（机械制造及其自动化专业论文）多功能智能化在线检测仪的研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 目前，国内大型机械加工设备日益增多，零件的尺寸、加工精度和复杂程 度也越来越高，对于大型复杂零件或者薄壁弱刚度零件的加工，为了保证加工 精度、提高产品合格率、降低成本、提高效率、减少经济损失，对机械设备运 行状态和加工质量实施在线检测是极其重要和必要的。加工中心在线检测技术 已成为衡量数控机床加工中心技术水平的重要特征之一。 针对战略导弹和运载火箭的大型复杂型面回转体贮箱车铣加工，本文研究 一种结构简单，性能可靠、操作方便的数控加工中心多功能智能化在线检测仪， 用于实时检测零件表面加工质量和实时监测设备运行状态。 本文研究的在线检测仪以u s b 2 0 0 2 数据采集卡为基础，选用中国运载火箭 设计研究院研究设计的剪切式压电加速度传感器和电荷放大器。文中对检测仪 的u s b 接口和数据采集卡进行了较详细的介绍，课题完成从信号采集到输入计 算机分析处理系统的硬件设备设置。 软件系统由v i s u a lb a s i c 语言进行开发，频谱分析系统采用l a b v i e w 语言 编写。系统的现场数据采集、分析、处理功能强大，界面友好，操作简单、方 便，能够基本满足在线检测工件加工表面质量和在线监测设备运行状态实际需 要。 应用所研制的在线检测仪选用w 1 8 c r 4 v 直柄麻花钻在z 4 1 1 2 2 台式钻床 进行刀具磨损在线监测实验，实验验证研制的多功能智能化在线检测仪设计合 理，运行可靠，能够满足在线检测基本要求，取得一定效果，为继续深入研究， 最终达到研制预期目标具有一定的帮助。 关键词：在线检测振动信号传感器频谱分析 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t h el a r g em a c h i n em a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t sa r eu s e di n c r e a s i n g l yi n l o c a lc o u n t r y t h es i z ea n dm a n u f a c t u r i n ga c c u r a c ya n dc o m p l i c a t e dd e g r e eo f a c c e s s o r ya r en e e d e dh i g h e r t h eo n l i n ec h e c k i n gf o r t h er u n n i n gs t a t eo f m a c h i n e e q u i p m e n t sa n dm a n u f a c t u r i n ga c c u r a c yi sv e r yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r y ，i no r d e rt o a s s u r em a n u f a c t u r i n ga c c u r a c y ，i m p r o v ep r o d u c te l i g i b i l i t yr a t e ，r e d u c ec o s t , i m p r o v ee f f i c i e n c y ，a n dd e c r e a s ee c o n o m i c a ls p e n d ：t h eo n l i n ee x a m i n a t i o n t e c h n i q u eo f t h ep r o c e s sc e n t e rh a sb e e nt oo n e o f t h ei m p o r t a n tc a t a c h r e s t i ct os c a l e t h et e c h n i q u el e v e lo f n cp r o c e s sc e n t e r a i m i n g a tm i l l i n gt u r n i n gr o u n ds t o r eb o xo f t h es t r a t e g i cm i s s i l ea n dt h el a r g e a n dc o m p l i c a t e dt y p eo f t h ec a r t i e rr o c k e t , as i m p l ef r a m e ，c r e d i b l ec a p a b i l i t y ，a n d c o n v e n i e n to p e r a t i o nm u l t i c a p a b i l i t yi n t e l l i g e n to n l i n ec h e c k i n gi n s t r u m e n ti s r e s e a r c h e dt ot i m i n gc h e c k i n gt h eq u a l i t yo f p a r t ss u r f a c ea n dt h er u n n i n gs t a t eo f s u p e r v i s ee q u i p m e n t s t h eo n - l i n ec h e c k i n gi n s t r u m e n ti sb a s e d 谢t ht h eu s b 2 0 0 2d a t ac o l l e c tc a r d a n ds e l e c ts h e a r i n g p i e z o e l e c t r i c i t y a c c e l e r a t i o na n de l e c t r i c c h a r g ea m p l i f i e r d e s i g n e db yt h ec h i n e s ec a r r i e rr o c k e td e s i g ni n s t i t u t ef o rr e s e a r c h i ti si n t r o d u c e d d e t a i l e df o ru s ba n dd a t ec o l l e c t i n gc a r di nt h et e x t t h et o p i cc o m p l e t ef o r ms i g n a l c o l l e c tt oi n p u tc o m p u t e r ，a n dt h eh a r d w a r ee q u i p m e n t ss e t t i n go fa n a l y s i s p r o c e s s i n gs y s t e m t h es o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e db yt h el a n g u a g eo fv i s u a lb a s i c t h e f r e q u e n c yc h a r ta n a l y s i ss y s t e mi sw r i t i n gb yl a b v i e wl a n g u a g e t h ed a t ao ft h e s y s t e mc o l l e c t i n g ，a n a l y z i n g ，a n dh a n d l i n gf u n c t i o ni sv e r ym i g h t i n e s s ，t h ei n t e r f a c e i sa m i t y ，o p e r a t i o ni sb r i e fa n dc o n v e n i e n t i tc a nb a s i c a l l ys a t i s f yo n - l i n ec h e c k i n g t h es u r f a c eq u a l i t yo f p a r t sa n dt h er u n n i n gs t a t eo f o n - l i n es u p e r v i s i n gi n s t r u m e n t s u s i n gt h eo n l i n ec h e c k i n gi n s t r u m e n t , w eh a v ed o n eal o t o ft o o l f r a y e x p e r i m e n t s ，s e l e c tw 1g c r 4 vt w i s td r i l l so nz 4 11 2 2p l a t f o r md r i l lp r e s s t h ed e s i g n o fo n l i n ec h e c k i n gi n s t r u m e n ti sr a t i o n a lv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t s ，a n dr u n n i n g c r e d i b i l i t y , a n ds a t i s f yt h eb a s i cn e e do fo n - l i n ec h e c k i n g ；| a n dr e q u i r es o m ee f f e c t i t i sh e l p f u lf o rc o n t i n u er e s e a r c ha n dt or e a c ht h ea n t i c i p a t eg o a lo fr e s e a r c h k e y w o r d s ：o n l i n ec h e c k i n g ；v i b r a t es i g n a l ；t r a n s d u c e r ；f r e q u e n c ya n a l y s i s 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：带序参 e t 期9 矿呷年乡月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：- 警家爹 日 期：0 7 多9 指导教师签名：j 坛老章 e l 期：矽d 7 弓0 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的来源和背景 本课题研究的内容来源于国家“十五”8 6 3 计划的“战略导弹和运载火箭的大 型复杂型面车铣加工技术”项目，其中的一个子课题为：智能化在线检测装置及 测试技术的研究。此项目主要用于大型复杂型面回转体储藏箱的加工，它是一个 大尺寸、弱刚度零件，精度要求很高，该零件的结构有以下特点： 1 ) 工件直径尺寸大，由3 3 5 0 衄； 2 ) 工件壁厚尺寸小，最小壁厚尺寸1 3 衄，壁厚与直径之比为1 ：2 6 9 2 ； 3 ) 工件的圆柱表面上有多个大尺寸孔； 4 ) 顶面和底面是与其它零件的接合面，要求顶面和底面平整、光滑，且更重 要的是与内、外圆柱表面中心线的垂直度要求较高，以保证安装后整体质量重心 点的位置： 5 ) 圆柱表面上整齐排列着许多薄壁的矩形凹槽。 由零件的特点可以看出，该零件的加工难度相当大，对于加工设备的系统参 数要求非常高，任何的振动、变形都有可能使被加工零件报废，造成巨大的经济 损失。加工时为了设置合理或最佳的加工工艺参数及机床最佳工作状态，如：刀 具的完好情况、铣头的振动、温度的变化、各轴的振动、受力、速度、加速度等 工艺参数，达到控$ 0 2 n t 误差目的，研制了一种结构简单，性能可靠、操作方便 的数控加工中心多功能智能化实时在线检测仪，该仪器能够实时综合检测加工状 态的各种参数，提高加工效率、优化加工工艺和加工参数，避免加工设备被破坏 或加工零件报废，减少经济损失，是及其重要和必要的。 1 2 在线检测方法概述 检测是人类认识客观物质世界、改造客观物质界的重要手段。在现代工业、 农业、国防、交通、医疗、科研等行业，检测技术的作用越来越大。检测设备就 像神经和感官，源源不断的向人们传输各种有用的信息，成为人们认识自然、改 造自然的有力武器。检测系统是为了完成检测任务而构造的一个实体系统，其目 沈阳理工大学硕士学位论文 的在于快速、准确、真实地将被测对象的有关信息呈现给检测者，以减少检测者 对被检测对象观测的不确定程度，即获得所需信息。 在线检测就是在生产过程中，在不影响其他系统正常工作的情况下完成对所 需物理量的测量和控制，是指在生产过程中，加入检测与控制环节，以便对生产 中某些参数或工况进行检测，也就是说，在生产线上安装各种类型传感器，对工 作过程的某些参数进行实时监测，将分析处理测量结果所获得的信息，与预先设 定的参数进行比较，然后根据误差做出工艺决策，以保证被加工产品的质量或生 产设备处于最佳运行状态【1 1 1 2 。 在线检测技术涉及到传感器技术、信号采集分析处理技术、自动控制技术及 计算机应用技术、人工智能等多学科、多领域，。综合这些技术并应用到生产实际 中构成在线检测技术。在线检测使加工与检测集成在一起，实现了生产过程中的 自动检测，能够在生产线连续监测产品在加工过程的各种参数指标，及时发现加 工产品质量变化，保证了产品质量，减少材料消耗和降低成本：在线检测可以减少 停机检测时间和设备调整时间，减少检测人员数量，从而提高劳动生产率：在生产 环境恶劣的地方，能适应条件比较恶劣的生产场合和工作环境，在线检测可以减 轻工人劳动强度，改善工作环境。可见在线检测具有巨大的经济效益和社会效益 【5 捌。 1 2 1 在线检测基本组成 在线检测系统可划分为：信息获取( 一般为传感器) 、信息分析处理、信息显示 和信息反馈几部分。在线检测系统的组成形式，根据测量目的、测量要求和环境 的不同而不同。 1 ) 传感器及其分类：传感器在检测系统中占有极为重要的地位。它的作用是 将各种非电量信号转换成电信号，实现系统对测量对象的识别。因此，传感器是 检测系统的主要信息来源，其性能决定了整个系统的检测性能。 传感器分类方法如下，按照检测用途分类：温度、流量、压力、位移、速度、 加速度传感器等：按照能量传递方式分类：有源传感器和无源传感器两大类。有源 传感器如热电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、磁电式传感器等。无源 式传感器如电阻式传感器、电容式传感器：按转换原理分类：电磁式、压电式、光 学式、核辐射式、超声式、微波式等：按传感器技术发展阶段分类：结构型、物性 第l 章绪论 型和信息处理型( 或称智能型) 传感器【1 0 - 1 2 。 2 ) 信息处理：分析、, n 7 - 与判别作为信息处理环节，是在线检测系统的中心 部分。应该对检测目的、检测对象作充分地研究后再确定具体方案。在线检测有 时需要通过对加工处理后的信息做出判别后，及时修正处理的方法和参数。 3 信息显示：对信息处理和判别后的结果，通过信息显示装置，如指针、数 字或图像等方式，向人们展示测量的结果，并记录结果。 4 ) 信息反馈：通过信息反馈，借助于各种驱动装置，按人们预先设置的目的， 对被测对象进行干预。 1 2 2 在线检测系统的优点： 1 ) 系统性能较高：系统采用全数字化信号分析处理技术，提高了信号的测量、 传输和控制精度。微处理器、a d 转换器等芯片性能高，测量速度快：部分硬件通 过软件方法实现，减少了硬件数量，提高系统的可靠性。 2 ) 测量过程：软件控制实现自动量程转换、非线性补偿、自动报警、自动巡 回检测、过载保护，功能和性能指标更改方便，适应小批量生产的柔性化发展趋 势。 3 ) 信息集成：在线检测系统作为企业信息网络底层网络，能够及时反映生产 状况，加快信息在各部门之间的流通，使企业上层决策快速、准确，能够进一步 优化现场生产。 4 ) ) 系统：结构简单、维护方便利用软件代替硬件，减少硬件设备：总线代替 了以往复杂的接线，简化了系统结构，降低了系统的成本：现场设备具备自诊断与 简单故障处理能力，能及时发现故障部位、故障原因，缩短了维护停工时间，减 少了维护工作量。 1 2 3 国内外在线检测技术发展的主要趋势 多年来，人们一直都在探索用合适的方法，解决生产实际加工中复杂的在线 检测问题，以提高加工精度和效率。随着人们对该项技术的深入研究及相关领域 技术的迸一步发展，在线检测技术逐步向着规范化、集成化、人性化、系统化、 智能化方向发展，具有以下发展趋势： 1 ) 在线检测系统的研究：从单参数检测向多参数综合检测：从单机检测向全 生产线以及全车间全厂的在线检测，从单纯检测向检测与控制的闭环系统，从应 沈r 1 理工大学硕士学位论文 用于大批量生产向应用于中小批量生产的柔性检测系统发展。 2 ) 微机化智能化：采用微机智能功能来保证在线检测系统能满足生产线上各 种参数变化及外界条件干扰时，系统能迅速适应变化和排除干扰。 3 ) 在线检测系统的可靠性：生产线要求长期连续运行，因此要求从可靠性设 计开始，保证元器件制造、调试安装各环节的可靠性，并在系统中加入故障自检 自诊断功能，从而提高在线检测系统的可靠度。 4 ) 在线检测装置产业化：使装置模块化、通用化、标准化，以利于降低成本， 推广应用。 5 ) 在线检测的研究：注意研究在线检测技术的基本理论。如动态测试及动态 误差理论，信号处理分析理论，系统建模理论，运行状态监测与故障诊断。 1 2 4 机床在线检测常用方法 在线检测技术应用在机床上，不仅能扩大机床的功能，而且能大大提高加工 精度和加工效率，由于它投资少，见效快，很适合传统工业的改进和改造。采用 微电子技术装备及改造新、老机床设备是当今科学技术发展的必然趋势，是用新 技术改造传统工业的主攻方向，也是符合我国国情的一项有力措施。 1 ) 振动监测法：振动信号被认为是对加工质量、刀具磨损和破损敏感度较高 的一种。它与切削力，切削系统本身的动态性密切相关，检测振动加速度是目前 较常采用的一种在线检测方法。它具有传感器安装方便。测量信号易于引出，测 试仪器简单等特点。 压力监测法：切削力是切削过程中与刀具磨损、破损状态和工件加工质量 最为密切相的一种物理现象，采用切削力作为检测信号。具有拾取信号容易，反 映迅速，灵敏等优点，是在线实时监测方法中研究较多，被认为是很有希望获得 突破的一种方法，己广泛用于车削、钻削、铣削等不同加工方式状态监控研究之 中。 3 ) 切削温度法：切削热是金属切削过程中的一个重要物理现象，加工质量恶 化、刀具的磨损或破损将导致切削温度的骤增。通过在线测量切削温度可以实时 检测加工质量和监测刀具磨损状态。 4 ) 光学测量法：光学测量法的原理是磨损区比未磨损区有更强的光反射能力， 已加工表面粗糙度不同光反射能力也不同。基于这种原理通过光学测量法实现在 第1 章绪论 线检侧，但这种方法的传感器安装调试较为困难，使用不便。另外还可用电视摄 像技术来测量刀具的磨损量和加工表面粗糙度，该方法的线度分辨率很高。 5 ) 主电机负载法：此方法是基于刀具磨损或破损时，由于切削力的增大，使 得机床主电机的负载率变大的现象，一般是通过测量主电机功率，电流波形变化， 电流与电压间相位差及转差率等来达到检测目的。它具有测量信号简便，可避免 切削环境中切屑、油、烟、振动等干扰，监测装置易于安装的优点，是目前应用 较为广泛的一种监测方法。特别是其中的功率监测方法，由于功率信号受电网电 压幅值及频率波动的影响最小，抗干扰能力强等优点，比其它几种方法，如电流， 相位差，转差率等负载监测法具有更强的优势。 6 ) 声发射监测法：声发射技术用于监测刀具的磨损、破损是近年来声发射在 无损检测方面新开避的一个应用领域，被广泛认为是众多研究方法中非常有前途 的一种。声发射是在金属加工中分子晶格发生位错。裂纹扩展及塑性变形时释放 出的一种超高频应力波脉冲信号。其频率范围为几十 z 一百几十k h z 。切削加 工中刀具破损的信号往往是很微弱的。而且经常伴随着切削噪声和机械振动，因 此，如何排队噪声，检出刀具破损的信号是检测技术的关键。一般采用的鉴别方 法有幅度鉴别，频率鉴别和能量差值鉴别等。在刀具破损检测中，通常采用这三 种鉴别方式组合起来进行鉴别，使刀具破损的检测具有很高的可靠性。实验表明， 声发射技术信号的有效值在刀具初期磨损阶段是增加的，以后基本上保持常值， 在剧烈磨损阶段又增加。当刀具发生崩刃后，信号有效值比正常状态增加，出现 裂纹后，有效值增加到2 0 0 左右。 n 多传感器信息融合技术：切削加工中，由于刀具种类繁多，不同刀具的失 效都有着各自独特的表现形式，切削状态又有连续和断续之分。切削条件也变化 多样，再加上种种恶劣的切削环境，就构成了加工质量检测和刀具状态监测系统 的复杂性。用单一信号进行监测难以保证在较宽的工作范围内系统有较高的识别 精度。因此，人们提出了多传感器信息融合监测的策略。它利用各种传感器信息 的互补性，提供给决策系统一个更为全面的信息，使得监测过程更可靠，更具有 柔性，也增加了实现更先进控制的可能性。它是近几年来国内加工质量检测和外 刀具磨损、破损监测技术的发展趋势。 另外，随着刀具磨损或破损的发生，工件已加工表面粗糙度将呈增大趋势， 沈阳理工大学硕士学位论文 通过检测己加工表面粗糙度可间接监测出刀具的磨损或破损状况。同样监测刀具 的磨损或破损状况也可检测已加工表面粗糙度1 1 5 - 1 叼。 1 3 机床在线检测的国内外研究和应用现状 随着经济发展和市场的全球化趋势，用户对产品的质量、更颞换代的速度以 及产品从设计、制造到投放市场的周期都提出了越来越高的要求。要满足这一需 求，不仅要采用先进的设计与制造技术阱进一步提高产品质量，而且也需要采用 先进的检测技术提高产品检测水平，实现检测过程的高精度、自动化、柔性化、 智能化和1 0 0 在线检测等目标。近年来，加工中心在线检测技术发展很快，并且 成为衡量数控机床技术水平的重要特征之一。 1 9 7 7 年，在汉诺威欧洲机床展览会上，展出了由英国r e n i s h a v 公司研制的世 界上第一套“循环中测量系统”一r e n i s h a w 系统。此后，这项技术得到了迅速推广。 到1 9 8 3 年巴黎机床展览会土则达到了6 5 种。因此，在评论8 0 年代数控技术的特 征时，一般都认为触发式测头测量系统是与数控系统取代穿孔纸带、采用先进数 控技术来发展柔性制造系统和应用工业机器人等成就一样，起着促进数控技术发 展的重要作用。 如今，机床在线检测技术已取得了一些成果。国外以英国t z e n i s h a v e 公司为 代表，开发了多种类型的测头，并己在许多数控机床上应用。目前，在工业发达 的国家，机床测头基本上和刀具一样成为了机床不可缺少的基本备件，在机械制 造领域得到了越来越广泛的应用，并且系统的功能和用途也随之不断完善和扩大。 德国的s e n k i n g w e r k 公司自从安装了在线检测系统后，每件工件加工时间由原来 2 5 m i n 下降到4 m i n ，工件的精度也得到了大幅度提高，英国的a b b e yt o o lg a u g e 公司自从在加工中心上安装r e n i s h a w 测头后，加工工件时间由几小时下降到l o m i n 并且三坐标测量机也闲置了下来。荷兰的a nd e nb r i n k 公司在c n c 上安装 了在线检测系统后，工件的生产周期由3 天缩短为8 小时 国内北京机床研究所、航大部3 0 3 所等单位也相继研制出机床在机测头，其 测量控制和数据处理都在数控宏程序中完成，己可以实现简单的点、线、面等基 本形体几何参数的测量。国内主要的数控机床厂家如北京第机床厂、中捷友谊 厂、北京机电院、济南机床厂、长城机床厂等都己在其生产的机床上配装在线测 头。很多机床用户也在现有机床上加装测头。沈阳黎明发动机制造公司与南京航 第l 章绪论 空航天大学一起研制了高精度不可见内回转曲面线轮廓度的在线自适应测量仪。 1 9 9 9 年1 0 月在北京举行的中国国际机床展览会上，上海机床厂有限公司展出的 h 2 4 6 数控端面外圆磨床具有自动在线测量工件的功能：险峰机床厂的m k 8 4 4 0 数控 轧辊磨床，采用闭环补偿磨削技术，在进行连续补偿磨削时自动进行曲线与理论 曲线比较，在达到预输入轧辊精度要求后自动停机【2 i 】。 1 4 本课题的主要工作 本文以战略导弹和运载火箭的储贮箱高架横梁移动式五轴联动车铣加工中 心在线检测技术为研究对象，进行了详细的研究和实验验证，共分为以下三部分： 1 研究多功能智能化在线检测仪硬件设置。 2 研究多功能智能化在线检测仪软件设计。 3 进行多功能智能化在线检测实验技术研究。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题的来源背景及多功能智能化在线检测仪的重要性和现实意 义，然后介绍了在线检测系统组成、特点及发展趋势和机床在线检测一些常用方 法和机床在线检测技术的国内外研究状况，最后提出本文研究内容。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章多功能智能化在线检测仪的原理和方法 目前，信号分析处理大多用于故障诊断，由于机床加工过程中刀具变化，振动 变化等与加工质量有内在联系的，故障诊断的理论和方法完全可以用于加工时加 工质量的分析和检测。或者说，工程信号分析方法不仅可以用于故障诊断，同样 完全可以用于在线检测，通过对机床加工状态监测达到设置合理的加工参数和机 床最佳工作状况目标，实现保证加工质量目的。本文就是在理论和实践上将信号 分析方法用于在线检测。 2 1 多功能智能化在线检测仪的理论与实践基础 目前，设备状态监测和故障诊断技术作为现代化设备管理的重要组成部分， 是设备管理与维修管理必不可少的手段。尤其是在市场竞争日益激烈的今天，设 备维修成本的控制和降低是企业最可挖掘的潜力之一。因此，应用状态监测与故 障诊断技术，使预知维修取代传统而落后的事后维修和定期预防维修是历史的必 然。同样，应用状态监测技术可以实现加工过程中实时检测，取代传统而落后的 离线检测和在位检测。 振动信号的采集分析在机械状态监测和故障诊断方面有着非常广泛的应用， 其准确性和可靠性都非常高。在加工过程中振动信号是反映加工中心实时状态极 其敏感的参数，而对于性能参数而言，振动是更敏感、更直接衡量其工作正常状 态与否的综合性指标。利用振动信号进行状态监测具有速度快、准确率高，监测 部位准确并能实现在线监控的特点。因此本文中多功能智能化在线检测仪采用振 动信号分析方法来实现在线检测。通过振动信号的采集分析，我们可以确定加工 设备的工作状况，对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报、分析、判断， 确定故障性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及后果， 提出控制故障继续发展的措施，通过采取调整、维修、治理的对策消除故障，达 到保证加工质量目的。 设备的状态监测通常是指通过测定设备的某一特征参数( 如振动、压力、温 度等) ，来检查其运行状态是否正常。本文中多功能智能化在线检测仪通过监测振 第2 章多功能智能化在线检测仪的原理和方法 动信号特征参数监测实现在线检测和控制，对振动信号进行时域分析、频域 分析和幅域分析。振动信号特征参数主要有峰峰值、均值、均方根值、方差、标 准差、波形指标、脉冲指标、裕度指标、峭度指标等。由于这些特征参数测量比 较直接，用于在线监测可靠、方便。频域分析主要是通过傅立叶变换，将振动信 号从时域变换到频域，然后再进行特征提取的一种方法。本文中多功能智能化在 线检测仪主要通过监测刀具振动参数来间接判断刀具磨损、破损状态，达到保证 工件表面加工质量的目标。当振动参数幅值小于允许值时机械运行状态正常，工 件表面粗糙度能够满足要求，当振动幅值大于允许值时，表明机械运行状态异常， 工件表面粗糙度不能够满足要求。 设备故障诊断技术是通过了解和掌握设备在线使用的状态，结合设备的运行 历史，对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报、分析、判断，确定故障 性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及后果，提出控制 故障继续发展的措施，通过采取调整、维修、治理的对策消除故障，最终使设备 恢复正常状态。多功能智能化在线检测仪主要通过在线监测刀具振动信号参数， 间接实时监测刀具磨损状态，进一步监测机械运行状体，当刀具振幅参数达到一 定幅值，表明磨损严重，必须调整或更换刀具，实现在线故障诊蝌2 1 】。 通过对设备的状态监测( 通常是指测定设备的某一特征参数，如振动、温度、 压力等) 数据同加工工艺、加工质量建立联系，来指导加工工艺的制定和加工参 数的设定，从而优化工工艺的制定和加工参数。通过建立特征参数的许可值数据 库，对加工过程进行智能化实时监测，检查其状态是否正常。当特征参数小于允 许值时认为正常，否则认为异常，进行报警提示操作人员进行干预，采取相应的 措施，保证加工质量。 辽宁省高速切削工程中心在工程信号采集分析方面积累了非常广泛数据和实 际经验，为本课题的研究提供了实践基础。图2 1 至2 4 是导师在工程中心自行 研制的c x 3 0 0 卧式车铣加工中心积累的数据中四组： 沈阳理 大学硕士学位论文 幽2 ，l 空载1 5 0 r r a i n 频域1 9 苗值谱波形幽 幽2 2 空载3 0 0 r r a i n 频域幅值谱波形剧 幽2 3 转速2 5 0 r m i n ，剀深a p = 0 5 时频域幅值谱波形幽 图2 - 4 转速2 5 0 r m i n ，切深a p = l 时频域幅值谱波形图 - 1 0 - 第2 章多功能智能化在线检测仪的原理和方法 从图中可以看出在空载条件下，转速从1 5 0 r m i n 提高到3 0 0 r m i n ，机床频域 幅值明显增强。在转速2 5 0 r r a i n 条件不便状态下，切深从0 5 提高到1 机床频域幅 值变化同样非常显著。从空载波形图可基本确定了容易引起主轴共振的前四阶振 型。 可见，振动信号对加工中心实时状态是极其敏感的，能够准确和可靠地反映 加工参数和机械运行状态，为多功能智能化在线检测仪的研制提供丰富的理论和 实践基础。 2 2 工程信号分析常用方法 常见的工程信号分析与处理是在幅值、时间、频率等域进行的，它们是从不 同的角度对信号进行观察和分析与处理的结果。通过对它们的分析、处理可实现 对加工工艺、加工质量和设备运行状态的实时在线检测和监控。同样还可以判断 和监控旋转机械包括转子系统、轴承、齿轮箱的故障1 4 1 删。 2 2 1 信号的幅域分析 在信号幅值上进行各种处理称作幅域分析。信号幅域分析，提供各种幅域参 数，包括：有量钢参数( 峰值、平均值、有效值、斜度、峭度) ，无量钢参数( 波 形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、峭度指标) 。概率密度等。 1 ) 有量纲参数： 峰值：x = m a x i x ，i ) ( 2 - 1 ) 平均值：i i 卢专善l 置i ( 2 2 ) 有效值( 也称均方根值) ：x 。= j 专r x 2 ( f ) 斫 ( 2 3 ) 方根雌x = 睫厕 2 协a ， 斜度：口2 专善x ? ( 2 - 5 ) 峭度：= 吉r ( 2 6 ) v ，- l 有量纲参数对设备状态变有一定的敏感性，随着设备状态的恶化，甚至故障 的发生和发展，有效值、平均值、峭度均会逐渐增大。其中，峭度对幅值非常敏 沈阳理工大学硕士学位论文 感，当其格律增加时，峭度将迅速增大。多功能智能化在线检测仪通过振动信号 有量纲参数检测、分析和处理实现在线检测。 2 ) 无量纲参数： 峭度指标： 波形指标： ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 峰值指标：c j = 二净 ( 2 9 ) 。， 脉冲指标：02 衔 2 _ 1 0 ) 裕度指标：c l i2 二导 ( 2 - 1 1 ) 峭度指标、裕度指标和脉冲指标对于冲击( 例如：轴承、齿轮箱) 类故障比 较敏感，特别是当故障发生时，它们有明显增加；但上升到一定程度后，随故障 的逐渐发展，反而会下降，表明它们对早期故障有较高的敏感性，但稳定性不好。 在本文中监测刀具磨损和破损实质也是故障诊断的一部分，一般说，有效值 的稳定性较好，但对早期状态变化不敏感，所以，为了取得较好的监控效果，常 将它们同时使用，以兼顾敏感性和稳定性。 表2 1 幅域参数对设备状态的敏感性和稳定性比较 幅域参数敏感性稳定性幅域参数 敏感性 稳定性 波形指标差好裕度指标好殷 峰值指标一般 一般 峭度指标好 差 脉冲指标较好一般均方根值较差较好 3 ) 幅值概率密度 概率密度表示幅值x ( t ) 落在某一定范围内的概率大小，计算公式如下 贴) = 烛业掣 ( 2 - 1 2 ) 2 2 2 信号的时域分析 一砖k一 l l = 鼠 彤 第2 苹多功能智能化在线检测仪的原理和方法 1 ) 时基波形分析 常用工程信号都是时间波形的形式。时间波形有直观、易于理解等特点，由 于是最原始的信号，所以包含的信息量大。缺点是不太容易看出所包含信息与机 床工作状况的联系。对于某些工况信号，其波形具有明显的特征，这时可以利用 时间波形做出初步判断。 2 ) 自相关分析 自相关分析：自相关函数是描述一个时刻的取值与另一个时刻的取值之间的 依赖关系。 自相关的标准计算公式五= 置( 心) = 万与薯+ ，( 2 - 1 3 ) 其应用如下： ( 1 ) 根据自相关的形状来判断原信号的性质。比如周期信号的自相关函数仍 为同周期的周期函数。 ( 2 ) 自相关函数可应用于随机噪声中的确定性信号。因为周期信号或任何确 定性数据在所有时间上都有其自相关函数，而随机信号则不是。 ( 3 ) 将自相关函数做傅立叶变换可以求得自功率谱密度函数。 ( 4 ) 不同信号具有不同的自相关函数，是利用自相关函数进行故障诊断的依 据，正常运行的机器，其平稳状态下的振动信号的自相关函数往往与宽带随机噪 声的自相关函数相近。 3 ) 互相关分析 互相关函数是表示两组数据之间依赖关系的相互统计量，互相关的标准计算 公式 如。如( r a t ) 2 志。x n x n + r 2 。1 4 ) 2 。= r r x ( r a t ) = 志薯矗矗：， 沿 其应用如下： ( 1 ) 互相关函数在时间位移等于信号通道系统所需要时间值时，将出现峰值。 实际上互为线性关系的两个信号，其平均乘积在信号间出现的时间位移为零时总 是最大值。系统的时间滞后直接可用输入输出互相关图中峰值的时间位移来确定。 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 互相关分析利用延时和能量信息对传输通道进行识别。 ( 3 ) 与自相关函数一样，互相关函数也可以利用它检测在外界噪声中的信号。 2 2 3 信号的频域分析 1 ) 频域分析的概念：频域分析的目的是把复杂的时间历程波形，经傅立叶变换分 解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位 信息。频域分析在在线检测中占重要地位，一般的常见机床工作状态均可通过频 域分析，进行监测。 2 ) 信号加富：由于我们测量的波形是有限时间记录，而在该时间记录中连续的输 入信号不是周期性的，就可能产生泄漏，泄漏问题是严重的，它足以完全掩盖紧 靠正弦波的小信号。为此，可以运用选择加窗功能，这样，可以在频域中得到极 近似正确的频谱。 任何函数都可用来对数据开取窗口，但最常用的一种功能称之为汉宁窗。无 论在时间记录中是周期性的还是非周期性的，汉宁窗都可以顺利的完成任务。其 他窗函数我们可根据实际需要选择窗函数。， 3 ) 倒频谱：倒频谱发现是近代信号处理科学的一项新技术，它可以处理复杂频谱 图上的周期结果，倒谱分析也称二次频谱分析，它对于分析同族谐频或异族谐频、 多成分边频等复杂信号，精确地测量频率间隔，找出功率谱上不易发现的问题， 非常有效。 2 3 本章小结 本章介绍了多功能智能化在线检测仪基本原理和实践基础，并对工程信号常 用的分析方法进行归类总结。 第3 章多功能智能化在线检测仪的硬件设置 第3 章多功能智能化在线检测仪的硬件设置 3 1 硬件总体构成 本检测系统硬件主要以u s b 2 0 0 2 数据采集卡为基础。选用中国运载火箭设计研 究院研究开发的剪切式压电加速度传感器，传感器和电荷放大器连为一体，传感 器接受到电压信号经电荷放大器放大后通过导线和数据采集卡相连，在卡内通过 a d 转换器转换为数字信号，送入计算机信号分析处理系统。传感器采用磁力与测 点固定相连。本文所研制实物如图3 1 所示： 图3 1 检测系统硬件实物图 检测系统的硬件包括：光电传感器、倍频编码器、振动传感器、振动电荷放 大器、压力传感器、压力电荷放大器、温度传感器、数据采集卡、计算机。虚拟 仪器( 软件) 数据接收单元、频谱分析单元、图像显示单元、数据管理单元、数 据处理单元、智能系统单元、报警显示单元也可以看成硬件的一部分，它是硬件 软化部分。本系统具有结构简单、性能可靠、操作方便、成本低等优点，能满足 数控加工中心机床多点、多个技术参数实时监测，确保机床加工质量和n t 大型 复杂零件或者薄壁零件的需要。 沈阳理工大学硕士学位论文 报警显 示单 兀 图3 2 检测系统硬件结构示意图 结合战略导弹和运载火箭的贮箱高架横梁移动式五轴联动车铣加工中心，对 多功能智能化在线检测系统在加工中心的布局结构方案和工作过程作以下说明： 机床主轴、刀具的旋转周期信号，通过光电传感器经倍频编码器通过u s b 采 集卡输入接口输送给数据采集卡；铣头、床身、x 、y 、z 向工作滑台的振动信号， 通过振动传感器经振动电荷放大器再通过u s b 采集卡输入接口传送给数据采集卡； 压力传感器把铣头、床身、滚珠丝杠及各轴的加工压力信号经压力电荷放大器再 通过u s b 采集卡输入接口传送给数据采集卡：温度传感器把滚珠丝杠、铣头及各 轴的加工温度信号通过u s b 采集卡输入接口传送给数据采集卡；数据采集卡通过 u s b 接口把数据信号传送给计算机，再经数据接收单元传送给频谱分析单元，频谱 分析单元再把时域、频域图像信号传送给图像显示单元、数据管理单元存储或者 显示。再经过数据处理单元、智能系统单元传送给报警显示单元，通过报警显示 单元进行显示、报警提示机床的各个技术参数和加工状态，以便加工人员及时进 行相应处理，确保机床加工质量和正常运转。 数据采集卡是采用1 4 位高精度、多通道信号采集，完成对多点、多参数进行 第3 章多功能智能化在线检测仪的硬件设置 监测。检测系统对信号进行时域和频域的分析；时域又可以进行有量钢参数( 峰 值、平均幅值、有效值、斜度、峭度) 和无量钢参数( 波形指标、峰值指标、脉 冲指标、裕度指标、峭度指标，概率密度等) 分析，频域可以进行频率结构以及 各谐波幅值和相位信息分析。提供多个参数同n i 质量和精度之间的联系和监测。 对超过许可值的参数立刻报警提示，停止加工，避免加工设备被破坏或加工零件 报废，减少经济损失。 3 2 传感器和电荷放大器的选择 传感器在检测系统中的作用是：测量反映振动、压力、温度，光电信号等各 种参量，将上述参量中振动信号和压力信号转换为电信号，微弱电信号由各自的 电荷放大器放大后经u s b 采集卡输入接口输入数据采集卡，经计算机处理后能够 反映采集信号部位的振动、压力等物理量变化情况。 3 2 1 传感器选用原则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象 以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。 测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1 ) 测量方式：对同一物理量测量，可以有多种原理的传感器可供选用，要进 行一个具体的测量工作，首先根据测量原理结合实际综合考虑多方面的因素之后 确定测量方式，例如，接触与非接触，在线与非在线等。测量方式不同对传感器 要求也不同。 2 ) 灵敏度：一般来讲，在传感器的线性范围内，传感器的灵敏度越高，被测 量变化对应的输出信号的值越大，有利于信号处理。但是，传感器的灵敏度高， 与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因 此，要求传感器本身应的信噪比越大越好，尽员减少从外界引入的干扰信号。 在被测量是个向量时，要求传感器在该方向灵敏度越高越好，横向灵敏度越 小越好。在被测量是多维向量，还要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3 ) 频率响应特性：传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在 所测频率范围内满足不失测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延 迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受 到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，固有频率低，传感器的可工作频率较 沈阳理工大学硕士学位论文 低。在动态测量中，应充分考虑被测信号的特点，例如稳态、瞬态、随机等 4 ) 线性范围：理论上讲，在传感器的线性范围内，灵敏度保持定值。传感器 的线性范围越宽，则其工作量程越大，并且能保证一定的测量精度。但实际上， 任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。在许可的范围内，可 传感器近似看作线性的。选用传感器时必须保证被测量线性误差在允许范围内。 5 ) 可靠性：影响传感器可靠性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的 使用环境。因此，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应 对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当 的措施，减小环境的影响。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标 定的场合，所选用的传感器可靠性要求更严格。 6 ) 精确度：精确度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系 统测量精度的一个