【正文】 附錄A 英文資料及翻譯Development of a cutting tool condition monitoring system for high speed turning operation by vibration and strain analysis1 IntroductionIn the last three decades or so, there have been tremendous improvements and technical revolutions in manufacturing industries, namely puter integrated manufacturing process, robot controlled machining processes, and others. Today customer demands high quality products for lowest possible price. To meet customers’ such demands and to face global petition, modern industries are facing various challenges towards achieving high dimensional accuracy with mirror surface finish on the products. To achieve such goals the manufacturers are focusing on the technical problems namely, how to achieve uninterrupted automated machining process for longer duration with least human supervision. Cutting tool wear condition monitoring is an important technique that can be useful especially in automated cutting processes and unmanned factories to prevent any damage to the machine tool and workpiece. In any metal cutting operation, one of the major hurdles in realizing its plete automation is that of the cutting toolstate prediction, where toolwear is a critical factor in productivity. Cutting tool condition monitoring can help in online realization of the tool wear, tool breakage, and workpiece surface roughness.Researchers and engineers have been trying to evolve a cutting tool condition monitoring system w。 對于時間序列相似性匹配的方法我采用了，計算兩序列間的歐幾里德距離來計算它們的相似性，由于普通計算方法存在著一定得弊端，本課題對歐幾里德距離的計算方法做了改進(jìn)，同時使用FFT變換，對變換后的傅里葉系數(shù)做截取，已達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的同時計算復(fù)頻域中的歐幾里德距離，提高程序的效率。程序的流程圖如下：初始化構(gòu)造輸序列入序列坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系有功分量、無功分量構(gòu)造三階IIR濾波器濾波坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系諧波信號=原信號基波信號畫出原信號、基波信號、諧波信號 諧波檢測流程圖 仿真結(jié)果 檢測算法仿真其中（a）為檢測信號 （b）為用算法計算得到的負(fù)載基波信號 （c）為算法計算得到的諧波信號，基于算法的諧波檢測方法缺點在于跟蹤負(fù)載動態(tài)變化時存在滯后現(xiàn)象，這是受低通濾波環(huán)節(jié)的影響造成的，需要一個多電網(wǎng)周期的時間才可跟蹤上負(fù)載的變化。原始信號設(shè)為根據(jù)以上條件，編寫MATLAB仿真程序，對基波進(jìn)行檢測。 在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、自動控制、數(shù)字信號處理、模擬與數(shù)字通信、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把MATLAB作為內(nèi)容。除此之外，MATLAB還具有根強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。 (5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。 (3)圖形句相系統(tǒng) 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模端程，完成算法設(shè)計和算法實驗的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。MTALAB系統(tǒng)由五個主要部分組成，下面分別加以介紹。在工程技術(shù)界，MATLAB也被用來解決一些實際課題和數(shù)學(xué)模型問題。與利用c語言或FoRTRAN語言作數(shù)值計算的程序設(shè)計相比，利用MATLAB可以節(jié)省大量的編程時間。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項操作。4 仿真結(jié)論 MATLAB簡介MATLAB的名字是由英文MATrix LABoratory(短陣實驗室)兩詞的前三個字母組合而成，是Mathworks公司推出的一套高效率的數(shù)值計算和可視化軟件，是目前較為流行的一種用于科學(xué)計算的軟件工具，具有良好的開放性和運行的可靠性。國內(nèi)外對這方面的研究都比較重視，在線諧波檢測的理論和應(yīng)用正在不斷發(fā)展。而基于快速傅立葉變換的諧波檢測法，在諧波檢測、無功補(bǔ)償和頻譜分析方面，均有較廣泛的應(yīng)用，但實際工程應(yīng)用的快速傅立葉變換算法中，不可避免的存在柵極效應(yīng)和頻譜泄漏，造成諧波檢測的誤差較大且實時性較差。由式（）可知，基波電流的瞬時值為 （）令 （）則式（）可以寫成 （）通過式（）求得基波電流瞬時值后，用單相電流的瞬時值減去基波電流瞬時值即可以得到瞬時諧波電流。 （）由式（）可以看出，在 瞬時電壓取為與其同相位的單位正弦函數(shù)的情況下，與基波有功功率成比例而與基波無功功率成比例，也就是說，通過對的控制可以精確地控制基波有功功率，而對的控制可以精確地控制基波無功功率。定義三相坐標(biāo)系下的瞬時有功電流和瞬時無功電流為別為 （）令 （）則式（）可以寫成 （）有式（）可以看出，在單相瞬時電壓取為與其同相位的單位正弦函數(shù)的情況下，瞬時有功電流的物理意義是單相瞬時電流和單相瞬時電壓的乘積，這跟時域下的瞬時有功功率的定義是相同的；瞬時無功電流的物理意義是單相瞬時電流和相位滯后的單相瞬時電壓的乘積，這跟時域下的瞬時無功功率的定義也是相同的；將式（）得到的三相坐標(biāo)系下的瞬時有功電流和瞬時無功電流通過低通濾波器后獲得其直流分量。與算法一樣，取與單相電壓相位相同的單位正弦函數(shù)來替代單相電壓。但是一方面由于它是建立在三相電路的檢測基礎(chǔ)上，對單相電路的檢測要進(jìn)行必要的擴(kuò)充之后才能應(yīng)用，顯得比較繁瑣；另一方面，由于是在理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，而理論中三相向兩相的變換時為了方便計算瞬時有功功率和瞬時無功功率而設(shè)計的，在用法檢測瞬時諧波電流的時候，由于電壓信號轉(zhuǎn)換為幅值為單位長度的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，已經(jīng)失去了幅值和相位的信息，因此在算法中瞬時有功功率和瞬時無功功率也就失去了原有的意義，算法中三相至兩相的坐標(biāo)變換及其反變換也就顯得多余，在三相坐標(biāo)系下同樣可以將瞬時電流矢量分解為與電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)和動態(tài)旋轉(zhuǎn)分量兩部分，這樣可省去三相至兩相及兩相至三相的坐標(biāo)變換，有效減少計算量。當(dāng)通帶截止頻率較小時，低通濾波器檢測的精確性最好，低通濾波器較之，低通濾波器最差，而在動態(tài)特性方面，低通濾波器最后，濾波器次之，濾波器的動態(tài)特性最差。由于的目的是獲取、中的直流分量，而的相位特性對直流量的檢測沒有任何影響，因此，在實際工程應(yīng)用中，通常選用濾波器，而不選用濾波器。如此高的維數(shù)，顯然是不符合實際應(yīng)用要求的。因此，在設(shè)計數(shù)字低通濾波器時應(yīng)該遵循如下原則：（1） 應(yīng)保證對直流分量的增益為1，并盡可能地衰減直流分量；（2） 為了不使低通濾波算法過于復(fù)雜，的維數(shù)不應(yīng)太高；（3） 為了提高檢測的實時性，低通濾波器的單位階躍響應(yīng)的穩(wěn)定時間短；（4） 應(yīng)保證低通濾波器的單位階躍響應(yīng)的超調(diào)盡可能??；（5） 交流分量的幅值波動對直流濾波器結(jié)果的影響盡可能??；目前常用的濾波器形式有濾波器和濾波器。這些分量使低通濾波器的輸出包含較大的紋波，因此要求低通濾波器具備很大的阻帶紋波衰減，這就需要加大低通濾波器的維數(shù)，也會影響到低通濾波器的響應(yīng)時間和超調(diào)。三相電網(wǎng)電流、中的次負(fù)序諧波分量，經(jīng)過變換后，分別轉(zhuǎn)化為、中的次和次諧波分量。在設(shè)計之前，先分析一下輸入信號的特性。查表法顯著的優(yōu)點是數(shù)據(jù)采樣和脈寬生成的時基相同，不存在非同步問題，而且外部硬件電路簡單、可靠性高、計算速度快，缺點是要求嚴(yán)格地與電網(wǎng)頻率同步采用，需要占用微處理器的存儲空間和軟件資源。由于上述原因，在實際的工程應(yīng)用中，用得更多的是正余弦函數(shù)的查表計算法。 基于算法的諧波電流檢測方法的實現(xiàn) 正余弦函數(shù)的產(chǎn)生正余弦函數(shù)、可采用鎖相環(huán)加正余弦函數(shù)發(fā)生器的方法，也可采用查表的方法。2) 算法檢測諧波電流的準(zhǔn)確性不受電網(wǎng)電壓畸變或不對稱的影響。通過上述分析，可得出如下結(jié)論：1) 算法只需要三相電路的瞬時電流和某相(如相)電網(wǎng)電壓的頻率或周期信息，不需要準(zhǔn)確地知道電網(wǎng)電壓的幅值和初始相位信息。當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時，算法可以迅速準(zhǔn)確地檢測出電網(wǎng)電流中的諧波和無功分量。瞬時有功電流和瞬時無功電流的表達(dá)式為： = ()設(shè)分別為各相的基波電流，、為變換后的基波分量，則經(jīng)反變換后，可得到計算基波分量的公式為：= ()設(shè)為各相量的諧波電流，則有：，這就是補(bǔ)償裝置需要產(chǎn)生的補(bǔ)償電流。三、算法 算法原理圖 。理想情況下，電網(wǎng)電壓波形應(yīng)為正弦波，但是實際的電網(wǎng)電壓由于不同的原因會有一定畸變。當(dāng)電源電壓波形無畸變時，為基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生，為基波無功電流與電壓作用所產(chǎn)生。與 (或)算法相比，算法借助了構(gòu)想的正、余弦函數(shù)，沒有直接使用系統(tǒng)電壓信息參與運算，當(dāng)系統(tǒng)電壓波形畸變時，畸變成分在運算過程中不出現(xiàn)，檢測結(jié)果不受影響，因此本文采用了這種方法。用這兩種方法檢測諧波和無功時，進(jìn)行的運算大多都是瞬時值運算，響應(yīng)速度很快，特別適合于變化快、沖擊大的無功和諧波補(bǔ)償。這種方法思路簡明、原理清楚，但是它具有一定的延時，檢測的結(jié)果實際上是較長時間前的諧波和無功電流，實時性較差，再加上其較為復(fù)雜的運算，使這種方法的應(yīng)用范圍受到了很大的限制。但是這種方法存在著設(shè)計難、誤差大、對系統(tǒng)頻率波動和電路元件參數(shù)十分敏感等很多缺點，因此極少被采用。 諧波電流的檢測方法一、檢測方法比較到目前為止，諧波的檢測方法己經(jīng)有很多種，主要包括提取基波分量法、基于的傅里葉分析法、基于瞬時無功功率理論的 (或)算法及算法等。可見，瞬時無功功率理論就是將傳統(tǒng)三相電路功率理論中的正弦信號的有效值、初相角、有功功率和無功功率突破時間平均值的概念而引申為瞬時量，是對傳統(tǒng)功率理論的自然擴(kuò)展。傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率等都是在平均值的基礎(chǔ)上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時的情況?？梢?，該方法具有很好的實時性。檢測諧波電流時，因被檢測對象中諧波的構(gòu)成和采用濾波器的不同，會有不同的延時，但延時最多不超過一個電源周期。另外該理論中定義了三相電路瞬時有、無功電流、與各相瞬時有功電流、及無功電流偏、它們之間分別存在什么關(guān)系？各相瞬時無功功率與三相瞬時無功功率關(guān)系如何?這些問題都沒有得到公認(rèn)的解釋。在電源電壓正弦對稱和線性負(fù)載時，按該理論分解出的瞬時有、無功電流均可能含有諧波分量(如不平衡負(fù)載)。瞬時無功功率理論的不足在于瞬時無功功率理論中，三相電路瞬時有功、無功功率的大小和電路本身的情況無關(guān)。對于口相及三相中的、各相也能得出同樣的結(jié)論。設(shè)三相電壓、電流分別為: () ()利用式()、式()對以上兩式進(jìn)行變換，可得: () ()式中把式()和式()代入()中可得: ()令、分別為相電壓和相電流的有效值，得: ()從上面得式子可以看出，在三相電壓和電源均為正弦波時，均為常數(shù)。從以上各定義可