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关键词： 立铣刀   磨损状态   机器视觉   目标检测   语义分割  

摘要： 铣削加工过程中,换刀过早会造成资源浪费,过晚会影响工件表面质量,故掌握合适的换刀时机非常重要。现阶段,换刀通常由经验丰富的工人操作,不仅过于主观且人力成本高,所以迫切需要一种刀具磨损状态智能检测技术来精准控制刀具更换时机。 基于机器视觉的刀具磨损状态检测方法可以直接获取刀具的磨损量来评估其磨损状态。其中,磨损区域的分割精度,是决定刀具磨损值测量精度的关键。然而,传统图像分割算法虽然计算成本低且速度快,但抗噪声能力差,无法稳定且高精度地分割出刀具磨损区域,限制了机器视觉在刀具磨损状态检测领域的广泛应用。鉴于此,本文基于目标检测网络和语义分割网络,使用迁移学习方法训练网络模型,实现立铣刀磨损区域的高精度分割,研究主要包括以下内容: （1）搭建了一套立铣刀图像采集装置,通过该装置可获取高质量立铣刀后刀面磨损图像。同时,使用目标检测网络识别与定位出立铣刀磨损部位,代替人工操作将磨损部位智能地裁剪出来,极大地提高了立铣刀磨损状态检测效率。 （2）针对传统图像分割方法分割精度与稳定性差的问题,使用Deeplabv3+语义分割网络,根据立铣刀磨损图像的语义信息来分割其磨损区域,分割精度和稳定性有了很大提升。同时,为进一步提高分割精度,在Deeplabv3+网络中插入CA注意力机制,提高了模型对磨损区域通道信息和位置信息的关注度,其Io U从83.83%增长到了88.7%。 （3）针对深度学习模型依赖大量数据且立铣刀磨损图像采集成本高的问题,使用更轻量化的目标检测网络,并减小语义分割网络的主干网络的复杂度,从而减小模型的过拟合风险。同时,使用迁移学习方法提高深度学习模型的泛化能力,减小了训练成本。仅用5张磨损图像用迁移学习方法训练语义分割网络,Io U依然能够达到81.51%。相较于不使用迁移学习训练,提高了27.68%。 最后集成以上各环节算法,开发了立铣刀磨损状态检测系统,并对检测系统测量VB（6）值的精度进行验证,系统测量与人工测量的平均相对误差仅为2.41%。本文提出的立铣刀磨损状态检测方法,为基于机器视觉的刀具磨损状态检测提供了理论和实践基础,为刀具磨损状态检测在工业加工领域的应用提供了可行性方案。

关键词： 复合涂层   磁控溅射   载流摩擦磨损   有限元仿真   温度场  

摘要： 电磁轨道炮发射系统中,电枢与导轨面临着高速、高温、大电流等苛刻工况,枢轨摩擦副接触表面产生摩擦热、电阻热和电弧热的复合热效应,电枢表面产生巨大的温升,铝电枢的液化并在铜导轨表面会产生粘铝、转捩和刨削烧蚀等一系列损伤行为,导致不稳定接触的发生,极大地影响发射可靠性和作战效能。针对以上问题,本文提出了利用具有低熔点特性的锡合金作为涂层主体,采用具有优异摩擦学性能的类石墨(GLC)作为掺杂相,以磁控溅射法制备兼具优良导电与自润滑性能的GLC/Sn-Zn复合涂层。首先考察了溅射电流对Sn-Zn合金层沉积层微观组织的影响,探讨了工艺参数对涂层组织及性能的影响规律,从而确定了纯Sn-Zn合金涂层及GLC/Sn-Zn复合涂层的溅射工艺;其次,对Sn-Zn合金涂层及GLC/Sn-Zn复合涂层进行了载流摩擦磨损实验,研究了复合涂层的摩擦学特性及其减摩润滑机理;最后,通过COMSOL Multiphysics有限元软件对GLC/Sn-Zn复合涂层在近实际工况下进行电磁-温度耦合仿真计算,分析了有无涂层电枢发射过程中瞬时温升分布,评估了GLC/Sn-Zn复合涂层近实际工况下的使用效果。主要结论如下: (1)磁控溅射法可以制备出性能较好的Sn-Zn合金涂层,最佳的制备工艺为合金靶0.5 A直流溅射,所制备的Sn-Zn合金涂层硬度可达1.45GPa,弹性模量为94.43GPa,与基体间结合力为7.93 N,电阻率保持在10-8Ω·m量级范围内。 (2)当Sn-Zn合金和GLC同时沉积时,GLC的掺杂不仅可以提高涂层的致密性,还能细化合金组织,复合涂层硬度、膜基结合力和电阻率有所提高,弹性模量显著降低。制备的复合涂层硬度可达1.76 GPa,弹性模量为52.35GPa,与基体间结合力11.68 N,电阻率保持在10-6 Ω·m量级范围内。 (3)在电流10A、载荷1N、转速180r/min的载流摩擦条件下,与铝基体相比,Sn-Zn合金涂层摩擦系数及摩擦曲线波动虽有所减小,但在摩擦过程中曲线仍有较大波动;而GLC/Sn-Zn复合涂层展现出了优良的载流摩擦磨损性能,摩擦曲线波动较小,相比与铝基体平均摩擦系数降低了72.9%,磨损率降低了 81.0%,同时在5 A、15 A、20A电流条件下均展现出优异的载流摩擦磨损性能。 (4)GLC/Sn-Zn复合涂层可以改善铝基体在载流摩擦磨损过程中出现的黏着磨损及电弧侵蚀问题,其主要作用机理是:涂层中呈球形颗粒分布的GLC在压力及剪切力作用下转变为片状结构,这些结构起到“修补作用”填充在摩擦界面间隙中,以及黏附在对磨材料上,可以避免摩擦副与铝基体直接接触,减少涂层的磨损,更好地保护铝基体。 (5)仿真计算表明在近实际工况条件下,无涂层铝电枢较有涂层相比温升更高,使得铝电枢气化,容易由此产生放电烧蚀现象,而GLC/Sn-Zn复合涂层可以有效降低发射过程中所产生的机械摩擦热,有涂层电枢表面虽已达到涂层熔点但温度低于铝的熔点,涂层熔融后能改善枢轨的电接触性能,从而减少铝电枢的磨损及放电烧蚀现象。

关键词： 履带式挖掘机   异常磨损   有限元仿真  

摘要： 履带式挖掘机是工程建设中常见的大型机械设备,然而,行走装置部件的异常磨损问题一直是影响挖掘机使用寿命和运行效率的关键因素。本文深入研究了履带式挖掘机行走装置部件异常磨损的原因,并结合有限元分析软件提出了相应的模拟分析和改进措施。研究得出结论,对严重磨损部位加以预防,可以有效降低履带式挖掘机行走装置的磨损程度,延长设备的使用寿命,提高工作效率和安全性。这为解决实际工程中的问题提供了有力的理论支持和技术指导。

关键词： 磨损   图像去噪   边缘检测   特征提取   识别分类  

摘要： 机械设备在运行过程中发生的磨损不仅导致零件材料的逐渐损耗,更会对设备的整体精度产生负面影响,进而增加故障发生的频率。磨损过程中不可避免的会产生磨粒并流入润滑油中,这些磨粒的特征参数可以作为判断设备当前磨损状态的重要依据,通过对磨粒特征参数的分析,能够及时了解和掌握设备的磨损情况,进而制定针对性的保养与维修措施。本文将图像处理与模式识别相结合,建立了基于滑油磨粒参数测量的磨损类型识别系统。主要从以下几个方面进行研究: (1)根据磨损类型与磨粒种类及其关系,设计磨损类型识别系统方案。针对所要研究的磨粒具有尺寸小,需要进行高分辨率成像的特点,对能影响成像效果的相机和镜头的关键参数进行性能分析,并对这两个设备进行选型,实现磨粒图像的清晰采集。 (2)针对采集到的磨粒图像上存在高斯噪声,根据K-SVD算法原理,采用相关系数匹配准则与噪声原子剔除方法,对K-SVD算法的稀疏系数的更新条件与字典矩阵进行改进,提高图像去噪后的信噪比;针对磨粒图像存在弱边缘问题,根据Sobel算子原理,采用分数阶微分算子对磨粒图像进行边缘检测,提高检测后边缘的完整性;对图像处理后的磨粒进行特征参数测量与分析。通过与均值滤波、高斯滤波和传统的K-SVD进行实验对比,证明本文所改进的K-SVD算子拥有更高的图像相似度与峰值信噪比。同时通过与Canny算法、Sobel算法和Lo G算法实验对比,验证本文所采用的分数阶微分算子对弱边缘有很好的检测能力。 (3)针对极限学习机存在的随机初始化权值、阈值所导致的磨损分类性能不佳问题,根据粒子群算法原理,采用粒子群优化极限学习机随机生成的参数,建立PSO-ELM磨损分类模型,提高了极限学习机的分类性能;针对粒子群算法存在收敛速度慢且容易陷入局部极值问题,根据粒子的适应度值与适应度方差对粒子群中惯性权重与群体极值进行优化,提高粒子群算法的收敛速度与寻找全局极值的能力,最后建立APSO-ELM磨损分类模型,提高极限学习机的收敛速度与分类精准度。 最后实验结果表明,PSO-ELM的平均准确率为93.33%,相较于SVM提高了5%、比BP神经网络提高6.73%、比传统的ELM提高了2.5%;APSO-ELM模型的准确率相较于ELM提高5.3%,比PSO-ELM提高2.5%,且训练时间低于PSO-ELM,进一步表明本文所提出的APSO-ELM模型在磨损分类中的有效性与实用性。

关键词： 自然膝重构   曲线拟合   膝关节假体设计   关节磨损分析  

摘要： 全膝关节置换术(total knee arthroplasty,TKA)是当前治疗膝关节骨性关节炎的主要手段,术中关节假体的磨损性能是影响术后关节寿命的极其重要的因素,而其磨损性能主要取决于各结构的几何参数。首先,本文根据自然膝CT图像在Matlab中进行特征曲线拟合,建立了高匹配度的膝关节假体模型;其次,运用有限元分析法分析了两组四个不同特征参数全膝关节假体模型的接触特性与磨损性能;最后基于仿真结果对假体结构进行了优化设计,并对优化后模型的接触特性与磨损性能再次进行了分析验证,本文主要研究内容: (1)自然膝关节结构力学特性分析与模型重构。再对自然膝生理结构与力学特征以及运动学与动力学特性分析的基础上,基于扫描的自然膝关节CT图像,进行自然膝关节3D建模,借助Mimics和Geomagic软件进行图像处理,将平面图像转化为实体曲面模型,并进行表面的修复处理,为后文的假体设计提供尺寸依据。 (2)膝关节假体特征参数提取、设计及模型重构。假体建模需根据(1)中重构的自然膝关节模型,进行股骨内/外髁长度、股骨髁后端宽度、胫骨平台横径、内外侧前后径等关键参数的测量,完成特征曲线的拟合与提取,进而将特征曲线转化为设计参数,复原自然膝关节生理特征,并以此作为设计输入实现水平型、后倾型两组四个假体设计建模,从而保证假体与人体膝关节的匹配吻合度。 (3)水平型和后倾型膝关节假体模型的磨损仿真。基于Archard磨损模型,运用ANASYS平台的瞬态动力学分析模块,在标准步态周期下对不同材料的两组四个假体接触与磨损性能进行了模拟:发现矢状面轮廓大的胫骨部件磨损性能更好,后倾型比水平型假体磨损性能更好,UHMWPE材料的假体磨损性能更好。 (4)假体结构优化设计及性能验证。对比两组四个模型的接触特性及磨损性能,选择单曲线后倾型假体模型,从冠状面尺寸角度进行优化设计。结合有限元数值模拟分析法,对比优化前后假体性能,结果表明内侧髁圆曲线半径增大磨损体积增大,外侧髁椭圆长轴增大,磨损体积先减小后增大。 本文建立了一种全膝关节假体,分析了假体在步态周期内的接触与磨损性能,得出了假体的磨损规律。论文的研究成果对膝关节假体设计、假体磨损规律分析具有一定的理论参考价值。

关键词： 热连轧机组   抗振性能   振动能量   能量调控   功率流耗散率  

摘要： 热连轧机组振动问题一直是世界范围内冶金行业轧制领域面临的一项技术难题,至今尚未彻底解决。国内外学者对这一现象的研究和认识正逐渐深化,但仍然缺乏统一的公认结论。 本研究以世界首条薄板坯全连续铸轧流程的5机架热连轧机组为研究对象,通过改进机械设计来提升轧机系统的抗振性能。首先,研制轧机耦合振动在线监测系统,对轧机振动能量进行在线采集与分析,确定轧机振动能量的特征和规律;然后,建立热连轧机组的动力学模型,提出了7种可能的激振模式下,求解热连轧机组机械系统幅频特性抗振响应,并对振动最大的F3轧机振动模态耦合响应贡献量分布规律进行了分析。其次,基于能量法进一步揭示了7种激振作用下,振动能量耗散规律,并探究了多因素影响下轧机振动能量耗散变化规律。最后,引入振动功率流进行了振动能量传递的可视化研究,获得了可通过改变轧机局部机械结构的方法来提高轧机机械系统的抗振性能,为轧机的抗振优化设计提供了理论依据。主要研究内容如下: (1)针对该热连轧机组频繁出现严重振动现象,研制并投入轧机振动能量在线监测系统。对轧机垂直系统振动能量和主传动系统扭振能量进行实时在线监测,获得在轧制过程中各机架振动能量的变化与规律,其中F3机架振动能量最大,F1和F2机架次之,F4和F5机架振动能量最小。 (2)建立了热连轧机组有限元机械动力学模型,在轧机的辊缝、液压压下缸和主传动电机激振源7种组合的可能激振作用下,揭示了热连轧机组中不同机架在幅频特性上表现出不同的响应,特别是在共振频率下的幅值差异,以此来评定轧机的抗振性能,即在同样的激振下共振频率幅值低的为抗振性能好,共振频率幅值高的为抗振性能较差。获得了 F4和F5机架抗振性能优于F1-F3机架。同时,进一步分析了振动模态贡献量分布状态,确定了正贡献量最大的模态通常是与幅频特性共振频率最接近的模态,即该模态在幅频特性响应共振频率的幅值中起主导作用。 (3)基于振动功率流理论,以振动功率流耗散率为热连轧机组振动能量消耗为评定指标,揭示了热连轧机组振动功率流耗散特性好坏是导致轧机机械系统抗振性能差异的本质,获得了影响轧机振动功率流耗散率的多种因素。研究结果表明,振动功率流耗散率指标可以作为抑制热连轧机组振动的一种判定标准,为抑制轧机振动提供了新思路。 (4)求解了轧机整体振动功率流,提出了改造振动最为强烈的F3轧机机械局部结构来抑制振动幅值的措施,探究了7种激振作用下轧机振动功率流分布规律。研究结果表明,适当采取改变辊系配辊模式、增厚牌坊和减小主传动系统减速机速比甚至去除减速机等措施可以有效地削减热连轧机组振动幅值,与F1-F3轧机相比,F4和F5轧机的主传动系统没有减速机,这使得它们具有更好的抗振性能,从而有助于降低轧机振动。

摘要： 膝关节炎是一种常见的退行性疾病，其发病率随着人口老龄化而逐渐升高，严重影响患者的日常生活质量。该病主要表现为膝关节软骨的退化性损害，导致疼痛、僵硬等症状，严重时甚至影响行动能力。本文旨在探讨膝关节炎的病因、病理机制及其对行走和其他日常活动的影响，并提出有效的治疗与管理策略。通过对膝关节炎症状与诊断方法的分析，强调早期识别与干预的重要性。同时，本文详细讨论了膝关节炎患者在日常生活中面临的挑战，并提供了康复建议，以帮助改善患者的生活质量，为他们提供实用的信息支持。