关键词： LabVIEW   缺陷检测   深度学习   机器视觉   表面特征检测  

摘要： 粉末冶金技术是一种通过将金属粉末等原料进行成形和烧结工序后,生产复合材料、金属材料等成品的工艺技术。这项技术跨越了多个工业学科领域,如冶金、机械和材料科学,已经成为解决新材料挑战的关键方法之一。粉末冶金部件在汽车、航空航天等行业中被广泛应用,其质量检测因此变得极为重要。尽管传统检测方法如人工检测和超声波检测能够取得一定成效,但这些方法通常存在效率低下、成本高昂和适用性限制的问题。随着中国工业的快速发展和传统工业向智能化转变的趋势,对粉末冶金零部件检测的需求也日益增加。 针对当前生产实际中所存在的问题,本文提出了一种结合传统图像处理技术和深度学习的方法,并用于检测粉末冶金产品表面特征,本文选取了粉末冶金齿轮作为研究对象。具体研究内容如下: (1)本文根据粉末冶金齿轮工业实际的检测需求,结合其可能存在的划痕、污渍、断齿三类较为典型的缺陷以及齿顶圆直径、内孔直径等尺寸参数,完成了检测系统的设计方案,该系统由软件系统、机械系统、控制系统以及视觉系统4个部分所组成。本文针对相机、镜头、光源三个硬件部分进行了分析与选型,制定了合适的照明方案,同时完成了相机标定工作。 (2)首先针对粉末冶金齿轮的三类典型缺陷分别采用阈值分割和黄金模板比较的方法进行实验,由实验可得上述两类传统图像处理技术存在通用性差、鲁棒性差且易受外界因素影响的问题,因此采用基于YOLOv5s的缺陷检测算法进行缺陷检测。本文在YOLOv5s初始网络模型的基础上进行优化,融入CBAM注意力机制同时引入MPDIo U作为模型边界框损失函数计算。针对划痕缺陷、污渍缺陷、断齿缺陷,本文各拍摄200张较高质量图像,并各自扩充至1000张,数据集数量总计为3000张图像。在相同的环境下对改进模型与其他三类模型进行对比实验,由实验可得,本文采用的改进模型针对划痕、污渍、断齿三类缺陷的准确率分别为96.7%、99.5%、99%,其中在划痕缺陷提升5.7%,断齿缺陷提升了2.6%,满足实验所设定要求。 (3)对已完成分类的图像进行预处理,主要包括绘制ROI区域、灰度化处理、滤波降噪处理、图像分割、边缘提取处理。完成图像预处理后,通过圆检测的方法计算出粉末冶金齿轮的齿顶圆直径及内孔直径,其中齿顶圆直径的检测精度为0.035mm,内孔直径的检测精度为0.007mm,均符合所设定的精度要求。针对前文所检测出的污渍和划痕缺陷,本文通过面积法和最小外接矩形的方法测量其污渍面积或划痕长度,检测效果良好。 (4)本文采用LabVIEW作为开发环境,结合YOLOv5深度学习并完成了软件系统的整体设计。经过实验测试,本文所设计的检测系统在面对粉末冶金齿轮的三类典型缺陷和两类尺寸测量方面表现出良好的效果。

关键词： 飞溅润滑   计算流体力学   搅油损失   护罩  

摘要： 飞溅润滑因其技术简单,可靠性高等优点被广泛应用于各种齿轮箱体内部润滑。然而飞溅润滑产生的搅油损失是导致变速箱温度显著升高的主要源头。作为土方机械的主要传动部件,行星变速箱因其结构紧凑、功率密度高的特性极易出现温升速率过快的问题,因此如何准确计算搅油损失并对齿轮箱热平衡温度进行预测,延长变速箱的使用寿命是研究人员亟需解决的难题之一。本文针对罩式齿轮的飞溅润滑行为进行试验研究,结合CFD理论计算,通过多种结构参数的护罩模型对比分析,构建了一种考虑近壁扰流效应的罩式齿轮搅油损失数学模型。随后,针对一款装载机所用行星变速箱,面向高速轻载工况,提出了基于搅油损失抑制的变速箱飞溅润滑行为改进策略。经过台架测试,优化后变速箱的空载功率损失平均降低了40%,温升速率平均降低了59.75%。本文为解决电动工程机械产品高速行车工况变速箱热失稳问题提供了宝贵方法。本文主要研究内容如下: 1.罩式齿轮飞溅润滑行为试验研究 为了明确护罩近壁扰流效应对齿轮飞溅润滑规律的影响,搭建了高速悬臂单齿轮飞溅润滑试验台。通过测量不同护罩结构尺寸的罩式单齿轮搅油阻力矩,分析罩式齿轮飞溅润滑规律。结果表明,护罩的存在可以极大的抑制齿轮的搅油损失。在低转速工况下,罩式齿轮无法形成有效的飞溅润滑,但并不影响齿轮啮合区域的润滑。中高转速工况下,护罩可以起到导油罩的作用,实现对齿轮啮合区域的定向润滑。 2.罩式齿轮飞溅润滑仿真分析及验证 简要介绍了数值模拟的基本理论和模拟过程,并基于高速悬臂齿轮飞溅润滑试验台构建了齿轮箱飞溅润滑仿真模型。从多相流、流体颗粒速度、流固界面交互过程与齿轮表面油液分布四个方向对罩式齿轮的多项空间物理规律进行了研究,验证了罩式齿轮飞溅润滑行为试验。 3.考虑护罩结构参数的搅油损失数学模型构建 考虑了不同的护罩结构参数对罩式齿轮飞溅润滑规律和搅油损失的影响,并在无护罩齿轮搅油损失计算公式的基础上,构建了考虑近壁扰流效应的齿轮搅油损失数学模型。 4.模型工程应用与飞溅润滑行为改进 在罩式齿轮飞溅规律的研究基础上,针对一款装载机所用行星变速箱,提出了基于搅油损失抑制的变速箱飞溅润滑行为改进方案,并搭建了功率损失计算与温度预测平台,最后对改进的变速箱进行了温升试验验证。

关键词： 数据增强   深度特征提取   故障检测   故障诊断  

摘要： 故障诊断是工业系统健康监测的核心。然而,现有数据驱动的方法往往建立在类别平衡的数据集上,而实际情况下,工业系统的样本往往呈现不平衡分布,这给故障诊断带来挑战。因此,解决不平衡样本问题对于提升设备稳定性、降低能耗、优化生产效率至关重要。数据生成模型通过生成伪故障样本来平衡样本数量,从而提高模型性能和鲁棒性。其中,非线性独立分量估计(Non-linear Independent Component Estimation,NICE)模型能够更准确地描述故障状态,提高特征区分度,进而提高了故障诊断的准确性和可靠性。NICE作为一种数据生成方法,能更好地模拟机械振动信号的特征,为机械设备的健康监测和维护提供有力支持。本文以齿轮箱为研究对象,具体研究内容包括: (1)针对齿轮箱早期故障检测中故障样本稀缺的问题,提出一种单类深度特征提取(One-Class Deep Feature Extraction,OCDFE)方法。针对零样本故障检测任务的需求,本方法综合NICE和深度自编码器的优势,通过最大化数据的对数似然,使得特征提取器能够学习正常数据的潜在分布。在测试阶段,特征提取器对未知数据进行深度特征提取和合成伪故障特征,以实现对齿轮箱不同类型故障的检测。实验结果表明,OCDFE方法提取的异常特征具有明确的区分度,显著提高故障检测的准确率。 (2)针对故障样本不平衡导致的故障样本不足问题,构建一种基于频域非线性独立分量(Frequency-domain loss Nonlinear Independent Component Estimation,FNICE)的故障样本增强方法。将齿轮箱振动信号转化为频域信号突出故障特征。通过编码器从极其有限的样本中提取关键特征,将其转换为隐空间表示。随后,利用解码器进行逆向采样,生成与原始振动信号相似的样本,生成的样本用于扩充有限的数据集,实现齿轮箱样本的平衡。实验结果表明,与现有的NICE相比,所构建的方法能更有效地生成质量更高的故障样本,显著提升故障诊断的准确率。 (3)针对增强故障数据的故障诊断性能不高的问题,提出了一种双损失非线性独立分量估计(Dual-Loss Nonlinear Independent Component Estimation,DLNICE)方法。该方法综合利用时域损失和频域损失约束隐空间的退火参数,将生成样本与真实样本之间的分布偏差融入NICE采样的退火参数中。通过训练学习监测数据的分布,提升生成样本的脉冲性和循环平稳性。实验结果表明,t-SNE可视化显示了不同故障样本之间的明显边界。在基准实验台上,平均准确率达到88.7%,验证了DLNICE方法的有效性。

关键词： 弧齿锥齿轮   空间共轭曲线   平面对数   齿面接触   振动特性  

摘要： 弧齿锥齿轮因为其优异的承载能力及传动平稳性,同时拥有实现传动轴交错的动力传输能力,因此被广泛用于汽车、轮船、航空载具中的动力传输机构中。随着目前针对相关零部件在高速及重载工况下传动性能与设计加工效率指标的与日俱增,需要对弧齿锥齿轮进行齿面设计进一步改善与精确建模方面研究,并探寻齿轮在复杂工况下因冲击载荷而引发的传动性能的变化,确保齿轮在各种工况下的可靠性与稳定性。 本次研究以空间共轭曲线啮合理论为切入点,结合球面渐开线弧齿锥齿轮齿面成型原理,引入平面共轭对数对齿轮工作啮合齿面进行改进设计,同时解决利用展成法等理论进行齿轮设计时,出现的计算时间过于冗长以及齿面精度不足的问题。 其次,在之后的参数化建模环节,利用B-spline曲线对程序输出的曲面离散点坐标进行矫正与精度改善,避免将离散点坐标输入到建模软件中与生成曲面时产生曲面失真与畸变的现象。利用拟合后的离散点生成齿槽面,并在齿坯实体上利用该曲面进行阵列切割,分别创建主、从动轮的三维建模,进而得到精确的弧齿锥齿轮配合模型。 再次,对弧齿锥齿轮建模进行六面体(Hex)网格单元划分,对其进行齿面接触应力与弯曲应力分析,进而验证模型的静力接触特性分析,验证其拥有在预期设计中相较于利用展成/变性法生成的齿轮模型所具有的接触强度方面的提升,以及对轴角装配误差敏感性的降低。 在后续工作中,对弧齿锥齿轮进行动态接触分析,得到处于不同惯性载荷、阻尼及摩擦系数的工况下,齿轮在传动过程中其旋转角速度与接触应力的数值变化趋势及波动情况,由此得到三种参数对传动特性的影响作用,为之后的弧齿锥齿轮虚拟样机参数设置提供依据。 最后,建立弧齿锥齿轮虚拟样机模型,模拟高速及重载的工作环境并进行动力学分析,得到在不同复杂工况条件下,弧齿锥齿轮转动角速度的变化曲线、接触区域因冲击载荷等因素而产生的啮合法向力的波动情况,以及齿面啮合区域各方向的振动位移,探究齿轮在该工况下的传动特性;对齿轮进行模态分析,进而得出固有振动频率等数据,分析在高速旋转下齿轮的可靠性。

关键词： 磁齿轮   磁场调制   转矩特性   Halbach阵列   铁损  

摘要： 磁齿轮是一种新型的传动装置,其工作原理依赖于磁体之间的磁力耦合作用,实现动力的有效传递。相较于传统的机械齿轮,磁齿轮在工作时,主、从动轮之间可以实现无接触式的转矩传递。该设计不仅从根本上解决了传统机械齿轮在齿牙啮合时产生的磨损问题,还显著减少了工作时的振动和噪音。而且它还具有实现过载防护和物理隔离传递转矩等优势,因此在工业领域中得到了广泛的应用。本文通过对磁齿轮特性的研究,改进磁齿轮的结构和磁极排列方式来提高其转矩性能。 磁场调制式磁齿轮作为一种创新型拓扑结构的磁性传动装置,从表面看,其内外转子永磁体的极对数并不匹配,无法进行有效的转矩传递。为了深入分析其工作原理,本文通过解析法探究永磁内转子、调制环以及永磁外转子之间磁极对数、转速和转矩之间的数学关系。并基于其同心式结构进行尺寸参数设计,通过磁场云图和磁力线分布图研究内、外转子之间磁耦合效应。 为了验证理论分析的准确性,采用有限元法对其工作原理进一步推导。对内、外永磁体在单独作用下的气隙磁密进行剖析,在此基础上,加入调磁环进一步探究其对磁场的调控机理,后利用叠加法计算出内转子与外转子共同工作时的气隙磁密,得出调磁块个数与磁齿轮内、外转子磁极对数之间的关系。并研究磁场调制式磁齿轮不同设计参数对转矩特性的影响,考虑永磁体的利用率和磁齿轮机构的转矩传递能力选取最佳尺寸参数范围。为了提高制造效率和加强结构稳定性,研究在调磁块上加装三种不同连桥对磁场调制式磁齿轮的转矩性能和磁通密度产生的影响。 Halbach阵列充磁具有强化一侧磁场并削弱另一侧磁场的特性。根据这一理论,本文提出了一种采用Halbach阵列正弦充磁的方式应用于磁齿轮,对两种不同充磁方式下磁齿轮内、外层气隙磁密波形进行分析,并通过傅里叶分解得出谐波分布图。通过仿真计算得出Halbach阵列充磁方式下磁齿轮的动、静态输出转矩。铁损是磁齿轮运转时的主要损耗方式,根据铁损产生的机理,研究永磁体内部、内外转子轭铁、调磁块中磁密变化规律。并研究在不同转速下两种充磁方式的铁损量,得到铁损与转速之间的关系。 最后设计并搭建磁齿轮扭矩测试实验平台,对不同参数条件下的调磁块、内、外层气隙厚度、永磁体厚度以及轭铁厚度分别进行最大转矩测试,将实验测试的结果与仿真结果进行对比,验证仿真分析的准确性,进而证实了 Halbach阵列充磁方式优化设计的有效性。