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1、分类号： 密级： UDC ：编号： 学位论文基于小波分析的高速基于小波分析的高速 CNC 集成制造集成制造 工况健康监控技术研究工况健康监控技术研究指导教师姓名：教授河北工业大学申请学位级别：硕士学科、专业名称： 精密仪器及机械论文提交日期： 年 月论文答辩日期: 年 月学位授予单位：河北工业大学答辩委员会主席：评阅人：年 月Thesis Submitted to Hebei University of Technology for The Master Degree ofPrecision Instrument and MachineryRESEARCH ON THE HIGH-SPEED
2、CNC INTEGRATED MANUFACTURING HEALTH MONITORING TECHNOLOGY BASED ON WAVELET ANALYSIS基于小波分析的高速基于小波分析的高速 CNCCNC 集成制造工况健康监控技术研究集成制造工况健康监控技术研究摘摘 要要随着高速加工技术的发展，制造过程中的工况监控所遇到的问题也越来越突出，且直接影响了生产效率，因此对高速 CNC 集成制造过程进行监控，才能保证产品质量，提高加工效率，延长刀具使用寿命，确保人员和设备的安全。把结构健康监控的概念引入到高速 CNC 集成制造系统中，可用一些工况信息（如切削力、扭矩、功率、主轴变速、振动
3、、热变形等）来描述数控加工过程中的机床的各种状态。高速 CNC 集成制造健康监控涉及到主轴发热监测、滚珠丝杠发热监测、刀具磨损状态监测、工件加工状态监测等。本文着重研究刀具的工况健康监控方法，提出的方法也使用与其他方面。本文利用振动传感器对刀具磨损信号进行采集，并对所采集的信号进行分析处理，通过对比不同磨损程度的刀具信号，提取与刀具磨损相关的特征值。时域方面，提取出信号的均方根作为特征值；时频域方面，采用了小波包分解频带能量监测法，对振动信号进行了频段能量统计，提取出信号的特征频段能量作为特征值。再此基础上建立基于 BP 神经网络和 D-S 证据理论相结合的车刀故障综合诊断模型，丰富和发展了刀
4、具磨损监控技术。最后在上述研究的基础上，构建了 VC 与 MATLAB 混合编程开发系统数据处理平台关键词：小波分析，健康监控，高速加工，神经网络iRESEARCH ON THE HIGH-SPEED CNC INTEGRATED MANUFACTURING HEALTH MONITORING TECHNOLOGY BASED ON WAVELET ANALYSISABSTRACTWith the development of high-speed processing technology, the problems in condition monitoring of manufactur
5、ing process are more and more prominent, and directly affects the efficiency of production. Therefore, to control the high-speed CNC integrated manufacturing process is to ensure product quality, increase processing efficiency, extend tool life and ensure the safety of personnel and equipment. The c
6、oncept of structural health monitoring is introduced into high-speed CNC integrated manufacturing system. A number of conditions available information (such as cutting force, torque, power, spindle speed, vibration, thermal deformation, etc.) were used to describe the CNC machine tool processing. Hi
7、gh-speed CNC integrated manufacturing health monitoring involves the monitoring of the spindle fever, ball screw fever monitoring, tool wear condition monitoring, work piece condition monitoring. This paper focuses on health monitoring method of the condition tool, and the proposed method is also ap
8、propriate with other aspects.In this paper, vibration sensors are used to collect the tool wear signal, and then the collected signals are processed and analyzed. By compared the different tool wear signals, features associated with the tool wear value are extracted. In time domain, the RMS signal i
9、s extracted as the feature value; in time-frequency domain, band wavelet packet energy monitoring method was adapt to analysis the frequency of vibration signals of energy statistics. Signal features were extracted as the feature value of the energy band. Then, fault diagnosis model of turning tool,
10、 which is based on BP neural network and D-S evidence theory, was established. This approach enriches and develops the tool wear monitoring technology. Finally, on the basis of these studies, a mixed VC Programming with MATLAB data processing system level is constructed.KEY WORDS: wavelet analysis,h
11、ealth monitoring, high-speed processing, neural networkii目目 录录第一章第一章绪论绪论1 11-1 课题研究的背景及意义.1 1-2 国内外相关技术研究现状综述1 1-2-1 高速切削加工技术的研究历史与现状 .1 1-2-2 工况监测发展及其研究现状 .3 1-2-3 结构健康监控的概念及国内外研究状况 .4 1-2-4 小波理论的发展现状5 1-3 课题研究的内容5第二章第二章高速高速 CNCCNC 集成制造工况健康监控方法研究集成制造工况健康监控方法研究7 72-1 CNC 集成制造过程的复杂工况分析.7 2-1-1 数控系统的体
12、系结构 .7 2-1-2 数控加工系统的工况分析 .7 2-1-3 加工系统的工况监控的基本结构 .8 2-2 高速 CNC 集成制造工况健康监控方法.9 2-2-1 电主轴发热监测 10 2-2-2 滚珠丝杠发热监测 11 2-2-3 工件加工状态监测 12 2-3 高速 CNC 集成制造刀具切削状态监控方法 13 2-3-1 刀具状态监控方法 13 2-3-2 基于振动的刀具状态监控 14 2-3-3 基于切削力的刀具状态监控 15 2-3-4 基于声发射信号的刀具状态监控 16 2-3-5 基于多传感器信息融合的刀具监控 18 2-3-6 传感器的选择 18 2-4 本章小结 19第三章
13、第三章高速高速 CNCCNC 集成制造工况健康监控的信号处理技术集成制造工况健康监控的信号处理技术20203-1 时域信号分析方法.20 3-2 频域信号分析方法.21 3-3 信号的小波分析22 3-3-1 连续小波变换 23 3-3-2 离散小波变换 24 3-3-3 多分辨率分析 24 3-3-4 小波包分析 26 3-3-5 小波包频带能量分析 28 3-4 本章小结.29iii第四章第四章高速高速 CNCCNC 集成制造刀具切削状态健康监控试验集成制造刀具切削状态健康监控试验30304-1 试验装置及方法步骤.30 4-1-1 刀具切削状态监控系统 30 4-1-2 传感器选择 30
14、 4-1-3 数据采集卡 31 4-1-4 试验对象及参数 31 4-1-5 试验步骤 33 4-2 振动信号分析 .33 4-2-1 振动信号的时域特征 33 4-2-2 振动信号频域特征 34 4-2-3 振动信号的小波包分析 36 4-3 刀具状态识别 .38 4-3-1 BP 神经网络的局部诊断 .38 4-3-2 D-S 信息融合的多传感器刀具磨损 41 4-4 本章小结.43第五章第五章基于基于 VCVC 平台的高速平台的高速 CNCCNC 集成制造工况健康监控系统集成制造工况健康监控系统44445-1 监控系统开发环境 445-1-1Visual C+ 6.0 和 MATLAB
15、简介44 5-1-2VC 与 MATLAB 混合编程 44 5-2 监控系统设计的内容.45 5-2-1 监控系统的结构 45 5-2-2 信号采集模块 47 5-2-3 特征提取模块 48 5-2-4 状态识别及诊断决策模块 49 5-2-5 数据库管理模块 51 5-2-6 监控系统测试 52 5-3 本章小结.53第六章第六章结论与展望结论与展望54546-1 主要结论.54 6-2 下一步工作展望55参考文献参考文献5656致谢致谢5959攻读学位期间所取得的相关科研成果攻读学位期间所取得的相关科研成果6060iv符号说明符号说明缩写词：CNCComputer Numerical Co
16、ntrol，计算机数字控制。 CPUCentral Processing Unit，中央处理器。 CCDCharge-coupled device， 电荷耦合器件。 BPBack-Progagation，误差反向传播。 AEAcoustic Emission，声发射。 STFTShort Time Fourier Transform，短时傅立叶变换。 MRAMulti-resolution Analysis，多分辨率分析。 PCIPeripheral Component Interconnect，外设组件互连标准。 FIFOFirst In First Out，先进先出。 APIApplication Programming Interface，应用程序编程接口。 MFC Microsoft Foundation Class Library，微软基本类库。 COMComponent Object Module，组件对象模型。 MATLABMatrix
