立銑切削顫振的監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及立銑切削技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種立銑切削顫振的監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 切削顫振機理和監(jiān)測研宄最早可追溯到1946年，在研宄初期階段，認為顫振的發(fā) 生主要歸因于切削系統(tǒng)存在負阻尼，隨著研宄的不斷深入，發(fā)現(xiàn)切削顫振主要由再生和模 態(tài)耦合影響而引起。為了提高加工過程穩(wěn)定性，需要以加工過程的監(jiān)測信號為基礎(chǔ)，通過特 征提取和分類技術(shù)，進行切削顫振的在線監(jiān)測。對于監(jiān)測信號來說，一般應(yīng)選擇采集方便、 受外界環(huán)境影響較小并且能反映切削顫振本質(zhì)的信號，通常包括切削過程的聲音信號、切 削力信號、變形位移信號、扭矩信號和加速度信號等。切削顫振的在線監(jiān)測方法就是在采集 到上述信號后，然后對其進行時域、頻域或時-頻域分析，提取顫振特征，并利用門限值或 者分類器進行特征分類，實現(xiàn)切削顫振早期預(yù)報，為及時有效抑制顫振打下堅實基礎(chǔ)。
[0003] 在上述信號中，聲音信號能夠反映刀具和工件相互作用而產(chǎn)生的振動大小，切削 力信號是加工過程機械振動的主要來源之一，切削過程扭矩信號也可以用作輸入信號，每 種信息都是通過不同的方法來提取顫振特征，從而進行切削顫振監(jiān)測和刀具磨損估計；聲 音信號可以通過麥克風得到，實現(xiàn)容易，成本較小，可以反映切削狀態(tài)的改變，但是聲音信 號容易受到同一車間里的其它加工設(shè)備的干擾；在切削顫振發(fā)生過程中，切削力信號的變 化會比較明顯，有利于顫振特征提取，但測力儀的安裝使用比較復(fù)雜，并且對機床工作臺的 影響較大。在切削過程中，變形位移信號和扭矩信號測試不夠方便。
[0004] 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在切削顫振在線監(jiān)測方法方面在顫振的識別精度和速度上都 在不斷進步，但由于實際切削過程的復(fù)雜性和多樣性，這些監(jiān)測方法對實際加工過程的指 導(dǎo)作用尚不盡如人意。目前的切削顫振在線監(jiān)測技術(shù)的主要缺點是等待問題出現(xiàn)后采取措 施，此時，劇烈的振動已經(jīng)對工件和機床部件造成了不可挽回的損傷。為了盡可能減少切 削顫振的負面影響，在線監(jiān)測技術(shù)的一個主要目標就是在加工過程中盡早發(fā)現(xiàn)切削顫振征 兆，即在切削顫振即將發(fā)生階段實現(xiàn)精確識別，因此，關(guān)于切削顫振在線監(jiān)測技術(shù)的有必要 進一步改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對目前切削顫振在線監(jiān)測技術(shù)中的不足，本發(fā)明 提供了一種立銑切削顫振的監(jiān)測方法，將顫振狀態(tài)信號的能量比系數(shù)和奇異譜熵系數(shù)組成 顫振特征向量來作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，經(jīng)過樣本訓(xùn)練后得到立銑切削過程中顫振 的監(jiān)測結(jié)果。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種立銑切削顫振的監(jiān)測方法，包 括以下步驟：
[0007] S1、加速度信號的獲?。和ㄟ^安裝在立式銑床的主軸上的加速度傳感器采集立銑 切削過程中的加速度信號表示為X = [X (I)，X (2)，…，X (η) ]，η表示信號長度，所述加速度 信號包括處于不同頻段的穩(wěn)定狀態(tài)信號、過渡狀態(tài)信號和顫振狀態(tài)信號；
[0008] S2、信號梳理：對采集到的加速度信號進行小波包變換，從而確定顫振狀態(tài)信號的 發(fā)生頻段，重構(gòu)顫振狀態(tài)信號表示為
[0009]
【主權(quán)項】
1. 一種立銳切削顫振的監(jiān)測方法，其特征在于：包括w下步驟： 51、 加速度信號的獲??；通過安裝在立式銳床的主軸上的加速度傳感器采集立銳切削 過程中的加速度信號表示為X=[X(1)，X(2)，…，X(n) ]，n表示信號長度，所述加速度信號 包括處于不同頻段的穩(wěn)定狀態(tài)信號、過渡狀態(tài)信號和顫振狀態(tài)信號； 52、 信號梳理；對采集到的加速度信號進行小波包變換，從而確定顫振狀態(tài)信號的發(fā)生 頻段，重構(gòu)顫振狀態(tài)信號表示為
其中cw,巧在尺度j。上的近似小波系數(shù)，dj.,巧在j。及其W下尺度上具體的小波系數(shù)， 定義的函數(shù)1>。}稱為關(guān)于尺度函數(shù)(X)的小波包； 53、 計算所述顫振狀態(tài)信號的能量比系數(shù)：
其中，Cj.是顫振狀態(tài)信號第j個頻段的能量比系數(shù)，m是各頻段頻率離散點數(shù)，aj.k為第j個頻段第k個離散頻率點的幅值； 54、 計算所述顫振狀態(tài)信號的奇異譜滴系數(shù)；首先對所述顫振狀態(tài)信號進行奇異 譜分析，得到奇異值S= (Si，S,，. . .，Sm}，然后重構(gòu)所述顫振狀態(tài)信號的奇異譜為P= 柄，P2,. . .，Pm}，其中
是第i個主分量在總能量中的能量貢獻率，根據(jù)所述顫 振狀態(tài)信號在所述加速度信號中的能量貢獻率計算其奇異譜滴為
則所 述顫振狀態(tài)信號第i個頻段的奇異譜滴系數(shù)為
55、 對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練和獲得監(jiān)測結(jié)果：將所述顫振狀態(tài)信號的第k個頻段的能 量比系數(shù)Ck和奇異譜滴系數(shù)D(k)組成顫振特征向量[Ck，D(k)]，將所述顫振特征向量作為 訓(xùn)練樣本輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行訓(xùn)練，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出狀態(tài)與加工過程中的實際 狀態(tài)進行對比，一直到錯誤識別率小于2%為止，最終根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值預(yù)測立銳 切削加工過程的狀態(tài)。
2. 如權(quán)利要求1所述的立銳切削顫振的監(jiān)測方法，其特征在于：所述步驟S5中將所述 顫振特征向量[Ck，D〇〇]改成顫振特征向量[Ti，T2]，其中Ti=Ck+Cw，T2=D(k)+D化+1)。
3. 如權(quán)利要求2所述的立銳切削顫振的監(jiān)測方法，其特征在于：所述T1=C4+Cg，T2 = D(4)+D巧）。
4. 如權(quán)利要求1~3任一項所述的立銳切削顫振的監(jiān)測方法，其特征在于：基于粒子 群和局部領(lǐng)域捜索優(yōu)化算法對所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行改進： Al、編碼BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各神經(jīng)元之間的連接權(quán)值，建立一個與所述連接權(quán)值相映射的 粒子空間，所述粒子空間的每個粒子分別對應(yīng)一個所述連接權(quán)值，初始化所述粒子空間； A2、在約束條件下隨機生成粒子群，將所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值的均方差作為所述局 部領(lǐng)域捜索優(yōu)化算法的目標函數(shù)，通過所述局部領(lǐng)域捜索優(yōu)化算法對所述粒子群中粒子進 行迭代計算，優(yōu)化所述連接權(quán)值； A3、將所述連接權(quán)值代入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，計算目標函數(shù)，如果均方差達到了系統(tǒng) 設(shè)定的誤差條件，迭代結(jié)束，否則，繼續(xù)迭代，直到達到最大迭代次數(shù)； A4、迭代結(jié)束，所有所述連接權(quán)值趨于穩(wěn)定，解碼得到的最佳連接權(quán)值組合既生成優(yōu)化 后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種立銑切削顫振的監(jiān)測方法，包括步驟，加速度信號的獲?。和ㄟ^安裝在立式銑床的主軸上的加速度傳感器采集立銑切削過程中的加速度信號表示為X=[x（1）,x（2),…,x(n)]，n表示信號長度，所述加速度信號包括處于不同頻段的穩(wěn)定狀態(tài)信號、過渡狀態(tài)信號和顫振狀態(tài)信號，這種立銑切削顫振的監(jiān)測方法利用加速度信號作為切削顫振的反映信號，基于此信號計算能量比系數(shù)和奇異譜熵系數(shù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，最終獲得顫振的監(jiān)測結(jié)果，與常規(guī)的顫振檢測方法相比它可以更早發(fā)現(xiàn)切削顫振的征兆，在發(fā)生劇烈顫振的前夕實現(xiàn)精確的識別，防止劇烈的振動對工件和機床部件造成了不可挽回的損傷。
【IPC分類】B23Q17-12, G06K9-66
【公開號】CN104786101
【申請?zhí)枴緾N201510213117
【發(fā)明人】王二化
【申請人】常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月29日