一種基于狀態(tài)空間模型和模糊理論的刀具更換時(shí)間方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬機(jī)械裝備再制造領(lǐng)域，具體涉及機(jī)械裝備系統(tǒng)的預(yù)防性維修方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 刀具作為加工設(shè)備的重要組成部分，其狀態(tài)在加工制造過程中會(huì)逐步退化。刀具 的穩(wěn)定性影響著整個(gè)加工制造的效率和設(shè)備的穩(wěn)定性。刀具的故障會(huì)導(dǎo)致非計(jì)劃停產(chǎn)并帶 來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)刀具狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估，及時(shí)更換刀具可在一定程度上保證零件表面 質(zhì)量，能有效減少廢品數(shù)量，提高生產(chǎn)力，保證生產(chǎn)安全并降低維護(hù)成本。
[0003] 視情維修是預(yù)防性維護(hù)的一種，通過監(jiān)測監(jiān)控手段掌握系統(tǒng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題， 使有些故障在發(fā)生之前得到有效預(yù)防，有些嚴(yán)重的故障可以在出現(xiàn)征兆時(shí)得到控制并被排 除，從而遏制嚴(yán)重故障的發(fā)生，降低故障率，節(jié)約維修成本，減少維修工作量。本發(fā)明從經(jīng)濟(jì) 的角度出發(fā)，根據(jù)刀具的狀態(tài)退化過程計(jì)算刀具不同時(shí)刻的可靠度，評(píng)估不同時(shí)間的期望 費(fèi)用進(jìn)行換刀時(shí)間的判斷。
[0004] 傳統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法是通過對(duì)某一時(shí)刻的失效時(shí)間的條件分布進(jìn)行評(píng)估，這樣 的分布是由同批設(shè)備的失效特征決定的。由于同一型號(hào)的一批刀具的退化過程各不相同， 對(duì)于單個(gè)刀具，通常需要對(duì)單一刀具的退化過程分析。一般刀具退化可通過切削力，扭矩， 溫度，聲發(fā)射和振動(dòng)等進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，當(dāng)?shù)毒哂^測量超過設(shè)定的臨界閾值時(shí)認(rèn)為刀具失效。 狀態(tài)空間模型包括狀態(tài)和量測兩個(gè)方程，狀態(tài)方程描述動(dòng)態(tài)的狀態(tài)從前一時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻 的變化規(guī)律，而量測方程描述觀測值和狀態(tài)之間的關(guān)系。離散狀態(tài)空間模型普通形式如 下：
[0005]
[0006]
[0007] 其中，X是狀態(tài)向量，μ是輸入向量，Θ是參數(shù)向量，y是觀測向量，ω和V是狀 態(tài)和觀測噪聲，E[ cok] = 〇，
t依據(jù)建立狀態(tài)空 間模型可識(shí)別刀具的狀態(tài)，進(jìn)行可靠性評(píng)估。
[0008] 由于刀具從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)是一個(gè)逐漸過渡的過程，處于何種狀態(tài)是隨機(jī) 的，處于"完好"和"故障"的中介狀態(tài)，稱為狀態(tài)的模糊性。本發(fā)明將模糊閾值引入到刀具 可靠性評(píng)估中。具體的：對(duì)于在線測量的刀具聲發(fā)射信號(hào)，利用小波包分解方法從聲發(fā)射信 號(hào)中提取的頻帶能量作為觀測量，對(duì)其時(shí)間序列建立狀態(tài)空間模型評(píng)估刀具狀態(tài)及觀測量 趨勢，根據(jù)設(shè)定的模糊閾值得到刀具模糊可靠度，并根據(jù)期望費(fèi)用計(jì)算模型對(duì)刀具的最優(yōu) 更換時(shí)間進(jìn)行了分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明屬機(jī)械裝備再制造領(lǐng)域，有效解決機(jī)械裝備系統(tǒng)的預(yù)防性維修計(jì)算問題， 該方法簡單可靠，便于工程實(shí)踐中使用。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0011] -種基于狀態(tài)空間模型和模糊理論的刀具更換時(shí)間計(jì)算方法，根據(jù)在線監(jiān)測的信 號(hào)實(shí)時(shí)估計(jì)刀具可靠度，并將模糊概念引入可靠度計(jì)算中。根據(jù)最小經(jīng)濟(jì)原則選擇最佳換 刀時(shí)間，包括以下步驟：
[0012] 步驟一：在待測刀具加工工件上安裝聲發(fā)射（AE)傳感器，實(shí)時(shí)采集AE信號(hào)數(shù)據(jù)， 存儲(chǔ)。利用小波包分析方法對(duì)加工過程中的AE信號(hào)進(jìn)行特征提取，選擇隨時(shí)間具有退化趨 勢的特征量作為觀測量，根據(jù)綜合的隨機(jī)游走模型建立狀態(tài)空間模型，采用固定區(qū)間平滑 方法預(yù)測刀具退化狀態(tài)及觀測量隨時(shí)間變化趨勢。
[0013] 步驟二：根據(jù)步驟一預(yù)測刀具的觀測值結(jié)果，將預(yù)測的觀測值的概率密度函數(shù)與 隸屬函數(shù)結(jié)合，按照模糊事件概率定義求出概率值即為刀具可靠度；根據(jù)每一時(shí)間間隔得 到的模糊可靠度，計(jì)算未來時(shí)刻的條件可靠度。
[0014] 步驟三：在加工過程中，成本是需要重點(diǎn)考慮的問題。在可靠度保證的前提下，需 要選擇最經(jīng)濟(jì)的更換刀具的時(shí)間。根據(jù)單位時(shí)間費(fèi)用計(jì)算模型，選擇單位時(shí)間費(fèi)用最低時(shí) 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為刀具更換時(shí)間。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：該方法不僅有利于預(yù)防性維修計(jì)算的制定和提高系統(tǒng)的安 全評(píng)估質(zhì)量，而且對(duì)環(huán)境的保護(hù)和能源的可持續(xù)性上具有重大的科學(xué)意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1聲發(fā)射信號(hào)歸一化頻帶能量的滑動(dòng)平均數(shù)據(jù)。
[0017] 圖2 t = 35min, t = 70min, t = 120min和t = 160min時(shí)刻作為預(yù)測起始點(diǎn)的預(yù) 測結(jié)果。
[0018] 圖3模糊條件可靠度曲線。
[0019] 圖4預(yù)期單位時(shí)間費(fèi)用。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0021] 步驟一：在刀具加工工件上安裝聲發(fā)射（AE)傳感器，并用數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行AE信 號(hào)數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)。利用小波包分析方法對(duì)加工過程中的AE信號(hào)進(jìn)行特征提取，選擇隨時(shí) 間具有退化趨勢的特征量作為觀測量，根據(jù)綜合的隨機(jī)游走模型建立狀態(tài)空間模型，采用 固定區(qū)間平滑方法預(yù)測刀具退化狀態(tài)及觀測量隨時(shí)間變化趨勢。
[0022] 具體實(shí)例如下：在立式三軸銑床上進(jìn)行刀具聲發(fā)射監(jiān)測試驗(yàn)，為了減少其他因素 的影響，選取相同的切削參數(shù)條件，試驗(yàn)中主軸轉(zhuǎn)速l〇〇〇r/min，切削深度0. 4_，進(jìn)給速度 400mm/min。每間隔10秒采集一次AE信號(hào)，采樣頻率為2048kHz。由于AE信號(hào)的頻率較 高，對(duì)其進(jìn)行6層小波包分解，這樣原AE信號(hào)被分解成64個(gè)頻帶，分別計(jì)算出這64個(gè)頻 帶的歸一化小波包能量譜。經(jīng)分析，由于刀具磨損量增加導(dǎo)致刀具和工件之間接觸面積增 加造成歸一化小波包能量譜隨著銑削的進(jìn)行而發(fā)生變化，信號(hào)能量主要集中在低頻部分且 最大值在第二個(gè)頻帶。第二頻帶的歸一化小波能量譜具有隨時(shí)間遞增的趨勢，但是存在較 大波動(dòng)，為了減小數(shù)據(jù)波動(dòng)，利用滑動(dòng)移動(dòng)平均對(duì)第二頻帶的歸一化小波能量譜進(jìn)行處理 后得到的時(shí)序數(shù)據(jù)（如圖1)作為觀測量。采用綜合的隨機(jī)游走模型（integrated random walk, IRW)建立如下狀態(tài)空間模型：
[0023] x (t+1) = Fx (t)+G η (t)
[0024] y(t+l) = Hx(t+1)
[0025] 其中x(t)是反應(yīng)刀具退化狀態(tài)的狀態(tài)向量，表示為x(t) = [u(t) β (t)]T，水平 分量u (t)反映退化水平，斜率分量β (t)反映退化率。y(t)表示刀具的觀測量，n (t)是 白噪聲向量，F(xiàn)是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，G是輸入矩陣，H是觀測系數(shù)矩陣，且
[0026]
[0027] 采樣固定區(qū)間平滑算法預(yù)測刀具的狀態(tài)趨勢，該方法的計(jì)算方法如下：
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[0029]
[0030]