程中，具有多频谐波成分的切削力扰动会加剧系统间的机电耦合现象。尤其随着进给速度和加速度的提高，进给系统中的数控指令处理过程、伺服电路的非线性以及电机的磁饱和，机械系统的时变特性以及高速切削下切削力的谐波特性等都变得更加复杂。系统间的机电耦合作用关系变得更加多变，对系统运动精度的影响更加显著。而伺服驱动系统和机械系统之间的这种强烈耦合关系的存在，使得在进给系统的设计过程有必要考虑耦合作用对系统运动平稳性的影响。传统的机电系统设计中，对机电耦合现象进行了相应的简化，实行了手动的人为解耦，将机械结构和控制补偿分开设计。这对于一些工程应用，是能够满足应用需求的。但是这样的设计方法难以准确预知数控机床可以达到的精度水平，更无法面向高精度要求进行系统的主动设计，难以实现系统的智能控制。近些年来，众多学者对进给系统中的机电耦合现象及其相关内容进行了一定的研究工作，对于理解和分析机电耦合问题具有重要的意义。但是针对在高速高加速度运行时的进给系统，伺服、机械以及切削力所具有的更复杂的特性，以及其对系统机电耦合的影响还鲜有研究。为此本文从理论分析和试验仿真的角度，探寻在高速高加速下，进给系统各部分的特性变异规律，为机电耦合的本质机理研究奠定理论基础，同时为了实现高档数控机床的主动设计和智能控制提供理论依据。研究表明（1）高速高加速下，伺服系统的非线性加强，电动机线圈的饱和效应加大，使得伺服输出力的频率特性发生变化。随着速度的增大，伺服输出力的频率成分增大，频率幅值增大；随着加速度的增大，伺服输出力的频率不变，幅值增大。（2）由于结合面刚度非线性以及摩擦阻尼的影响，机械系统的质量分布会随着位置的不同发生偏移；丝杠螺母副以及轴承副的轴向刚度随着加速度的不同而不同，并且随着加速度的增大，存在刚度突变点，相应的额定动载荷和负载质量都会影响加速度对机械系统的影响。尤其在高速高加速度下，机械系统的以上时变特性变得更加显著。（3）高速高加速下，切削力频率分量增大，刀具安装偏置对切削力的影响更加明显，切削力谐波成分增多。总之，在高速高加速度的情况下，进给系统各部件的动态特性会变得更加多变，系统间的机电耦合关系变得更加复杂，对系统运动性能的影响更加显著。因此在进行系统设计和控制补偿过程中，需要更多的关注各个部件在高速高加速度系的多维演变规律，关注系统之间的耦合关系，关注切削力干扰对系统耦合作用的影响，在考虑各类耦合关系的基础上，实现系统的机电集成设计和智能控制，提高进给系统的运动精度。

来源出版物：机械工程学报, 2013, 49(6): 2-11

入选年份：2016

增材制造：实现宏微结构一体化制造

李涤尘，贺健康，田小永，等

摘要：增材制造是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术。其制造原理是材料逐点累积形成面，逐面累积成为体。这一成形原理给制造技术从传统的宏观外形制造向宏微结构一体化制造发展提供了新契机。人们期待发展新的制造技术，力求实现宏观外形结构与微观组织结构的一体化制造，使得零件制造短流程化，实现结构优化、材料节约和能源节省。未来增材制造技术向多层次结构的计算机辅助设计技术发展，形成材料设计、结构制造的系统工程。不同尺度下的组织结构决定了其各自的性能特点，而且工艺、组织、性能之间关系的良好集成能够实现多尺度结构设计的概念。通过改变组成物质的种类、组合方式（显微结构的几何和拓扑特征）、制备工艺可以改变所制备的材料的宏观性能（物理性能、力学性能、生物学性能等），由此可以设计和制造新结构。因此，如何将材料设计与制备的系统工程思想引入制造环节，实现材料设计、制备、成形一体化，将是制造科学与技术的发展方向。基于增材制造材料可控逐点堆积的原理，发展“宏微结构一体化制造”是实现“材料—设计—制造”一体化的方向。西安交通大学立足此学术观点，探索了不同材料由点到面再到体的材料堆积共性科学规律，面向金属、陶瓷和复合材料，融合冷热加工过程，实现构件的控形控性制造。在金属材料中，以空心涡轮叶片制造为研究对象，建立了空心涡轮叶片金属直接制造的技术路线和装备系统，在制造叶片结构形状的同时，控制叶片定向组织；在陶瓷增材制造中，设计制造光子晶体微结构研究实现了具有特殊功能的电磁波性能调控，研究将会推动超材料从前沿研究向实际应用发展；在生物材料支架的增材制造研究中，通过对自然骨/软骨界面分析，设计并制造了从材料到结构仿生软骨/骨梯度组织工程支架，解决软骨与骨融合的难题；研究了人工肝组织支架微结构和材料，提出的冰模压印成形方法，提高了支架微观结构的连通性，有效促进了细胞的活性和扩增，形成了肝细胞索，可促使人工肝组织在体内进一步向自然肝组织转化。外形宏观结构与微观组织结构的一体化增材制造，使得制造过程短流程化，这一原理在金属材料、陶瓷材料、复合材料的成形制造中有着其他制造方法难以替代的优势，为制造技术展示出了新的发展前景，为多学科交叉研究和产业的发展提供制造技术支撑。

来源出版物：机械工程学报, 2013, 49(6): 129-135

入选年份：2016

数控机床可靠性技术的研究进展

杨兆军，陈传海，陈菲，等

摘要：数控机床是装备制造业的工作母机，其技术水平的高低代表了一个国家制造业的发展水平。目前数控机床在高速、精密、多轴联动和复合加工等先进功能方面取得了明显进展，但机床功能的维持能力即可靠性尚不能满足机床用户的要求，成为产业发展的关键共性技术，受到行业和学术界高度关注。数控机床可靠性的技术研究工作起步较晚，它既不像电子产品和机械结构产品那样已经具备了相对成熟的可靠性理论与技术，也不像航空航天产品和武器装备那样已经形成了比较完整的可靠性技术体系。数控机床属于复杂机电液系统，需要针对产品特点研究开发可靠性技术。经过多年的研发，数控机床可靠性技术取得了明显进展。在可靠性建模方面，主要以故障间隔时间为基本变量，对分布规律的研究经历了从简单函数分布到多重威布尔分布；在维修约束条件方面，从假设“修复如新”发展到“修复如旧”；在故障时序方面，从时间静态进化到时间动态，使得模型不断接近工程实际，为数控机床的可靠性设计和分析提供了依据。在故障分析方面，主要采用故障模式分析和故障树分析（fault tree analysis，FTA）等方法。故障模式分析经历了从简单的故障模式影响分析（failure mode and effects analysis，FMEA）进展到故障模式影响及其危害性分析（failure mode，effects and criticality analysis，FMECA），使其更易于找出数控机床可靠性的薄弱环节；FTA亦从单纯的故障原因逻辑分析发展到数控机床的计算机辅助故障诊断，并显现出良好的智能化应用趋势。在可靠性设计方面，针对基于强度应力干涉理论的机械机构可靠性设计不满足数控机床可靠性设计需求的状况，逐渐探索形成了包括可靠性设计准则、可靠性分配设计和可靠性增长设计的数控机床可靠性综合设计理念、方法与技术规范，并将形成以可靠性综合设计为核心的数控机床全生命周期可靠性增长技术。在可靠性试验方面，随着能够模拟真实工况的各类数控机床功能部件（包括主轴、数控转塔刀架和刀库机械手等）的可靠性试验装备的研制成功，逐渐突破了单纯依靠数控机床用户现场跟踪试验的落后局面。开发功能部件可靠性台架加速试验技术正在成为可靠性试验领域的研究热点。此外，随着数控机床的网络化、智能化以及机械故障诊断技术的发展，数控机床故障的远程监控和故障预警也已成为数控机床可靠性技术领域的热点课题。在取得明显进展的同时还存在着专门从事数控机床可靠性研究的学者和机构较少、数控机床可靠性数据积累薄弱和重视机床整机、轻视功能部件的可靠性研究等问题。这些问题需要产业与学术界共同努力加以解决。要强化产品全生命周期可靠性的技术理念，在数控机床可靠性建模、分析、设计与试验等研究的基础上，进一步开展或加强制造可靠性、运输可靠性、使用可靠性、维修性设计和预防性维修策略等可靠性技术的研究，建立数控机床可靠性动态数据库和故障案例库，制定系列的数控机床可靠性技术规范和技术标准，逐步形成具有数控机床产品特色的可靠性技术体系，为数控机床提供全生命周期的可靠性保障技术。

来源出版物：机械工程学报, 2013, 49(20): 130-139

入选年份：2016

机械设备运行可靠性评估的发展与思考

何正嘉，曹宏瑞，訾艳阳，等

摘要：航空发动机、燃气轮机、高速列车等重大装备，其质量与性能的竞争主要体现为可靠性的竞争。我国重大机械装备的可靠性与国际先进水平相比还有很大差距，是制约我国由“制造大国”走向“制造强国”的瓶颈之一。机械设备可靠性包括设计可靠性、制造可靠性、运行可靠性、维修可靠性和管理可靠性等。运行可靠性与设备使用条件、所处环境、使用时间、零件退化失效等因素有关，具有时变性、动态性和特殊性。传统可靠性评估方法利用大量的具有概率重复性的样本，确定设备的失效分布，获得宏观意义上一批同类设备共性的平均可靠性。然而，各个设备通常在不同的条件与环境下运行，其零部件的损伤、故障、失效的程度不同，运行可靠性也必然不同。针对某台具体的机械设备进行运行可靠性评估是个性问题，基于大样本条件并依赖概率统计数据得到的平均可靠性难以满足个体设备的运行可靠性评估需求。本文归纳传统可靠性理论应用于机械设备运行可靠性评估时面临的问题，回顾相应的改进方法。阐述以动态建模与故障机理分析、信号处理与故障特征提取为理论基础的机械设备运行可靠性的技术内涵。赋予运行可靠性新的含义，即运行可靠性是指设备在规定的条件下和服役的时间内由其零部件的运行状态所决定的完成规定功能的能力。将运行可靠度定义为设备在规定的条件下和服役的时间内由其零部件的运行状态所决定的完成规定功能的归一化度量指标。提出基于机械设备状态信息的运行可靠性评估方法，即首先利用相关系数法、凝聚函数法、峭度指标法等方法建立设备运行状态与可靠性关联映射模型，然后利用关联映射模型计算运行可靠度，将信号处理和故障特征提取结果映射到运行可靠度的归一化度量区间[0，1]，实现机械设备的运行可靠性评估。给出三个基于状态信息的运行可靠性评估实例，即：（1）利用状态参量法，并参考国际标准ISO3945，将评价回转机械振动程度的绝对振动速度量转换为无量纲的可靠度指标；（2）采用振动信号的小波包频带能量分解方法，计算归一化小波包信息熵及其对应的可靠度，合理评估轴瓦松动与维修后两种状态下汽轮发电机组的运行可靠性；（3）运用模糊支持向量描述法和运行时间构造滚动轴承的单调性能退化损伤程度指标，计算出滚动轴承运行过程中的可靠度，评估损伤退化至失效连续状态下滚动轴承的运行可靠性。应用效果表明，所提方法为机械设备运行可靠性评估方法缺乏大样本和概率统计数据这一难题开辟了新途径。最后引出机械设备运行可靠性评估有待解决的问题，为后续研究提供参考。

来源出版物：机械工程学报, 2014, 50(2): 171-186

入选年份：2016