关键词： 马铃薯   缺陷去除   机器视觉   激光加工   智能装备  

摘要： 马铃薯是一种常见的农作物,除玉米、水稻、小麦以外,马铃薯是食用最为广泛的主粮,在当今世界具有重要的地位并且有逐渐上升的趋势。马铃薯全粉是传统的马铃薯主粮化产品之一,对其关键环节的技术瓶颈进行突破与革新是我国薯类主食化研究的一个重点方向。本课题以去皮后制粉前的马铃薯为对象,进一步清除残余表皮、机械损伤、黑斑等一系列缺陷,以达到提高最终产品质量的目的。课题将结合机器视觉和激光加工技术对去皮马铃薯的残余缺陷进行检测和去除,设计合适的辅助机械装置进行上料传输等工作,编写合适的软件系统,开发一套马铃薯缺陷智能化在线去除系统,为马铃薯加工行业发展贡献力量。论文的主要研究内容如下:(1)马铃薯缺陷智能化在线去除系统总体设计结合课题的研究背景,以去皮马铃薯为对象,对系统的总体设计进行讨论。经过对系统的需求分析,明确系统需要完成的任务,即对马铃薯生全粉生产中去皮环节之后的马铃薯缺陷进行自动识别与去除。在系统任务的指导下,将系统总体划分为四个必要的模块,包括:缺陷检测装置、缺陷去除装置、辅助机械装置和软件系统。针对每一个模块,进行了分步方案讨论,最终确定了以机器视觉和激光加工为核心,上料、剖切、整理、输送等机械结构为辅助,软件集成控制的研究大框架,为之后的研究指明方向。(2)基于机器视觉的缺陷智能检测装置设计进行了缺陷检测装置的详细探究,以具体实施的可行性、便捷性、经济性为导向,对方案的研究细节进行了落实。首先,对视觉装置的硬件机构进行了构建,结合文献和实验研究,确定了光照机构和成像部件的设计。其次,结合搭建的硬件机构,对图像的分析算法进行了研究。从图像的预处理、图像分割、特征提取等各个方面,进行了方案实施的实验探究。结果表明,在黑色背景下选择白马铃薯、再从白马铃薯中选黑缺陷,能够较好的达成研究目的。(3)基于激光加工技术的缺陷去除装置设计在视觉识别缺陷之后,紧接着需要进行的是基于激光加工的缺陷去除。这一部分研究的重点在于激光是否能够对马铃薯产生去除效果以及是否能够满足生产效率要求。结合文献研究和针对性的实验测试,分别确定了缺陷去除装置采用的激光器类型和激光工作方式,综合技术与成本分析,选定了激光装置的组成,包括:大威150W射频管CO激光器、三维动态聚焦镜、水冷机、升降机架等。(4)系统辅助机械装置设计根据设计任务,将辅助机械装置划分为四个部分,上料机构、剖切机构、整理机构、输送机构。工作时:去皮马铃薯经上料机构逐个有序自动上料;经过剖切机构定位剖切,从最大纵截面一分为二;经整理机构将散乱的半瓣马铃薯全都变成切面朝下;最后由输送机构将马铃薯输送依次经过视觉装置检测和激光装置去除加工工位。设计与制造的辅助机械装置需要完成除检测和加工以外物料的所有准备和输送过程,是整个生产线必不可少的部分。(5)软件系统设计根据设计需求,对机器视觉装置、激光加工装置、辅助机械装置进行集成控制,编写相应的软件。软件利用VS2018+MFC编写上位机PC端的程序和交互界面,利用PLC实现下位机的电气控制,上位机PC端和下位机PLC通过串口进行通讯,实现人机交互一体化控制。(6)马铃薯缺陷智能化在线去除系统现场测试根据工艺流程,对各道工序以及整体装备的效果进行实验测试,并按照事先制定的标准对其进行评价。实验结果表明各机构、装置性能良好,总体上能较好的实现研究目的,生产效率大于等于1t/h,缺陷识别率达到95%以上,去除率达到90%以上。

关键词： 激光分束   空间光调制器   机器学习   卷积神经网络   激光加工  

摘要： 激光作为20世纪最伟大的发明之一,凭借单色性、相干性、方向性等传统光源无法实现的技术优势,已经应用于诸多领域,如光纤通信、光纤传感、全光信息处理、光存储、激光加工、激光手术、光刻技术、激光雷达以及激光武器等。高精度激光分束技术是激光加工、光刻、光镊以及激光手术等先进制造与医疗领域的共性关键技术,也是当前激光应用技术的发展前沿。现有高精度激光分束技术主要用于实现均匀光强分布的双光束,任意空间分布与任意光强分布的激光分束技术还不够成熟,无法满足激光精密加工、光刻、光镊与激光医疗中的多光束同时精密作业的需求。目前任意光束激光分束技术的瓶颈限制问题是激光分束的精度受诸多因素的复杂影响,使其在实际应用中难以满足对激光分束精度的要求。本课题研究工作将机器学习引入基于空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)的激光分束技术,基于监督学习的回归任务实现高精度任意多束激光分束。SLM加载由迭代傅里叶变换算法(Iterative Fourier Transform Algorithm,IFTA)计算得到的相位全息图,实现对入射光束的调制,从而输出任意空间分布与光强分布的多光束。对基于SLM的激光分束技术开展了数值仿真与实验研究,将激光分束后的相机探测图像作为样本,将分束目标图像作为标记,采用数值仿真与实验数据构建了数据集,基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)算法通过监督学习回归任务建立了分束目标图像与探测结果图像之间的映射关系,实现对IFTA振幅分布的准确预测,有效提升任意多光束分束的精度。本文主要研究工作如下:(1)基于SLM与IFTA,开展了多光束激光分束数值仿真与实验研究。搭建了基于数学变换过程的激光分束数值仿真模型,实现对激光分束的数值仿真模拟;开展了激光分束技术实验研究,以相位全息图作为控制信号加载至SLM,基于图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)实现了大量分束目标图像与探测结果图像数据的自动采集。(2)利用数值仿真数据与实验数据,基于求和寻峰法,提取了图像中的各光束截面数据,分别构建了监督学习所需的数据集,共收集1000组样本及标记,随机生成训练集与测试集,其中,800组构建训练集,200组构建测试集。(3)搭建反向CNN,将相机探测图像作为样本,分束目标图像作为标记,通过监督学习回归任务建立了分束目标图像与探测结果图像的映射关系,实现对IFTA输入振幅分布的预测,有效提升任意多光束分束的精度。采用多层卷积层网络结构,采用MAPE(Mean Absolute Percentage Error)、MSE(Mean Square Error)等作为训练过程的loss函数,完成了学习任务的性能度量。(4)对预测结果进行验证,基于正向CNN监督学习回归任务与实际实验研究实现了验证,收集预测的分束目标图像对应的新的探测结果图像。实验结果表明:基于机器学习的分束误差显著减小,MSE减小了37%,有效提升了激光分束精度。本文工作对于任意多光束激光分束技术的发展以及人工智能在激光领域的交叉研究具有重要的理论指导与技术参考价值。

关键词： 飞秒激光   气膜孔加工   高温合金   双温模型   热障涂层  

摘要： 气膜冷却技术是保证航空发动机在极端高温环境下稳定高效运行的重要技术,实现该技术的前提条件就是在叶片上加工出符合要求的气膜孔。随着对航空发动机性能要求的逐渐提高,气膜孔的加工工艺也在不断升级。现阶段可以用来加工叶片气膜孔的加工方法有很多,但是都存在加工出的气膜孔精度不高、表面质量差、加工成本高昂等缺点。飞秒激光加工技术作为目前先进的精密加工技术之一,其具有两个显著的优势:热影响区极小和可实现亚微米级精密加工。飞秒激光具有超短的脉冲时间,可以在数百飞秒乃至数十飞秒内将高达百万亿瓦的激光能量集中在加工区域,热量还未来得及扩散材料就已经被去除。这种近似于“冷”加工的加工方法拥有其他加工方法不具备的效果,因此将飞秒激光加工技术应用于镍基高温合金气膜孔的精密加工,具有实用研究价值。本文研究飞秒激光加工镍基高温合金气膜孔的加工技术,主要工作如下:（1）在双温方程的基础上,分析飞秒激光与镍基高温合金的相互作用机理,对于飞秒激光加工的热影响区极小做出了理论解释;对单脉冲的激光光源项进行改进,得到了在不同脉冲条件下,激光能量密度、激光脉冲宽度和脉冲延时时间对电子系统和晶格系统的温度变化、峰值温度、耦合时间的影响规律。（2）对镍基高温合金平板件进行Mises应力仿真实验,验证气膜孔的孔径、倾斜角度和锥度对于材料疲劳强度的影响,对加工时选择何种孔型提供理论指导;进行飞秒激光加工镍基高温合金气膜孔加工实验,使用螺旋加工法,通过单因素实验和正交实验,得到了激光功率、离焦量、单层进给量、单层扫描时间和起始孔径度数对于加工质量的影响规律,对设计激光加工工艺参数提供理论参考。（3）对带氧化锆陶瓷涂层的镍基高温合金叶片气膜孔加工进行研究,在光致电离和雪崩电离的基础上对氧化锆陶瓷的烧蚀阈值进行理论计算,为涂层段的工艺参数设计提供指导;提出了三段制孔法来解决加工带氧化锆陶瓷涂层的镍基高温合金制孔难题。（4）针对大倾角气膜孔加工中孔壁易出现缺陷的问题进行实验研究,将孔壁沿着倾斜角度横向磨开进行检测,发现倾斜角度增大,孔壁出现沟槽的数量和深度随之增加。对此问题的原因进行了理论分析并提出了涂层防护法,有效的改善了孔壁质量。

摘要： 由中国机床工具工业协会特种加工机床分会制定的《数控往复走丝电火花线切割机床性能评价规范》团体标准于2021年4月13日在北京通过专家审查。数控往复走丝电火花线切割机床是我国独创的电加工机床产品。经过近半个世纪的发展,通过借鉴、创新、提升,数控往复走丝电火花线切割机床的装备技术和工艺水平有了突破,

关键词： 气膜冷却孔   电火花-电解复合加工   电火花加工   电解加工   镍基单晶高温合金   航空发动机   涡轮叶片  

摘要： 涡轮叶片是决定航空发动机性能的关键零部件,工作在高温高压极端恶劣环境下,通常需要由具有极高耐温性能的镍基单晶高温合金材料制成,并且在叶片表面还需加工出大量的气膜冷却孔,孔壁要求无熔化凝固层,以避免叶片工作时从熔化凝固层处产生裂纹而导致断裂。单晶涡轮叶片气膜孔高效无熔化凝固层加工已成为当前航空发动机制造的难点。电火花-电解复合加工方法,将放电高温蚀除与电化学溶解两种材料去除作用集成在同一加工过程中,同时具有加工效率高,表面质量好等优势。为解决单晶涡轮叶片气膜孔高效、无熔化凝固层、无杂散腐蚀制造的难题,本文针对电火花-电解复合加工的材料去除机理,以及微小孔无熔化凝固层、无杂散腐蚀电火花-电解复合加工的关键技术方法等开展研究,进行了仿真和大量的试验分析,完成的研究内容主要包括以下几个部分: (1)开展电火花-电解复合加工材料去除机理研究。通过加工现象观测,证明了电火花-电解复合加工中所发生的放电属于液相放电。通过孔壁形貌观测,发现从盲孔底部向上至孔口方向,材料去除从火花放电高温蚀除为主而电化学溶解为辅,逐渐过渡到电化学溶解作用占主导,直至只存在电化学溶解作用。通过单一端面加工试验,发现放电高温蚀除起到复合加工中材料去除的绝对主导作用,电化学溶解去除仅占材料去除总量的5.48%。 (2)提出分阶段变参数电火花-电解复合加工方法。将加工过程按电极进给状态分为进给阶段、穿透阶段与回退底停阶段,在各阶段根据当前加工状态采用不同工艺参数,以适配各加工阶段不同参数要求。通过仿真与试验研究发现,针对45°斜孔,当穿出距离为0.5 mm且回退距离为0.4 mm时可以获得较好的加工结果,既不会发生电极顶弯,也可实现小孔出口的完全穿透,并且出口段电化学溶解作用较强;在回退底停阶段降低加工电压,可以有效减少二次放电发生。开展了大量的复合加工小孔试验,大部分孔加工后无熔化凝固层,只有少量孔还有极个别的熔化凝固层残留,相比纯电火花加工,孔壁剖面内熔化凝固层去除率最少可达到90.91%。 (3)提出异种溶液内外双供液组合流场电火花-电解复合加工方法。在所设计的双供液组合流场中,内、外冲液同时进行。内冲液采用超低电导率中性盐溶液,使得火花放电与电化学溶解能够在同一加工过程中同步发生;外冲液采用去离子水,在小孔加工过程中实时保护工件表面,避免杂散腐蚀发生。经过仿真分析及试验验证,当外冲液为电导率2μS/cm的去离子水时,小孔入口周边几乎不存在杂散腐蚀,此时杂散腐蚀区域半径比无外冲液加工时减小约10倍,孔径误差也随之降低。 (4)开展电火花-电解复合加工表面完整性研究。复合加工小孔的孔口存在明显圆角,孔壁表面无熔化凝固层残留,并且孔壁表面呈现为压应力状态。相比纯电火花加工,电火花-电解复合加工改善了小孔表面完整性。 (5)针对单晶涡轮叶片气膜孔,进行了电火花-电解复合加工制孔试验研究。通过极化曲线测试分析,发现DD5单晶材料在相同加工条件下相比DD6单晶材料更易于发生电化学溶解,孔径控制难度较大。结合分阶段变参数加工方法与双供液组合流场技术,优化加工参数,最终在单晶涡轮工作叶片上制造出了无熔化凝固层、无杂散腐蚀的气膜冷却孔。

关键词： 电火花成型加工   割缝电极   内冲液   流场仿真   自适应冲液  

摘要： 电火花加工是一种应用广泛的特种加工技术,在导电难切削材料的加工中有着独特的优势,但放电间隙内电蚀产物排出困难制约了电火花加工向高效化、精细化方向的发展。内冲液式放电加工是避免电蚀产物堆积的有效途径之一,然而对于电火花成型加工,施加内冲液比较困难,主要是因为容易在工件型腔的底面产生残余料柱影响加工质量,基于此提出了割缝电极电火花加工技术。割缝电极是一种利用电极内部窄缝向放电间隙内输送新鲜工作液的新型内冲液电极,对于矩形块状电极的成型孔加工,设计了直缝电极与斜缝电极。结合电极的制作条件,选用紫铜作为割缝电极的材质,并利用有限元软件ABAQUS 2016对割缝电极进行了热膨胀分析,分析发现,割缝电极的热变形量要大于实体电极,斜缝电极的热变形量大于直缝电极。为提高工作液的利用率,采用耐高温导电胶将割缝电极的侧缝进行了密封,并在高速钢(W9Mo3Cr4V)与SiCp/Al复合材料(20%体积分数)上进行了加工实验,发现割缝电极加工的工件型腔底面没有留下较大的残余料柱,并且所采用的耐高温导电胶安全、可靠,没有发生过早脱落现象,验证了割缝电极用于电火花加工的可行性。利用CFD软件Fluent 2019 R2对设计的直缝电极与斜缝电极进行极间流场仿真分析,并结合离散相模型仿真分析了两电极极间电蚀产物的运动排出情况。仿真结果表明:割缝电极的窄缝具有提升工作液流速的作用,并且通过调节割缝的走向可以有针对性地提高部分区域流场的流速,有利于促进该区域内的电蚀产物快速排出;斜缝电极底面放电间隙流场的平均流速要高于直缝电极,但斜缝电极流场流速的均匀性较差,存在大面积的低流速区;通过离散相模型仿真发现,直缝电极的电蚀产物排出能力要高于斜缝电极。分析冲液对电火花加工过程的影响情况,并利用对比实验对比分析了实体电极、直缝电极、斜缝电极的加工性能,实验结果表明:割缝电极相较于实体电极可以获得更大的材料去除率,较小的表面粗糙度与圆角半径,但割缝电极的相对电极损耗率要大于实体电极,并且在割缝电极中,直缝电极的各项加工性能都要优于斜缝电极。针对加工性能好的直缝电极开展单因素实验研究,研究脉宽、脉间、冲液压力对材料去除率、电极损耗率以及相对电极损耗率的影响。研究发现:随着脉冲宽度的增加,材料去除率呈先增大后减小的趋势,而电极损耗率与相对电极损耗率逐渐增加;随着脉间的增加,材料去除率逐渐降低,电极损耗率与相对电极损耗率逐渐增加;随着冲液压力的增加,材料去除率呈先增大后减小的趋势,而电极损耗率与相对电极损耗率逐渐增加。施加内冲液增加了割缝电极的损耗率,影响了电极的成型精度,为解决此问题,提出了基于间隙状态检测的自适应冲液技术。利用间隙状态检测电路实时检测加工状态,当检测到极间发生频繁短路或长时间短路时,控制单元控制二位三通电磁换向阀切换工作液流向进行内冲液式加工,冲液预定时间后电磁阀断电回到初始状态进行无冲液加工,并等待下一个短路信号。实验结果表明:在自适应冲液条件下,割缝电极可以获得与连续冲液相当的材料去除率与不冲液相当的电极损耗率,达到了保证加工效率与减少电极损耗的双重目的。

关键词： 微细电火花加工   磁力驱动器   变论域模糊PID   论域调整机构  

摘要： 电火花加工对导电材料的强度和硬度没有要求,是一种非接触的特种加工手段。电火花加工技术以其独特的加工优势在航空设备、电子仪表、医疗工程等领域有着重要作用。针对微细电火花加工轴向定位不及时、极间加工电圧不稳定以及极间碎屑产物不易排出导致的加工无法正常进行的问题,本文将具有非线性、响应快、宽频带、高精度的磁力驱动器作为微细电火花加工的局部执行机构,采用智能控制技术对微细电火花加工磁力驱动器控制系统进行控制,以驱动工具电极在轴向方向快速微定位,使放电间隙维持在有效放电范围内。首先,对电火花加工过程及其原理进行介绍,并对磁力驱动器的结构及其工作原理进行研究和分析。为了实现对加工状态的实时检测,利用降压电路和低通滤波器对间隙平均电压检测电路进行设计。针对磁力驱动器应用在微细电火花加工的可行性问题,运用力学平衡方程建立磁力驱动器的线性化数学模型,并对基于PID控制的磁力驱动器进行位移控制仿真与实验,验证了该驱动器具有快速响应性、可观性和可控性。其次,通过对微细电火花加工磁力驱动器控制系统的控制方法进行深入研究,将模糊控制引入到常规PID控制中,实现对PID控制的控制参数在线实时整定,改善控制系统的动、静态性能。针对模糊PID控制的量化因子和比例因子一旦整定就无法改变的局限性问题,将模糊PID控制与基于模糊推理的论域调整机构相结合,设计变论域模糊PID控制器,通过伸缩因子调节模糊PID控制初始论域的伸缩变化,增强了控制系统的控制精度和自适应能力。最后,为了验证基于变论域模糊PID控制的微细电火花加工磁力驱动器控制系统的优越性,利用MATLAB/Simulink进行仿真分析,同时,又通过对放电状态、加工效率和加工表面质量这三方面进行实验分析。仿真与实验结果表明,变论域模糊PID控制的控制效果更好,相比于传统电火花加工机,变论域模糊PID控制磁力驱动器与传统电火花加工机协同控制的加工效率提高了40%,且加工过程更稳定、加工表面质量更好。

关键词： 高弹性合金3J33B   电火花加工   双孔挠性薄壁   变形分析   摇动加工  

摘要： 微小型结构零件已广泛应用于航空航天、电子工业等各个领域,其加工尺寸通常在毫米级以下,如双孔挠性薄壁结构,其细颈部位仅有数十微米。传统的接触式机械加工会对薄壁施加较大的宏观作用力,极易造成薄壁变形破损。电火花加工方法具有非接触、宏观作用力小的特点,可用于薄壁加工,但是在加工过程中,冲液压力以及产生的高温都可能会使薄壁发生变形,此外当小孔深径比较大时,电火花加工过程中排屑困难,容易引二次放电现象致使薄壁的表面质量变差。针对上述问题,本文进行了高弹性合金3J33B小孔电火花摇动加工仿真及变形分析;优化了分步电火花摇动加工参数;制定了工艺流程,确定了首先用电火花小孔机加工方法加工出预孔,然后用分步电火花摇动加工方法对预孔进行半精加工、精加工扩孔加工的工艺方法,最终实现了高品质的双孔挠性薄壁电火花摇动加工。本文首先仿真分析了单孔电火花摇动加工流场,探究了电极和机床的相对摇动方向对电蚀产物排出的影响,以及机床的摇动速度和电极的自转速度对流场分布的影响;研究了冲液方式和压力对Ф2×8mm小孔加工和薄壁变形的影响;建立了电火花放电加工连续多脉冲温度场仿真模型,分析了放电能量对薄壁变形的影响。研究表明,热变形影响大于冲液压力引起的变形,其中影响热变形的电参数主次顺序为峰值电流、脉宽和脉间。薄壁变形量基本随着电流和脉宽的增大而增大,随着脉间增大只有小幅度的减小。然后,运用信噪比分析方法对高弹性合金3J33B电火花小孔加工试验进行了不同加工阶段的单目标参数优化,利用优选的各加工阶段的最优加工参数组合,使高弹性合金3J33B电火花加工的材料去除率提高了20.58%,孔端翻边宽度减小了10.19%,孔壁锥度减小了7.50%,表面粗糙度Ra减小了25.61%。最后,进行了双孔挠性薄壁的电火花加工工艺研究,提出高速旋转电极分步摇动加工方法,确定了双孔挠性薄壁加工的工艺流程。通过计算电极相对损耗和机床接触感知相结合的方法补偿电极的径向方向的损耗,实现了对摇动加工孔径大小的控制。加工出了单孔孔径为2mm,孔深为8mm,薄壁厚约为46.5μm的双孔挠性薄壁。薄壁厚度上下相对较为均匀,误差在3%以内,实现了高质量的双孔挠性薄壁电火花加工,证明了所提出的电火花加工方法在薄壁加工领域的可行性。

关键词： 超快激光   航空发动机   气膜孔   加工制造  

摘要： 超快激光加工技术具有无材料选择性、无材料损伤、可实现微米级加工精度的优势,是航空发动机制造加工未来重要的发展方向。在介绍超快激光技术的基础上,详述了其在航空发动机的涡轮叶片气膜孔、火焰筒气膜孔及异形槽孔加工中的应用,并对未来该技术在航空发动机制造业的应用推广提出了建议。

关键词： 特种加工   机械工业工艺   电火花线切割加工   快速成型加工  

摘要： 随着我国科技的加速发展,特种加工技术也发生了许多次变革,在当代社会中已经得到广泛的应用和发展,形成了多种特种加工的技术门类。特种加工技术的研究,为进一步提高机械工业工艺水平提供了理论依据。主要介绍和比较了电火花线切割和快速成型的特点。