机床切削新型软件的研发应用

　　【编者按】很好地利用了VC 和Matlab语言各自所表现出来的优势，巧妙地解决了VC 和Matlab语言的接口实现问题，利用混合编程的思想开发了基于HMM的机床切削颤振趋势预报软件。实际应用证明，该软件具有一定的理论价值和较强的实用性。

　　1 概述

　　HMM是一个概率统计模型，推理过程很复杂，涉及大量的矩阵运算。而Matlab在矩阵运算方面具有卓越的性能，因此可以考虑用Matlab工具来开发HMM的主体程序。但Matlab是基于解释性的语言，执行效率不高。于是考虑到C的执行效率，巧妙地解决了C和Matlab语言的接口实现方法，利用混合编程的思想开发了基于HMM的机床切削颤振趋势预报软件。在程序设计时，利用MicrosoftVisualC来设计界面，调用Matlab中的程序来完成相关的计算功能。

　　2 VC与Matlab的接口实现方法

　　atlab附有功能强大的工具(五金工具产业)箱，它的函数性能是非常完善和稳定的，但Matlab主要是面向分析运算而不是综合型的开发。于是人们便利用Matlab和C各自所表现出来的优势来开发高质量的软件。Matlab提供了C/C数学库，其中的C数学库的功能很强，使用它可以用类似Matlab语言的语法编写C程序，十分方便。虽然在速度上仍然比普通的C/C程序慢，但由此带来的高的开发效率和计算可靠性是值得的。

　　在VisualC的集成开发环境中使用Matlab，可以利用Mat-lab的数学库将Matlab的程序编译成VisualC编译器所能识别的源代码，并嵌入到VisualC 环境。如果熟悉Matlab的C/C数学库，则可以直接在VisualC环境下编写代码。将VisualC和Matlab集成进行软件开发一般有如下几种方法：

　　2.1 通过Matlab引擎将VC和Matlab集成

　　Matlab引擎采用客户和服务器计算方式，在运用中，VC的C语言或C 语言的程序作为前端客户机，它向Matlab引擎传递命令和数据信息，并从Matlab引擎接收数据信息，它提供了下列几个函数：engOpen，engGetArray，engPutArray，engEvaString，en-gOutputBuffer，engClose与客户机进行交互。

　　下面例程是在VC下建一个基于对话框的应用程序，在对话框中设置一个Button控件OnMatlabEngine，在对话框。Cpp文件中加入"engine.h"和"Math.h"头文件(程序清单略略)。程序在VC下编译需要将libeng.dll和 libMx.dll两个动态库利用以下的命令：lib/def：<自己的Matlab的安装路径，下同>d：\MAT-LAB6p5 \extern\include\.def/Machine：ix86/out：。lib来生成程序所需的静态连接库libeng.lib和 libMx.lib，将libeng.lib和libMx.lib所在的目录加入VC project/link/object /libraryModules下即可。

　　2.2 利用Matlab自身的编译器

　　Matlab的编译器可将Matlab的M文件转换为C或C 的源代码以产生完全脱离Matlab运行环境的独立的运用程序，当Matlab的编译器MCC加入适当的参数-e(MCC-e.)或 -p(MCC-p.)就可生成将输入的M文件转换为适用于特定运用的C或C 源代码。这样如果要在VC下编译通过，还需连入以下几个库 libMMfile.dll，libMatlb.dll，libMCC.dll，libMat.dll，libMx.dll，libMibut.dll以及MatlabCmath库，建议采用前述的方法将动态连接改为静态连接。对于C/C 编译环境的设置，在Matlabcommand窗口下运行 mex-setup然后依提示操作，而对于C/C 连接环境的设置，运行mbuild-setup依提示操作即可。

　　下面给出利用编译器将Matlab工具箱中psd.m文件生成可供VC调用的函数。

　　(1)将psd.m文件拷贝一份至MATLAB6p5\bin目录下，改写相应调用的M文件如nargchk.m，hanning.m等。为生成的代码简洁，对于采集数据处理输入参数很明了的情况下可作大量的删减，最终使psd.m成为一个不依赖于其它M文件的独立的M文件，注意要注释掉作图代码。

　　(2)假设上述代码重新存为testwin.m，在Matlabcommand窗口下设置好环境参数运行mcc-etestwin，则可在MATLAB6p5\bin下生成testwin.c，如运行mcc-ptestwin则生成testwin.cpp.

　　(3)VC下建立一个基于对话框的文件，然后在对话框里加一个Button控件OnButtonPsd，将上述生成的。c文件的头文件加入到工程的。cp.

　　2.3 利用MATCOM和VC集成

　　MATCOM编译M文件，先将M文件按照与MATCOM的cpp库的对应关系翻译为cpp源代码，然后用对应版本的C编译器将cpp文件编译成相应的 exe或dll文件，所以第一次运行要指定C编译器的路径，否则无法编译，指定好的编译信息就写在MATCOM\bin\matcom.ini文件中，不过这一步在安装MATCOM时，它自动寻找编译器并将其写入matcom.ini文件中，MAT-COM4.5版中使用TeeChart3.0.OCX控件，因而它支持图形操作。

　　我们依然用上述的testwin.m文件，不要将图形函数注释掉，利用Mideva来生成可被VC调用的信号处理程序。

　　(1)运行Mideva在主界面上直打开M文件，在菜单中选择compiletodll，输入testwin.在matcomdebug目录下可以找到这样的几个文件：testwin.c，testwin.h，testwin.cpp，estwin.lib，testwin.dll，testwin.exp等;(2)将上述testwin.cpp和testwin.h加入工程中，project/addtoproject/files并且在相应的文件中加入"stdafx.h";(3)加连接库：Tools\option\directory\，选include选项，加入d：\MATCOM45 \lib(包含MATCOM.h)library选项，加入d：\MAT-COM45\lib;(4)选择project\addtoproject在 files文件类型选项选(。lib)将d：\MATCOM45\lib\v4501.lib加入工程中编译运行。

　　可见利用MATCOM进行 M文件转换非常容易，生成的代码可读性很好，以上的转换同时生成了可供VC调用的动态连接库，其使用和一般的动态库一样使用。同时需指明MATCOM不仅可转换独立的不依赖于其它M文件的M文件，同时可转换调用其它M文件的M文件嵌套。条件是这些M文件要在同一个目录下面。

　　3 切削颤振趋势预报软件的基本功能

　　HMM切削颤振预报软件混合Matlab和C 语言编写而成。

　　它能完成数据可视化处理，FFT变换以及HMM的训练，机床切削状态监控等基本功能。

　　3.1 HMM颤振预报软件工作流程

　　程序流程图。监控工作开始时，程序前台将采集到的实时信号波形显示，而后台的HMM工作线程对数据进行滤波，FFT变换，特征特取获得特征向量，将该特征向量作为观测值O，然后将O带入到在离线状态下已经训练好的各态HMM模型λi(i=1，2，3，分别代表稳定切削，过渡切削和颤振切削三种切削状态)中分别进行计算得到观察概率P(O|λi)，其中最大的P(O|λi)第6期胡耀斌等：基于隐Markov的机床切削颤振趋势预报软件的开发研究 166对应的状态即代表了当前的切削装态。如果颤振将要发生，即对应的颤振过渡切削状态出现时，发出预报信号。达到切削颤振预报目的。

　　3.2 HMM颤振预报主程序界面

　　HMM颤振预报主程序界面。开始工作前，首先进行采集设置，其中包括采集信道数选择，双缓冲或DMA选择，信号的输入极性，采样频率，采集点数，数据保存，电荷放大器输出倍率，切削力范围，加速度范围以及屏幕显示等方面的设置。由于本试验有三个方向的切削力信号和一个加速度信号，所以选择了前四个信道。同时，考虑到采样频率不算太高，没有选用DMA方式。

　　3.3 FFT分析功能

　　它主要完成当前数据的特征提取功能。他通过对采集到的原始数据进行FFT.找到特定频率点对应的幅值，经过量化后形成当前的特征矢量。"原始频率"显示的是该原始数据当时采集的频率。"分析点数"设定了快速傅立叶变换的点数，一般为2n，(n=1，2，…)右边的旋钮可以快速设定其大小。"抽样频率"可以设定当前分析频率，它通过对原始数据然不同间隔抽样达到目的。"信号类型"指定了当前分析的是加速度信号或某个切削力方向的信号。"显示方式"设定了结果是按原分析值显示还是按Llyods方式进行量化编码后显示。通过两者可以切换比较。本文的信号特征向量都是整数，所以在实际分析时，选择了量化编码。FFT分析的工作界面。

　　3.4 HMM滤波功能

　　HMM滤波器主要是通过中的Viterbi算法进行的，在滤波之前要通过Baum-Welch算法进行模型训练，以准确获得该序列模式下的特性，进而用Viterbi准确滤波。，是其效果图。

　　3.5 辅助工具

　　本软件设定了一些辅助功能，数据转换功能软件可以将采集到的二进制文件转换成文本文件，工作界面。

　　信号发生器可以产生正弦波，锯齿波，方波以及白噪声等常用信号，这些信号用于验证HMM滤波功能。信号发生器效果图。

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