基于振动能量趋势识别的加工穿透检测方法与流程

本技术涉及激光加工领域，尤其涉及一种基于振动能量趋势识别的加工穿透检测方法。

背景技术：

1、水导激光加工技术通过高压水射流耦合激光束对工件进行精密制孔和切割，在加工过程中，需要准确判断水导激光射流是否已穿透工件，以便及时终止当前加工循环并转移至下一加工位置，从而避免超量加工带来的效率损失。

2、在相关技术中，基于振动信号的穿透检测方法通过在工装上加装振动传感器，采集激光切割工件时产生的高频振动信号，通过观察振动信号波形的形态（持续稳定、间断波动或消失）来判断工件的穿透状态。然而，这种方式存在以下问题：首先，水导激光加工过程中的工件振动信号包含多种来源的干扰成分（机床运动、流体湍流、电气噪声等），直接分析全频段波形形态容易受到干扰信号的影响，抗干扰能力不足；其次，穿透判据仅为定性的形态判读，仅依据波形是否存在、是否间断等定性特征进行判断，缺乏对振动能量变化趋势的量化描述手段，判断精度和一致性受主观因素和噪声影响较大；最后，加工过程中的偶发扰动可能产生与穿透特征相似的波形形态，缺乏系统的防误判机制，导致误判率较高。

3、因此，如何提高水导激光加工中穿透检测的抗干扰能力、判断精度和可靠性，是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种基于振动能量趋势识别的加工穿透检测方法，以提高水导激光加工中穿透检测的抗干扰能力、判断精度和可靠性。

2、为实现上述目的，本技术提供一种基于振动能量趋势识别的加工穿透检测方法，包括：

3、采集激光加工过程中工件产生的原始振动信号；

4、根据所述原始振动信号生成用于表征加工振动能量随时间变化的振动能量序列；

5、对所述振动能量序列进行阶段趋势识别，将所述振动能量序列中存在的由下降趋势段切换为上升趋势段的相邻趋势段组合作为趋势转换特征；

6、定位所述趋势转换特征中上升趋势段的结束时刻，以所述结束时刻之后的连续时间段作为目标时段，计算所述目标时段内的能量离散度；

7、将所述能量离散度与预设离散度阈值进行比较，当所述能量离散度小于所述预设离散度阈值时，判定所述工件已穿透，生成并输出表征所述工件已穿透的判定信号。

8、可选地，所述根据所述原始振动信号生成用于表征加工振动能量随时间变化的振动能量序列，包括：

9、对所述原始振动信号进行信号预处理，提取所述原始振动信号中与加工状态相关的有效振动分量；

10、对所述有效振动分量进行能量特征提取，按时间顺序计算各时间段对应的振动能量表征值；

11、将各时间段对应的所述振动能量表征值按照时间顺序排列，生成所述振动能量序列。

12、可选地，所述对所述原始振动信号进行信号预处理，提取所述原始振动信号中与加工状态相关的有效振动分量，包括：

13、获取所述原始振动信号的频域分布信息；

14、根据激光加工类型在所述频域分布信息中确定目标频段范围，所述目标频段范围为所述原始振动信号中能量集中且区别于机床运动干扰频段和流体湍流干扰频段的频段；

15、采用带通滤波器对所述原始振动信号进行滤波，使所述目标频段范围内的频率分量通过，并抑制所述目标频段范围外的干扰信号分量，将滤波后的信号作为所述有效振动分量。

16、可选地，所述采用带通滤波器对所述原始振动信号进行滤波，包括：

17、获取所述带通滤波器的通带截止频率参数和阻带衰减参数；

18、根据所述通带截止频率参数和所述阻带衰减参数配置所述带通滤波器的滤波系数；

19、将所述原始振动信号输入配置后的所述带通滤波器，由所述带通滤波器对所述原始振动信号执行滤波处理，输出滤波后的时域信号。

20、可选地，所述对所述有效振动分量进行能量特征提取，按时间顺序计算各时间段对应的振动能量表征值，包括：

21、设定滑动窗口的时域长度及相邻所述窗口之间的重叠率；

22、按照设定的所述时域长度和所述重叠率，以固定步进值沿时间轴滑动所述窗口，将所述有效振动分量分割为多个连续的信号片段；

23、分别计算每个所述信号片段的均方根值，将计算得到的各均方根值作为各所述信号片段对应的振动能量表征值。

24、可选地，所述设定滑动窗口的时域长度及相邻所述窗口之间的重叠率，包括：

25、获取预设的窗口步进值；

26、将所述时域长度配置为大于所述窗口步进值的值，使相邻所述窗口之间在时间轴上存在重叠区域；

27、根据所述时域长度和所述窗口步进值计算所述重叠率。

28、可选地，通过状态机执行以下步骤实现所述趋势转换特征的识别以及所述目标时段内能量离散度的计算：

29、将状态机配置为包含监测态、下降确认态、上升跟踪态和平稳判定态四个运行状态；

30、在所述监测态下，获取所述振动能量序列中连续预设数量个值构建的分析帧，计算所述分析帧内相邻值的差值生成差分序列，当检测到所述差分序列中出现连续两个以上负值时，判定识别到下降趋势段，触发所述状态机从所述监测态跳转至所述下降确认态；

31、在所述下降确认态下，继续监测所述差分序列，当检测到所述差分序列中出现连续两个以上正值时，判定识别到由下降趋势段切换为上升趋势段的相邻趋势段组合，触发所述状态机从所述下降确认态跳转至所述上升跟踪态；

32、在所述上升跟踪态下，当检测到所述差分序列的当前差分绝对值小于预设小量阈值时，判定上升趋势段结束，触发所述状态机从所述上升跟踪态跳转至所述平稳判定态，将所述平稳判定态作为所述目标时段；

33、在所述平稳判定态下，持续计算当前分析帧内各所述振动能量表征值的方差，将所述方差作为所述能量离散度。

34、可选地，所述将所述能量离散度与预设离散度阈值进行比较，当所述能量离散度小于所述预设离散度阈值时，判定所述工件已穿透，生成并输出表征所述工件已穿透的判定信号，包括：

35、在所述平稳判定态下，将每次计算得到的所述方差与预设方差阈值进行比较；

36、累计所述方差连续小于所述预设方差阈值的次数，当累计次数达到预设的平稳时长门限值m时，判定所述能量离散度小于所述预设离散度阈值，生成并输出表征所述工件已穿透的判定信号；其中m为大于2的整数。

37、可选地，在所述上升跟踪态下，还执行以下防误判回退操作：

38、持续监测所述差分序列中差值的正负取值；

39、若检测到所述差分序列中再次出现连续两个以上的负值，则判定当前振动能量的变化轨迹呈起伏形态而非单一趋势转换形态，触发所述状态机直接回退至所述监测态，并针对当前分析帧累计一次回退次数。

40、可选地，所述触发所述状态机直接回退至所述监测态之后，还包括：

41、设定回退次数上限为k次，k为预设的正整数；

42、将针对当前分析帧累计的所述回退次数与所述回退次数上限k进行比较，当所述回退次数达到k次时，判定当前分析帧为无效帧，跳过当前分析帧并重置所述回退次数为零，获取下一分析帧重新开始进行所述阶段趋势识别。

43、本技术实施例提出的一种基于振动能量趋势识别的加工穿透检测方法，通过采集激光加工过程中工件产生的原始振动信号；根据原始振动信号生成用于表征加工振动能量随时间变化的振动能量序列；对振动能量序列进行阶段趋势识别，将振动能量序列中存在的由下降趋势段切换为上升趋势段的相邻趋势段组合作为趋势转换特征；定位趋势转换特征中上升趋势段的结束时刻，以结束时刻之后的连续时间段作为目标时段，计算目标时段内的能量离散度；将能量离散度与预设离散度阈值进行比较，当能量离散度小于预设离散度阈值时，判定工件已穿透，生成并输出表征工件已穿透的判定信号。由于本技术不再依赖人工观察波形形态或单点阈值比较进行穿透判定，而是通过追踪振动能量序列中是否存在由下降趋势段切换为上升趋势段的趋势转换特征，并在定位该趋势转换特征所对应的目标时段后进一步验证能量离散度是否满足预设的平稳条件，将穿透判据从定性的波形形态判读升级为由趋势转换特征识别与能量离散度验证双重条件构成的定量递进式判定架构，从而显著提高了穿透检测的抗干扰能力和判断精度，并有效降低了偶发扰动导致的误判概率，进而实现了提高水导激光加工设备自动化加工效率和穿透检测可靠性的技术效果，解决了水导激光加工中穿透检测精度低、易受干扰、缺乏防误判机制的技术问题。