專(zhuān)利名稱(chēng)：基于聲音特征提取的超高壓水射流速度優(yōu)化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高壓水射流切割技術(shù)，具體是超高壓水射流速度優(yōu)化控制方法。
背景技術(shù)：
超高壓水射流切割機(jī)在切割過(guò)程中具有無(wú)化學(xué)變化、無(wú)熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，隨著高科技的迅速發(fā)展，水射流切割機(jī)更趨向復(fù)雜化、更高壓力、高性能、大負(fù)荷、高集成度、機(jī)電一體化、依賴(lài)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，如何提高切割產(chǎn)品的光滑度和切割效率是目前超高壓水射流切割優(yōu)化控制的主要研究?jī)?nèi)容。
由水射流基本理論得到影響水射流切割光滑度
K工藝參數(shù)主要有噴嘴移動(dòng)速度6、水壓P、流量g、噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)(內(nèi)徑、長(zhǎng)徑比、材
料、形狀)、靶距“沖擊角度5、切割次數(shù)《、總功率況、磨料參數(shù)(種類(lèi)、尺寸、流量)、磨
料混合方式(前置式、后置式)、產(chǎn)品參數(shù)(厚度、材料)等20多個(gè)，因此水射流系統(tǒng)光滑度&
與這些參數(shù)是強(qiáng)非線性映射關(guān)系，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行全面定量的研究和優(yōu)化控制目前存在很大的困難。然而，在水射流切割工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，受生產(chǎn)條件限制，并不是上述所有的工藝參數(shù)
都可以調(diào)整，可以調(diào)整的主要的工藝參數(shù)有噴嘴移動(dòng)速度G、水壓P、沖擊角度0等，其中
噴嘴移動(dòng)速度i是主要優(yōu)化控制因素。由生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)得知不同厚度的產(chǎn)品切穿持續(xù)時(shí)間明顯不同，切割時(shí)間越長(zhǎng)，切割質(zhì)量越好，對(duì)應(yīng)噴嘴的橫移速度越慢；通過(guò)水射流設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)上層指令可以方便調(diào)整，可行性好，噴嘴移動(dòng)速度對(duì)提高切割的光滑度 < 的貢獻(xiàn)率在18%。因此，如何根據(jù)不同的材料、不同厚度、不同光滑度要求自適應(yīng)優(yōu)化最佳的噴嘴移動(dòng)速度z是關(guān)鍵?，F(xiàn)有的超高壓水射流速度控制仍然處于簡(jiǎn)單的人工經(jīng)驗(yàn)控制，效率低，通過(guò)在數(shù)控系統(tǒng)中手工設(shè)置最大值和最小值速度，按照直線減速方式進(jìn)行硬切換，難以滿足柔性制造的高光滑度自適應(yīng)控制要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是為了解決上述問(wèn)題，提供一種基于聲音特征提取的自適應(yīng)優(yōu)化控制超高壓水射流噴嘴橫移速度的方法，提高切割產(chǎn)品表面光滑度和切割效率，滿足實(shí)際工業(yè)生
產(chǎn)的需要。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是包括如下步驟(I)在沒(méi)有切割工件時(shí)采集多段背景噪聲信號(hào)，對(duì)背景噪聲信號(hào)進(jìn)行分析獲得時(shí)域特征和頻域特征，背景噪聲能量集中在0-8500HZ濾波頻帶基準(zhǔn)內(nèi)，背景噪聲信號(hào)均方差為; (2)獲取#組水射流
切割現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)7 U)，選取*>令)的￡個(gè)離散序列/ )= 是正整數(shù)，對(duì)7ft)進(jìn)行五個(gè)尺度的正交小波分解，獲得各尺度的小波分解系數(shù)a = 1,2,...5為分解尺度，^=0,2,...2^為分解個(gè)數(shù)；根據(jù)小波分解系數(shù)的平方和計(jì)算各尺度上的分解能量，建立分解尺度和分解能量分布圖，并利用所述背景噪聲的均方差I(lǐng)和所述濾波頻帶基
準(zhǔn)，基于最小距離原則確定尺度閾值A(chǔ) = 3，令大于該尺度閾值的各尺度的小波系數(shù)為零，其他尺度分解小波系數(shù)不變，得到新的小波系數(shù)，對(duì)所述新的小波系數(shù)進(jìn)行信號(hào)小波逆變換，得到純粹的水射流切割反射聲音/ 的近似反射聲音信號(hào)/4),求出/4)的振幅包絡(luò);當(dāng)振幅包絡(luò),(X)的絕對(duì)值大于設(shè)定的幅值閾值門(mén)限A = 0.35時(shí)，獲取對(duì)應(yīng)的水射流切割開(kāi)始時(shí)刻％ ;當(dāng)振幅包絡(luò),￠)的絕對(duì)值小于設(shè)定的幅值閾值門(mén)限A =0.35時(shí)，獲取對(duì)應(yīng)的水射流切割結(jié)束時(shí)刻h ;得到#個(gè)水射流反射聲音切穿時(shí)間HI，計(jì)算信號(hào)能量
^ = ElZi^f ; (3)將切穿時(shí)間L、能量5特征作為輸入量、以人工經(jīng)驗(yàn)獲得的最佳噴嘴橫 移速度為輸出量建立最小二乘支持向量機(jī)模型；(4)切割工件時(shí)，在線采集切割現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)，提取其切穿時(shí)間和信號(hào)能量，將切穿時(shí)間和信號(hào)能量輸入到所述最小二乘支持向量機(jī)模型，獲得最佳噴嘴橫移速度。當(dāng)超高壓水射流沖擊不同材質(zhì)和幾何形狀參數(shù)的目標(biāo)物體時(shí)，產(chǎn)生聲音的特征值不同，因此本發(fā)明利用超高壓水射流反射聲音識(shí)別是否切穿物體，從而確定合適的優(yōu)化速度。本發(fā)明具有很強(qiáng)的實(shí)用性，能夠?qū)Σ煌牧?、不同厚度、不同光滑度要求基于聲音特征自適應(yīng)優(yōu)化最佳的噴嘴移動(dòng)速度，可提高水射流切割的工作效率以及切割產(chǎn)品的品質(zhì)，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。


圖I是聲音信號(hào)計(jì)算機(jī)采集和控制系統(tǒng)應(yīng)用 圖2是圖I中的計(jì)算機(jī)9的結(jié)構(gòu) 圖3是背景噪聲信號(hào) 圖4是現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào) 圖5是現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)的頻譜 圖6是純粹的水射流切割反射聲音信號(hào)包絡(luò) 圖7是本發(fā)明基于聲音特征提取的超高壓水射流速度優(yōu)化控制流程；
圖8是切割聲音時(shí)間與最優(yōu)切割速度的匹配關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，首先在現(xiàn)有的超高壓水射流切割機(jī)上設(shè)置聲音信號(hào)計(jì)算機(jī)采集和控制系統(tǒng)，現(xiàn)有的超高壓水射流切割機(jī)包括升壓泵系統(tǒng)I、加砂部分2和水射流噴嘴3，加工工件4固定在工作臺(tái)5，聲音信號(hào)計(jì)算機(jī)采集和控制系統(tǒng)由聲音傳感器6、聲音信號(hào)傳輸線7、信號(hào)放大調(diào)理模塊8以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)9依次相串接組成，其中，聲音傳感器6設(shè)置在加工工件4上，本發(fā)明可采用多個(gè)聲音傳感器6。參見(jiàn)圖2，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)9是基于TMS320DM642 DSP為核心的聲音采集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，信號(hào)放大調(diào)理模塊8采用AWA14604型前置放大器組成前端測(cè)試單元，通過(guò)信號(hào)傳輸線和高速A/D數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)I/O接口處理，信號(hào)采集頻率為32000Hz。聲音傳感器6米集的現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)由純粹的水射流切割反射聲音和背景噪聲組成，本發(fā)明要對(duì)背景噪聲進(jìn)行有效抑制，再對(duì)純粹的水射流切割反射聲音進(jìn)行特征提取。具體是
參見(jiàn)圖7，首先，采用圖I的聲音信號(hào)計(jì)算機(jī)采集和控制系統(tǒng)提取背景噪聲。背景噪聲主要包括切割機(jī)升壓泵系統(tǒng)I工作的噪音、工作臺(tái)5的低頻振動(dòng)噪聲等等。當(dāng)水射流噴嘴3沒(méi)有切割加工工件4時(shí)，通過(guò)聲音傳感器6采集多段背景噪聲信號(hào)，采集的背景噪聲信號(hào)參見(jiàn)圖3。對(duì)圖3的背景噪聲信號(hào)進(jìn)行分析，獲得時(shí)域特征和頻域特征。頻域特征是經(jīng)傅里葉變換獲得噪聲的頻帶，背景噪聲能量集中在低頻段的0-8500HZ內(nèi)，為下面的聲音信號(hào)處理提供信號(hào)濾波頻帶基準(zhǔn)。時(shí)域特征是通過(guò)常規(guī)的自相關(guān)統(tǒng)計(jì)和直方圖技術(shù)，可獲取背景噪聲信號(hào)均方差<7 時(shí)域特征。參見(jiàn)圖4-6，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行切割不同材料和不同厚度工件的工作，且利用圖I的聲音信 號(hào)計(jì)算機(jī)采集和控制系統(tǒng)獲取多組水射流現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要考慮兩種情況一種情況是材料固定，厚度變化；另一種情況是材料變化，厚度變化。由于超高壓水射流切割現(xiàn)場(chǎng)聲音非常嘈雜，對(duì)提取純粹的水射流切割反射聲音產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，而只有純粹的水射流切割反射聲音才反映切割工件的特征。因此，提取純粹的水射流切割反射聲音/￠)特征時(shí)，先采用圖I的聲音信號(hào)計(jì)算機(jī)采集和控制系統(tǒng)獲取超高壓水射流切割現(xiàn)場(chǎng)
聲音信號(hào)_7(0，再通過(guò)與背景噪聲信號(hào)均方差^比較判斷是否有純粹的水射流切割反射
聲音信號(hào)/￠)。切割現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)頻譜參見(jiàn)圖5，高頻段8500-15000HZ內(nèi)為有用信號(hào)。對(duì)于優(yōu)化速度控制，純粹的水射流切割反射聲音信號(hào)/￠)最主要的特征是切割時(shí)間長(zhǎng)度*和信號(hào)能量￡。h-t, = 是水射流切割開(kāi)始時(shí)刻，t,是水射流切割結(jié)束時(shí)刻。如何精確提取純粹的水射流切割反射聲音信號(hào)的特征切割時(shí)間長(zhǎng)度^和信號(hào)能量s是關(guān)鍵，需要精確確定奇異跳變的兩個(gè)時(shí)刻L ^ ,而切割現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)_7(0受到噪聲影響，難以精確提取特征量。采集的切割現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)的聲音數(shù)據(jù)；中含有較多噪聲，具有非平穩(wěn)性特征，傳統(tǒng)的頻域?yàn)V波難以準(zhǔn)確恢復(fù)純粹的水射流切割反射聲音/￠)，本發(fā)明采用小波信號(hào)消噪，通過(guò)小波多尺度分析得到奇異跳變精確時(shí)刻，消除了噪聲影響。小波信號(hào)消噪的主要步驟如下
I )選取片)的Z個(gè)離散序列:7 )，L = 2M ,為離散數(shù)據(jù)樣點(diǎn)數(shù)，《是正整數(shù)。對(duì).KU進(jìn)行多尺度正交小波分解(設(shè)尺度為5)，獲得各尺度的小波分解系數(shù)其中《 = 1,2,...5為分解尺度，先二 0,2，...2&1為分解樣點(diǎn)數(shù)，F(xiàn)ajt為小波分解系數(shù)。II )計(jì)算小波分解后各個(gè)尺度上的分解能量值。對(duì)于正交小波，用小波系數(shù)表示
2"T-i^
信號(hào)能量，則各個(gè)尺度上信號(hào)分布的分解能量可表示為P, = ZPU，^ = 1-5 , p表示
A-O匕 a尺度的分解能量。需要注意的是水射流背景噪聲的影響在較高尺度上，在較低尺度上信號(hào)的分解能量主要反映真實(shí)信號(hào)的變化。這樣，建立尺度和分解能量分布圖，并利用前面獲
得背景噪聲的均方差I(lǐng)和濾波頻帶基準(zhǔn)，基于最小距離原則確定尺度閾值A(chǔ) = 3，令大于該尺度閾值的各個(gè)尺度的小波系數(shù)為零，即= O',s = jr,…,5 ;其他尺度分解小波系數(shù)不
變，二 =，這樣得到新的小波系數(shù)矛u。III )用新的小波系數(shù)承#進(jìn)行信號(hào)小波逆變換，得到純粹的水射流切割反射聲·音/ 的近似反射聲音信號(hào)/4)。對(duì)近似反射聲音信號(hào)^ 進(jìn)行Hilbert變換，求出其振幅包絡(luò),它反映了近似反射聲音信號(hào)J1(X)信號(hào)的整體變化趨勢(shì)，便于識(shí)別奇異特征。獲取近似反射聲音信號(hào)/#)信號(hào)和振幅包絡(luò)『(<)后，可以精確確定聲音信號(hào)奇異跳變時(shí)刻《，G。利用特征值搜索程序搜索當(dāng)振幅包絡(luò)的絕對(duì)值大于設(shè)定的幅值閾值門(mén)限A時(shí)，即1,(01 >▲，獲取對(duì)應(yīng)的水射流切割開(kāi)始時(shí)刻& ;當(dāng)振幅包絡(luò),( 的絕對(duì)值小于設(shè)定的幅值閾值門(mén)限時(shí)，即| U| <A ,獲取對(duì)應(yīng)的水射流切割結(jié)束時(shí)刻I2。設(shè)定的幅值閾值門(mén)限為A = CG5，這是經(jīng)驗(yàn)值，信號(hào)能量5=2^1/4)12 ;計(jì)算#個(gè)水射流反射聲音切穿時(shí)間4。
計(jì)算水射流反射聲音切穿時(shí)間t - 。將提取的將L,丑作為水射流反射聲音特征。將切穿時(shí)間信號(hào)能量5*特征作為最小二乘支持向量機(jī)模型的輸入量，同時(shí)考慮了現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境參數(shù)的水射流水壓P、光滑度八對(duì)優(yōu)化速度的影響，將這四個(gè)物理量作為增廣的輸入向量，第t個(gè)向量為& = [mt],下標(biāo)t為試驗(yàn)樣本數(shù)目。以人工經(jīng)驗(yàn)獲得的最佳噴嘴橫移速度為輸出量，即％= [&],這里的&是經(jīng)過(guò)大
量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和試湊獲得的?？紤]訓(xùn)練樣本集為#個(gè)，越多越好，為后續(xù)的最小二乘支持向量機(jī)的建模提供完備的輸入輸出信息。將輸出量與增廣的輸入向量對(duì)應(yīng)，建立#個(gè)非線性輸入輸出向量。獲取非線性輸入輸出數(shù)據(jù){% 4 } J = I..I后，求解滿足下面的方程參數(shù)h
0Ir rI -] 「O _
~(I)
1O 4- T IZ Z
其中，Z= [Z1, Z2,…, f , I = [l,?！? =[珥，0；2，…, ]7" , CIfjfc 為權(quán)值變量，Ij 為偏
置。n= K(P^xj) , i,j = l2,-,N > [( ) = exp(-為非線性映射核函數(shù)，將輸入數(shù)據(jù)映射到高維特征空間，參數(shù)A人工選擇，C為正規(guī)化參數(shù)。由于
高壓水射流系統(tǒng)的最佳噴嘴橫移速度與高壓水射流的切穿時(shí)間、信號(hào)能量、水壓、光滑度等參數(shù)是強(qiáng)非線性映射關(guān)系，這里建立了簡(jiǎn)易的最小二乘支持向量機(jī)模型，即基于式(I)
獲得^ 4建立的最小二乘支持向量機(jī)模型
權(quán)利要求
1.一種基于聲音特征提取的超高壓水射流速度優(yōu)化控制方法，其特征是包括如下步驟(1)在沒(méi)有切割工件時(shí)采集多段背景噪聲信號(hào)，對(duì)背景噪聲信號(hào)進(jìn)行分析獲得時(shí)域特征和頻域特征，背景噪聲能量集中在0-8500HZ濾波頻帶基準(zhǔn)內(nèi)，背景噪聲信號(hào)均方差為 (2)獲取#組水射流切割現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)_fU)，選取的￡個(gè)離散序列/電)，L = 2M是正整數(shù)，對(duì)>電)進(jìn)行五個(gè)尺度的正交小波分解，獲得各尺度的小波分解系數(shù),認(rèn),a = l,2,...5為分解尺度，k= 0,2,...2*-1為分解個(gè)數(shù)；根據(jù)小波分解系數(shù)的平方和計(jì)算各尺度上的分解能量，建立分解尺度和分解能量分布圖，并利用所述背景噪聲的均方差^和所述濾波頻帶基準(zhǔn)，基于最小距離原則確定尺度閾值A(chǔ) = 3，令大于該尺度閾值的各尺度的小波系數(shù)為零，其他尺度分解小波系數(shù)不變，得到新的小波系數(shù)，對(duì)所述新的小波系數(shù)進(jìn)行信號(hào)小波逆變換，得到純粹的水射流切割反射聲音的近似反射聲音信號(hào)M),求出/4)的振幅包絡(luò)妒(1);當(dāng)振幅包絡(luò),(I)的絕對(duì)值大于設(shè)定的幅值閾值門(mén)限A =0.35時(shí)，獲取對(duì)應(yīng)的水射流切割開(kāi)始時(shí)刻4 ;當(dāng)振幅包絡(luò)『的的絕對(duì)值小于設(shè)定的幅值閾值門(mén)限A = 時(shí)，獲取對(duì)應(yīng)的水射流切割結(jié)束時(shí)刻得到#個(gè)水射流反射聲音切穿時(shí)間& = I1 - ^，計(jì)算信號(hào)能量￡ = Z U I2 ; (3)將切穿時(shí)間i、能量特征作為輸入量、以人工經(jīng)驗(yàn)獲得的最佳噴嘴橫移速度為輸出量建立最小二乘支持向量機(jī)模型； (4)切割工件時(shí)，在線采集切割現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)，提取其切穿時(shí)間和信號(hào)能量，將切穿時(shí)間和信號(hào)能量輸入到所述最小二乘支持向量機(jī)模型，獲得最佳噴嘴橫移速度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種基于聲音特征提取的超高壓水射流速度優(yōu)化控制方法，在沒(méi)有切割工件時(shí)采集多段背景噪聲信號(hào)，分析獲得時(shí)域特征和頻域特征，對(duì)選取的N組水射流切割現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)的個(gè)離散序列進(jìn)行五個(gè)尺度的正交小波分解，得到近似反射聲音信號(hào)，求出的振幅包絡(luò)；獲取對(duì)應(yīng)的水射流切割開(kāi)始時(shí)刻和水射流切割結(jié)束時(shí)刻，得到切穿時(shí)間，計(jì)算信號(hào)能量；將切穿時(shí)間、信號(hào)能量作為輸入量、以人工經(jīng)驗(yàn)獲得的最佳噴嘴橫移速度為輸出量建立最小二乘支持向量機(jī)模型；切割工件時(shí)，在線采集切割現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)，提取其切穿時(shí)間和信號(hào)能量輸入到最小二乘支持向量機(jī)模型，獲得最佳噴嘴橫移速度；可提高水射流切割的工作效率及切割產(chǎn)品的品質(zhì)。
文檔編號(hào)G05B13/02GK102672626SQ201210168068
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者孫月平, 張軍, 李雪峰, 趙德安, 陳波 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)