复杂度与相关系数的铣削颤振检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于C0复杂度与相关系数的铣削颤振检测方法，通过振动加速度传感器获取铣削过程的状态信息；利用梳状滤波器对所获得的信号进行预处理，滤除周期性成分；再利用C0复杂度指标计算剩余信号的复杂度，反映颤振的非线性程度；然后计算原始信号与滤波后信号的相关系数，反映信号中颤振成分的比重，刻画加工过程中的颤振程度。该方法相比于传统的颤振检测方法，把反映颤振的特征信息和与颤振无关的特征信息分离开来，融合多种指标从本质上表征铣削颤振的物理特性，有效提高颤振检测的敏感性、精确性和可靠性，降低误诊率和漏诊率。
【专利说明】一种基于C。复杂度与相关系数的铣削颤振检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机械加工状态监测技术，特别涉及一种高速铣床铣削颤振的检测 方法。
【背景技术】
[0002] 铣削技术具有高生产效率、高加工精度和低加工成本等优势，广泛应用于航空、航 天、模具、汽车等制造业领域。发挥先进制造技术的优势，很大程度上取决于对铣削加工过 程中异常振动现象（如切削颤振）进行预报与控制的能力。铣削过程中，由于加工参数选 择不合理，常使得刀具与工件之间产生剧烈的振动，导致颤振的发生。颤振是金属切削过程 中刀具与工件之间强烈的自激振动，颤振的发生不仅使工件表面质量和尺寸精度降低，还 会造成机床零件过早疲劳破坏，使零件的安全性、可靠性和强度下降，缩短刀具寿命，同时 颤振产生的噪声能刺激操作工人，降低工作效率。如何合理、准确地监测高速铣床铣削状 态，避免颤振的发生，从而保证加工精度和加工效率是本发明所要解决的核心问题之一。
[0003] 国内外对铣削颤振状态检测的研究非常重视，意大利的E. Kul janic等 (Kuljanic,E. , M. Sortino and G.Totis,Multisensor approaches for chatter detection in milling. Journal of Sound and Vibration, 2008. 312(4):672-693.)基 于振动加速度信号的自相关系数检测信号中周期成分的强度，从而判断颤振状态；芬兰的 Katja M. Hynynen 等（Hynynen, K. M.，et al. , Chatter Detection in Turning Processes Using Coherence of Acceleration and Audio Signals. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2014)基于加工过程中加速度信号与声音信号的相干函数检测 颤振。哈尔滨理工大学的吴石等（吴石，刘献礼与肖飞，铣削颤振过程中的振动非线性特 征试验.振动测试与诊断，2012,（06),935-940)基于分形维数、最大Lyapunov指数、近似 熵等非线性指标检测颤振的非线性特性。申请号为201310113873. 9的中国发明专利公开 了一种基于最大信息熵与方向散度的磨削颤振预测方法，其特点在于通过最大信息熵原理 对振动信号的概率密度分布进行精确估计，然后以初始正常状态的概率密度分布为基准， 通过方向散度的变化对当前加工状态进行判定。申请号为201410035719. 9的中国发明专 利公开了一种机械加工设备的颤振在线监测方法，其特点在于对振动信号进行HHT时频分 析，通过对时频谱进行统计模式分析得到特征参数判定系统的振动状态。
[0004] 从现有检索文献发现，目前常用的颤振检测方法普遍缺乏合理有效的前期预处 理，未能把颤振成分和与颤振无关的成分分离开，颤振指标的提取也多是基于简单的统计 模式参数。使用传统的颤振检测方法检测颤振存在以下两方面问题：1)传统的颤振检测指 标的建立不是完全基于反映颤振的信号成分，因而会受与颤振无关的成分影响，同时建立 的指标多为有量纲指标，对工况变化敏感；2)现有的非线性指标如排列熵、近似熵、李雅普 诺指数等需要对信号进行相空间重构，计算耗时且鲁棒性较差，另外相空间重构时嵌入维 数的选择对结果影响很大。
[0005] Ctl复杂度作为一种优秀的非线性指标，计算量小且鲁棒性优良，已应用于脑 电信号（沈恩华.脑电的复杂度分析[D].复旦大学，2005)和交通流系统的复杂性分 析（张勇，关伟.基于联合熵和Q1复杂度的交通流复杂性测度[J].计算机工程与应 用，2010, 15:22-24:33)中。在颤振演化过程中信号的组成成分会发生明显变化，同时颤振 的非线性特性也将会发生变化。本发明将其首次引入到颤振的非线性检测中，通过分析铣 削过程中信号成分的构成以及非线性程度，进而构造颤振指标，为铣削颤振的检测提供了 新的途径。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于Ctl复杂度与相关系数的铣削颤振检测方法。
[0007] 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
[0008] -种基于Ctl复杂度与相关系数的铣削颤振检测方法，其特征在于，包含下述步 骤：
[0009] (1)采集信号
[0010] 通过安装在高速主轴端的振动加速度传感器采集铣削过程中的状态信息，获得的 颤振加速度信号表示为X = [X (I)，X (2)，…，X (η) ]，η表示信号长度；
[0011] (2)对信号进行梳状滤波
[0012] 通过梳状滤波器滤除信号中的转频、铣削频率及其谐波成分，保留颤振信号所在 成分，从而把反映颤振的特征信息和与颤振无关的特征信息分离开来，其中，梳状滤波器的 传递函数为：
[0013]
【权利要求】
1. 一种基于Q1复杂度与相关系数的铣削颤振检测方法，其特征在于，包含下述步骤： (1) 采集信号 通过安装在高速主轴端的振动加速度传感器采集铣削过程中的状态信息，获得的颤振 加速度信号表示为X = [X (I)，X (2)，…，X (η) ]，η表示信号长度； (2) 对信号进行梳状滤波 通过梳状滤波器滤除信号中的转频、铣削频率及其谐波成分，保留颤振信号所在成分， 从而把反映颤振的特征信息和与颤振无关的特征信息分离开来，其中，梳状滤波器的传递 函数为：
_其中N为滤波器阶次，为整数
* fs为采样频率，f。为要滤除 的频率
Ω为主轴转速，a为O?1的常数； (3) Cci复杂度指标计算 对经过梳状滤波后的加速度信号进行Q1复杂度计算，Ctl复杂度指标为：
将该指标作为颤振程度指标，反映颤振的非线性程度，Q1复杂度指标的变化范围为 [〇, 1]； (4) 相关系数指标计算 计算梳状滤波后加速度信号Y = [y(l)，y(2)，···，y(η)]与原始加速度信号X = [χ(1)，χ(2)，…，χ(η)]的相关系数：
其中
η为信号长度； 将该指标作为颤振程度指标，以定量反映原始信号中颤振成分的比重，相关系数指标 的变化范围为[-1，1]，反映两个变量的相关程度； (5) 颤振状态的判定 a、 平稳铣削时，加速度信号中主要成分为转频、铣削频率及其谐波，经过梳状滤波滤除 这些成分的信号主要成分为噪声，计算得到的Q 1复杂度的值接近于1，相关系数接近于0 ; b、 颤振时，加速度信号的主要成分为颤振成分，经过梳状滤波后的信号主要成分也为 颤振成分，计算得到的Q1复杂度的值接近于0,相关系数接近于1。
【文档编号】B23Q17/12GK104390697SQ201410620569
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】曹宏瑞, 周凯, 訾艳阳, 陈雪峰, 成玮, 张兴武 申请人:西安交通大学