专利名称：：一种基于小波分析的磨削加工工况检测系统及其方法
技术领域：
：本发明涉及机械加工领域的一种检测方法，具体说是一种基于小波分析的磨削加工工况检测方法。
背景技术：
：在机械加工中，磨削加工是一种重要的加工方法，而磨削车床是实施这一加工办法的主要工具。随着科技的发展，计算机辅助控制的磨削车床(以下简称数控磨床)逐步得到运用。数控磨床是根据预先设定的计算机指令，按照加工图纸完成工件的加工，大大提高了加工效率和加工精度。但是，目前的数控磨床仍然需要较为熟练的工人操作，并由操作人员来根据工作经验判断刀具和加工工件是否接触，以及刀具(即砂轮)是否钝化、工件是否灼伤或有裂纹等异常状态。由于人为因素的存在，加工效率和质量常常受到影响，并可能造成工件和刀具不必要的损毁。
发明内容本发明所解决的技术问题是为了减少磨削加工中的人为判断因素，提供一种基于小波分析的磨削工况检测系统及该系统的检测方法，其可以对加工工况进行实时判断，保证加工质量，提高加工效率，减少工件和刀具的损毁。一种基于小波分析的磨削工况检测系统，其包括传感器信息采集模块、工况与声发射频段功率的对应表�？楹凸た鲋悄芘卸鲜涑瞿？椋黄渲写衅餍畔⒉杉？椋缮⑸浯衅鞴钩桑⑸浯衅靼沧霸谀ゴ采希⒂牍ぜ偷毒叩慕哟サ悴怀�1米的距离，用于采集加工时的现场声发射信号，再分别将声发射信号传递给工况与声发射频段功率的对应表�？橐约肮た鲋悄芘卸鲜涑瞿？椋还た鲇肷⑸淦刀喂β实亩杂Ρ砟？椋美创娣疟曜脊た鲇肷⑸淦刀伪曜脊β是慷鹊亩杂叵担还た鲋悄芘卸鲜涑瞿？椋糜谌范ǖ鼻凹庸すた�。其根据工况与声发射频段功率强度对应表，对输入的声发射信号进行小波变换分析，获得各频段的功率强度，并和标准工况的声发射信号进行对比拟合，输出磨削工况参数。上述基于小波分析的磨削工况检测系统采用的方法为，硬件部分包括传感器信息采集�？�、工况与声发射频段功率的对应表�？楹凸た鲋悄芘卸鲜涑瞿？椋黄渲写衅餍畔⒉杉？榘ò沧霸谀ゴ布肮ぜ系纳⑸浯衅鳎桓梅椒ǖ牟街栉�1)首先由声发射传感器按照预设的采样频率fs实时采集加工现场的声发射信号。根据理论分析可知，磨削固体声致的发声范围在50KHZ300KHZ，本方法中fs的取值为1MHz。声发射信号序列用Xt向量标记，Xt(I)表示t时刻开始第1个采样点，Xt(i)为第i个采样点，i=1……N，N为采样序列长度；然后传感器信息采集�？榻玹时刻采集到的数据Xt向量传递给工况智能判断输出�？椋�2)工况与声发射频段功率的对应表�？橹猩瓒ㄓ斜曜脊た觯⒃は炔杉曜脊た鏊杂Φ母髦帜ハ骷庸な钡纳⑸湫藕臱st，通过小波变换分析方法获得各频段的标准功率强度Pst，构建标准工况-声发射频段标准功率强度Pst的对应关系表；3)工况智能判断输出�？槎圆街�1)中实时采集的声发射信号Xt进行小波变换分析后，获得当前声发射信号各频段的功率强度Pt；根据Pt和预设的工况与声发射频段功率对应表中的Pst进行匹配，利用RMS算法计算拟合误差值，当拟合误差值小于0.01时，即认定当前工况为该预设工况，相应的Yt(i)设置为1；当拟合误差大于所给定范围时，则进行下一个工况的比较，遍历对应表的前三行仍未寻找到相匹配的工况时，则不进行任何操作。上述步骤2)中标准工况与声发射频段标准功率强度的对应关系采用如下设置步骤；设t时刻的工况为向量Yt，Yt包含四个变量，第一个变量Yt(I)为接触参数，布尔变量类型，当工件和刀具接触时Yt(I)为1，当工件和刀具未接触时Yt(I)为0;第二个变量Yt(2)为灼伤参数，布尔变量类型，当工件灼伤时为1，当工件未灼伤时为0;第三个变量Yt(3)为裂纹参数，布尔变量类型，当工件有裂纹时为1，当工件没有裂纹时为0；第四个元素Yt(4)为刀具钝化系数，整型变量类型，取值在0-100之间，用以反映刀具的钝化程度。试验研究表明，刀具的钝化程度呈线性增加趋势，并和声发射的功率强度呈现性关系，因此可以使用线性增加的钝化系数来反映刀具当前的钝化程度。定义t(l时刻刀具刚修整过，刀具处于锋利状态时的钝化系数为0，即Yto(4)=0时，此时的频段功率强度Pt0=^Ptl(i,j)/m其中i=4;j=1……m，j为频段数刀具在使用过程中逐渐钝化，直至tp时刻达到必须修整，定义此时的钝化系数为100，即Ytp(4)=100时，此时的频段功率强度Ptp二JYA1M,J)Im其中i=5，j=l……m，j为频段值则在其它加工阶段t时刻的钝化系数Yt(3)=(Pt-Pto)/(Ptp-Pto)............式(1)其中pt=VE^OOA，j=1……m，j为频段值t0<t<tp上述步骤2)中的小波变换分析方法具体采用以下步骤21)将输入的声发射信号频段分解为m个频段，分别为f(0)、f(1)……f(m_l)，f(m-1)=fs/2；22)采用的小波分析的系数为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>............式⑵............式⑵其中，a为小波变换的尺度参数，b为小波变换的位移参数，￥ab(t)为小波基函数，·)表示Ψ(·)的共轭，Xst为t时刻声发射信号的采样序列向量，长度为N；则<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式⑶其中i为所述工况与声发射频段功率对应表的行数；i=1时，Pst(1，j)为工件和刀具接触时，声发射信号各频段的功率强度；i=2时，Pst(2，j)为工件发生灼伤时，声发射信号各频段的功率强度；i=3时，Pst(3，j)为工件存在裂纹时，声发射信号各频段的功率强度；i=4时，Pst(4，j)为刀具刚经打磨修整，处于锋利状态，加工过程中声发射信号各频段的功率强度，对应的钝化系数为0；i=5时，Pst(5，j)为刀具已经钝化，需要进行打磨，加工过程中声发射信号各频段的功率强度，对应的钝化系数为100；j为频段值，取值为1……m，m为采样频段的分割段数；23)构造t时刻标准工况与声发射频段标准功率Pst的对应表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表一工况与声发射频段功率的对应表上述步骤3)中的拟合误差值定义^O=J^SgBZ............式⑷............式(4)其中i=1......3；j=1......m在与某一种工况的拟合误差et(i)小于0.01时，即认定当前工况为该预设工况，相应的Yt(i)设置为1；当拟合误差大于所给定范围时，则进行下一个工况的比较，遍历对应表的前三行仍未寻找到相匹配的工况时，则不进行任何操作。以上方法可检测出的磨削工况包括刀具和加工工件是否接触、工件是否灼伤、工件是否存在裂纹等；同时，可根据式(1)可计算出刀具(砂轮)的钝化程度。本发明应用基于小波分析技术检测磨削加工中声发射各频段能量的方法，可以准确地判断出各种磨削工况，能有效地减少人为判断因素，从而提高加工效率和加工质量，并避免工件和刀具不必要的损毁。与现有技术相比，本发明利用小波变换分析技术，可以快速自动判断出工件和刀具的加工状态，从而大大减小了对熟练工人的依赖，提高了加工效率。图1是本发明基于小波分析的磨削加工工况检测方法的简单框图。图2是本发明基于小波分析的磨削加工工况检测方法的工作流程图。具体实施例方式下面结合附图对本发明做更进一步的解释。发明提出了一种基于小波分析的磨削工况检测系统，包括传感器信息采集�？�、工况与声发射频段功率的对应表�？�、工况智能判断输出�？�。如附图1所示。其中所述传感器信息采集模块，用于采集加工时的现场声发射信号。传感器主要由声发射传感器构成，按照预设的采样频率fs实时采集加工现场的声发射信号。声发射信号序列用Xt向量标记，Xt(I)表示t时刻开始第1个采样点，Xt(i)为第i个采样点，i=1……N，N为采样序列长度。所述传感器信息采集�？榻玹时刻采集到的数据Xt向量传递给所述工况与声发射频段功率的对应表模块。所述工况与声发射频段功率的对应表�？椋糜谏瓒ū曜脊た鲇肷⑸淦刀伪曜脊β是慷鹊亩杂叵�。设t时刻的工况为向量Yt，Yt包含四个变量，第一个变量Yt(I)为接触参数，布尔变量类型，当工件和刀具接触时Yt(I)为1，当工件和刀具未接触时Yt(I)为0;第二个变量Yt(2)为灼伤参数，布尔变量类型，当工件灼伤时为1，当工件未灼伤时为0;第三个变量Yt(3)为裂纹参数，布尔变量类型，当工件有裂纹时为1，当工件没有裂纹时为0；第四个元素Yt(4)为刀具钝化系数，整型变量类型，取值在0-100之间，用以反映刀具的钝化程度。在实验条件下，设定标准工况，并预先采集标准工况所对应的各种磨削加工时的声发射信号Xst，本�？槭褂眯〔ū浠环治黾际酰治龈髦止た龅纳⑸湫藕牛竦酶髌刀蔚谋曜脊β是慷萷st。将信号频段分解为m个频段，分别为f(1)、f(2)……f(m)，f(m)=fs/2；本发明中采用的小波分析的系数为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中，a为小波变换的尺度参数，b为小波变换的位移参数，￥ab(t)为小波基函数，·)表示Ψ(·)的共轭，Xst为t时刻声发射信号的采样序列向量，长度为N。则<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式⑶其中i为所述工况与声发射频段功率对应表的行数；i=1时，Pst(1，j)为工件和刀具接触时，声发射信号各频段的功率强度；i=2时，Pst(2，j)为工件发生灼伤时，声发射信号各频段的功率强度；i=3时，Pst(3，j)为工件存在裂纹时，声发射信号各频段的功率强度；i=4时，Pst(4，j)为刀具刚经打磨修整，处于锋利状态，加工过程中声发射信号各频段的功率强度，对应的钝化系数为0；i=5时，Pst(5，j)为刀具已经钝化，需要进行打磨，加工过程中声发射信号各频段的功率强度，对应的钝化系数为100；j为频段值，取值为1……m，m为采样频段的分割段数。构造t时刻标准工况与声发射频段标准功率Pst的对应表，如表一所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表一工况与声发射频段功率的对应表所述工况智能判断输出�？椋糜谌范ǖ鼻凹庸すた觯⑹涑龉た鱿蛄縔t。当磨削加工开始后，在t时刻，所述传感器信息采集�？椴杉殖∩⑸涫菹蛄縳t，所述工况智能判断输出�？槎訶t进行小波变换分析后，获得当前声发射信号各频段的功率强度pt。将Pt和预设的工况与声发射频段功率对应表中的Pst进行匹配，利用RMS算法计算拟合误差值。拟合误差值定义<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>............式(4)............式⑷其中i=1......3；j=1......m在与某一种工况的拟合误差et(i)小于0.01时，即认定当前工况为该预设工况，相应的Yt(i)设置为1。当拟合误差大于所给定范围时，则进行下一个工况的比较，遍历对应表的前三行仍未寻找到相匹配的工况时，则不进行任何操作。实施例本发明实际应用于磨床的数字控制系统，用以实时检测磨削加工工况，结合处理流程图2，描述具体实施步骤如下1.首先构造工况与声发射频段功率的对应表。在实验条件下，将本系统基于小波分析的磨削加工工况检测系统的采样频率fs设置为1MHz，采用序列长度N设置为2000，设置频段数m为20，选择小波基为dblO，分解尺度为20。2.启动磨床的磨削加工，反复将刀具和工件进行接触和脱离接触的操作。3.启动本系统采集刀具和加工工件接触时的声发射信号Xt，采集100组数据Xti；使用小波变换算法式(2)和式(3)计算各个频段的功率强度Pti(1，j)，并求各频段的均值Pt(l，j)。将此均值按照频段填入所述工况与声发射频段功率的对应表的“接触参数”行。4.由操作人员挑选有硬质瑕疵即将灼伤的工件进行磨削加工，在加工过程中采集100组声发射信号Xti；使用小波变换算法式(2)和式(3)计算各个频段的功率强度Pti(2，j)，并求各频段的均值Pt(2，j)。将此均值按照频段填入所述工况与声发射频段功率的对应表的“灼伤参数”行。5.由操作人员挑选有裂纹工件进行磨削加工，在加工过程中采集100组声发射信号Xti；使用小波变换算法式(2)和式(3)计算各个频段的功率强度Pti(3，j)，并求各频段的均值Pt(3，j)。将此均值按照频段填入所述工况与声发射频段功率的对应表的“裂纹参数”行。6.在刀具刚经过打磨，处于锋利状态时，启动磨床的磨削加工，对工件进行加工。在加工过程中采集100组声发射信号Xti；使用小波变换算法式(2)和式(3)计算各个频段的功率强度Pti(4，j)，并求各频段的均值Pt(4，j)。将此均值按照频段填入所述工况与声发射频段功率的对应表的“钝化系数0”行。7.在刀具处于钝化，需要打磨时，启动磨床的磨削加工，对工件进行加工。在加工过程中采集100组声发射信号Xti；使用小波变换算法式(2)和式(3)计算各个频段的功率强度Pti(5，j)，并求各频段的均值Pt(5，j)。将此均值按照频段填入所述工况与声发射频段功率的对应表的“钝化系数参数100”行，得标准工况与声发射频段标准功率的对应表(实值表)，如表二所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表二标准工况与声发射频段标准功率的对应表(实值表)8.在所述工况与声发射频段功率的对应表�？楣菇ㄍ瓿珊螅鞠低臣纯捎τ糜谑导士刂萍觳庀低�。启动磨削加工，在t时刻，本系统所述传感器信息采集�？椴杉庸は殖〉纳⑸湫藕舩t，送入所述工况智能判断输出�？椤Ｋ龉た鲋悄芘卸鲜涑瞿？橛τ眯〔ǚ治鏊惴ㄊ�(2)和式(3)分析Xt，获得声发射各频段的功率强度值Pt。9.本系统将获得的功率强度值Pt与工况与声发射频段功率的对应表二中的预设值使用式(4)进行误差拟合。当拟合误差小于0.01时，即认为当前工况为所设定工况，将工况向量Y中的对应变量置位。当拟合误差大于所给定范围时，将工况向量Y中的对应变量置零，并进行下一个工况的比较，遍历对应表的前三行仍未寻找到设定工况时，则不进行任何操作。10.本系统同时判别Pt是否处于[Ps，Ptp]之间，同时确认当前Yt(O)为1(即当前刀具和工件接触中)时，利用式(1)计算钝化系数。11.经以上步骤，本系统可实时输出工况向量Y，通过查询工况向量Y的对应变量，可以得知当前磨削加工过程中，刀具和加工工件是否接触、刀具(砂轮)的钝化程度、工件是否灼伤或工件是否存在裂纹等信息。磨床的控制系统或操作工人可根据本系统的判断提示进行进一步操作。比如开始计算刀具进给量、更换刀具、更换工件等。其操作不在本发明涵盖范围之内。权利要求一种基于小波分析的磨削工况检测系统，其特征在于包括传感器信息采集�？�、工况与声发射频段功率的对应表�？楹凸た鲋悄芘卸鲜涑瞿？椋黄渲写衅餍畔⒉杉？椋缮⑸浯衅鞴钩桑⑸浯衅靼沧霸谀ゴ采希⒂牍ぜ偷毒叩慕哟サ悴怀�1米的距离，用于采集加工时的现场声发射信号，再分别将声发射信号传递给工况与声发射频段功率的对应表�？橐约肮た鲋悄芘卸鲜涑瞿？椋还た鲇肷⑸淦刀喂β实亩杂Ρ砟？椋美创娣疟曜脊た鲇肷⑸淦刀伪曜脊β是慷鹊亩杂叵担还た鲋悄芘卸鲜涑瞿？椋糜谌范ǖ鼻凹庸すた觯涓莨た鲇肷⑸淦刀喂β是慷榷杂Ρ恚允淙氲纳⑸湫藕藕捅曜脊た龅纳⑸湫藕沤卸员饶夂希涑瞿ハ鞴た霾问�。2.一种基于小波分析的磨削工况检测方法，其特征在于硬件部分包括传感器信息采集模块、工况与声发射频段功率的对应表模块和工况智能判断输出�？椋黄渲写衅餍畔⒉杉？榘ò沧霸谀ゴ采系纳⑸浯衅鳎桓梅椒ǖ牟街栉�1)首先由声发射传感器按照预设的采样频率fs实时采集加工现场的声发射信号，声发射信号序列用Xt向量标记，Xt(I)表示t时刻开始第1个采样点，Xt(i)为第i个采样点，i=1……N，N为采样序列长度；然后传感器信息采集�？榻玹时刻采集到的数据Xt向量传递给工况智能判断输出�？椋�2)工况与声发射频段功率的对应表�？橹猩瓒ㄓ斜曜脊た觯⒃は炔杉曜脊た鏊杂Φ母髦帜ハ骷庸な钡纳⑸湫藕臱st，通过小波变换分析方法获得各频段的标准功率强度Pst，构造标准工况_声发射频段标准功率强度Pst的对应表；3)工况智能判断输出�？槎圆街�1)中实时采集的声发射信号Xt进行小波变换分析后，获得当前声发射信号各频段的功率强度Pt;根据Pt和预设的工况与声发射频段功率对应表中的Pst进行匹配，利用RMS算法计算拟合误差值，在误差值小于0.01时，认定当前工况和标准磨削工况匹配，输出此磨削工况。3.根据权利要求2所述的基于小波分析的磨削工况检测方法，其特征在于步骤1)中的fs的取值为IMHz。4.根据权利要求2或3所述的基于小波分析的磨削工况检测方法，其特征在于步骤2)中标准工况与声发射频段标准功率强度的对应关系采用如下设置步骤设t时刻的工况为向量Yt，Yt包含四个变量，第一个变量Yt(I)为接触参数，布尔变量类型，当工件和刀具接触时Yt(1)为1，当工件和刀具未接触时Yt(1)为0；第二个变量Yt(2)为灼伤参数，布尔变量类型，当工件灼伤时为1，当工件未灼伤时为0;第三个变量Yt(3)为裂纹参数，布尔变量类型，当工件有裂纹时为1，当工件没有裂纹时为0；第四个元素Yt(4)为刀具钝化系数，整型变量类型，取值在0-100之间，用以反映刀具的钝化程度。5.根据权利要求4所述的基于小波分析的磨削工况检测方法，其特征在于使用线性增加的钝化系数来反映刀具当前的钝化程度，具体为定义、时刻刀具刚修整过，刀具处于锋利状态时的钝化系数为0，即Yttl(4)=0时，此时的频段功率强度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中i=4;j=l……m，j为频段数；刀具在使用过程中逐渐钝化，直至tp时刻达到必须修整，定义此时的钝化系数为100，即Ytp(4)=100时，此时的频段功率强度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中i=5，j=l……m，j为频段值；则在其它加工阶段t时刻的钝化系数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>............式(1)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>6.根据权利要求2或3所述的基于小波分析的磨削工况检测方法，其特征在于步骤2)中的小波变换分析方法具体采用以下步骤21)将输入的声发射信号频段分解为m个频段，分别为f(l)、f(2)……f(m-l)，f(m)=fs/2;22)采用的小波分析的系数为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>............式(2)其中，a为小波变换的尺度参数，b为小波变换的位移参数，Vab(t)为小波基函数，·)表示Ψ(·)的共轭，Xst为t时刻声发射信号的采样序列向量，长度为N；则<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>m............式⑶其中i为所述工况与声发射频段功率对应表的行数；i=1时，Pst(1,j)为工件和刀具接触时，声发射信号各频段的功率强度；i=2时，Pst(2，j)为工件发生灼伤时，声发射信号各频段的功率强度；i=3时，Pst(3，j)为工件存在裂纹时，声发射信号各频段的功率强度；i=4时，Pst(4，j)为刀具刚经打磨修整，处于锋利状态，加工过程中声发射信号各频段的功率强度，对应的钝化系数为0；i=5时，Pst(5，j)为刀具已经钝化，需要进行打磨，加工过程中声发射信号各频段的功率强度，对应的钝化系数为100；j为频段值，取值为1……m，m为采样频段的分割段数；23)构造t时刻标准工况与声发射频段标准功率Pst的对应表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>表一工况与声发射频段功率的对应表7.根据权利要求2或3所述的基于小波分析的磨削工况检测方法，其特征在于步骤3)中的拟合误差值定义为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式⑷其中i=1……3；j=1……m。在与某一种工况的拟合误差et(i)小于0.01时，即认定当前工况为该预设工况，相应的Yt(i)设置为1；当拟合误差大于所给定范围时，则进行下一个工况的比较，遍历对应表的前三行仍未寻找到相匹配的工况时，则不进行任何操作。全文摘要本发明公开了一种基于小波分析的磨削加工工况检测系统及其方法，系统包括传感器信息采集�？�、工况与声发射频段功率的对应表�？楹凸た鲋悄芘卸鲜涑瞿？椤Ｉ⑸浯衅靼沧霸谀ゴ采希直鸾⑸湫藕糯莞た鲇肷⑸淦刀喂β实亩杂Ρ砟？橐约肮た鲋悄芘卸鲜涑瞿？椋还た鲇肷⑸淦刀喂β实亩杂Ρ砟？橥ü〔ū浠环治龇椒ɑ竦酶髌刀蔚谋曜脊β是慷龋乖毂曜脊た�-声发射频段标准功率强度Pst的对应表；工况智能判断输出�？槎陨⑸湫藕沤行〔ū浠环治觯竦玫鼻肮β是慷龋隤st进行匹配，计算拟合误差值，认定并输出当前磨削工况。文档编号G01N3/58GK101819119SQ20101013214公开日2010年9月1日申请日期2010年3月25日优先权日2010年3月25日发明者刘翔雄,徐水竹,杨京,程建春申请人:南京大学;昆山华辰机器制造有限公司
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