圆刀模切刀模磨损在线监测方法及其系统与流程

本发明涉及模切加工质量监测，具体涉及圆刀模切刀模磨损在线监测方法及其系统。

背景技术：

1、圆刀模切是消费电子辅料、光学膜、泡棉、双面胶带等承印物加工中应用最为广泛的成型工艺之一。圆刀模切机以连续旋转的圆刀轴带动刀模对承印物进行多工序一次成型，相较于平压平模切具有效率高、连续性好的突出优势，已成为高速模切产线的主流装备。然而，圆刀模切刀模在长期连续冲切过程中不可避免地发生齿刃磨损：随着累计冲切次数的增加，刀刃发生宏观磨蚀使刃口圆角半径增大，同时在局部应力集中处发生微观崩裂。齿刃磨损直接导致冲切深度发生偏差，当冲切深度偏差超过0.02mm的工艺标准时，承印物会出现切不透、毛边、底材损伤等批量不良。由于圆刀模切沿圆周分布有多个齿，各齿在制造公差、装配应力以及局部受力上存在差异，其磨损进程并不一致，常常出现个别齿率先劣化而其余齿尚处于正常磨损阶段的情形，单纯依靠整体性的磨损判断难以定位到具体劣化的齿，进一步加剧了质量管控的难度。在工程实践中，针对刀模磨损的传统做法主要有两种：一种是按固定冲切次数强制换刀，但由于换刀阈值需按最易劣化的齿保守设定，导致大量未劣化的齿被提前废弃，换刀成本高；另一种是凭操作经验判断换刀时机，但经验判断主观性强，容易在齿刃实际已超差时仍继续冲切，造成批量不良。因此，准确的刀模磨损在线监测对于圆刀模切产线的质量与成本控制具有重要意义。

2、针对刀具磨损的在线监测，现有技术普遍采用间接信号方法，即采集与磨损相关的物理信号并建立信号到磨损量的映射关系。公告号为cn104723171b的中国专利申请，公开了一种基于电流与声发射复合信号的刀具磨损监测方法，该方法采用检测车削主轴电机的电流信号与刀刃的声发射信号，构成电流与声发射复合信号，并结合小波包分析、相关性分析与主成分分析自适应提取磨损特征，通过分析当前特征与初始磨损状态特征之间的关联性来判断刀具的磨损程度。然而，该方案以信号到磨损量的映射关系在一次标定后即长期稳定为前提，当被切材料批次发生变化或刀轴温度发生升高时，相同的磨损量会产生显著不同的信号响应，使得该方案所依赖的关联性判断在换批次或长时间连续运行后产生系统性失准，无法在圆刀模切连续生产中实现高精度的磨损量在线估计。

3、公开号为cn107186547a的中国专利申请，公开了一种基于切削功率的数控车削批量加工刀具磨损在线监测方法，该方法分析刀具磨损量与加工参数对切削功率的影响，通过正交试验设计与响应面法建立切削功率、磨损量与加工参数之间的回归模型，并在该回归模型的基础上实时更新切削功率阈值实现磨损在线监测。然而，该方案仅依靠切削功率这一单一间接信号，且其回归模型在建立后仅通过阈值更新进行调整，缺乏对材料批次与温升所引起的信号到磨损量映射漂移的直接量测校正手段，难以在材料批次差异显著的圆刀模切场景下保持映射关系的准确性，同样无法实现逐齿的磨损量在线估计。

4、公告号为cn110153801b的中国专利申请，公开了一种基于多特征融合的刀具磨损状态辨识方法，该方法对原始切削力信号与振动信号进行聚合经验模态分解，分别提取时域、频域以及模糊熵、近似熵、样本熵等特征并进行融合，再利用奇异值分解对融合后的特征集进行优化，并以遗传算法优化最小二乘支持向量机的参数实现磨损状态辨识。然而，该方案所采用的全部信号均为间接信号，缺乏与材料批次、工况无关的直接量测作为锚点，其辨识结果同样受信号到磨损量映射漂移的影响；并且该方案以整把刀具的混合信号作为辨识对象，无法将混合信号解耦到圆刀模切刀模上各个齿，难以满足逐齿磨损监测的需求。

5、综上所述，现有刀具磨损在线监测技术普遍将间接信号到磨损量的映射关系视为一次标定后即长期稳定的对象，而忽视了在圆刀模切连续生产中该映射关系会随被切材料批次差异与刀轴温升而持续漂移这一客观事实，导致在换批次或长时间运行后磨损量估计失准；同时，现有技术以整把刀具的混合信号作为处理对象，无法实现对圆刀模切刀模各齿的逐齿磨损量在线估计与剩余寿命预测。如何在间接信号到磨损量映射持续漂移的圆刀模切连续生产中，仅依靠稀疏的直接深度量测实现逐齿磨损量的高精度在线估计与剩余寿命预测，成为本技术领域亟待解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中圆刀模切刀模磨损在线监测存在的间接信号到磨损量映射随材料批次与刀轴温升持续漂移导致磨损量估计失准的核心技术瓶颈，本发明提供圆刀模切刀模磨损在线监测方法及其系统，通过以下游稀疏的实际冲切深度偏差作为无偏锚点对间接磨损映射进行在线校正并按齿号将混合冲切力信号解耦逐齿估计磨损量，在不改变圆刀模切机连续生产节拍的前提下，从有偏间接观测与无偏直接量测在线融合校正的原理层面上实现对圆刀模切刀模各齿磨损量的高精度在线估计与剩余寿命预测。

2、本发明的技术方案为：

3、圆刀模切刀模磨损在线监测方法，包括以下步骤：

4、步骤s1，通过集成于圆刀轴的压电式冲切力传感器逐冲次采集冲切力信号；

5、步骤s2，经下游直接深度测量装置每隔预设冲次数采集承印物的实际冲切深度偏差，得到稀疏深度偏差序列；

6、步骤s3，基于所述冲切力信号建立磨损间接映射，输出间接磨损估计值；

7、步骤s4，以所述稀疏深度偏差序列为无偏锚点，对所述磨损间接映射进行在线校正，得到随材料批次与刀轴温升自适应的校正后磨损映射；

8、步骤s5，依据圆刀轴角度获取齿号索引，将所述冲切力信号按所述齿号索引解耦，结合所述校正后磨损映射逐齿输出磨损量估计值；

9、步骤s6，基于所述逐齿磨损量估计值输出剩余寿命预测值。

10、本发明还提供一种圆刀模切刀模磨损在线监测系统，包括：冲切力采集模块，设置于圆刀轴，用于通过压电式冲切力传感器逐冲次采集冲切力信号；深度偏差采集模块，用于经下游直接深度测量装置每隔预设冲次数采集承印物的实际冲切深度偏差，得到稀疏深度偏差序列；间接映射模块，用于基于所述冲切力信号建立磨损间接映射并输出间接磨损估计值；在线校正模块，用于以所述稀疏深度偏差序列为无偏锚点对所述磨损间接映射进行在线校正，得到随材料批次与刀轴温升自适应的校正后磨损映射；逐齿解耦模块，用于依据圆刀轴角度获取齿号索引，将所述冲切力信号按所述齿号索引解耦，并结合所述校正后磨损映射逐齿输出磨损量估计值；剩余寿命预测模块，用于基于所述逐齿磨损量估计值输出剩余寿命预测值。

11、本发明的有益效果在于：

12、第一，通过以下游稀疏的实际冲切深度偏差作为无偏锚点对磨损间接映射进行在线校正，实现了在材料批次差异与刀轴温升条件下磨损量估计的高精度保持。其机理在于：冲切力信号本质上是磨损量、被切材料力学性能、刀轴热态以及动态接触刚度等多个因素耦合的输出，磨损量仅是其中一个隐变量，因而冲切力信号是磨损量的有偏观测；而实际冲切深度偏差直接由刃口的实际切入量决定，是磨损量的近似无偏的物理观测。本发明以稀疏但无偏的实际冲切深度偏差对稠密但有偏的冲切力信号所建立的磨损间接映射进行在线校正，相当于以无偏锚点持续牵引有偏观测，从而消除映射漂移。相比以一次标定的关联性判断为基础的做法以及仅依靠阈值更新的做法，本方案在换批次后仍能将冲切深度偏差稳定控制在0.02mm的工艺标准之内，从根本上克服了现有技术映射漂移导致的失准问题。

13、第二，通过依据圆刀轴角度获取齿号索引并将冲切力信号按齿号索引解耦，实现了对圆刀模切刀模各齿磨损量的逐齿估计。其机理在于：圆刀模切刀模沿圆周分布有多个齿，圆刀轴每转一周各齿依次冲切，所采集的冲切力信号在时序上是多个齿冲切贡献的混合信号；本发明以齿号索引对冲切力信号进行相位对齐并执行稀疏盲分离，将混合信号分解到各齿，从而获得与各齿一一对应的单齿冲切力分量。相比以整把刀具的混合信号作为辨识对象的做法，本方案能够分辨出各齿之间不一致的磨损进程，为精准定位劣化齿并安排针对性换刀提供了依据。

14、第三，通过无偏直接量测在线校正与逐齿信号解耦两者的协同，产生了超出各特征单独效果之和的协同效应。具体而言：单独的无偏直接量测在线校正只能修正整体性的映射偏差，单独的逐齿信号解耦在映射漂移条件下会将漂移误差等比例放大到各齿，二者均无法独立实现逐齿的高精度估计；而本发明先以无偏锚点校正消除映射漂移，再在已校正的映射上执行逐齿解耦，使得逐齿磨损量估计同时具备无偏性与齿级分辨率，从而以下游稀疏的、低成本的直接量测撬动了高频次的逐齿高精度估计，实现了1加1大于2的非线性增益。

15、第四，通过将逐齿磨损量估计值中单齿出现的突变检测为刃口微崩裂并以双机理剩余寿命模型融合渐变磨蚀与突变崩裂两类机理，实现了对各齿剩余寿命的准确预测。其机理在于：宏观磨蚀表现为逐齿磨损量估计值的缓慢渐变，而刃口微崩裂表现为单齿磨损量估计值的突然阶跃并伴随高频声发射能量的骤增，二者具有截然不同的时间动力学特性；本发明以崩裂为硬约束触发项、以磨蚀渐变为软衰减项进行融合，使剩余寿命预测模型从纯数据驱动的统计模型升级为带物理约束的模型，相比仅依靠单一渐变趋势外推的做法具有更好的预测准确性与泛化能力。