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基于HMM的机床切削颤振预报系统的研究

作　者: 张学文
导　师: 张春良
学　校: 南华大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 隐Markov模型(HMM) 切削颤振数字滤波标量量化 FFT 颤振预报
分类号: TG506
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文以国家自然科学基金项目“基于隐马尔可夫模型的切削颤振在线监测与控制的研究”(编号:50375070)为基础,提出硕士学位论文题目“基于HMM的机床切削颤振预报系统的研究”。本文研究了HMM的基本理论和算法,并讨论其在机床切削颤振预报中的应用,开发了机床切削颤振预报软件。全文主要研究内容如下: 第一章介绍了机床切削颤振预报研究的意义;综述了切削颤振预报技术的研究现状;分析了HMM在机床切削颤振预报应用中的可行性;最后结合国家自然科学基金项目提出了本文的研究内容,并给出了本文的总体框架和创新之处。第二章从Markov模型入手,引出了HMM的基本概念,然后较为详细的介绍和分析了HMM的基本理论和算法,并对HMM在实际应用中所遇到的问题展开了讨论并提出了若干解决方案,最后提出了HMM在机床切削颤振预报中的作用。第三章应用HMM中的Hterbi算法进行信号的数值滤波处理,讨论了振动信号的特征提取方法,以及幅值谱矢量的标量量化技术,最后提出了机床切削过程中的FFT-HMM颤振预报方法。第四章基于FFT-HMM颤振预报方法,开发了切削颤振预报软件;介绍了软件系统的开发环境、开发工具以及混合编程的接口实现方法;说明了整个软件系统的基本组成和功能。第五章针对前面讨论的HMM理论及其算法、信号数据采集方法、信号特征提取方法,以及切削过程中包含的稳定切削、过渡切削到颤振切削三种状态对应的特征库的建立方法,在CA6140型卧式普通车床上进行切削实验验证。第六章总结了全文的研究成果和创新之处;并对今后的工作提出了展望。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-19
  1.1 引言  9-10
  1.2 切削颤振预报研究现状与发展  10-12
    1.2.1 传感信号选用  10-11
    1.2.2 特征量提取  11-12
    1.2.3 预报判决方法  12
  1.3 HMM在切削颤振预报中应用的意义  12-17
    1.3.1 隐Markov模型(HMM)  12-13
    1.3.2 HMM在语言识别中的应用  13-16
    1.3.3 HMM在切削颤振预报中应用的可行性  16-17
    1.3.4 研究HMM切削颤振预报方法的意义  17
  1.4 论文的研究内容、创新之处及总体结构  17-18
    1.4.1 本文的研究内容  17-18
    1.4.2 本文的创新之处  18
    1.4.3 本文的总体结构  18
  1.5 本章小结  18-19
第二章 HMM基本理论、算法及其应用  19-38
  2.1 引言  19
  2.2 MARKOV模型  19-21
  2.3 HMM基本概念和定义  21-24
    2.3.1 HMM基本概念  22-23
    2.3.2 HMM的定义  23-24
  2.4 HMM基本算法  24-30
    2.4.1 前向—后向算法  25-27
    2.4.2 Viterbi算法  27-29
    2.4.3 Baum—Welch算法  29-30
  2.5 HMM的类型  30-31
  2.6 HMM在实际应用中的改进措施  31-35
    2.6.1 初始模型的选取  31-32
    2.6.2 下溢问题的处理  32-34
    2.6.3 多观测序列下HMM重估公式修正  34-35
  2.7 HMM在机床切削颤振预报中的作用  35-37
  2.8 本章小结  37-38
第三章机床切削过程HMM颤振预报系统  38-52
  3.1 引言  38
  3.2 系统总体构架  38-39
  3.3 切削颤振预报系统分析  39-49
    3.3.1 振动信号的数字滤波处理  39-42
    3.3.2 振动信号的特征提取  42-49
  3.4 FFT-HMM状态识别法  49-51
  3.5 本章小结  51-52
第四章机床切削颤振预报软件开发  52-63
  4.1 引言  52
  4.2 开发工具介绍  52-54
    4.2.1 Matlab系统  52-53
    4.2.2 Visual C++ 6.0  53-54
  4.3 MATLAB与VC接口实现  54-59
    4.3.1 通过Matlab引擎将VC和Matlab集成  54-56
    4.3.2 利用Matlab自身的编译器  56-58
    4.3.3 利用MATCOM和VC集成  58-59
  4.4 切削颤振预报软件的基本功能  59-62
    4.4.1 HMM颤振预报软件工作流程  59-60
    4.4.2 HMM颤振预报主程序界面  60-61
    4.4.3 FFT分析功能  61
    4.4.4 HMM滤波功能  61-62
    4.4.5 辅助工具  62
  4.5 本章小结  62-63
第五章基于HMM机床切削颤振预报实验  63-70
  5.1 引言  63
  5.2 实验验证  63-66
    5.2.1 实验装置及仪器介绍  63-65
    5.2.2 实验条件  65-66
  5.3 实验方案  66-68
    5.3.1 模型训练  67-68
    5.3.2 切削状态识别  68
  5.4 实验结果讨论  68-69
    5.4.1 振动信号的变化特征  68-69
    5.4.2 预报效果  69
  5.5 本章小结  69-70
第六章结论与展望  70-72
  6.1 本文总结  70-71
  6.2 未来展望  71-72
附录A 缩略语  72-73
附录B 符号表  73-74
参考文献  74-77
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  77-78
致谢  78

基于HMM的机床切削颤振预报系统的研究

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