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基于改进的贝叶斯网络模型的齿轮箱故障诊断研究

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基于改进的贝叶斯网络模型的齿轮箱故障诊断研究

作者：张渊中北大学

学位级别：硕士

随着工业4.0概念,中国制造“2025”计划的提出和施行,我国的工业生产越来越向着智能化、网络化的方向发展。而齿轮箱作为各类旋转机械的核心部件,其能否正常运行对在整个工业是否蓬勃发展有着至关重要的影响。因其是一密封的箱体结构,... 详细信息

随着工业4.0概念,中国制造“2025”计划的提出和施行,我国的工业生产越来越向着智能化、网络化的方向发展。而齿轮箱作为各类旋转机械的核心部件,其能否正常运行对在整个工业是否蓬勃发展有着至关重要的影响。因其是一密封的箱体结构,维修困难、耗时、成本大,所以其能否正常运行以及能否精确诊断直接关系到了工业生产的安全性和经济效益。针对诱导齿轮箱发生故障的诱导因素之间存在着很大的不确定性这种情况,本文拟采用改进后的贝叶斯网络模型来对齿轮箱进行精确的故障诊断。首先利用失效事故树的分析方法,对诱发齿轮箱发生故障的不确定性因素进行了分析,建立了失效事故树,并且根据种种途径获得的专家先验知识,将失效事故树转化为了结合专家先验知识的贝叶斯网络模型。并且将模型作为了专家系统的推理机模块。然后采用MATLAB的贝叶斯网络学习工具箱FullBNT-1.04,结合正常状态下的训练数据样本,对结合专家先验知识建立的初级贝叶斯网络模型进行结构学习和参数学习,以得到一个更加贴合于实际数据的贝叶斯网络模型。最后设计了齿轮箱的故障模拟实验,先将验证样本数据集输入到结合专家先验知识的贝叶斯网络模型中,再将同样的验证样本数据集输入到经过结构学习、参数学习后的贝叶斯网络模型中。比对两个模型的故障诊断精确度,论证改进后的贝叶斯网模型具有更好的齿轮箱故障诊断精度。综上所述,本文所研究的依据实际数据学习后的贝叶斯网络模型可以对齿轮箱不确定性很大的故障因素进行精确诊断,对今后齿轮箱的故障诊断研究提供一定的帮助。

关键词：贝叶斯网络模型专家系统故障诊断结构学习参数学习

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轴类零件MBD工序模型的研究

轴类零件MBD工序模型的研究

作者：姚鹏鹏中北大学

学位级别：硕士

随着智能制造的发展,当前国内以航空航天为代表的企业在数字化研制方面取得了一定的效果,但军工企业和民营企业的数字化、智能化水平普遍还比较低。在产品设计开发过程中,仍以二维蓝图为主,三维图纸为辅进行设计制造,并且在仿真验证和... 详细信息

随着智能制造的发展,当前国内以航空航天为代表的企业在数字化研制方面取得了一定的效果,但军工企业和民营企业的数字化、智能化水平普遍还比较低。在产品设计开发过程中,仍以二维蓝图为主,三维图纸为辅进行设计制造,并且在仿真验证和数控加工过程中需要进行工序模型的重构。工序模型作为设计与制造的连接桥梁,其设计效率对整个产品生产周期有重要影响。为实现三维设计模型到工序模型的快速建立,本文以企业实际需求为导向,选择轴类零件作为研究对象,利用UG平台、特征识别技术和二次开发技术以MBD设计模型为单一数据源进行三维工序模型的建立与系统开发。本文首先对MBD设计模型的概念进行概述,并对轴类零件进行形状特征分类,应用形状特征建模的方法建立MBD设计模型。其次,结合对典型特征识别算法的分析研究,应用基于特征遍历的特征识别方法对设计模型进行特征识别,首先应用二次开发技术实现特征遍历并以特征建模的方式建立加工特征的加工特征库,应用成组技术对形状特征进行编码并建立加工特征编码矩阵,通过对设计模型的特征遍历并建立矩阵与特征库矩阵进行匹配,最终实现特征识别。基于遗传算法对零件工艺路线进行决策,以最少工序模型为优化目标。通过研究工序模型的建模方法,选用UG WAVE功能逆向建立具有相互关联关系的三维MBD工序模型。最后应用UG二次开发技术进行整个系统的开发与实例验证,开发出了特征识别模块、工序模型建模模块,并通过实例验证了特征识别算法和遗传算法均能达到特征识别和工艺路线的决策,最后通过UG WAVE功能结合工序模型建模模块完成三维MBD工序模型的建立。本文以UG平台开发的三维MBD工序模型系统,经过实例验证了特征遍历的特征识别方法和应用WAVE功能建立工序模型的正确性与合理性,能够帮助工艺人员快速建立工序模型,有一定的企业应用价值。

关键词： MBD 特征识别三维工序模型二次开发遗传算法

基于半监督深度学习的带钢表面缺陷分类方法研究

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基于半监督深度学习的带钢表面缺陷分类方法研究

作者：周卓浩中北大学

学位级别：硕士

钢铁产业作为我国的重要的基础产业之一,带钢是钢铁产业中极为重要的中间材料。其在加工过程中表面会无法避免的产生各式各样的缺陷,这极大的影响了材料的使用性能以及寿命,因此带钢表面缺陷分类技术一直以来都是研究的热点。现有的带... 详细信息

钢铁产业作为我国的重要的基础产业之一,带钢是钢铁产业中极为重要的中间材料。其在加工过程中表面会无法避免的产生各式各样的缺陷,这极大的影响了材料的使用性能以及寿命,因此带钢表面缺陷分类技术一直以来都是研究的热点。现有的带钢表面缺陷分类技术通常将计算机视觉与深度学习结合,整个系统在全监督的模式下运行。这种全监督带钢表面缺陷分类模型性能好坏与带钢表面缺陷样本的数量密不可分,且要求这些样本全部携带标签。然而,工业场景下的带钢表面缺陷样本数量较少并且大部分为不携带标签的样本,这使得传统的全监督带钢表面缺陷分类模型性能严重受损。半监督学习(Semi-supervised Learning,SSL)可以使用少量的有标签样本以及大量的无标签样本来训练深度学习下的分类模型。因此本文将半监督学习思想应用于带钢表面缺陷分类系统,其可以通过少量的标记样本以及大量的无标签样本来训练半监督带钢表面缺陷分类模型,实现模型自主完成带钢表面缺陷分类工作。这可以有效缓解因标记样本数量有限引起的传统监督分类模型性能表现不佳等问题,并且可以减少样本标签标注的工作量。然而工业场景中带钢表面缺陷图像数据集图像样本存在数量较少且大部分为无标记样本、图像质量不高、样本尺寸过大等特点,这可能会造成半监督图像分类模型引起过拟合现象,最终影响分类模型的性能表现。因此,本文在原有的半监督深度学习框架下进行修改,提出了半监督带钢表面缺陷分类模型以及基于DCGAN的半监督带钢表面缺陷分类模型。本文具体的创新部分有以下几点:1、数据预处理阶段:使用DCGAN(Deep Convolution Generative Adversarial Networks)生成一些虚拟样本来补充训练集中无标签样本数量,提高模型的分类准确性;同时采用Cow Mask方法对样本进行数据增强,旨在降低模型对于图像的敏感度。2、特征提取阶段:将CBAM(Convolutional Block Attention Module)注意力机制与Dense Net(Dense Convolutional Network)网络相结合,旨在模型可以自主理解不同图像不同局部信息的重要程度,学习对当前分类任务更为重要的图像关键信息。3、分类器部分:使用不确定加权方法对标记样本的监督损失与无标记样本的无监督损失进行重构,具体的对每个样本的的特征进行有效利用,更有效的学习无标签样本与有标签样本间的映射关系,将半监督学习方法应用于带钢表面缺陷分类工作能。本文通过与现有的全监督以及半监督带钢表面缺陷分类模型进行比较,实验表明:将半监督学习思想应用于带钢表面缺陷分类系统可以有效缓解因工业场景下的带钢表面缺陷标记样本数量较少引起的传统全监督带钢表面缺陷分类模型性能表现不佳的问题。同时与现有的半监督模型相比,通过DCGAN来对无标签样本数量进行扩充,使用不确定加权方法对原有的监督损失以及无监督损失进行加权等措施,本文的半监督分类模型将图像分类准确率提高了2%左右,取得了较为理想的效果。

关键词：带钢表面缺陷分类半监督学习注意力机制对抗生成网络不确定性加权方法

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白车身多机器人协同焊接的路径规划研究

白车身多机器人协同焊接的路径规划研究

作者：陈辉中北大学

学位级别：硕士

目前,机器人已经广泛应用于各厂商的白车身装焊线。在白车身装焊线上,机器人焊接时间直接影响装焊线的生产效率。针对当前白车身生产中机器人焊接路径规划的工作还处于人工方式进行路径规划的现状,存在规划时间长、规划结果往往不合理... 详细信息

目前,机器人已经广泛应用于各厂商的白车身装焊线。在白车身装焊线上,机器人焊接时间直接影响装焊线的生产效率。针对当前白车身生产中机器人焊接路径规划的工作还处于人工方式进行路径规划的现状,存在规划时间长、规划结果往往不合理等缺陷。所以研究多机器人焊接路径规划技术对于减少路径规划时间,减少机器人焊接时间、提高装焊线生产效率具有重要的现实意义。本文以白车身焊接为研究对象,主要研究了单台、多台焊接机器人的路径规划问题。首先,分析了白车身结构、点焊工艺流程以及焊接生产资源(包括焊接机器人、工装夹具)的特点,明确了机器人路径规划的任务要求。其次,根据任务特点将机器人焊接路径规划问题转化为TSP(Traveling Salesman Problem,TSP)问题并选择蚁群算法进行求解。通过MATLAB仿真实验获得了一组较好的算法参数取值范围。针对传统蚁群算法存在的缺陷,提出一种复合改进蚁群算法。在考虑焊接变形的情况下,找到一条最短焊接路径为目标,使用该改进蚁群算法进行路径规划并与使用传统蚁群算法、自适应蚁群算法以及遗传算法的规划结果进行比较,验证改进算法的可行性以及合理性。针对多机器人路径规划的问题特点,建立焊点分配的0-1多背包模型以及机器人防干涉问题的数学模型。通过使用改进蚁群算法进行任务分配,再对各机器人进行路径规划的方式求解多机器人焊接路径规划问题。以双机器人协同焊接路径规划为例,仿真验证本文提出的改进算法的可行性以及合理性。最后,在EASY-ROB机器人离线仿真平台中搭建前文涉及的双机器人协同焊接的仿真工位布局,导入焊点焊接路径信息,进行双机器人协同焊接的离线仿真。验证本文提出路径规划方法规划路径的可行性,仿真结果再次证明本文提出的多机器人路径规划算法合理可行。综上所述,本文提出的改进蚁群算法可用于单台、多台机器人焊接的路径规划任务,以指导实际生产,保证焊接路径合理同时提升焊接生产效率。本文研究解决了实际生产中机器人路径规划依赖工人经验、规划时间长、规划路径不合理的现实问题。

关键词：多机器人白车身焊接路径规划 TSP问题蚁群算法

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修枝机齿轮箱系统的振动与噪声研究

修枝机齿轮箱系统的振动与噪声研究

作者：潘衡中北大学

学位级别：硕士

修枝机是园林美化工作中的一项重要工具,可以大大提高园林工人对植物的修剪工作。但是传统的设计方法过多考虑修枝机的外形和强度,而忽视其动态特性,使生产出来的产品振动噪声过大,给园林工作者的身体和心理造成了很大的伤害。齿轮箱是... 详细信息

修枝机是园林美化工作中的一项重要工具,可以大大提高园林工人对植物的修剪工作。但是传统的设计方法过多考虑修枝机的外形和强度,而忽视其动态特性,使生产出来的产品振动噪声过大,给园林工作者的身体和心理造成了很大的伤害。齿轮箱是修枝机的关键传动部件,其设计制造的不足会造成齿轮箱振动剧烈,从而产生较大的辐射噪声。本文以某型号园林修枝机的齿轮箱系统为研究对象,对其振动特性及由此产生的噪声展开研究,并通过改进结构的措施达到降低齿轮箱系统振动噪声的目的。本文对修枝机齿轮箱系统振动噪声的分析工作如下:(1)修枝机齿轮箱的激励力提取。利用三维软件Solidworks强大的建模功能,建立修枝机齿轮箱的三维CAD模型,进行必要的简化和删减,并且把得到的修枝机齿轮箱传动结构导入ADAMS中。基于多刚体动力学理论,结合修枝机齿轮箱的实际运动情况,设置各零件间的运动约束和接触参数,建立齿轮箱传动系统的多刚体动力学模型。施加驱动,对修枝机齿轮箱的运动过程进行仿真,提取修枝机齿轮箱箱体内两对啮合齿轮的啮合力。(2)修枝机齿轮箱模态分析与实验验证。有限元模型的建立是模态分析的基础,首先,利用Hypermesh对修枝机齿轮箱CAD模型进行前处理;然后,根据齿轮箱的几何特征和大小,采用合适的网格标准,进行网格划分,建立齿轮箱的结构有限元模型。最后再利用ANSYS Workbench对齿轮箱结构的约束模态和自由模态进行计算,约束模态分析得到修枝机齿轮箱实际工作状态下的模态。另外,通过力锤法敲击齿轮箱得到频响函数曲线,基于频响曲线提取试验模态频率。将修枝机齿轮箱的试验自由模态与仿真自由模态进行比较,两者模态频率一致,验证了有限元模型的正确性。(3)修枝机齿轮箱谐响应分析。将前文获取的齿轮箱齿轮啮合力作为激励,加载到修枝机齿轮箱有限元模型上,进行修枝机齿轮箱谐响应分析,得到各个频率下的振动响应,并且通过ANSYS Workbench求得关键参考点X、Y、Z方向的振动位移数据,分析其振动特征。(4)修枝机齿轮箱辐射噪声预测。将修枝机齿轮箱的声学有限元模型导入到LMS Virtual lab中,同时将修枝机齿轮箱的振动结果映射到声学网格上作为辐射噪声分析的边界条件,结合FEM(Finite Element Method)和AML(Automatic Matched Layer)的方法,对修枝机齿轮箱辐射噪声进行预测。(5)修枝机齿轮箱辐射噪声的优化改进。首先介绍噪声对人类的危害,然后根据仿真结果确定在齿轮箱下箱体增加对称加强筋,对修改后的模型重新进行谐响应分析,并基于ATV(Acoustic Transfer Vector)和MATV(Model Acoustic Transfer Vector)理论,运用FEM和AML的方法预测箱体结构优化后的辐射噪声,降噪效果比较明显。

关键词：齿轮箱振动噪声有限元 AML

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液压激振打桩系统动态特性的研究

液压激振打桩系统动态特性的研究

作者：赵宏中北大学

学位级别：硕士

随着城镇化进程的不断推进,绿色环保高效节能的桩工设备将是未来的发展趋势。而液压激振技术凭借自身控制精确、动态响应快等优点越来越受到各行业的关注,针对当前偏心式液压振动打桩机结构复杂、参振质量大以及能源利用低的缺点,将液... 详细信息

随着城镇化进程的不断推进,绿色环保高效节能的桩工设备将是未来的发展趋势。而液压激振技术凭借自身控制精确、动态响应快等优点越来越受到各行业的关注,针对当前偏心式液压振动打桩机结构复杂、参振质量大以及能源利用低的缺点,将液压激振技术应用于振动打桩中以解决上述问题。首先通过了解与分析现有液压激振器的结构、性能等特点,进行了新型液压激振器的总体结构设计,详述了液压激振器的构成以及主要构件的功能,建立了液压激振打桩系统的数学模型;利用ANSYS软件验证了液压激振器结构上的正确性并计算出芯轴的临界转速,防止液压激振器在运动过程中接近临界转速而损坏。然后通过AMESim软件建立了液压激振打桩系统的模拟仿真模型,研究了不同参数如泵排量、频率、管路长度等参数对液压激振打桩系统动态性能的影响。其中,系统振幅主要受到频率及锤体质量的影响,连接管路不宜过长,而管路直径需要将流量、频率以及泵排量综合考虑,得出了液压激振打桩系统在20Hz-50Hz的频率范围内的激振力、振幅等输出参数可以满足振动打桩的要求。最后设计了液压激振打桩系统的试验模型,采用理论模拟与试验相结合的办法,对比不同频率下试验位移曲线与仿真位移曲线,不仅可以得出了与仿真结果大致相同的结论,而且也验证了模拟仿真结果的正确性。综上所述,本文设计的液压激振器可以用于振动打桩中,由此设计的液压激振打桩系统不仅可以满足振动打桩的主要技术指标要求,而且也解决了偏心式振动打桩的一些技术问题,这对桩工机械的技术革新有着一定的促进作用。

关键词：振动打桩液压激振 AMESim 动态性能

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电液激振转阀动态特性研究

电液激振转阀动态特性研究

作者：郭文杰中北大学

学位级别：硕士

电液激振器主要用于产生一定形式和规律的激振力,具有无极调频、自适应性强、激振效率高等优良特点。电液激振器在科学研究和工程应用上都有着重要地位,在航空航天领域的振动试验、行走机械的环境试验、工程材料领域的振动试验、建筑等... 详细信息

电液激振器主要用于产生一定形式和规律的激振力,具有无极调频、自适应性强、激振效率高等优良特点。电液激振器在科学研究和工程应用上都有着重要地位,在航空航天领域的振动试验、行走机械的环境试验、工程材料领域的振动试验、建筑等的抗震试验等领域有着广泛应用。电液激振器的研究正在向激振频率高、激振力大的方向发展,旋转阀控式电液激振器由于结构紧凑、运行稳定等优点,成为了一种重要的电液激振器形式。现有用于金属纳米化的金属表面机械研磨装置普遍采用电机驱动偏心轮来完成振动箱的直线往复振动。针对金属表面机械研磨装置存在振动频率低、发热量大和频率固定的问题,提出一种以电液激振器驱动液压缸直线往复运动为振动方式的机械研磨装置。本文基于采用电液激振器驱动液压缸的机械研磨试验装置来研究电液激振器中转阀的动态特性,主要研究转阀和液压缸组成的液压激振系统。采用理论建模、数值仿真和实验验证相结合的方式对电液激振器中的转阀进行动态特性研究。本文设计了一种转阀结构,阐述了其工作原理,建立了转阀的面积模型以及转阀与液压缸的理论模型,应用CFD数值仿真对转阀的流场特性进行了动态分析,揭示了转阀的内部流动特性,并且设计实验进行间接验证,得出了转阀的动态特性。为以后电液激振转阀的设计及相关研究提供了一定的指导意义,对于电液激振器的发展具有一定的工程意义和科研价值。本论文的主要研究工作如下:（1）首先对电液激振器的工作原理和性能需求进行了阐述,设计了一种转阀物理模型,介绍了其结构组成和工作原理,并且对转阀-液压缸的模型进行了叙述。（2）根据转阀-液压缸系统的工作原理推导出转阀动态特性的理论模型,并且在不同频率下用四阶龙格库塔算法对其求解,分析了转阀-液压缸系统的负载位移、速度、加速度特性。（3）应用CFD仿真方法对转阀的动态过程进行瞬态仿真,建立了转阀阀口的流场模型,进行了网格无关性验证和时间步长独立性验证,在不同频率下进行了转阀阀口的瞬态仿真,对转阀的压力特性、速度特性和流线特征进行了分析。（4）搭建了电液激振实验台,在不同频率下测试了振动装置的位移、速度和加速度值,结合理论计算结果和瞬态仿真结果进行了分析,说明了理论计算结果的正确性,从侧面间接验证了转阀瞬态仿真结果的可信度,得出了转阀的动态特性。

关键词：转阀动态特性理论模型流场仿真实验验证