一種金屬切削仿真數(shù)據(jù)的處理方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到一種金屬切削仿真數(shù)據(jù)的處理方法，主要針對(duì)金屬切削仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾及去噪，使得數(shù)據(jù)所包含的重要信息能顯現(xiàn)出來，使數(shù)據(jù)曲線更加平滑，更加符合實(shí)際情況。該方法基于統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)過濾和基于小波分析的數(shù)據(jù)去噪兩部分組成。數(shù)據(jù)過濾采用基于統(tǒng)計(jì)分析的“3σ”準(zhǔn)則，并基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)與假設(shè)檢驗(yàn)，過濾掉其中的異常數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)去噪依據(jù)前期異常數(shù)據(jù)剔除所得的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，采用小波分析方式，針對(duì)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢(shì)進(jìn)行平滑性處理，消除數(shù)據(jù)中所包含的噪聲部分，使信號(hào)所包含的重要信息能顯現(xiàn)出來。本發(fā)明確保最終得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可靠、準(zhǔn)確，使曲線更光滑，完整地體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化情況。
【專利說明】一種金屬切削仿真數(shù)據(jù)的處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到一種金屬切削仿真數(shù)據(jù)的處理方法。金屬切削仿真數(shù)據(jù)處理主要針對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾以及數(shù)據(jù)去噪，使得數(shù)據(jù)所包含的重要信息能顯現(xiàn)出來，使數(shù)據(jù)曲線更加平滑，更加符合實(shí)際情況。
技術(shù)背景
[0002]金屬切削涉及力學(xué)、熱學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等眾多學(xué)科，具有強(qiáng)烈的非線性，過程復(fù)雜。因此，傳統(tǒng)的研究方式要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，并且試驗(yàn)周期長(zhǎng)。而計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展使得研究人員能夠借助數(shù)值計(jì)算工具運(yùn)用有限元方法對(duì)金屬切削過程進(jìn)行模擬。事實(shí)證明:切削仿真試驗(yàn)不僅能夠大大縮短試驗(yàn)周期，節(jié)省大量資源，更重要的是通過仿真能夠完成很多實(shí)際情況中很難或者不方便進(jìn)行的試驗(yàn)，得到很多實(shí)際試驗(yàn)中難以得到的數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)實(shí)踐，并推動(dòng)金屬切削研究工作的發(fā)展。切削仿真于生產(chǎn)，于科研都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]借助于計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算技術(shù)的切削仿真技術(shù)使科研人員和工藝設(shè)計(jì)人員的研究方式產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，研究?jī)?nèi)容也從原來的單因素試驗(yàn)、靜態(tài)觀測(cè)、宏觀領(lǐng)域進(jìn)入到多因素試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)觀測(cè)、微觀領(lǐng)域。通過對(duì)金屬切削過程進(jìn)行有限元仿真，可預(yù)測(cè)切削過程中的切削力、切削熱、刀具磨損等情況。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，有的放矢地對(duì)原工藝方案進(jìn)行改進(jìn)，從而改善切削條件，節(jié)省工序時(shí)間，獲得高質(zhì)量產(chǎn)品和高生產(chǎn)效益。切削物理仿真具有實(shí)時(shí)性、并行性、可重復(fù)性，因此能夠?qū)Ξa(chǎn)品制造全過程的工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行信息反饋，對(duì)企業(yè)實(shí)現(xiàn)敏捷制造、適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)都意義重大。
[0004]實(shí)際切削試驗(yàn)中的切削力、切削扭矩等數(shù)據(jù)往往會(huì)有明顯波動(dòng)，從切削機(jī)理上來說原因如下:金屬刀具的擠壓剪切使切削刃附近金屬的集中應(yīng)力迅速積累并超過材料的強(qiáng)度極限，使金屬層從工件母體上突然分離，從而導(dǎo)致切削力陡然下降；另外，工藝系統(tǒng)的顫振、噪聲信號(hào)的干擾等也是實(shí)際切削試驗(yàn)中切削力數(shù)據(jù)波動(dòng)的重要原因。目前的切削仿真實(shí)驗(yàn)大多采用有限元分析軟件進(jìn)行，仿真數(shù)據(jù)也有明顯的異常值及噪聲成分。目前普遍認(rèn)為是由有限元分析過程中的單元分離、網(wǎng)格重劃分等原因引起，與實(shí)際情況有質(zhì)的區(qū)別。因此有限元分析結(jié)果中數(shù)據(jù)的異常值及噪聲成分沒有任何的實(shí)際物理意義，應(yīng)該“過濾”掉。有限元分析軟件的后處理模塊中提供了對(duì)嚴(yán)重波動(dòng)曲線的光滑處理工具，該工具可對(duì)曲線進(jìn)行一階和二階光滑處理。然而，有限元分析軟件在曲線光滑處理前沒有過濾異常值以及去除噪聲信號(hào)，這將嚴(yán)重影響仿真結(jié)果的精度和可信度。因此，對(duì)于金屬切削仿真數(shù)據(jù)的處理，有必要在曲線光滑處理前增加數(shù)據(jù)過濾步驟，同時(shí)需要尋找一種有效的噪聲信號(hào)處理方法，去掉仿真數(shù)據(jù)中的噪聲成分，從而提取有用信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)金屬切削仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值過濾與噪聲信號(hào)消除，提供一套完整的金屬切削仿真數(shù)據(jù)的處理方法。[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]該方法由基于統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)過濾與基于小波分析的數(shù)據(jù)去噪兩部分組成。
[0008](一)基于統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)過濾
[0009]數(shù)據(jù)過濾的目的是將曲線上較明顯的異常值剔除，減小異常值對(duì)整體數(shù)據(jù)的影響，并以此為基礎(chǔ)對(duì)曲線進(jìn)行平滑處理。異常值剔除采用基于統(tǒng)計(jì)分析的“3 σ ”準(zhǔn)則，并基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)與假設(shè)檢驗(yàn)，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可用性。異常值剔除的步驟如下:
[0010](I)統(tǒng)計(jì)假設(shè)
[0011]頻率直方圖能夠展示出變量的概率密度曲線的大致形狀，從而可作為變量分布類型估計(jì)的依據(jù)?；跀?shù)據(jù)樣本繪制頻率直方圖，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)一般較集中于某一區(qū)間，分布情況接近于正態(tài)分布，所以可以做出所取時(shí)段的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布的假設(shè)，并對(duì)該組數(shù)據(jù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行估計(jì)。
[0012](2)假設(shè)檢驗(yàn)
[0013]假設(shè)檢驗(yàn)分為分布形態(tài)檢驗(yàn)與參數(shù)檢驗(yàn)。采用Lilliefors檢驗(yàn)法對(duì)數(shù)據(jù)的分布形態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，采用U檢驗(yàn)法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差σ與均值μ進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證其是否可以接受正態(tài)分布的假設(shè)。
[0014](3)數(shù)據(jù)過濾
[0015]依據(jù)正態(tài)分布的異常數(shù)據(jù)剔除方法，采用“3 σ ”準(zhǔn)則對(duì)樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，過濾區(qū)間(μ -3 σ，μ +3 σ )，剔除落在區(qū)間外的異常數(shù)據(jù)。剔除后，同樣對(duì)其進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，若驗(yàn)證結(jié)果可接受，便完成異常數(shù)據(jù)的剔除步驟；若驗(yàn)證結(jié)果不可接受，則繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行異常數(shù)據(jù)過濾，直到驗(yàn)證結(jié)果可接受為止。
[0016](二)基于小波分析的數(shù)據(jù)去噪
[0017]數(shù)據(jù)去噪是依據(jù)前期異常數(shù)據(jù)剔除所得的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，針對(duì)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢(shì)進(jìn)行平滑性處理，消除數(shù)據(jù)中所包含的噪聲部分，使信號(hào)所包含的重要信息能顯現(xiàn)出來。數(shù)據(jù)去噪采用小波分析的方式，首先用小波‘db3’對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一維多尺度小波分析，返回信號(hào)在N層的小波分解，其中N為整數(shù)；然后基于小波分解結(jié)構(gòu)由一維小波系數(shù)進(jìn)行單支重構(gòu)，在N層計(jì)算重構(gòu)系數(shù)向量。
[0018]本發(fā)明的有益效果是對(duì)金屬切削仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除數(shù)據(jù)異常值以及數(shù)據(jù)噪聲成分，提高曲線光滑度。對(duì)金屬切削仿真數(shù)據(jù)分別進(jìn)行基于統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)過濾與基于小波分析的數(shù)據(jù)去噪，可以確保最終得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可靠、準(zhǔn)確，使曲線更光滑，完整地體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化情況，以對(duì)數(shù)據(jù)所包含的重要信息進(jìn)行呈現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的切削合力曲線。
[0020]圖2是發(fā)明的切削力數(shù)據(jù)頻率直方圖。
[0021]圖3是本發(fā)明的數(shù)據(jù)去噪處理前的曲線。
[0022]圖4是本發(fā)明的N=I時(shí)的去噪處理結(jié)果。
[0023]圖5是本發(fā)明的N=2時(shí)的去噪處理結(jié)果。
[0024]圖6是本發(fā)明的N=3時(shí)的去噪處理結(jié)果。[0025]圖1是本發(fā)明的N=4時(shí)的去噪處理結(jié)果。
[0026]圖8是本發(fā)明的N=5時(shí)的去噪處理結(jié)果。
[0027]圖9是本發(fā)明的N=6時(shí)的去噪處理結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面將結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0029]以45鋼的切削仿真為例展開具體討論。切削仿真前處理中的主要參數(shù)選取如下:切削速度為200m/min，進(jìn)給量為0.5mm/r，切削深度為0.3mm，環(huán)境溫度以及刀具的初始溫度為20°C，剪切摩擦因數(shù)為0.6，熱傳遞系數(shù)為45N/s/mm/C，刀具網(wǎng)格數(shù)量為12000，工件直徑60mm，材料為1045_SI (即45鋼)，工件網(wǎng)格數(shù)量為40000。仿真完成后，運(yùn)用后處理模塊的數(shù)據(jù)提取功能將X、Y、Z三個(gè)方向的切削分力數(shù)據(jù)分別保存到txt文件中。然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)AExcel中計(jì)算切削合力并繪制曲線，如圖1所示。
[0030](一)基于統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)過濾
[0031](I)統(tǒng)計(jì)假設(shè):對(duì)于很多測(cè)量信號(hào)來說，其測(cè)量值服從正態(tài)分布，原始數(shù)據(jù)如圖1中所示，將其數(shù)據(jù)整理，以數(shù)據(jù)值為橫坐標(biāo)，以頻數(shù)數(shù)值作為縱坐標(biāo)，繪制頻率直方圖如圖2所示。根據(jù)頻率直方圖的分布，可以做出所取時(shí)段的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布的假設(shè)。
[0032](2)假設(shè)檢驗(yàn):首先用極大似然法對(duì)未知參數(shù)均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ做出估計(jì)，結(jié)果為μ = 515.5706，σ = 34.5860。然后，采用Lilliefors檢驗(yàn)法對(duì)數(shù)據(jù)的分布形態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果為可以接受正態(tài)分布的假設(shè)，采用U檢驗(yàn)法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差σ進(jìn)行檢驗(yàn)，得到檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的值為1198.2，拒絕域?yàn)?--，144.8644] U [3332.4, + °ο )，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的值沒有落在拒絕域內(nèi)，因此可以接受0 =34.5860。同時(shí)對(duì)均值μ進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果表明可以接受 μ = 515.5706。
[0033](3)數(shù)據(jù)過濾:應(yīng)用“3 σ ”準(zhǔn)則對(duì)樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，過濾區(qū)間(μ -3 σ , μ+3 σ) = (411.8126,619.3286)。共剔除3個(gè)落在過濾區(qū)間之外的異常數(shù)據(jù)，為642.6240,635.4962和634.0668。數(shù)據(jù)過濾前后的特征對(duì)比如表1所示。
[0034]表1數(shù)據(jù)過濾前后的特征對(duì)比
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種金屬切削仿真數(shù)據(jù)的處理方法，其特征在于步驟如下: (一)基于統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)過濾，剔除曲線上明顯的異常值，減小異常值對(duì)整體數(shù)據(jù)的影響 (1)統(tǒng)計(jì)假設(shè):將變量概率密度曲線作為變量分布類型估計(jì)的依據(jù)，設(shè)所取時(shí)段的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，用極大似然法對(duì)該組數(shù)據(jù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行估計(jì)； (2)假設(shè)檢驗(yàn):假設(shè)檢驗(yàn)分為分布形態(tài)檢驗(yàn)與參數(shù)檢驗(yàn)，采用Lilliefors檢驗(yàn)法進(jìn)行分布形態(tài)檢驗(yàn)，采用U檢驗(yàn)法對(duì)均值μ與標(biāo)準(zhǔn)差σ進(jìn)行參數(shù)檢驗(yàn)； (3)數(shù)據(jù)過濾:依據(jù)正態(tài)分布的異常數(shù)據(jù)剔除方法，采用“3σ ”準(zhǔn)則對(duì)樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，過濾區(qū)間(μ-3σ，μ+3(0，剔除落在區(qū)間外的異常數(shù)據(jù)；剔除后，同樣對(duì)過濾后的數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，若驗(yàn)證結(jié)果可接受，便完成異常數(shù)據(jù)的剔除步驟；若驗(yàn)證結(jié)果不可接受，則繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行異常數(shù)據(jù)過濾，直到驗(yàn)證結(jié)果可接受為止； (二)基于小波分析的數(shù)據(jù)去噪 首先用小波‘db3’對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一維多尺度小波分析，返回信號(hào)在N層的小波分解；然后基于小波分解結(jié)構(gòu)由一維小波系數(shù)進(jìn)行單支重構(gòu)，在N層計(jì)算重構(gòu)系數(shù)向量。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103823933SQ201410067049
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】叢明, 何一冉, 胡延平 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)