本發(fā)明屬于機(jī)床裝備結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，具體涉及一種基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、在機(jī)床主動(dòng)抑振技術(shù)中，刀具振動(dòng)響應(yīng)的精準(zhǔn)獲取是實(shí)現(xiàn)有效抑振的核心前提。主動(dòng)抑振依賴對(duì)刀具振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)把握：它需要先捕捉到刀具振動(dòng)的幅值、頻率、相位等動(dòng)態(tài)特征，再將這些信息傳遞給控制器，由控制器結(jié)合當(dāng)前的加工工況，動(dòng)態(tài)調(diào)整抑振策略。若數(shù)據(jù)偏差較大，控制器可能誤判振動(dòng)強(qiáng)度，導(dǎo)致抑振力度不足，無法有效抑制有害振動(dòng)；若數(shù)據(jù)傳遞存在延遲，作動(dòng)器的調(diào)控動(dòng)作會(huì)與實(shí)際振動(dòng)“不同步”，不僅起不到抑振作用，甚至可能因共振效應(yīng)引發(fā)更嚴(yán)重的顫振。而顫振的發(fā)生，會(huì)直接加劇刀具的磨損，使其使用壽命大幅縮短，同時(shí)還會(huì)在工件表面留下明顯的振紋，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量顯著劣化，影響產(chǎn)品的外觀與性能。尤其在精密加工場(chǎng)景中，對(duì)刀具振動(dòng)的控制要求更為嚴(yán)苛。這類加工往往追求極高的零件精度，哪怕是刀具微小的振動(dòng)誤差，都可能影響零件各部件之間的配合精度，導(dǎo)致裝配后產(chǎn)品無法達(dá)到設(shè)計(jì)的使用效果，甚至直接造成零件報(bào)廢。因此，刀具振動(dòng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，不僅是衡量主動(dòng)抑振系統(tǒng)性能的核心標(biāo)準(zhǔn)，更是決定主動(dòng)抑振技術(shù)能否真正在工程實(shí)踐中發(fā)揮價(jià)值、解決精密加工振動(dòng)難題的關(guān)鍵所在。
2、當(dāng)前主流的響應(yīng)重構(gòu)方法都存在明顯局限：?jiǎn)我粋鞲衅髦苯訙y(cè)量法，如刀柄集成加速度計(jì)，受安裝空間限制，且易受切削液、電磁干擾影響，信號(hào)信噪比低；基于變分模態(tài)分解的響應(yīng)重構(gòu)方法，過分依賴模態(tài)分量數(shù)量與懲罰因子的預(yù)設(shè)，自適應(yīng)能力不足，實(shí)時(shí)性較差，難以適配動(dòng)態(tài)工況，且抗噪性能有限。因此研究一種能夠幫助實(shí)時(shí)獲取刀具振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的方法是必要的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法及系統(tǒng)，基于狀態(tài)空間方程與實(shí)時(shí)獲取的響應(yīng)和負(fù)載信號(hào)，實(shí)時(shí)對(duì)刀具點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行重構(gòu)，具有較強(qiáng)的普適性。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法，包括以下步驟：
3、s1、在機(jī)床的機(jī)架上設(shè)置若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，在刀具上設(shè)置一個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)處均布設(shè)傳感器，然后對(duì)激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行錘擊，根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)及機(jī)床的模態(tài)參數(shù)得到各測(cè)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)等效的質(zhì)量、阻尼和剛度；
4、s2、根據(jù)所述質(zhì)量、阻尼和剛度構(gòu)建機(jī)床結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間方程；
5、s3、去除所述激勵(lì)點(diǎn)處的傳感器，使刀具開始加工實(shí)驗(yàn)，通過所述測(cè)點(diǎn)的傳感器實(shí)時(shí)獲取加工過程的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；
6、s4、根據(jù)刀具加工過程中的輸出參數(shù)，計(jì)算刀具的負(fù)載；
7、s5、根據(jù)步驟s3獲取的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)和步驟s4得到的負(fù)載，結(jié)合步驟s2構(gòu)建的狀態(tài)空間方程實(shí)時(shí)對(duì)刀具的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，完成對(duì)刀具振動(dòng)的孿生。
8、進(jìn)一步的，所述狀態(tài)空間方程的構(gòu)建包括：將機(jī)床的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)換為一階微分方程，然后將其離散為時(shí)間離散格式，得到如下狀態(tài)空間方程：
9、（1）
10、（2）
11、其中，、分別表示與時(shí)刻的結(jié)構(gòu)狀態(tài)向量，表示采樣時(shí)間間隔，為時(shí)刻的外激勵(lì)，a為狀態(tài)傳遞矩陣，b為激勵(lì)影響矩陣，h為觀測(cè)矩陣，d為激勵(lì)影響矩陣，為時(shí)刻的測(cè)量向量。
12、進(jìn)一步的，所述機(jī)床的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程為：
13、（3）
14、其中，m、c、k分別為步驟s1中獲取的質(zhì)量、阻尼、剛度所構(gòu)成的矩陣，大小為，n等于測(cè)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)總數(shù)，分別表示位移、速度、加速度信號(hào)，向量的長(zhǎng)度為n，是結(jié)構(gòu)所受的外激勵(lì)向量，長(zhǎng)度為s，是激勵(lì)的影響矩陣，大小為，將機(jī)床的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)換為一階微分方程后如下所示：
15、（4）
16、（5）
17、，為求導(dǎo)，為測(cè)量向量，i為n階單位矩陣；
18、所述狀態(tài)空間方程中的a、b分別表示為：，。
19、進(jìn)一步的，步驟s5中，對(duì)所述刀具的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)具體包括：根據(jù)步驟s3獲取的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，基于卡爾曼濾波將步驟s2的狀態(tài)空間方程重寫為如下所示的狀態(tài)傳遞方程和觀測(cè)方程：
20、（6）
21、（7）
22、、分別為誤差噪聲和測(cè)量噪聲，為步驟s3中傳感器測(cè)得的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)所構(gòu)成的矩陣，是基于實(shí)際測(cè)點(diǎn)位置從原始矩陣h和d中抽取對(duì)應(yīng)行所構(gòu)建的觀測(cè)子矩陣和激勵(lì)子矩陣；
23、然后基于所述狀態(tài)傳遞方程和觀測(cè)方程以及卡爾曼增益，進(jìn)行預(yù)測(cè)和修正得到時(shí)刻的后驗(yàn)估計(jì)狀態(tài)向量，最后代入所述狀態(tài)空間方程中的公式（2），得到重構(gòu)的刀具振動(dòng)響應(yīng)方程。
24、進(jìn)一步的，所述時(shí)刻的后驗(yàn)估計(jì)狀態(tài)向量如下所示：
25、
26、為卡爾曼增益，為第時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)，。
27、進(jìn)一步的，所述重構(gòu)的刀具振動(dòng)響應(yīng)方程為：
28、
29、其中，為重構(gòu)的刀具振動(dòng)響應(yīng)值，為步驟s4中得到的負(fù)載，是基于重構(gòu)點(diǎn)位置從原始矩陣h和d中抽取對(duì)應(yīng)行所構(gòu)建的觀測(cè)子矩陣和激勵(lì)子矩陣。
30、進(jìn)一步的，步驟s4中，所述輸出參數(shù)包括刀具的功率、轉(zhuǎn)速、機(jī)床傳動(dòng)效率和切削直徑，所述刀具的負(fù)載的計(jì)算公式如下所示：
31、。
32、進(jìn)一步的，步驟s1中，所述傳感器包括速度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器中的一種或多種，所述傳感器為磁吸式傳感器。
33、本發(fā)明還提供一種基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生系統(tǒng)，包括：
34、狀態(tài)空間方程構(gòu)建模塊，用于在機(jī)床的機(jī)架上設(shè)置若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，在刀具上設(shè)置一個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)處均布設(shè)傳感器，然后對(duì)激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行錘擊，根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)及機(jī)床的模態(tài)參數(shù)得到各測(cè)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)等效的質(zhì)量、阻尼和剛度；根據(jù)所述質(zhì)量、阻尼和剛度構(gòu)建機(jī)床結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間方程；
35、振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)采集模塊，用于使刀具開始加工實(shí)驗(yàn)，通過所述測(cè)點(diǎn)的傳感器實(shí)時(shí)獲取加工過程的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；
36、振動(dòng)信號(hào)重構(gòu)模塊，根據(jù)獲取的加工過程的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)和刀具的負(fù)載，結(jié)合所述狀態(tài)空間方程實(shí)時(shí)對(duì)刀具的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，完成對(duì)刀具振動(dòng)的孿生。
37、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
38、1、本發(fā)明提供的一種基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法，通過對(duì)刀具進(jìn)行預(yù)先激勵(lì)采集振動(dòng)信號(hào)來構(gòu)建狀態(tài)空間方程，然后在加工過程中，基于構(gòu)建的狀態(tài)空間方程和卡爾曼濾波，即可通過其他測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)和刀具負(fù)載重構(gòu)得到刀具點(diǎn)的響應(yīng)，解決了加工過程中刀具振動(dòng)響應(yīng)難以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取的難題。
39、2、本發(fā)明采用磁吸式、小體積振動(dòng)傳感器，不會(huì)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲取刀具的振動(dòng)響應(yīng)，適配任何類型機(jī)床，并且布置方案可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的普適性。
1.一種基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法，其特征在于，所述狀態(tài)空間方程的構(gòu)建包括：將機(jī)床的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)換為一階微分方程，然后將其離散為時(shí)間離散格式，得到如下狀態(tài)空間方程：
3.?根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法，其特征在于，所述機(jī)床的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程為：
4.?根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法，其特征在于，步驟s5中，對(duì)所述刀具的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)具體包括：根據(jù)步驟s3獲取的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，基于卡爾曼濾波將步驟s2的狀態(tài)空間方程重寫為如下所示的狀態(tài)傳遞方程和觀測(cè)方程：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法，其特征在于，所述時(shí)刻的后驗(yàn)估計(jì)狀態(tài)向量如下所示：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法，其特征在于，所述重構(gòu)的刀具振動(dòng)響應(yīng)方程為：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法，其特征在于，步驟s4中，所述輸出參數(shù)包括刀具的功率、轉(zhuǎn)速、機(jī)床傳動(dòng)效率和切削直徑，所述刀具的負(fù)載的計(jì)算公式如下所示：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生方法，其特征在于，步驟s1中，所述傳感器包括速度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器中的一種或多種，所述傳感器為磁吸式傳感器。
9.一種基于多數(shù)據(jù)融合的刀具振動(dòng)孿生系統(tǒng)，其特征在于，包括：