时频分析和深度学习相结合的滚动轴承故障诊断

滚动轴承大量使用在旋转机械中,轴承的工况严重影响着机械设备的正常运行。为了提高轴承故障的诊断精度,本文提出了一种时频分析和深度学习相结合的滚动轴承诊断方法。首先,分析了十种不同时频分析方法;其次,建立了深度学习的滚动轴承故障诊断模型,并利用迁移学习克服训练样本数量少的问题,通过对比分析,常数Q变换(Constant Q transform,CQT)的准确率可达100%;最后,利用实验数据对所提方法的有效性和可靠性进行验证,分别评估了在不同负载和噪声情况下的识别精度,并与文献中的方法对比,证明所提方法在不同工作环境条件下都有较好的鲁棒性和较高的识别精度。

基于Kriging代理模型的环形网状天线展开过程规划

针对环形网状天线小冲击、低能耗展开的应用需求,提出了一种基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划方法。建立了综合考虑铰链摩擦、索网张力及驱动绳索柔性的环形网状天线展开动力学模型,并针对动力学分析模型的计算耗时问题,基于Kriging模型构建了环形网状天线展开过程动力学分析的代理模型。基于此,提出了环形网状天线展开过程规划的非自适应和自适应两种优化策略,通过合理设计驱动绳索的索长收纳函数实现天线展开角加速度峰值和驱动功率峰值最小化。优化结果表明,与运动学规划方法相比,基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划能够显著降低展开角加速度峰值和驱动功率峰值;与非自适应策略相比,自适应优化策略能够在保证代理模型精度的条件下大幅度提高优化效率。该研究结果可为环形网状天线实现小冲击、低能耗展开提供一定的实际指导作用。

一种柔索并联机器人的刚度解析

大射电望远镜(LT)馈源柔索支撑系统是一种大跨度强非线性柔索并联机器人(WDPR),其刚度在相当程度上决定了它的有载定位精度。针对目前没有用解析法分析此类机器人刚度矩阵的现状,运用微分变换原理推导出它的完整刚度的解析表达式。基于馈源柔索支撑系统的非线性力学模型,得出动平台中心所受外力矢量的矩阵表达式,通过对外力变分来获取系统刚度矩阵与终端外力矢量、终端位移矢量的关系式,此刚度矩阵主要与柔索张力以及结构参数有关。以LT50m模型为例分析了该机器人的刚度。数值结果表明刚度矩阵的分析方法是有效的。研究结论对LT500m原型馈源支撑系统的结构设计、振动分析及运动控制均具有很好的借鉴作用。

索原长求解算法在索驱动并联机构运动学研究中的应用

介绍了大射电望远镜(LT)索支撑馈源系统附加被动控制索系的设计方案,建立了该构型的运动学正逆解模型。基于Jayaraman等推导的悬链线索元有限元理论,通过迭代法求解出倾斜索索端张力已知情况下的索原长;运用索原长求解技术求取LT舱索系统的运动学正逆解模型;分别运用正逆解模型对LT500m馈源舱的运动进行仿真分析,验证了正逆解算法的快速收敛性和稳定性。研究结果为大跨度柔索并联机器人(WDPR)运动的实时控制奠定了理论基础。

一种柔索并联机器人的可达工作空间分析与刚度评价

大射电望远镜(LT)馈源柔索支撑系统可视为一种柔索并联机器人(WDPR).基于馈源柔索支撑系统的非线性力学模型,引入张力、球铰和索长约束条件,确定了WDPR的可达工作空间.进而,借助于有限元分析方法,利用静刚度阵的最小奇异值来评价该机器人的刚度性能.通过对LT50 m WDPR缩尺模型的空间运动数值仿真,绘制了三维可达工作空间图形及刚度曲面.分析结果表明,张力约束条件对LT可达工作空间影响最大,WDPR机器人与Stewart平台的刚度有明显差异.

柔索驱动并联机器人变态模型相似性分析

分析了大跨度柔索驱动并联机器人(wire driven parallel robot,WDPR)变态模型的预测系数及相似度问题.建立了大射电望远镜(large radio telescope,LT)中WDPR系统的索张力和基频的相似性经验公式,并以此为基础获得了索张力和基频的预测系数.运用模糊数学理论确定出相似度的表达式.最后,通过模型试验和仿真分析验证出预测系数的有效性和相似度定义的合理性.研究理论为LT变态模型的试验奠定了基础.同时,研究方法也可应用到其它变态模型的相似性研究中.

大柔性Stewart平台的刚度研究

大型射电望远镜舱索系统通过六根索长的协调变化驱动馈源舱作跟踪射电源的六自由度运动,其工作特点类似于Stewart平台,因此被看作大柔性Stewart平台。基于大型射电望远镜舱索系统50m缩比模型,首先分析了悬索的垂跨比与悬索张力、系统基频之间的关系;其次,研究了大柔性Stewart平台零位时的竖向刚度;最后,对舱体在不同位姿处的扭转刚度进行分析。研究工作为变结构悬索系统的振动分析与运动控制奠定了基础。

大跨度柔索驱动并联机构逆动力学研究

运用集中质量法建立大跨度悬索的力学模型,并基于此模型研究了大射电望远镜中的大型柔索驱动并联机构(wire driven parallel robot,WDPR)的逆动力学问题。首先,确定大跨度悬索的三维收放的动态力学模型,并运用四阶龙格库塔法求解模型的运动控制方程组;接着,确定大跨度WDPR机构的逆动力学算法;最后,通过数值仿真验证WDPR逆动力学模型的合理性。

附加被动控制索系的柔索并联机器人的优化设计和振动分析

大射电望远镜馈源支撑系统是一类欠约束型索牵引并联机器人。对附加被动控制索系的此并联机构首次从整个工作空间优化设计的角度建立其优化模型,并用实验和数值仿真验证其抑振的有效性。首先,基于动平台的非线性静平衡方程提出系统的两层规划模型;其次,在iSIGHT软件平台上对LT5 m被动控制构型的设计参数进行优化求解;最后,通过数值仿真及实验分别比较有无附加被动控制索系结构的振动特性。结果显示,仿真与实验结果的最大振幅基本一致,LT新构型可以显著抑制系统的风振。研究结论为欠约束型WDPR(wire driven parallel robot)系统的减振提供新思路,并对LT500 m工程的结构设计有很好的借鉴作用。

FAW加工过程线锯振动建模与实验验证

在分析Si C单晶切割过程的基础上,建立了固结磨粒线锯(FAW)加工过程中的横向振动模型,该模型为有阻尼的轴向运动弦线的受迫振动模型。采用激光测振仪测量线锯的振动,运用非切削与切削实验验证了振动模型的准确性和线锯振动测量方法的有效性;对线锯横向振动最重要的影响因素——线锯张力进行了分析和标定。张力从17N增加到23N以及从17N增加到24N的实验结果表明:张力改变对振动幅值影响较小,但使振动第一阶频率变化明显,前者变化导致频率增加9%,后者变化导致频率增加18%,而且频率不随张力线性变化;其他切削参数不变,进给速度在0.25mm/min^0.75mm/min内变化,振动频率变化小于3%;假定张力在测量中无变化,则轴向速度在1.3m/s^1.9m/s内变化时对线锯振动并无影响。研究结论为线锯加工的张力控制提供了分析基础。

大射电望远镜新构型的结构优化设计、虚牵索的抑制分析及风致振动实验研究

大射电望远镜馈源柔索支撑系统是一类大跨度柔索并联机器人(WDPR)。为了抑制悬索虚牵和馈源舱的风致振动,提出了在此机器人的动平台上增加盛液容器的结构新方案。首先,运用Guldin定理确定轮胎状附加容器中液体体积在并联机器人的不同俯仰角度处的静态分布规律,进而建立此机构的力学模型;其次,建立WDPR非线性两层优化模型,并应用遗传算法获得LT500 m附加容器结构的优化参数;最后,从数值分析和实验两种途径分别检验新方案克服悬索虚牵和抑制风振的效果。分析与实验结果表明与原构型相比,该结构方案能够抑制悬索的虚牵和风致振动。

柔索驱动并联机器人的误差分析及其标定仿真

建立了大射电望远镜(Large Radio Telescope-LT)中柔索驱动并联机器人(Wire Driven Parallel Ro-bot-WDPR)系统的末端误差模型,用正向运动学标定方式对LT5m缩比模型的运动学参数做了辨识。首先,建立LT舱索系统的运动学正、逆解模型;接着,在运动学分析的基础上建立了其误差模型,得到影响末端位姿误差的各项参数;最后,对LT5m柔索并联机构的标定过程作了模拟,验证算法的有效性。结果显示该算法收敛性好,忽略测量误差的情况下能够保证运动学参数具有很高的标定精度,从而为提高LT5m模型的控制精度奠定了理论基础。

柔索驱动并联机器人定位误差的柔性补偿法

提出了用人工神经元网络(ANN)补偿大射电望远镜(LT)中柔索驱动并联机器人(WDPR)系统动平台位姿误差的方法。为了提高 WDPR 的运动精度,建立了3种可行的误差补偿方案,并运用 Levenberg-Marquart(L-M)算法训练了相应的3个神经元网络。标定仿真显示,基于索长补偿的柔性标定方案比基于动平台位姿补偿的标定方案好。研究结果为提高 LT 舱索系统的控制精度奠定了理论基础。

柔索驱动并联加工机构的力学建模与分析

针对柔索驱动并联加工机构,着重分析了该系统的固有频率及动力学响应特性。构建了系统瞬态时在切削力作用下的振动模型,解算出系统的固有频率;研究了系统的切削力模型和该力作用下的系统响应问题,基于龙格库塔法对系统的受迫振动模型进行数值求解.最后通过数值算例验证了该算法的可行性,并通过快速傅里叶变换(fast fourier transformation,FFT)将时域响应转变为频域解,分析了动平台质量和重心位置参数对系统稳定性的影响。

哲学思维与大学生创新项目

各类大学生创新项目的广泛开展为学生创新能力的提高、专业知识的拓展以及团队协作精神的塑造奠定了实践基础。本文结合创新项目的选题、执行与完成到创新实践项目的持续性发展阐述了哲学思维模式下的实践意义,依据正确的思维方法和研究逻辑开展的创新活动具有重要的教育价值和广泛的发展前景。

基于小波包能量谱与主成分分析的轴承故障特征增强诊断方法

滚动轴承出现损伤时,采集的振动信号呈非平稳性,采用一般的时域和频域分析方法不能准确提取出振动信号的故障特征。根据小波包多分辨、精细化的分解特性,提出一种基于小波包能量谱与主成分分析(PCA)方法的滚动轴承故障诊断算法。将振动信号进行小波包分解,得到重点频率段信息的能量谱,提取能量谱作为特征向量;利用PCA方法对特征向量降维并减小噪声信号的干扰,获得增强的故障特征;利用层次聚类方法和改进的模糊c均值聚类算法对不同类型的滚动轴承故障进行识别,两种聚类方法都准确地识别出了不同的故障类型。实例验证结果表明,所提方法能够有效地提取振动信号中的有用故障特征,实现轴承故障类型的精确诊断。

金刚石线锯横向超声振动切割SiC单晶表面粗糙度预测

把横向超声振动应用到金刚石线锯切割硬脆材料加工中,基于冲量原理分析了线锯横截面上不同位置处金刚石磨粒对工件的法向锯切力。应用压痕断裂力学理论,定量分析了在法向和切向载荷共同作用下磨粒下方中位/横向裂纹扩展的长度和深度。研究了振动磨粒在工件上间歇加载和卸载使横向裂纹优先扩展并抑制中位裂纹扩展的屏蔽效应。建立了横向振动线锯切割硬脆材料时线锯横截面不同位置处磨粒的材料去除模式模型,得到了横向振动线锯切割硬脆材料晶片表面粗糙度的预测公式。以Si C单晶为切割对象,进行普通线锯和横向超声振动线锯切割对比试验,测定线锯的锯切力和晶片表面粗糙度,并对表面形貌进行观察。结果表明,横向超声振动线锯切割Si C是以脆性去除为主塑性去除为辅的混合材料去除模式;同等试验条件下,超声振动线锯切割能使晶片表面粗糙度降低25.7%。表面粗糙度测试结果与理论预测具有较好的一致性。

超声横向激励下轴向运动金刚石线锯振动切割分析

金刚石线锯由于切缝窄、柔性好而广泛应用于Si、SiC等超硬脆材料的切割过程中,而超声振动在硬脆材料加工方面具有独特的优势。将超声振动应用于线锯切割过程中,在分析轴向运动弦线振动模型的基础上,利用变量分离求解出线锯在两种不同位置超声激励下横向受迫振动位移场的函数表达式以及线锯系统自然频率的函数表达式;研究讨论了线锯系统的参数对固有频率的影响;分析了线锯临界速度以及线锯往复切割时线锯中点振幅与超声激振线锯系统参数的关系;提出了工件进给速度是影响超声振动线锯切割模式的决定因素。用多普勒激光测振仪对线锯的固有频率、线锯超声激励频率和在振动切割SiC中线锯不同点处的频率进行测定,并对线锯施加超声和不施加超声切割SiC进行了对比实验。结果表明超声振动切割能减小23%～38%的切割力,能明显改善切割表面的质量。测定和实验结果与模型分析有较好的一致性。

BTA深孔加工非线性流体力的分布特性

研究了BTA深孔加工中非线性流体力的分布问题。依据实际加工中非线性流体动压力应满足的物理特点,以近似解析解为基础,建立了有限长钻杆所承受的切削液流体动压模型,模型中考虑了钻杆转速、涡动速度及钻杆偏心率等因素。针对切削液非线性流体力的分析与计算,定量阐明了切削液非稳态流体的动压特性,并结合钻杆运动参数与结构设计参数等改变时对非线性流体力分布变化规律的影响,讨论了切削液流体力引起的钻杆涡动和失稳的力学机理,得出了对生产实践有指导意义的钻杆间隙系数用量选择准则。

深孔加工刀具系统的动态稳定域研究

根据广义Hamilton原理,构建了基于Timoshenko梁单元的多跨柔性回转钻杆横向振动的有限元模型。通过采用自由界面模态综合技术,在保证大型复杂深孔加工装备动力学分析精度的前提下,将钻杆线性自由度的特征模态进行截断,仅保留具有非线性动力特征的模态,其中舍去的高阶主模态则由剩余附着模态来补偿,从而使得耦合动力系统求解的自由度数有效降低,节约计算资源。利用该缩减后的模型,研究了辅助支撑位置、钻杆长度及排屑孔径对深孔钻杆固有频率的影响规律。以加工复合扁孔为例,获得了在选定的切削深度和切削速度参数空间中钻杆运动的失稳方式及稳定区域。研究结果表明,文中所提出的方法将为复杂深孔加工装备的动力学设计和加工精度分析提供理论基础。