南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 黎 明 李迎光 劉長(zhǎng)青 劉 浩

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件具有尺寸大、種類(lèi)繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),使其加工工藝和加工過(guò)程較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工方式存在一定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和加工問(wèn)題，同時(shí)在加工過(guò)程中存在各種不穩(wěn)定的加工因素，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生諸如刀具嚴(yán)重磨損、刀具破損和加工顫振等問(wèn)題，這些問(wèn)題不僅會(huì)影響加工零件的加工質(zhì)量和刀具的合理利用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成機(jī)床、刀具和零件的損壞，影

響整個(gè)加工系統(tǒng)運(yùn)行和操作人員安全，造成難以估量的損失[1]。

加工狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)通常是對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行連續(xù)或周期性的定性或定量監(jiān)測(cè)、分析、辨識(shí)與決策技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng)。它以監(jiān)測(cè)和辨識(shí)系統(tǒng)的可用狀態(tài)和故障狀態(tài)為目的，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的早期故障，為后續(xù)的加工過(guò)程提供科學(xué)的決策信息。實(shí)施狀態(tài)在線監(jiān)控可最大程度地保證整個(gè)加工系統(tǒng)處于良好的技術(shù)狀態(tài)，為順利進(jìn)行高效的加工生產(chǎn)提供科學(xué)的保障[2]。

20世紀(jì)60年代末期,國(guó)際上開(kāi)始了對(duì)切削加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。Pal基于傳感器融合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于監(jiān)測(cè)車(chē)削加工的刀具磨損，用小波包樹(shù)方法分析獲取的信號(hào)即刀柄力、電機(jī)的電流和提取的磨損敏感特征，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的健壯性應(yīng)對(duì)不確定的輸入數(shù)據(jù)，并集成監(jiān)控信息到一個(gè)最佳的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用獲取的刀具磨損信息來(lái)選擇一個(gè)最佳的切削條件[3]。Dim la通過(guò)分析得出切削力（靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力）和振動(dòng)（加速度）是最廣泛適用的信號(hào)，同時(shí)指出最成熟的刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并沒(méi)有成功的應(yīng)用，原因在于不準(zhǔn)確的傳感信號(hào)和應(yīng)用的加工過(guò)程模型沒(méi)有反映加工過(guò)程的復(fù)雜性[4]。呂凱波選擇振動(dòng)加速度傳感器獲取切削狀態(tài)信息，選擇時(shí)域方差和頻域頻譜特征作為顫振發(fā)生的綜合指標(biāo)，采用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與正常切削時(shí)建立的對(duì)比庫(kù)進(jìn)行比較的方法進(jìn)行了顫振識(shí)別，針對(duì)車(chē)、銑削加工工藝，研發(fā)了一種實(shí)用的切削顫振監(jiān)測(cè)組件，并驗(yàn)證了其適用性[5]。

上述對(duì)刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)或?qū)庸ゎ澱瘳F(xiàn)象的研究中，多集中在針對(duì)某一固定的加工條件下對(duì)刀具狀態(tài)或加工顫振現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且對(duì)加工特征幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)變化對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響未有考慮。針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件這類(lèi)種類(lèi)繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工工藝和工況復(fù)雜的零件，上述方法顯然不能完全滿(mǎn)足要求，且在監(jiān)測(cè)方法的效果準(zhǔn)確性和通用性方面都有待提高。

1 加工特征對(duì)加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)的影響

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征分類(lèi)Fig.1 Classification of machining feature of aircraft structural parts

根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件幾何形狀和加工工藝特點(diǎn)，并充分考慮數(shù)控加工的的實(shí)際需求，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的典型特征分類(lèi)如圖1所示，包含了筋、槽、孔、輪廓4大類(lèi)典型加工特征。其中槽特征又包含了腹板特征、內(nèi)型特征和轉(zhuǎn)角特征，孔特征包含了圓孔特征和非圓孔特征[6]。

圖2所示為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件典型加工特征的構(gòu)成要素，現(xiàn)將各典型加工特征構(gòu)成要素[7]以及特征對(duì)加工狀態(tài)的影響描述如下：

（1）筋特征：構(gòu)成要素包含筋種子面f1、f2、f3及約束面f4，如圖2所示。筋特征通常采用大直徑刀具進(jìn)行加工，筋的寬度決定加工走刀策略，筋的加工余量決定是否需分層加工，不同的切削參數(shù)和走刀路徑將對(duì)切削力的受力大小和受力方向產(chǎn)生影響。

（2）槽特征：包含3種子特征，即槽腹板、槽內(nèi)型和槽轉(zhuǎn)角特征。圖2中槽的f1面即為腹板面，通常為平面，槽腹板具有厚度較薄、加工精度高等特點(diǎn)。槽腹板在加工過(guò)程中的切削力以Z向力為主，腹板面面積大小將決定不同的切寬和走刀策略,并最終影響加工質(zhì)量和加工過(guò)程狀態(tài)。槽內(nèi)型特征由槽的內(nèi)側(cè)面f2、f3、f4、f5構(gòu)成。槽內(nèi)型特征的形狀和深度影響著X向和Y向切削力的變化，槽內(nèi)型加工一般采用分層切削的方式。當(dāng)槽腔很深時(shí)，刀具容易發(fā)生振動(dòng)，對(duì)表面質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很大影響。轉(zhuǎn)角特征即為槽內(nèi)部相鄰側(cè)面的過(guò)渡面f6、f7、f8、f9，轉(zhuǎn)角的半徑大小主要影響X向和Y向切削力的變化過(guò)程。當(dāng)轉(zhuǎn)角加工深度較深時(shí)，采用懸伸比較大刀具加工較易發(fā)生加工顫振。f10為槽的底角面。

（3）孔特征：包含2種類(lèi)型，即圓孔和非圓孔特征。構(gòu)成要素包含孔壁面f1和孔的上下支持面f2、f3，如圖2所示，其中h為非圓孔特征。相比其他特征加工，加工孔時(shí)Z向受力較為明顯，特別是對(duì)于鉆孔加工等。

（4）輪廓特征：構(gòu)成要素包含輪廓種子面f1，如圖2所示，其中f為連接輪廓特征的工藝凸臺(tái)。相比其他特征，輪廓加工范圍大，加工時(shí)間長(zhǎng)，常常需徑向和軸向均采用分層切削的策略。另外，由于輪廓特征形狀變化較大，加工時(shí)還需考慮凸臺(tái)和工裝的影響，如采用不同的切削參數(shù)或加工零件外圍特殊位置時(shí)都將引起零件狀態(tài)和刀具狀態(tài)發(fā)生大的變化。

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，不同類(lèi)型的加工特征有各自不同的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工工藝特點(diǎn)和加工過(guò)程特點(diǎn)，這將直接影響加工過(guò)程中的切削力大小、切削力變化過(guò)程以及加工過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)情況。而加工特征自身的幾何參數(shù)變化將會(huì)對(duì)其走刀策略產(chǎn)生直接影響，亦會(huì)使加工過(guò)程中的切削力大小和振動(dòng)情況產(chǎn)生不同的變化，并將影響最終的加工過(guò)程狀態(tài)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征的上述特點(diǎn)決定了其加工過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程，每一類(lèi)加工特征都有各自不同的加工過(guò)程特點(diǎn)和對(duì)加工狀態(tài)的影響，而加工特征自身的幾何參數(shù)變化亦會(huì)對(duì)加工狀態(tài)產(chǎn)生影響。

圖2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征構(gòu)成要素描述Fig.2 Description of constitute elements of machining feature of aircraft structural parts

2 構(gòu)建基于特征的監(jiān)測(cè)模型

圖3所示為基于特征的監(jiān)測(cè)模型，該模型首先通過(guò)多種傳感器獲取加工中的諸如振動(dòng)、切削力、聲發(fā)射等信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大和濾波等處理后，通過(guò)時(shí)域、頻域和時(shí)頻分析以獲取加工特征的監(jiān)測(cè)信號(hào)特征量，同時(shí)結(jié)合加工特征的信息（包含特征類(lèi)型信息、幾何信息和切削參數(shù)信息），運(yùn)用模式識(shí)別方法構(gòu)建加工狀態(tài)的辨識(shí)模型，輸出實(shí)時(shí)加工狀態(tài)信息。

2.1 信號(hào)的確定

圖3 基于特征的監(jiān)測(cè)模型Fig.3 Feature based monitoring model

已有的研究表明，切削力是加工狀況和刀具狀態(tài)中最為敏感的參數(shù)，同時(shí)切削力信號(hào)具有拾取容易，反應(yīng)迅速、靈敏等優(yōu)點(diǎn)，因此被大量用來(lái)監(jiān)測(cè)刀具的切削加工。切削力信號(hào)通常由測(cè)力儀獲取[8]。振動(dòng)信號(hào)與切削力、切削系統(tǒng)本身動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)，并具有安裝方便、測(cè)量信號(hào)易于引出、測(cè)試儀器簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，常被用于監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)和切削顫振等。振動(dòng)信號(hào)由振動(dòng)傳感器獲得[9]。

基于切削力信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的上述特點(diǎn)，選用切削力信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工狀態(tài)。同時(shí)選用該兩種信號(hào)可比單一信號(hào)獲取的信息更加全面和可靠，并且該兩種信號(hào)均具有較易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 基于特征的監(jiān)測(cè)方法優(yōu)勢(shì)

基于特征的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件在線監(jiān)測(cè)方法相較傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)方法具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）信息通用性。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件同一類(lèi)加工特征具有相似的外形、相近的切削參數(shù)和較為一致的走刀策略，使它們的加工過(guò)程具有相似性。同時(shí)按照特征的加工工藝，同一類(lèi)特征所處的加工階段基本一致，此時(shí)零件力學(xué)等方面性能也是相近的，因此基于特征獲取的監(jiān)測(cè)信息具有一致通用性，獲取的監(jiān)測(cè)信號(hào)也具有可比性和參照性。

（2）有利于獲得準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)信息。不同的加工特征在實(shí)際加工中對(duì)于同一種信號(hào)的敏感特征量不同，這是由特征的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工工藝、零件所處狀態(tài)、走刀策略、加工刀具和切削參數(shù)等因素決定的。若固定一組敏感特征量，并以整個(gè)零件的加工過(guò)程為監(jiān)測(cè)對(duì)象，顯然很難獲得加工過(guò)程中的準(zhǔn)確狀態(tài)信息。

3 加工特征的信號(hào)特征量獲取

振動(dòng)信號(hào)和力信號(hào)屬于低頻信號(hào)，每種加工狀態(tài)的近似信號(hào)存在較為明顯的差異。取信號(hào)小波分解后近似信號(hào)各頻段的方差和均方值進(jìn)行分析和對(duì)比選擇變化明顯特征量。式（1）和式（2）分別為均方值和方差的定義表達(dá)式。

其中，代 表均方值代表方差；xi代表變量，即信號(hào)樣本；-x代表變量平均值，即信號(hào)樣本平均值；N代表變量數(shù)，即樣本數(shù)。

圖4所示為加工轉(zhuǎn)角時(shí)不同狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)應(yīng)于刀具磨損狀態(tài)、刀具破損狀態(tài)和加工顫振的時(shí)域波形各有不同，其中在顫振狀態(tài)下的振動(dòng)幅度要明顯大于其他兩種狀態(tài)。為獲取更多有利信息，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行db5小波5層分解（a1～a5）。取振動(dòng)信號(hào)小波分解后近似信號(hào)各頻段的方差和均方值，結(jié)果如表1所示。

圖5所示為加工轉(zhuǎn)角時(shí)的三向切削力信號(hào)，可知加工轉(zhuǎn)角時(shí)X向和Y向切削力較大，且變化較為明顯，Z向力受力則較小、較平穩(wěn)，因此對(duì)于轉(zhuǎn)角加工選擇X向力和Y向力進(jìn)行分析，分別對(duì)不同加工狀態(tài)下的3向力信號(hào)進(jìn)行db5小波5層分解，分解后近似信號(hào)各頻段的方差和均方值如表2所示。

通過(guò)對(duì)表1和表2中的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)a2頻段的方差和均方值存在較明顯差異，而力信號(hào)中FX在a4頻段重構(gòu)信號(hào)均方值，F(xiàn)Y在a4和a5頻段重構(gòu)信號(hào)的方差變化較為明顯。因此選擇振動(dòng)信號(hào)a2頻段的方差和均方值、力信號(hào)中FX在a4頻段均方值和FY在a4和a5頻段的方差作為槽轉(zhuǎn)角特征的關(guān)于加工狀態(tài)的信號(hào)特征量。

圖4 振動(dòng)信號(hào)示意圖Fig.4 Diagram of vibration signal

圖5 加工過(guò)程中的3向切削力信號(hào)示意圖Fig.5 Diagram of three-dimensional cutting forces signal in processing

表2 力信號(hào)分解后各層逼近信號(hào)方差和均方值

4 基于支持向量機(jī)方法加工狀態(tài)識(shí)別

支持向量機(jī)（SVM）方法由Vapnik于1992年首次提出，它是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的模式識(shí)別方法，屬于有監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法。支持向量機(jī)是基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則，泛化能力優(yōu)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能很好地處理小樣本學(xué)習(xí)問(wèn)題。同時(shí)，SVM算法具有全局最優(yōu)性，克服了傳統(tǒng)模式識(shí)別的極小值問(wèn)題。圖6所示為支持向量機(jī)模型結(jié)構(gòu)示意圖。支持向量機(jī)因其特有的優(yōu)越性越來(lái)越受到各領(lǐng)域的重視，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器人、加工狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷等諸多領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景[2]。

圖6 SVM模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Diagram of SVM m odel structure

本文采用支持向量機(jī)方法構(gòu)建加工狀態(tài)識(shí)別模型，輸入包含加工特征的幾何參數(shù)信息、切削參數(shù)信息和監(jiān)測(cè)信號(hào)特征量。支持向量機(jī)只有一個(gè)輸出，在此即為輸出的加工狀態(tài)。

選擇徑向基函數(shù)作為支持向量機(jī)模型的核函數(shù)，徑向基函數(shù)如式（3）所示。一類(lèi)加工特征需建立一種支持向量機(jī)模型，此處以槽轉(zhuǎn)角為例說(shuō)明實(shí)現(xiàn)過(guò)程。為了使支持向量機(jī)模型更緊致，具有更好的柔性和推廣性，需對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置和調(diào)節(jié)。此模型有兩個(gè)參數(shù)需要調(diào)節(jié)，一個(gè)是徑向基核函數(shù)γ參數(shù)，另一個(gè)為懲罰因子C。設(shè)置槽轉(zhuǎn)角的支持向量機(jī)模型參數(shù)γ為5.2，C為0.8時(shí)能很好地滿(mǎn)足精度要求。

K(x,xi)=exp(-γ|x-xi|2)。 （3）

5 實(shí)例驗(yàn)證

針對(duì)圖7這個(gè)包含單槽的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，加工轉(zhuǎn)角特征以驗(yàn)證系統(tǒng)的適用性。試驗(yàn)中傳感器的安裝如圖8所示。

5.1 采樣參數(shù)的確定

試驗(yàn)中，加工槽轉(zhuǎn)角時(shí)機(jī)床的主軸最高轉(zhuǎn)速設(shè)定為6000r/min，頻率為100Hz；最低轉(zhuǎn)速設(shè)定為600r/min，頻率為10Hz。預(yù)估各加工狀態(tài)的信號(hào)頻率在16倍頻以下，采用振動(dòng)傳感器、4通道BVM-300-4M振動(dòng)測(cè)試與模態(tài)分析儀和奇石樂(lè)9443B型測(cè)力儀，設(shè)定采樣頻率fs為4000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn)。

最高分析頻率為

fmax=1000×16=1600Hz ，

采樣間隔為

Δt=1/fs=1/4000=0.25ms ，

圖7 包含單槽的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件零件Fig.7 Aircraft structural part including single slot

圖8 振動(dòng)傳感器和測(cè)力儀的安裝Fig.8 Installation of vibration sensor and dynamometer

采樣長(zhǎng)度為

T=N·Δt=1024×0.25=0.256s ，

頻率分辨率為

Δf=1Δ/T=1/4000=3.9Hz 。

5.2 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

基于VC++開(kāi)發(fā)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此時(shí)轉(zhuǎn)角加工處于正常狀態(tài)，轉(zhuǎn)角特征的幾何參數(shù)為：半徑6.5mm，深度28.16mm，轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)角度90°，切削加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速6000r/min,切深2mm，進(jìn)給3000mm/min。為驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)刀具破損狀態(tài)的預(yù)警性能，試驗(yàn)中采用破損的刀具加工槽轉(zhuǎn)角特征，結(jié)果運(yùn)行如圖9所示。系統(tǒng)此時(shí)發(fā)出刀具破損警報(bào)，應(yīng)立即停機(jī)及時(shí)更換刀具。類(lèi)似地針對(duì)其他兩種加工狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3中的試驗(yàn)結(jié)果表明該監(jiān)測(cè)方法具有較高的準(zhǔn)確性，能有效監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)角加工過(guò)程中的異常狀態(tài)。針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的其他類(lèi)加工特征，均可采用相同的分析方法實(shí)現(xiàn)對(duì)加工狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

6 總結(jié)

圖9 實(shí)例零件仿真過(guò)程及結(jié)果Fig.9 Sim ulation process and resu lts of instance

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

結(jié)合航空制造企業(yè)的實(shí)際需求，針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過(guò)程中因刀具達(dá)到磨損極限或破損造成刀具失效、加工中出現(xiàn)顫振等故障加工狀態(tài)極大影響工件的加工質(zhì)量和刀具的合理利用的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及辨識(shí)系統(tǒng)，并以槽轉(zhuǎn)角為例說(shuō)明了該監(jiān)測(cè)方法的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。實(shí)例運(yùn)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能基本滿(mǎn)足對(duì)各類(lèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)要求，保證了零件的加工質(zhì)量和刀具的合理利用，提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

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