一种基于声发射信号的铣削刀具磨损状态监测方法与系统与流程

本技术涉及机床加工状态监测，具体涉及一种基于声发射信号的铣削刀具磨损状态监测方法与系统。

背景技术：

1、在现代数控铣削加工过程中，刀具磨损状态的精准监测对保障加工表面质量、避免工件报废以及提高生产效率具有重大意义，声发射技术由于具有频率响应高、对微观摩擦和断裂应力波敏感等物理特性，在刀具磨损监测中具有天然优势，被广泛应用于各类金属切削监测场景中。

2、现有的声发射监测方案通常采用固定时间窗对连续采集的信号进行分割并提取整体能量特征，或者直接依赖经验固定阈值来滤除噪声。然而在铣削加工中，切削呈现断续冲击特性，信号本身包含了高强度的突发冲击声发射成分与反映摩擦磨损的微弱连续声发射成分，现有方法缺乏针对这两类信号的自适应分离机制。同时，跨周期信号混叠、切削液冲击等随机机械干扰以及固定阈值难以适应不同加工工况等缺点，导致提取出的磨损特征在刀具早期磨损阶段极易受到背景噪声掩盖，引发状态误判或预警滞后。

3、因此，如何实现高精度的逐周期信号同步分割与时频域内的突发连续信号自适应分离，并在此基础上建立抗干扰的高灵敏度差分磨损特征以提高监测预警的准确性，成为了本领域亟待解决的唯一技术问题。

技术实现思路

1、为了解决切削声发射信号无法高精度自适应分离且特征极易受干扰的现有技术问题，本技术提供一种基于声发射信号的铣削刀具磨损状态监测方法与系统。

2、在第一方面中，本技术提供了一种基于声发射信号的铣削刀具磨损状态监测方法，包括：同步采集铣削加工中的连续声发射时序和每转脉冲同步信号，结合主轴转速和铣刀齿数计算每齿切削周期的理论时长，依据理论时长将连续声发射时序切分为以单齿切削周期为单位的独立片段序列；对独立片段序列施加短时傅里叶变换得到时频矩阵，计算时频矩阵的各时间帧能量以构建自适应突发声发射识别掩膜，通过掩膜去除时频矩阵中的突发声发射时间帧得到纯净时频矩阵，并将纯净时频矩阵重构为纯净连续声发射信号；基于纯净连续声发射信号计算连续声发射均方根值，并从纯净时频矩阵中提取摩擦敏感频段能量占比，根据新刀状态下的基线统计量将连续声发射均方根值和摩擦敏感频段能量占比转换为对应的标准化偏离量，并对连续声发射均方根值的标准化偏离量计算线性趋势斜率；基于标准化偏离量和线性趋势斜率执行两级优先级磨损状态判定，获取磨损等级输出对应的换刀预警信号。

3、本技术基于多源信号同步与动态时长计算，实现了单齿物理边界的精确切分，结合纯数据驱动的时频自适应掩膜构建机制有效剔除突发冲击成分，显著提升了分离后连续摩擦成分的纯净度，使得后续差分特征的计算能够准确反映早期微观磨损的变化趋势。

4、优选的，所述依据理论时长将连续声发射时序切分为以单齿切削周期为单位的独立片段序列的步骤，包括：基于每转脉冲同步信号的相邻脉冲间隔实时更新主轴转速，重新计算理论时长并动态调整独立片段序列的截取终点；当相邻脉冲间隔超出正常范围时判定对应脉冲异常，利用前若干个周期的平均间隔推算当前周期时长并标记对应片段为低可信度状态。

5、优选的，所述计算时频矩阵的各时间帧能量以构建自适应突发声发射识别掩膜的步骤，包括：将时频矩阵内所有频率单元的复数幅值绝对值的平方和作为对应时间帧的全频带能量；计算当前单齿切削周期内所有时间帧的全频带能量的均值与标准差；按照切入与切出冲击过程的时间占比上限确定突发声发射时间帧的判定阈值，并结合所述均值与所述标准差反解出自适应倍率系数以生成自适应突发声发射识别掩膜。

6、依据铣削运动学先验确定的时间占比上限反解自适应倍率系数，使掩膜分离边界随当前齿周期能量分布特性自动调整，对不同切削工况均保持有效的突发连续声发射分离能力。

7、优选的，所述通过掩膜去除时频矩阵中的突发声发射时间帧得到纯净时频矩阵，并将纯净时频矩阵重构为纯净连续声发射信号的步骤，包括：将全频带能量大于判定阈值的时间帧在时频矩阵中的对应列置零得到纯净时频矩阵；校验被置零时间帧的频谱重心，若频谱重心低于低频机械干扰阈值则恢复对应时间帧的时频系数；对校验后的纯净时频矩阵进行短时傅里叶逆变换重构出当前单齿切削周期的纯净连续声发射信号。

8、优选的，所述根据新刀状态下的基线统计量将连续声发射均方根值和摩擦敏感频段能量占比转换为对应的标准化偏离量的步骤，包括：在纯净时频矩阵中提取标定阶段确定的摩擦敏感频段内的能量之和与全频段总能量的比值作为摩擦敏感频段能量占比；在标定阶段记录新刀状态下前若干个齿周期的连续声发射均方根值和摩擦敏感频段能量占比，分别计算两者对应的基线均值和基线标准差；将当前单齿切削周期的连续声发射均方根值和摩擦敏感频段能量占比分别减去对应基线均值后除以对应基线标准差得到标准化偏离量。

9、通过计算标准化偏离量，将不同量纲的特征统一至可比较的评估尺度中，显著放大了微弱磨损信号在统计上的辨识度，排除了天然背景波动的干扰。

10、优选的，所述对连续声发射均方根值的标准化偏离量计算线性趋势斜率的步骤，包括：选取长度为铣刀总齿数整数倍的滑动窗口，采用最小二乘线性拟合计算滑动窗口内标准化偏离量序列的线性趋势斜率；在监测初期检测到标准化偏离量持续低于设定阈值时利用当前阶段的特征均值修正基线均值和基线标准差。

11、优选的，所述基于标准化偏离量和线性趋势斜率执行两级优先级磨损状态判定的步骤，包括：将线性趋势斜率作为第一级优先触发判据，当线性趋势斜率超过重度磨损边界斜率阈值时直接触发换刀预警信号；当线性趋势斜率未超过重度磨损边界斜率阈值时启用第二级联合判定，若连续声发射均方根值的标准化偏离量和摩擦敏感频段能量占比同时超过同一磨损等级的对应阈值，则将磨损等级更新为对应等级。

12、通过基于斜率触发与双特征联合判定的两级优先级架构，在保证突发磨损加速阶段预警及时性的同时，有效抑制了由偶发异常波动引起的误报。

13、优选的，所述获取磨损等级输出的步骤之后，还包括：在全寿命切削试验标定阶段，提取各磨损等级边界处对应特征值分布的统计中位数作为判定阈值并存入参数库；在监测结束后根据刀具离线测量的真实磨损量重新拟合各等级边界处的特征分布，持续修正参数库中的判定阈值并在连续单向偏移时生成参数漂移提示。

14、优选的，所述获取磨损等级输出对应的换刀预警信号的步骤，还包括：向外部系统发送实时磨损等级状态量以及换刀预警数字信号；将以单齿切削周期为单位的特征时序数据流写入本地存储缓冲区并在缓冲区满后转存至上位机。

15、在第二方面中，本技术提供了一种基于声发射信号的铣削刀具磨损状态监测系统，包括：处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现上述一种基于声发射信号的铣削刀具磨损状态监测方法。

16、本技术通过精确的时间同步切分与自适应帧能量掩膜计算，从交织复杂的切削环境中分离出反映实际微观摩擦的纯净连续信号，为后续高级特征的构建提供了坚实的数据质量保障，增强了对早期磨损微弱变化的感知能力。

17、在此基础上，本技术综合多维标准化偏离量与线性趋势变化特征执行两级优先级联合判定，有效化解了预警滞后与误报频发之间的矛盾，结合参数库的长效动态修正机制，使得系统在长期运行中保持了有效的工况适应性。