技术摘要：
本发明提供了一种利用运行状态信息预测设备精度保持时间的方法，该方法包括以下步骤：获取目标型号设备的运行过程信息；获得目标精度指标的敏感频率；获得各种任务下的载荷能量谱；构建并训练F‑E‑T曲线模型；及预测新的任务下设备的精度保持时间。
背景技术：
精度指标的退化往往是由设备部件的性能退化引起的。而设备性能退化主  要来 源于外部载荷所造成的损伤和破坏。另外，在工程实际中存在着一类共同 的现象，那就是 当某个部件所承受的载荷频率和其本身的一阶或几阶固有频率  相近时，其性能的退化更 为明显。以滚动轴承为例，轴承内圈、外圈、保持架  和滚动体都有着其各自相对应的故障频 率。因此，精度的退化不仅仅于载荷应  力有关，它与载荷频率也有着密切的联系。这些特点 都对机械设备的退化规律 分析、精度保持性研究等带来很大挑战。 设备精度保持性是指在正常使用条件下，机械设备各精度指标能够长时间  保持 在要求范围内的能力。根据设备精度保持性定义，可以通过设备各项精度  指标保持在要求 范围内的时间长短来评价机床精度保持性，即精度保持时间。 因此本发明对于精度保持时 间的预测评估，实际上就是对机械设备有用寿命的  预测评估。现有寿命预测理论主要分为 基于力学的寿命预测和基于数据驱动的  寿命预测理论，前者是基于构件的应力幅值和平 均应力值等静态特征值对载荷  大小进行量化，从而实现对寿命的估算，该方法忽略了载荷 频率对性能退化的  影响，容易造成估算误差。另外，随着计算机技术、传感器技术、网络技 术的  发展，数据驱动的设备寿命预测方法成为了当前研究的热点。制造过程产生的  大量 运行数据蕴含着反映状态变化的动力学信息。因此，设备状态的关键信息  可以通过对加工 过程中的信号的监测来确定，一些信号处理方法，如小波包分  解和神经网络，已经被用来 从切削力信号、声发射信号和机械制造中产生的振  动信号中提取特征进行设备状态预测。 然而以上方法依赖于大量的历史实验数  据，欠缺对失效机理的考虑，难于应付不断变化的 任务载荷下设备的寿命预测。 任务过程产生的运行状态信息是由多个频率下的简谐波叠加而成，其变化  具有 随机性，无法用明确的函数表达。所以本发明将任务载荷作为复杂载荷进  行计算处理。从 时域角度来看，复杂载荷应力的变化是没有规律可言的，需要  大量的循环计数，数据处理 量非常大。然而从频域角度出发，复杂载荷信息并  不是完全不可描述的。为反映载荷频率 与应力对设备损伤的综合影响，本发明  基于功率谱密度(PSD)的分析方法提出振动能量谱 的计算方法。功率谱密度是信  号谱分析中的一个重要参数，它是结构在随机动态载荷激励 下响应的统计结果，  是一条功率谱密度值-频率值的关系曲线。在随机振动试验设计时，研 究人员通  过产品的在不同使用环境下的振动信号，利用PSD分析模拟产品在实际运行中  受到外部载荷的情况。 基于以上考虑，本发明提出一种将传统的疲劳理论和运行信息的监测技术  联系 起来预测机械设备的精度保持时间的方法。机械设备在加工过程中一直处  在复杂交变载 3 CN 111597722 A 说　明　书 2/11 页 荷的作用下，运行状态信号中包含的能量信息能更准确地反映任  务载荷的应力信息和频 率信息。
技术实现要素：
根据本发明的实施方式所提供的一种将传统的疲劳理论和运行信息的监测  技术 联系起来预测机械设备的精度保持时间的方法主要分为三个部分，即简单  载荷下振动能 量的计算方法、复杂载荷下能量谱的估计方法、基于F-E-T曲线 的设备精度保持时间的预 测方法。 根据本发明的一个实施方式提供了一种利用运行状态信息预测设备精度保  持时 间的方法，包括获取目标型号设备的运行过程信息；获得目标精度指标的  敏感频率；获得 各种任务下的载荷能量谱；构建并训练F-E-T曲线模型；及预  测新的任务下设备的精度保 持时间。 本发明的另一个实施方式中，获取目标型号设备的运行过程信息的步骤包  括：通 过所选择工件的实际工况划分任务；根据任务要求，确定精度指标阈值；  及通过传感器采 集各任务下三个方向的切削过程信息，并获得各任务下的精度 保持时间。 本发明的再一个实施方式中，获得目标精度指标的敏感频率的步骤包括：  利用经 验模态分解将运行过程信息分解为多个模态，其中分解过程将原始过程  信息中较小的频 率峰值放大，不同的频率分量被分离出来；及通过对不同模态  下频率峰值与精度指标的相 关性分析，来获得对设备的目标精度指标最为敏感  的频率，作为这一精度指标的敏感频 率。 本发明的再一个变更实施方式中，获得各种任务下的载荷能量谱的步骤包  括：通 过对运行过程信息的PSD分析将复杂载荷拆分为多个简单载荷，得到其  在各频率上振幅的 平方及其所对应的频率；设定简单载荷在其频率上的功率谱  密度，得到复杂任务载荷的功 率谱；及得到各任务造成目标精度指标退化的能 量谱线。 本发明的再一个变更实施方式中，构建并训练F-E-T曲线模型的步骤包括：  根据 采集到的历史数据，获得反映载荷频率F、振动能量E和精度保持时间T  三者之间函数关系 的F-E-T图；通过对数据的拟合，得到任一频率下的最大振  动能量E与对应的精度保持时间 T的关系。 本发明的再一个变更实施方式中，预测新的任务下设备的精度保持时间的  步骤 包括：通过采集新的任务下的运行过程信息以及获得的新的任务下的能量  谱线，根据训练 出的F-E-T曲线模型，预测出新的任务下设备的精度保持时间。 本发明的一个实施方式提供了一种简单载荷下振动能量的计算方法。首先  针对 单个频率下的简单载荷，根据机械动力学原理，提出具有实际物理意义的  振动能量的计算 方法。假设x(t)是与简谐激振力F(t)相关的简单载荷，其形 式如下： 式中：A为设备响应信号的振幅， 为初相角。A的大小由频率比和阻尼比 决定，如 下式所示。 4 CN 111597722 A 说　明　书 3/11 页 式中，A0为等效静位移，表示将激振力幅值静态化处理后在设备上产生的  位移；β 为位移放大系数，载荷频率与敏感频率越接近，位移放大系数越大。  r＝ω/ωn为频率比，ξ 为阻尼比。 在外部载荷的作用下，应力幅值和振动频率都会影响到机械设备的精度退  化，所 以，本发明的实施方式提出振动能量的概念，来反映外部载荷的应力幅  值和振动频率对设 备的综合作用。根据机械能定义，机械能是动能和势能的总  和，那么此载荷引起的设备所 承受的机械能大小为： 式中,m代表所研究机械设备的质量。由于弹性系数 而速度v可 以通过 对x(t)进行求导可得 将k、v的值代入机械能表达 式，化简之后可得瞬 时机械能E： 从上式可知，载荷引起的设备所承受的机械能由两部分组成，一部分是与 时间无 关的常量，另一部分随时间的变化而呈简谐变化的变量，简谐变化的频  率是激振力频率或 系统响应频率的两倍，初始相位角也是稳态响应初始相位角 的两倍。瞬时能量的大小和响 应位移x(t)的平方成正比。 那么设备经过长时间的稳态运行之后，若时间历程为T，设备承受的总机  械能为 瞬时能量对时间T的积分： 若设备长时间运行，T远远大于 那么设备承受的总机械能可  以忽 略简谐振动部分，简写为： 由于外界载荷对设备一直在做功，而设备的耗散能是一定的，设备所承载 的能量 和时间成正比，那么经历的时间越长，设备承受的能量随时间的增加而  逐渐积累，但设备 对能量的承载能力是有限的，当能量积累到一定程度，那么  设备的稳定性和精度保持性就 会遭到破坏，所以上式也从能量累积的角度分析  了设备精度退化的动力学机理。 为体现载荷的振动频率ω对振动能量的影响，本发明将位移放大系数的  表达式 代入总振动能量的表达式，得到设备所承受的瞬时机械能，如下所示: 根据振动能量的计算公式可知，当作用于设备的外部载荷具有相同的振幅 时，不 5 CN 111597722 A 说　明　书 4/11 页 同频率的载荷对同种设备性能退化的激发效果同样具有差异。载荷频率  ω越接近与敏感 频率ωn，设备所承受的振动能量则越大。振动能量是可以反映  载荷幅值和振动频率综合 作用的物理量。当仅考虑设备的一种精度指标n时，若  载荷的振幅A0、频率ω以及精度指标 n对应的敏感频率ωn已知，便可以求得造  成设备精度指标n发生退化的瞬时能量。当载荷 的响应信号x(t)的具体形式未知 时，以上参数可通过采集设备运行信息获得。 本发明的另一个实施方式提供了一种复杂载荷下能量谱的估计方法。上文  中简 单载荷的振动能量只是考虑单个频率下简谐波的影响，然而在实际的制造  过程中，加工任 务为复杂载荷，是由多个频率下的简谐波叠加而成。因此需要  从频域角度综合考虑多个简 谐波的能量，绘制设备所承受的能量谱线。通过上  一节的结论可知，设备运行信息可以为 任务载荷的表达和量化提供重要信息。  因此，本发明通过对设备运行过程信息的采集，得 到用于估计复杂载荷能量谱 的相关参数。 首先，使用经验模态分解(EMD)算法和相关性分析选择针对设备精度指标n  的敏 感频率ωn。利用EMD将运行过程信息分解为多个模态(IMF)，分解过程将  原始信号中较小 的频率峰放大，不同的频率分量被分离出来。通过对不同模态  下频率峰值与精度指标的相 关性分析，来获得对设备精度指标n最为敏感的频  率，作为这一精度指标的敏感频率ωn。 分别计算各退化阶段的频率峰值与精度  指标n的相关系数的绝对值，绝对值越大说明相关 程度越高，则代表该频段对该  指标越敏感，相关性分析的计算公式如下。 式中：ai为精度退化过程中第i个频率下的峰值；bn为精度退化过程中设备  精度指 标n的值； 分别为其均值。 然后，通过PSD分析得到运行过程信息在频率上的分布情况，以此表示当  前任务 载荷在不同频率下的分布情况。根据功率谱密度的定义可知，自功率谱  密度函数是自相关 函数的傅里叶变换，计算值为幅值的平方，其计算公式为： 式中：Rx(t)为原始信号x(t)的自相关函数。 由于功率谱是一条功率谱密度-频率值的关系曲线，所以通过对运行过程信  息的 PSD分析可以将复杂载荷拆分为多个简单载荷，得到其在各频率上振幅的  平方 及其所对 应的频率ω。设G为简单载荷在其频率上的功率谱密度，即  则计算得到复杂任务载 荷的功率谱为G(ω)。 最后，类比于简单载荷振动能量的计算方法，得到复杂载荷的幅值谱线： A(ω)2＝β(ω)2·G(ω)      (11) 当仅考虑设备的一种精度指标n时，在已知精度指标n对应的敏感频率ωn和  复杂 任务载荷对应的G(ω)时，可得到复杂载荷造成精度指标n退化的能量谱线  E(ω)为： 6 CN 111597722 A 说　明　书 5/11 页 从图2中可以看出，振动能量谱反映了复杂载荷的幅值和频率对于设备精度  退化 程度的综合作用，能够全面、有效的反映复杂载荷的大小。 本发明的仍另一个实施方式提供了一种基于F-E-T曲线的设备精度保持时  间的 预测方法。由于复杂载荷的能量存在于连续的频率范围，因此，载荷频率F、  振动能量E和设 备精度保持时间T三者之间的函数关系会形成三维空间中的一个 曲面。本发明使用F-E-T 曲线来估计复杂载荷作用下的设备精度保持时间。F-E-T 曲线指的是对应于不同频率的一 系列的E-T曲线。 当F取值一定时，则以振动能量E为自变量形成一条E-T曲线。根据疲劳寿命 曲线， 在等幅的载荷作用下，载荷应力σ与载荷作用次数N满足以下关系。 已知，σ∝A，令σ＝cA(c为常数)，而简单载荷单位时间内的振动能量表  达式为： 可得，EC＝cEσ2(cE为一个常数)，同时在振动载荷的作用下N∝T，将表  达式带入上 式，得到： 式中：C'是一个常数，认为是设备所能承受的能量累积极限，由材料本身  决定；m 为常数，和名义应力法中的m值相同。 当考虑一种精度指标n时，认为每个频率下的振动能量与精度保持时间都服  从上 文推导出的E-T曲线，复杂载荷由多个频率下的简谐波叠加而成，当设备在  各个频率上承 受的总能量累积到C'时，设备精度发生超差。则对于任一频率  ωi下的振动能量Ei所对应的 设备精度保持时间为： 当任一频率下的累积能量超出阈值时，设备精度指标超出规定范围。那么  考虑设 备精度指标n的精度保持时间T为： T＝min{Ti}     (19) 以上两式描述了基于F-E-T曲线的设备精度保持时间的预测公式。 本发明的实施方式可用以解决柔性加工任务下设备精度退化的问题。通过  增加 频率维度的分析，为复杂载荷的表达和计算提供了途径。通过考虑载荷频  率对性能退化的 影响，减少了精度保持时间的估算误差。 附图说明 结合附图以及下面的详细描述，可更容易理解本发明的前述特征，其中： 图1示出了本发明的实施方式所提供的利用运行状态信息预测设备精度保  持时 间的方法流程； 图2示出了应用根据本发明的实施方式的方法的某复杂载荷的时域波形图x(t)、 功率谱G(ω)和能量谱E(ω)的示意图； 7 CN 111597722 A 说　明　书 6/11 页 图3示出了应用根据本发明的实施方式的方法的加工任务c下第一个IMF  在不同 退化阶段的振动的频域分析； 图4示出了应用根据本发明的实施方式的方法的四种任务载荷的功率谱线； 图5示出了应用根据本发明的实施方式的方法的四种任务载荷的能量谱线； 图6示出了应用根据本发明的实施方式的方法的反映载荷频率F、振动能  量E和精 度保持时间T三者之间函数关系的三维曲面(即F-E-T图)； 图7a示出了应用根据本发明的实施方式的方法的任一频率ωi下的最大振  动能 量E与对应的精度保持时间T的拟合关系； 图7b示出了应用根据本发明的实施方式的方法的任一频率ωi下的最大振  动能 量E与对应的精度保持时间T的双对数曲线； 图8示出了应用根据本发明的实施方式的方法的任务e和任务f的能量谱  线。