1、分类号： 密级： UDC ： 编号： 学 位 论 文 基于多传感器数据融合技术的高速数控加工中心集成监控方法及应用研究 指导教师姓名： 申请学位级别： 硕 士 论文提交日期： 学科、专业名称： 仪器科学与技术 论文答辩日期： 学位授予单位： 河北工业大学 答辩委员会主席： 评 阅 人： 基于多传感器数据融合技术的高速数控加工中心集成监控方法及应 用研究 摘 要 高速数控加工中心是国民经济支撑行业普遍应用的关键设备，为保障生产安全，实现 加工效能，提高产品质量，保证生产安全，拓展装备工艺，提出一种混合型高速 CNC 加工 中心集成监控方法，采用多传感器数据融合技术，实现柔性化工艺系统及工作过程的
2、在线 监控。 针对高速数控加工中心的结构和工作特点，构建面向物理样机的多传感器监控系统及 虚拟测试系统，给出多传感器特征筛选及数据融合方法及应用技术。 给出了基于 ANSYS Workbench 的离线特征筛选和清洗方法，比较精准的确定传感器安 装位置，整理得到传感器特征数据库。解决了基于 LabviewMatlab 的在线数据快速处理 及监控信息表征问题，结合神经网络模型，从影响加工条件的高速加工中心的动静态及热 态性能的传感器信号入手，完成集信号采集、信号处理、监控于一体的监控系统，从而实 现了高速数控 加工中心集成监控探索了一条新路。 关键词： 高速数控加工中心，集成监控，多传感器数据融
3、合 i BASED ON MULTI-SENSOR DATA FUSION TECHNOLOGY HIGH SPEED NC MACHINING CENTER INTEGRATED MONITORING METHOD AND APPLICATION RESEARCH ABSTRACT High speed CNC machining center is a national economy to support the industry universal application of key equipment, to ensure production safety, realize th
4、e processing efficiency, improve product quality, ensure safety in production, development of equipment technology, this paper presents a hybrid type high-speed CNC machining center integrated monitoring method, based on multi-sensor data fusion technology, to realize the flexible process system and
5、 working process on line monitoring system. High speed CNC machining center s structure and working characteristic, construction of the physical prototype of multi sensor monitoring system and virtual test system, gives the multi sensor feature selection and data fusion method and application techno
6、logy. Based on ANSYS Workbench offline feature selection and cleaning method, a more accurate to determine the sensor position, finishing get sensor characteristic database. Solution based on Labview - Matlab online data quick processing and monitoring information representation problem, combined wi
7、th the neural network model, the effects of processing conditions on the high speed machining center of static and dynamic and thermal performance of the sensor signal to start, complete set of signal acquisition, signal processing, control of integrated monitoring system, thereby realizing high spe
8、ed CNC machining center integrated monitoring to explore a new way. KEY WORDS： High speed CNC machining center, Integrated monitoring, Multi sensor data fusion ii 目 录 摘 要 . i ABSTRACT . ii 目 录 . iii 符号说明 . v 第一章 绪论 . 1 1 -1 课题的研究背景及意义 . 1 1 -2 国内外相关技术研究进展 . 2 1-2-1 高速切削加工过程监控研究现状 . 2 1-2-2 多传感数据融合技术
9、在系统监控中的应用现状 . 3 1 -3 课题的主要研究内容 . 4 第二章 高速数控加工制造的复杂工况及传感器搭建 . 6 2 -1 高速数控加工中心的特点 . 6 2 -1 高速数控加工系统的工况分析 . 6 2 -2 高速数控加工集成监控的基本结构 . 7 2 -3 传感器系统搭建 . 10 2-3-1 监控系统传感器的选用原则 . 10 2-3-2 基于 ANSYS-Workbench 有限元分析方法的传感器位置确定 . 10 2 -4 本章小结 . 13 第三章 高速数控加工中心集成监控系统信号特征提取技术 . 14 3 -1 监测信号分析基础 . 14 3-1-1 信号时域分析方法
10、 . 14 3-1-2 信号的频域分析方法 . 15 3-1-3 信号的频域分析方法 . 16 3 -2 监测信号特征提取实例分析 . 25 3-2-1 振动信号特征提取 . 25 3-2-2 功率信号特征提取 . 32 3-2-3 特征信息归一化处理 . 35 3 -3 本章小结 . 35 第四章 基于多传感器数据融合技术的高速数控加工中心集成监控研究 . 35 4 -1 集成监控系统的设计思想 . 35 4 -2 集成监控系统的实现方案 . 36 4 -3 基于不同融合算法的集成监控方法 . 39 4-3-1 基于 BP 神经网络集成监控实现方法 . 39 4-3-2 基于 RBF 神经网
11、络集成监控实现方法 . 45 iii 4-3-3 基于模糊综合决策模型的集成监控实现方法 . 46 4 -4 本章小结 . 53 第五章 基于多传感器数据融合技术的高速数控加工中心集成监控应用实例54 5 -1 基于 Labview 软件平台的高速数控加工中心集成监控系统 . 54 5-1-1 高速数控加工中心集成监控系统软件平台介绍 . 54 5-1-2 高速数控加工中心集成监控系统启动模块 . 55 5-1-3 高速数控加工中心集成监控系统参数设置模块 . 57 5-1-4 高速数控加工中心集成监控系统监测功能模块 . 58 5 -2 本章小结 . 61 第六章 结论与展望 . 62 6
12、-1 主要工作内容及研究结论 . 62 6 -2 下一步工作展望 . 63 参考文献 . 64 致谢 . 67 iv 符号说明 缩写词： CNCComputer Numerical Control，计算机数字控制。 PLCProgrammable Logic Controller,可编程逻辑控制器。 NCNetwork computer，网络计算机。 BPBack-Progagation，误差反向传播。 RBFRadical Basis Function,径向基函数。 AEAcoustic Emission，声发射。 STFTShort Time Fourier Transform，短时傅立叶
13、变换。 MRAMulti-resolution Analysis，多分辨率分析。 LABVIEWLaboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，虚拟仪器。 MATLABMatrix Laboratory，矩阵实验室。 v 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 -1 课题的研究背景及意义 在现代经济发展热潮中，机械制造业是国民经济持续发展的基础，是工业现代化建设、生产高速自动化的发动机和动力源。随着现代科学技术迅猛快速的发展，机械制造业的竞争趋势也与日俱增，产品加工周期日渐缩短，低成本、高效率、高质量已经变成现代企业提高利润、抢占市场
14、的重要方式。由于高速加工技术拥有可以大力提高生产效率、提高成产效率，从而降低生产成本，增强市场竞争力的优势。所以，在机械制造行业对高速加工中心的需求也与日俱增。 高速切削加工技术得到重用失载飞机制造业，飞机上很多重要部件是由一个完整的铝合金铣削完成的，这样做避 免了解封，同时增加了零件的强度和抗震能力。但是一般的铣削加工有生产效率低、生产成本高的缺点。与普通的切削加工相比，高速切削加工有效的提高了成产率，成为最优技术。在其他的行业，如国防工业、汽车、电子产品、家用电器等机械制造业需要的绝大部分的模具制造中，生产周期也直接影响产品的更新换代的速度和在市场中的竞争力的强弱。在这些领域引进高速切削加
15、工技术，满足了缩短模具生产周期的要求，加快产品的更新换代。在汽车行业中，汽车发动机和传动部件的铝合金和铸铁的整体与零件的加工也大力应用高速切削加工技术。近年来，数控高速加工技 术已广泛应用在航空航天、模具制造、轻工电子、汽车和摩托车和其它产品制造中，并且获得了特别大的经济效益和高度的社会影响力。 由于数控加工中心在生产过程中是在高速加工机床的密封工作间中进行的，在加工生产零件时，操作人员不能直观的观看、控制、操作。因此，对在机床加工过程中的加工状态、机床的运行状态以及刀具的工作状态（磨损程度、崩刃等）实时监控是非常必要的。对数控高速加工的实时在线监控有利于提高加工零件的生产效率和生产质量，延长
16、机床的使用时间，有利于保证操作人员的人身安全和设备安全 1。 数控机床的工况监控 技术是通过对数控机床及其工作过程的信息检测、分析与辨识来判断数控机床 及其加工过程的状态，进一步找出故障的具体部位和原因，预测故障的发展和潜在危险 2。数控机床监 控不但是对预防加工事故，保障操作人员安全和维护设备安全，同时可以加快数控设备维修制度的改变， 可以防止诸如由于失修引起的故障，还可以避免过度的修理造成的浪费。数控机床监控最后要达到防止 事故，特别是重大故障的生成，保护机床各个部分的使用寿命，使维修周期延长，降低修理的维修费， 同时提高修理的质量和速度，提升加工效率，获得最优的经济效益。 1 基于多传感
17、器数据融合技术的高速数控加工中心集成监控方法及应用研究 1 -2 国内外相关技术研究进展 1-2-1 高速切削加工过程监控研究现状 在高速加工过程中，监控的目标是通过采集反应加工状态的不正常的信号来识别加工状态，已达到 保障加工过程的正常进行。优质的监控过程能够帮助生产车间的工作同志能够第一时间的认知机床的加 工状态，第一时间的识别加工状态，同时第一时间采用弥补故障的措施，保障生产机床降低停车的次数，增加机床生产中的安全性，尽可能的降低加工中的成本。所以，在加工制造行业中，早在本世纪 40 年 代对监控的要求就已经十分迫切了。 第一高速切削加工理论的提出上，自从 20 世纪 30 年代 Sal
18、omon 理论提出后，直到 50 年代后期， 高速切削加工理论基础的研究开始在世界范围内展开。美国、日本、法国、苏联、英国、和澳大利亚等 进行了研究，其中以美国最多。由于当时没有高速加工机床，不能进行很高速度的切削 加工试验，于是 采用了弹射实验方法。美国洛克希德飞机公司在 1958 年 -1960 年间进行了高速切削加工的切削力、切 削温度、刀具磨损、切削振动以及切屑形成机理等的实验研究 3,4。研究表明：如果使用的刀具材料能 承受被加工工件熔点温度，就够实现高速切削，同时提高切削速度有助于改善表面加工质量。法国机床研究中心、法国机械研究中心以及 Forest-Line 公司于 1964 年
19、对钢和铸铁进行了数控高速切削加工试验， 试验结果证明对铸铁进行数控高速切削加工是可行的，而数控高速切削加工钢件很困难，这是由于当时 的刀具材料不适合于高速切削钢件。 第二从高速切削的应用上看，从 20 世纪 90 年代，各工业发达国家陆续进行高速切削加工技术开 发和应用的研究，特别是对高速切削机床和刀具技术的研究、开发。同时与之相关的技术也得到快速发 展，进一步提高了进给技术。 1993 年直线电机的出现实现了高速进给。缩短了快速换刀时间，完善了 装卸工件结构，在国际市场上不断涌现新型电主轴高速切削加工中心 5。高速切削刀具的材料 、结构和 可靠的刀具与主轴连接的刀柄材料出现与使用，标志着高速
20、切削加工技术已从理论研究进入工业应用阶 段。高速切削加工技术的发展促进了机床高速化，大大推动了现代数控加工技术的发展。 1999 年美国 国家科学基金会设计与制造学科学资助者会议上，高速切削加工技术被列入重要会议议题。 我国从 20 世纪 80 年代初期开始研究高速切削加工技术，起步较晚。山东大学切削加工研究组对陶 瓷刀具材料、陶瓷刀具高速硬切削（车和端铣）的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量 和刀具 几何形状等进行了比较系统地研究 6。北京理工大学进行了高速切削的刀具寿命与切削力的研究 7，沈阳工业学院和重庆大学进行了高速切削机理的研究 8，天津大学和大连理工大学进行了高速硬切 削机理的研究 9，广东工业大学进行了高速主轴系统和快速进给系统的研究 10，东北大学进行了高速磨 削技术的研究 11。尽管我国高速切削加工技术研究还有待全面深入，但通过我国科技工作车的艰苦努 力，高速切削加工和高速切削加工机床的基础理论研究取得了令人鼓舞的成就，对促进我国高速切削加 工技术的发展起到了重大作用。 第三从工况监测方面看，状态监测是 20 世纪 60 年代初由于航天、军工的需要而发展起来的，最 早开展这方面工作的是美国、英国、瑞典、挪威等国家，在 70 年代初，日本也着手这方面的研究，我 2
