CN112975574B - 一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统，包括依次连接的数据采集模块、时谱图生成模块、频谱图生成模块和表面质量在线检测模块；所述时谱图生成模块与表面质量在线检测模块连接，所述表面质量在线检测模块包括训练好的4个并行的Resnet18网络模型、以及Resnet18网络模型的输出端依次连接的全连接层和softmax层。本发明使用铣削过程中采集到切削力信号和噪声信号，进行小波包分解与重构、以及傅里叶变换；再将处理过后的信号输入到训练好的基于Resnet18的神经网络中获取表面残余应力，实现铝合金薄壁件铣削过程中实现表面质量在线检测；具有检测难度低、检测效果好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金薄壁件制造领域，具体涉及一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统。
背景技术
在高端装备制造领域，铝合金薄壁件是不可或缺的重要零部件，其表面的平整度对设备有着重要的影响。因此，在制造铝合金薄壁件的最后一个环节就是对铝合金薄壁件表面的平整度的检测，通常都是采用抽检的方式对一批铝合金薄壁件进行检测，这种检测方式存在次品漏检、检测困难、检测成本高等问题。也有作者提出基于图像识别缺陷方法对铝合金表面质量进行检测，但是因为铝合金表面光洁度高，反光严重，采集的图像细节会被高光覆盖，导致基于图像识别缺陷算法的检测难度大、检测效果差等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统，该系统可对在线对铝合金薄壁件表面进行检测，检测难度小、检测效果好。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统，包括依次连接的数据采集模块、时谱图生成模块、频谱图生成模块和表面质量在线检测模块；所述时谱图生成模块与表面质量在线检测模块连接；
所述数据采集模块用于采集铝合金薄壁件铣削过程中的切削力信号和噪音信号；
所述时谱图生成模块用于将切削力信号和噪音信号进行分解与重构处理后获得切削力时谱信号和噪音时谱信号，并分别根据切削力时谱信号和噪音时谱信号生成切削力时谱图和噪音时谱图，所述分解与重构处理采用小波包变换实现；
所述频谱图生成模块用于将切削力时谱信号和噪音时谱信号进行时频转换后获得切削力频谱信号和噪音频谱信号，并分别根据切削力频谱信号和噪音频谱信号生成切削力频谱图和噪音频谱图，所述时频转换采用快速傅里叶变换实现；
所述表面质量在线检测模块用于根据所述切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图获取表面残余应力区间，并根据所述表面残余应力区间实现对铝合金表面质量在线检测，所述表面质量在线检测模块包括训练好的4个并行的Resnet18网络模型、以及Resnet18网络模型的输出端依次连接的全连接层和softmax层。
进一步地，所述数据采集模块包括用于采集切削力信号的切削力测试仪和用于采集噪音信号的音频采集器。
进一步地，所述切削力信号和噪音信号的采样频率大于铣削过程中的铣刀的转速与铣刀的刀刃数量两者的乘积。
进一步地，所述时谱图生成模块对切削力信号和噪音信号分解，具体按照如下公式进行：
式中，WPS n （j） (τ,f)是分解得到的n个时频分量信号，n属于[0,2P-1]，P为阶数；j为第k层小波包分解数；u n (t)为小波包基函数；S n (j) 为小波包分量；t为时间；f为采样频率；τ为输入信号的相位；
对分解后的时频分量信号进行重构，具体按照如下公式进行：
式中，WPS n （j） (τ,f)是分解得到的n个时频分量信号，n属于[0,2P-1]，P为阶数；WPS （j） (τ,f)为将n个时频分量信号重构后的时频信号。
进一步地，所述表面质量在线检测模块是通过如下步骤训练获得：
（1）采集铝合金薄壁件铣削过程中的切削力信号、噪音信号和表面残余应力值，对切削力信号和噪音信号进行截取，再将所述表面残余应力值分为n个不重叠的区间；
（2）将切削力信号和噪音信号进行分解与重构处理后获得切削力时谱信号和噪音时谱信号，并分别根据切削力时谱信号和噪音时谱信号生成切削力时谱图和噪音时谱图，所述分解与重构处理采用小波包变换实现；
（3）将切削力时谱信号和噪音时谱信号进行时频转换后获得切削力频谱信号和噪音频谱信号，并分别根据切削力频谱信号和噪音频谱信号生成切削力频谱图和噪音频谱图；所述时频转换采用快速傅里叶变换实现；
（4）将切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图与对应的表面残余应力值所在区间进行标记；并将标记后的切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图划分为训练集、校验集和测试集，训练集、校验集和测试集的比例为10:1:1；
（5）将训练集输入至表面质量在线检测模块内进行训练，再将校验集输入至训练后的表面质量在线检测模块内进行校验，最后将测试集输入校验后的表面质量在线检测模块进行测试，直到校验后的表面质量在线检测模块输出结果为测试集对应的表面残余应力区间内，获得训练好的表面质量在线检测模块。
进一步地，步骤（5）中将训练集输入至表面质量在线检测模块内进行训练，训练过程中的调节学习率：
式中，decayrate为衰减率，epoch_num为循环次数，α 0 为初始学习率。
本发明利用大量的切削力信号、噪音信号以及对应的表面残余应力训练基于Resnet18的神经网络模型，可通过切削力信号和噪音信号实现对铝合金薄壁件表面残余应力的检测，进而实现对表面质量检测，提高检测效果，经试验验证，本发明的表面质量检测的有效率可高达95%以上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的小波包变换前后的对比图；其中，（a）切削力信号图；（b）重构后的切削力信号图；（c）噪音信号图；（d）重构后的噪音信号图。
图3为本发明的切削力信号经过快速傅里叶变换后的频域图。
图4为本发明的噪音信号经过快速傅里叶变换后的频域图。
图5为本发明的表面质量在线检测模块结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统包括数据采集模块、时谱图生成模块、频谱图生成模块和表面质量在线检测模块。
所述数据采集模块用于采集铝合金薄壁件铣削过程中的切削力信号和噪音信号；具体地，采用切削力测试仪采集切削力信号，采用音频采集器采集噪音信号，所述切削力测试仪和音频采集器均安装在铣削机床上并能采集到相应信号，具体根据现场的设备安装，切削力测试仪和音频采集器通过数据传输线与场内的工控机连接，工控机内安装有能实现时谱图生成模块、频谱图生成模块和表面质量在线检测模块功能的软件程序。
所述时谱图生成模块用于将切削力信号和噪音信号采用小波包变换进行分解与重构处理后获得切削力时谱信号和噪音时谱信号，并分别根据切削力时谱信号和噪音时谱信号生成切削力时谱图和噪音时谱图；具体地，本实施例采用安装在工控机内的matlab来实现对切削力信号和噪音信号的处理，采用matlab实现小波包变换（WPT）分解与重构处理。
所述时谱图生成模块对切削力信号和噪音信号分解，提取切削力信号和噪音信号中的能量高频信号，具体按照如下公式进行：
式中，WPS n （j） (τ,f)是分解得到的n个时频分量信号，n属于[0,2P-1]，P为阶数；j为第k层小波包分解数；u n (t)为小波包基函数；S n (j) 为小波包分量；t为时间；f为采样频率；τ为输入信号的相位；
对分解后的时频分量信号进行重构，具体按照如下公式进行：
式中，WPS n （j） (τ,f)是分解得到的n个时频分量信号，n属于[0,2P-1]，P为阶数；WPS （j） (τ,f)为将n个时频分量信号重构后的时频信号。
小波包分解与重构后的切削力信号和噪音信号的时域图如图2和图3所示，图2中（a）切削力信号图，（b）重构后的切削力信号图，（c）噪音信号图，（d）重构后的噪音信号图；去除了信号中的噪音信号，保护信号的能量高频信号。
所述频谱图生成模块用于将切削力时谱信号和噪音时谱信号进行时频转换后获得切削力频谱信号和噪音频谱信号，并分别根据切削力频谱信号和噪音频谱信号生成切削力频谱图和噪音频谱图；时频转换采用快速傅里叶变换实现，切削力频谱图和噪音频谱图X、Y坐标轴取对数刻度，X轴范围取1~10000，Y轴范围取0.1~1000，如图3所示。
所述表面质量在线检测模块用于根据所述切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图获取表面残余应力区间，并根据所述表面残余应力区间实现对铝合金表面质量在线检测。
如图5所示，所述表面质量在线检测模块包括训练好的4个并行的Resnet18网络模型、以及Resnet18网络模型的输出端依次连接的全连接层和softmax层，所述Resnet18网络模型采用现有技术的Resnet18网络模型结构，且每个Resnet18网络模型均设有一个输入端和一个输出端，每个输入端对应输入图像，所述图像包括切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图；输入图像大小为224×224，四个Resnet18网络模型的输出端均与全连接层连接。
所述表面质量在线检测模块是通过大量的数据（切削力信号、噪音信号以及对应的表面残余应力）训练获取的，具体训练步骤如下：
（1）采集铝合金薄壁件铣削过程中大量的切削力信号、噪音信号和表面残余应力值，对切削力信号和噪音信号进行截取处理，假如获取的信号长度为100s，截取成每10s一段，总共10段，再将表面残余应力值分为n个不重叠的区间，具体将将残余应力值划分为0~20MPa、20~40MPa、40~60MPa、60~80MPa、80~100MPa、100~120MPa、120~140MPa、140~160MPa、160~180MPa、180~200MPa，10个不同类别的区间，图5中n与划分的区间个数相同；
（2）将切削力信号和噪音信号采用小波包变换进行分解与重构处理后获取切削力时谱信号和噪音时谱信号，并分别根据切削力时谱信号和噪音时谱信号生成切削力时谱图和噪音时谱图；
（3）将切削力时谱信号和噪音时谱信号采用快速傅里叶变换进行时频转换后获取切削力频谱信号和噪音频谱信号，并分别根据切削力频谱信号和噪音频谱信号生成切削力频谱图和噪音频谱图；
（4）将切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图与对应的表面残余应力值所在区间进行标记，标记是指同一时间切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图与对应的检测表面残余应力值做相同标记，假设将10~20s采集的切削力信号和噪音信号转换后获得切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图以及对应采集的表面残余应力值进行标记，表示该切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图应当输出的表面残余应力值；并将标记后的切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图按照比例为10:1:1划分为训练集、校验集和测试集；划分是将任意一组标记后的切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图与对应的表面残余应力排列在训练集、校验集和测试集其中一集中；
（5）将训练集输入至表面质量在线检测模块内进行训练，在训练过程中，自适应的调节学习率为
式式中，decayrate为衰减率，epoch_num为循环次数，α 0 为初始学习率。
训练过程中的mini_batch大小根据数据集大小，在32、64、128、256中进行选择；训练过程中引入L2正则化来防止模型过拟合；为了防止出现梯度爆炸或梯度消失，训练过程中使用ReLU作为激活函数；为了防止过拟合，训练过程中dropout取0.5；训练过程中的loss函数为：
其中p(x)为期望输出，q(x)为实际输出。
假设总共有i个样本， i个样本具体划分为n类训练数据，属性数为T，给定测试输入为x，输出为y，针对某一类别j估算的概率值为P(y=j│x)，则所估算的每一类别的概率值为：
式中，hθ(x(i))为输出结果；θj为输出表面残余应力区间j时所涉及的网络参数，θ1为输出表面残余应力区间１时所涉及的网络参数，θ为网络中所有参数集合；x（i）为输入的样本，输入为切削力信号，那么x（i）为切削力样本，x(1)为第一个切削力样本；y为输出，输入为切削力信号，那么y（i）为切削力样本所在的表面残余应力区间，y(1)为第一个切削力样本所在的表面残余应力区间；P(y=j│x) 为针对某一类别j估算的概率值，P(y（1）=1│x(1); θ)为输入x(i)输出为表面残余应力区间1的概率，通过计算的概率输出结果，一个4个样本为例，就会输出4个表面应力区间，分别为1、2、3、4，概率最高的表面应力区间为最终输出的表面应力区间，则为输出的表面应力区间值，T为属性数，
为输出为1时提取特征属性数为T时的网络参数；
对概率分布进行归一化，使得所有概率之和为1。
再将校验集输入至训练后的表面质量在线检测模块内进行校验，最后将测试集输入校验后的表面质量在线检测模块进行测试，直到校验后的表面质量在线检测模块输出结果为测试集对应的表面残余应力区间内，获得训练好的表面质量在线检测模块。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统，其特征在于：包括依次连接的数据采集模块、时谱图生成模块、频谱图生成模块和表面质量在线检测模块；所述时谱图生成模块与表面质量在线检测模块连接；
所述数据采集模块用于采集铝合金薄壁件铣削过程中的切削力信号和噪音信号；
所述时谱图生成模块用于将切削力信号和噪音信号进行分解与重构处理后获得切削力时谱信号和噪音时谱信号，并分别根据切削力时谱信号和噪音时谱信号生成切削力时谱图和噪音时谱图，所述分解与重构处理采用小波包变换实现；
所述频谱图生成模块用于将切削力时谱信号和噪音时谱信号进行时频转换后获得切削力频谱信号和噪音频谱信号，并分别根据切削力频谱信号和噪音频谱信号生成切削力频谱图和噪音频谱图，所述时频转换采用快速傅里叶变换实现；
所述表面质量在线检测模块用于根据所述切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图获取表面残余应力区间，并根据所述表面残余应力区间实现对铝合金表面质量在线检测，其中，所述表面质量在线检测模块包括训练好的4个并行的Resnet18网络模型、以及Resnet18网络模型的输出端依次连接的全连接层和softmax层，其中，所述表面质量在线检测模块是通过如下步骤训练获得：
(1)采集铝合金薄壁件铣削过程中的切削力信号、噪音信号和表面残余应力值，对切削力信号和噪音信号进行截取，再将所述表面残余应力值分为n个不重叠的区间；
(2)将切削力信号和噪音信号进行分解与重构处理后获得切削力时谱信号和噪音时谱信号，并分别根据切削力时谱信号和噪音时谱信号生成切削力时谱图和噪音时谱图，所述分解与重构处理采用小波包变换实现；
(3)将切削力时谱信号和噪音时谱信号进行时频转换后获取切削力频谱信号和噪音频谱信号，并分别根据切削力频谱信号和噪音频谱信号生成切削力频谱图和噪音频谱图；所述时频转换采用快速傅里叶变换实现；
(4)将切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图与对应的表面残余应力值所在区间进行标记；并将标记后的切削力时谱图、噪音时谱图、切削力频谱图和噪音频谱图划分为训练集、校验集和测试集，训练集、校验集和测试集的比例为10:1:1；
(5)将训练集输入至表面质量在线检测模块内进行训练，再将校验集输入至训练后的表面质量在线检测模块内进行校验，最后将测试集输入校验后的表面质量在线检测模块进行测试，直到校验后的表面质量在线检测模块输出结果为测试集对应的表面残余应力区间内，获得训练好的表面质量在线检测模块。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统，其特征在于：所述数据采集模块包括用于采集切削力信号的切削力测试仪和用于采集噪音信号的音频采集器。
3.根据权利要求1或2所述的一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统，其特征在于：所述切削力信号和噪音信号的采样频率大于铣削过程中的铣刀的转速与铣刀的刀刃数量两者的乘积。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统，其特征在于：所述时谱图生成模块对切削力信号和噪音信号分解，具体按照如下公式进行：
式中，WPSn (j)(τ,f)是分解得到的n个时频分量信号，n属于[0,2P-1]，P为阶数；j为第k层小波包分解数；un(t)为小波包基函数；Sn (j)为小波包分量；t为时间；f为采样频率；τ为输入信号的相位；
对分解后的时频分量信号进行重构，具体按照如下公式进行：
式中，WPSn (j)(τ,f)是分解得到的n个时频分量信号，n属于[0,2P-1]，P为阶数；WPS(j)(τ,f)为将n个时频分量信号重构后的时频信号。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金薄壁件铣削过程表面质量在线检测系统，其特征在于：步骤(5)中将训练集输入至表面质量在线检测模块内进行训练，训练过程中的调节学习率：
式中，decayrate为衰减率，epoch_num为循环次数，α0为初始学习率。
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