[发明专利]一种基于多特征融合的铣削声压级监测及预测系统和方法

权利要求书

1.一种基于多特征融合的铣削声压级监测及预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步、组建铣削试验系统——铣削试验系统包括数控机床及工件系统、声压与振动测量系统、温度测量系统、三向测力系统，所述数控机床及工件系统主要包括数控铣床、铣削刀具和被加工工件；所述声压与振动测量系统主要包括声音校准器、精密型声级计、三向加速度传感器、电荷放大器和高速数据采集仪，用于实时采集工件在加工过程中产生的声压信号和振动信号；所述三向测力系统主要包括力传感器和三向力采集仪，用于采集工件在加工过程中产生的三向力信号；所述温度测量系统主要包括FLIR热像仪，用于实时采集刀具与工件接触处的温度信号；

第二步、准备工件——选择方体铝合金材料作为被加工工件后，将选择的工件通过台钳装夹在铣床工作台上；

第三步、连接并校准试验设备；

第四步、铣削试验——启动铣削机床对工件进行加工，并采集铣削过程中的噪声信号、三向力信号、温度信号和振动信号；

第五步、基于铣削试验数据整理所需的特征值——从采集的噪声信号、三向力信号、温度信号和振动信号的数据中，得到声压级的均方根值、三向铣削力的均方根值、温度的最大值、三向振动加速度的均方根值；

第六步、绘制噪声信号、三向力信号、温度信号和振动信号曲线；

第七步、分析铣削参数对铣削声压级、三向力、温度及三向振动加速度的影响——改变铣削主轴转速、进给速度和铣削深度，可以绘制出在不同的铣削参数下声压级、三向力、温度和三向加速度的变化规律；

第八步、建立声压级单项预测模型；根据试验数据和最小二乘法建立的三个单项预测模型分别如下所示：

a)第一种单项预测模型，即声压级均方根值关于三向铣削力均方根值与三个铣削参数的单项预测模型，其表达式为

其中，为第一种单项预测模型中声压级均方根值的预测值，v为铣削速度，v_f为进给速度，a_p为铣削深度，C,x,y,z,u,r,s均为待求系数，F_x、F_y、F_z分别为x、y、z方向的铣削力；

b)第二种单项预测模型，即声压级均方根值关于温度最大值与三个铣削参数的单项预测模型，其表达式为

其中，为第二种单项预测模型中声压级均方根值的预测值，v为铣削速度，v_f为进给速度，a_p为铣削深度，T_max为温度最大值，C,x,y,z,d为待求系数；

c)第三种单项预测模型，即声压级均方根值关于三向振动加速度均方根值与三个铣削参数的单项预测模型，其表达式为

其中，为第三种单项预测模型中声压级均方根值的预测值，v为铣削速度，v_f为进给速度，a_p为铣削深度，a_RMSx、a_RMSx、a_RMSx分别为x、y、z三向振动加速度的均方根值，C,x,y,z,w,m,n为待求系数；

第九步、建立融合铣削力-热-振动及铣削参数的声压级组合预测模型；所述融合铣削力-热-振动及铣削参数的声压级组合预测模型的建立方法为预测误差平方和倒数方法，其具体过程如下：

(1)根据(4)式计算预测误差平方和，

其中，j＝1,2,3，E_ii、SSE均表示误差平方和，n为试验次数，为当采用第j种单向预测模型时第i次试验过程中声压级均方根值的预测值，L_Pⁱ为第i次试验过程中声压级均方根的实际测量值；

(2)采用预测误差平方和倒数法通过(5)式计算组合预测模型的加权系数，

其中，l_j为三个单项预测模型的加权系数且j＝1,2,3，a是指有a个单项预测模型且a＝3；

(3)根据(6)式建立组合预测模型，

其中，为组合预测模型中声压级均方根值的预测值，为第j种单项模型的预测值；

(4)基于相关性系数R，分析建立的融合铣削力、振动、温度及铣削参数的声压级组合预测模型的可靠性，该相关性系数R的计算公式为，

其中，x_i为声压级实际测量数据序列，y_i为声压级预测数据序列，一般取值或为声压级实际测量数据序列的平均值，为声压级预测数据序列的平均值，n为试验次数，i表示第i次试验；

若相关性系数R的值大于0.85，说明该组合预测模型具有较高的可靠性。