刀具声发射信号混沌特征提取及趋势分析

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1、2010年8月沈阳航空工业学院学报Aug．2010第27卷第4期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEnslneefingV01．27No．4文章编号：1007—1385(20LO)04—0074—05刀具声发射信号混沌特征提取及趋势分析韩文兰席剑辉(沈阳航空航天大学自动化学院。辽宁沈阳I10136)摘要：旨在建立一种基于多混沌特征演化分析的刀具磨损状态监测方法，通过计算刀具声发射信号的混沌特性参数分析其磨损趋势。建立首先基于混沌理论分析和描述刀具不同磨损阶段声发射

2、信号的混沌特性，包括：定性描述，即重构相空间的奇异吸引子轨迹和庞加莱截面；定量描述，计算不同时间段声发射信号的关联维数、最大Lyapunov指数等。其次，采用最小二乘回归方法对所计算的混沌参数进行趋势分析。结果表明，声发射信号具有混沌特性，而且关联维数和最大Lyapunov指数演化趋势与刀具的磨损状态具有一定的关联，从而为刀具磨损状态的在线监测和预测提供了新思路。关键词：声发射；混沌特性；相空间重构；刀具磨损中图分类号：TP206+．3文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1007—1385．2

3、010．04．018切削加工是机械加工中的一种重要方式，为提高机械加工业的自动化程度，提高产品质量和生产效率，迫切要求对刀具突发性损伤及磨损度进行可靠的在线实时监测。采集刀具切削过程的声发射(AE)信号，利用它所携带的刀具运行状态信息进行磨损状态模式识别是对刀具状态监测的常用方法。近年来神经网络⋯、小波旧。31等方法在一定条件下都取得了较好的识别效果。然而不论使用何种监测方法，都需要从AE信号中提取对刀具磨损度敏感的特征量作为依据。但是由于刀具切削过程中一方面对磨损度直接间接产生影响的因素不确定；另一方面信噪

4、分离难度较高，使得AE信号的特征提取十分困难。混沌运动表现为一种对初始条件具有敏感依赖性、永不重复的、回复性非周期运动。有研究表明，刀具磨损具有非线性、随机性和耗散性，声发射信号在不同过程或同一过程的不同状态下，表现出明显区别的同时又具有一定的相似性，使混沌理论应用于刀具磨损状态监测成为可能。目前的研究主要集中在分形维数的计算和演化规律分收稿日期：2010—06—09作者简介：韩文兰(1985一)，女．河北石家庄人，在读硕士，主要研究方向：复杂系统综合健康管理，E—mail：3h3mly@163．omm；席剑

5、辉(1975一)，女，辽宁沈阳人，副教授，主要研究方向：复杂系统辨识和建模／混沌时间序列分析和预测。E—mail：xjhuiol@163．析上，如SatishTS、AkhlesL等H1对刀具颤振最优控制的研究中，利用分形维数变化估计刀具的磨损状态。王忠民等∞1也将分形维数应用到刀具状态在线监测，从分形维数的变化判断刀具的不同磨损状态。本文将从混沌学角度对刀具AE信号不同阶段进行多特征分析和描述。首先在相空间中重构奇异吸引子轨迹定性说明声发射时间序列存在混沌现象及其空间特征；然后计算混沌特征参数一关联维数与最大

6、Lyapunov指数，对观测序列混沌特性进行定量描述。在此基础上分析混沌特征量与刀具磨损度的内在关系。1声发射信号相空间混沌特征描述刀具在切削过程中会产生微弱应力波，即声发射信号，包含刀具在应力作用下的变形与裂纹扩展信息。对声发射信号的特征信息进行分析，适用于检测刀具微小面积的破损和破损前产生的微裂痕【6J。本文数据来源于数控车床的加工过程，工件材料为用于航空发动机的GH648，刀具材料为KCS010。实际操作过程中，为保证加工精度，技术人员往往根据经验，每隔几分钟就会换刀一次，刀具的使用效率偏低。数据采集由

7、北京某公司的PXWAE声发射检测系统实现，传感器为该公司PXR30型AE传感器。数据采样频率为2MHZ，针对刀具切削采样数据进行研究。通过重构相空间及庞加莱截面定性分析刀具声发射信号第4期韩文兰等：刀具声发射信号混沌特征提取及趋势分析75的混沌特性。1．1声发射信号相空间重构Takens提出的嵌入定理指出，对一维时间序列石(ti)，(i=1，2，⋯，rt)，可以找到一个合适的嵌入维数m，如果原奇异吸引子维数为d，则取m≥2d+1，必可在嵌入空间中恢复时间序列的吸引子。运用延时坐标法重构相空间，对名(ti)进行

8、延时采样，延迟时间为r，r=k×At，k∈Z。原时间序列延拓成一个m维相空间的相型分布¨o，即Xi={菇(ti)，龙(ti+，)，⋯，戈(ti+(。一1)，)}采用自相关函数法计算最佳．r值，取自相关函数下降到初始值l—l／e倍时对应的r为最佳时延。在三维空间中重构AE信号的奇异吸引子，轨迹如图1所示。其中图1(a)对应刀具切削16s时AE信号的相空间轨迹，图l(b)对应切削80s时的相空间轨迹。可