（机械制造及其自动化专业论文）金刚石研磨过程振动信号分析信号特征识别研究.pdf

摘要 摘要 金刚石研磨过程中，金刚石研磨质量的优劣受到机床内外部振动因素的影响，机 床本身的振动会引起研磨盘和金刚石问的相对位移，被研磨的金刚石刀具和研磨盘之 间产生多余的相对运动，使金刚石无法达到要求的加工精度和表面质量。而且，在最 后的精密研磨阶段，振动干扰以及其他工艺因素会影响研磨过程中金刚石表面材料去 除方式，在金刚石表面产生微观解理，影响刀具的锋锐度、刃口和前刀面的表面粗糙 度。因此，对加工过程振动进行研究，探索工艺参数的影响，能够为提高加工质量、 对加工过程监测提供依据。 为了消除金刚石研磨过程中内外部挠动的影响，本课题组采用了弹性浮动的 研磨方式，相对于传统的研磨系统，该装置引入了弹性梁和弹性挚，强化了弹性系统 的减振作用，增加了系统的柔性，一定程度上削弱了振动的影响。以往的研究都是从 实验的角度研究工艺参数对研磨过程振动的影响。由于研磨振动信号中含有大量信息 与研磨过程相关，本文从信号分析角度对研磨过程振动进行研究，对不同工艺参数下 研磨过程振动信号特征进行识别，探索工艺参数对加工过程振动的影响，对于提高研 磨质量有重要意义。 本文首先介绍了金刚石研磨实验的实验平台以及信号采集设备，讨论了信号采集 时测量参数、测点及采样间隔的选择问题。提出了针对金刚石弹性浮动研磨过程振动 的研磨振动信号分析技术路线，并对振动信号分析常用的时域、频域分析方法作了介 绍。 其次，根据金刚石研磨振动信号频谱图有频谱波峰的特点，提出应用高斯函数曲 线用最小二乘方法拟合信号频谱中的频谱峰的方法，对信号的频谱峰特征进行识别。 介绍了该方法的理论基础，并设计实验平台，验证该方法能有效的识别信号的频谱峰 特征。然后分别对研磨速度、研磨压力和弹性梁长度等研磨工艺参数影响的频谱峰特 征进行识别。 最后，为了进一步研究研磨工艺参数对过程振动影h 向的程度，采用小波频带能量 方法进行研究。将信号进行小波分解，根据频谱峰特征矩阵提取频游峰所在的小波分 解细节信号，计算出频谱峰特征所对应的频带能量，作出频带能量随研磨速度、研磨 广东工业大学硕士学位论文 压力和悬臂梁长度等研磨工艺参数变化曲线，得出了研磨工艺参数对过程振动的影响 规律。 关键词：金刚石研磨；频谱；小波分析；高斯曲线 a b s t r a c t a bs t r a c t d u r i n gd i a m o n dg r i n d i n gp r o c e s s ，t h eg r i n d i n gq u a l i t yo f d i a m o n di sd e e p l yi n f l u e n c e d b yt h ev i b r a t i o nf a c t o r so fl a p p i n gm a c h i n e t h e r ei sr e l a t i v em o v e m e n tb e t w e e nt h e d i a m o n da n dl a p p i n gd i s cc a u s e db yt h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n tb e t w e e nd i a m o n da n d g r i n d i n gd i s cw h i c hi sc a u s e db yt h ev i b r a t i o no fl a p p i n gm a c h i n e b e c a u s eo ft h i s ，t h e d i a m o n dc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm a c h i n i n ga c c u r a c ya n ds u r f a c eq u a l i t y w h a ti s m o r e ，i nt h ep r e c i s i o ng r i n d i n gs t a g e ，t h er e m o v a lw a yo f t h ed i a m o n ds u r f a c em a t e r i a li s a f f e c t e db yv i b r a t i o na n do t h e rt e c h n o l o g i c a lf a c t o r s s t u d yo fm a c h i n i n gp r o c e s sv i b r a t i o n c a n p r o v i d eb a s i sf o ri m p r o v i n gt h eg r i n d i n gq u a l i t ya n do p t i m i z i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s i no r d e rt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fi n t e r n a la n de x t e m a ls c r a t c h i n gm o v eo u rr e s e a r c h g r o u p i n v e n t e dt h ef l e x i b l ef l o a t i n gd i a m o n dl a p p i n gd e v i c e ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l g r i n d i n gs y s t e m , t h i sd e v i c ei n t r o d u c e de l a s t i cb e a ma n de l a s t i cc u s h i o n , w h i c hs t r e n g t h e n e d t h ed a m p i n ge f f e c to f e l a s t i cs y s t e ma n di n c r e a s e dt h ef l e x i b i l i t y t os o m ee x t e n t ，i t w e a k e n e dt h ev i b r a t i o n p r e v i o u ss t u d i e sw e r ea b o u tp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ei n f l u e n c eo f v i b r a t i o ng r i n d i n gp r o c e s sf r o mt h ep o i n to fv i e wo fe x p e r i m e n tr e s e a r c h t h e r ei sal o to f i n f o r m a t i o na b o u tg r i n d i n gp r o c e s si ng r i n d i n gv i b r a t i o ns i g n a l ；t h er e s e a r c ha b o u tt h e v i b r a t i o ni ng r i n d i n gp r o c e s sh a sg r e a tv a l u et oi m p r o v et h eg r i n d i n gq u a l i t y t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fd i a m o n dg r i n d i n ge x p e r i m e n t a n ds i g n a la c q u i s i t i o ne q u i p m e n t ，t h es e l e c t i o no fm e a s u r i n gp a r a m e t e r s ，m e a s u r i n gp o i n t s a n ds a m p l i n gi n t e r v a lw a sd i s c u s s e d t h eg r i n d i n gv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i st e c h n o l o g yl i n e w a sp r o p o s e da n ds o m ef r e q u e n c yd o m a i na n dt i m ed o m a i nm e t h o d sa b o u tv i b r a t i o ns i g n a l a n a l y s i sw e r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p e c t r u mp e a k si ns p e c t r u mc h a r to f t h e d i a m o n dv i b r a t i o ns i g n a l ，an e wm e t h o do fu s i n gg a u s s i a nc u r v ew i t hl e a s t s q u a r em e t h o d i d e n t i f y i n gt h es p e c t r u mp e a kc h a r a c t e r i s t i c sw a si n t r o d u c e d t h eb a s i ct h e o r yo f t h i s m e t h o dw a si n t r o d u c e da n de x p e r i m e n tw a sd e s i g n e dt ov e r t if i c a t et h em e t h o d ，t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h i sm e t h o dc a ne f f e c t i v e l yr e f l e c ts i g n a ls p e c t r u mp e a kf e a t u r e s t h ef e a t u r e s w e r ei d e n t i f i e d w h i c hw e r ea f f e c t e db yg r i n d i n gs p e e d ，g r i n d i n gp r e s s u r ea n de l a s t i cb e a m 广东工业大学硕士学位论文 l e n g t he t c t h e n ，b a s e do nt h ec h a n g eo fg r i n d i n gs p e e d ，g r i n d i n gp r e s s u r ea n dc a n t i l e v e rb e a m l e n g t he t cg r i n d i n gp a r a m e t e r s ，s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e d ，t h ev i b r a t i o ns i g n a l s p e c t r u mp e a kc h a r a c t e r i s t i cm a t r i xw a se x t r a c t e d f i n a l l y ，t h ew a v e l e ta n a l y s i sm e t h o dw a sa p p l i e d ；t h eb a n de n e r g yc o r r e s p o n d i n gt o c h a r a c t e r i s t i cm a t r i xw a se x t r a c t e d t h eb a n de n e r g yw i t hg r i n d i n gs p e e d g r i n d i n gp r e s s u r e a n dc a n t i l e v e rb e a mp a r a m e t e r se t cg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e rv a r i a t i o n sc u r v e sw e r em a d e t h ei n f l u e n c el a wo fg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h ep r o c e s sv i b r a t i o nw a s c o n d u c t e d k e y w o r d s ：d i a m o n dg r i n d i n g ；f r e q u e n c ys p e c t r u m ；w a v e l e ta n a l y s i s ；g a u s s i a nc u r v e i v 广东工业大学硕士学位论丈 c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t 1 1 1 c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) v c o n t e n t s v i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 ir e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2r e a r c hp r e s e n tc o n d i t i o no f d i a m o n dg r i n d i n g 2 1 3r e a r c hp r e s n e tc o n d i t i o no f p r o c e s s i n gv i b r a t i o n 3 1 4r e a r c hp r e s e n tc o n d i t i o no fs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o do fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l 4 1 4 1t i m ed o m a i na n a l y s i so f s i g n a l 4 1 4 2f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i so f s i g n a l 4 1 4 3w a v e l e ta n a l y s i s 5 1 5s u b j e c ts o u r c ea n dm a i nc o n t e n t s 6 1 5 1s u b j e c ts o u r c e ：6 1 5 2m a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e r 6 c h a p t e r2d i a m o n dg r i n d i n ge x p e r i m e n ta n ds i g n a la n a l y s i s m e t h o d 8 2 1e x p e r i m e n t a lf a c i l i t y 8 2 1 1e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 8 2 1 2s i g n a lp i c k u pa a s s e m b l y 9 2 2a c q u i s i t i o no f s i g n a l 1 0 2 2 1s e l e c t i o no fv i b r a t i o nm e a s u r e m e n tp a r a m e t e r s 10 2 2 2s e l e c t i o no f m e a s u r i n gp o i n t 11 2 2 3s e l e c t i o no f s a m p l i n gi n t e r v a l 11 2 3t e c h n o l o g yr o u t eo fg r i n d i n gv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i s 11 2 4a n a l y s i sm e t h o do f d i a m o n dg r i n d i n gv i b r a t i o ns i g n a l 12 v l l i c o n t f n t s 2 4 1t i m ed o m a i na n a l y s i so fv i b r a t i o ns i g n a l 12 2 4 2f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i so f v i b r a t i o ns i g n a l 一1 4 2 5s u m m a r y 2 0 c h a p t e r3b a s e do ng a u s s i a nc u r v eg r i n d i n gp a r a m e t e r s i n f l u e n c es p e c t r u mp e a kc h a r a c t e r i s t i c si d e n t i f i c a t i o n 21 3 1g a u s s i a nf u n c t i o na n dl e a s ts q u a r e sf i t t i n g 2 1 3 。1 1g a u s s i a nc u r v e 2 2 3 1 2l e a s ts q u a r e sf i t t i n gm e t h o d 2 3 3 1 3s e l e c t i o nc r i t e r i ao f g a u s s i a nc u r v e 一2 4 3 2v e r t i f i c a t i o nt h em e t h o d 2 5 3 2 1 e x p e r i m e n ta r r a n g e m e n t 2 5 3 2 2e x p e r i m e n t a ls i g n a la c q u i s i t i o n 2 6 3 3 s i g n a ls p e c t r u mf e a t u r ee x t r a c t i o n 2 9 3 3 1s p e c t r u md i v i s i o na n dg a u s s i a nf u n c t i o ns e l e c t i o n 2 9 3 3 2g a u s s i a nc u r v ef i t t i n g 31 3 3 3r e s u l ta n a l y s i s 3 3 3 4d i a m o n dg r i n d i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r ss p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c si d e n t i f i c a t i o n 一3 5 3 4 1e x p e r i m e n tp r o g r a m 3 5 3 4 2r e s u l ta n a l y s i s 3 5 3 5 小结3 7 c h a p t e r4a n a l y s i s o fp r o c e s sp a r a m e t e r sa f f e c t i o nb y w a v e l e tb a n de n e r g ym e t h o d 3 8 4 1w a v e l e ta n a l y s i s 3 8 4 1 1c o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m 3 9 4 1 2d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o n n 4 1 4 1 3w a v e l e tb a n de n e r g y 4 1 4 2 e x p e r i m e n ta r r a n g e m e n t 4 2 4 3a n a l y s i so f g r i n d i n gs p e e di m p a c t 4 3 4 3 1s i g n a ls p e c t r u mp e a kf e a t u r ee x t r a c t i o n 4 3 4 3 2w a v e l e td e c o m p o s i t i o no f s i g n a l 4 5 i x 广东工业大学硕士学位论文 4 3 3a n a l y s i so f f r e q u e n c yb a n de n e r g yc h a n g ew i t hg r i n d i n gs p e e d 4 7 4 3 4c o n t r a s to fd i a m o n ds u r f a c em o r p h o l o g y 4 8 4 4a n a l y s i so f g r i n d i n gp r e s s u r ei m p a c t 4 9 4 4 1 s i g n a ls p e c t r u mp e a kf e a t u r ee x t r a c t i o n 4 9 4 4 2w a v e l e td e c o m p o s i t i o no fs i g n a l 5 0 4 4 3a n a l y s i so f f r e q u e n c yb a n de n e r g yc h a n g ew i t hg r i n d i n gp r e s s u r e 5 2 4 4 4c o n t r a s to f d i a m o n ds u r f a c em o r p h o l o g y 5 4 4 5a n a l y s i so f e l a s t i cb e a ml e n g t hi m p a c t 5 4 4 5 1s i g n a ls p e c t r u mp e a kf e a t u r ee x t r a c t i o n 5 5 4 5 2w a v e l e td e c o m p o s i t i o no f s i g n a l 5 6 4 5 3a n a l y s i so f f r e q u e n c yb a n de n e r g yc h a n g ew i t he l a s t i cb e a ml e n g t h 5 8 4 5 4c o n t r a s to f d i a m o n ds u r f a c em o r p h o l o g y 5 9 4 6s u m m a r y 6 0 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 6 1 r e f e r e n c e s 6 3 p u b l i c a t i o n sd u r i n gs t u d y 。6 6 o r i g i n a ls t a t e m e n to fd e g r e et h e s i s 6 7 a u t h o r i z e ds t a t e m e n to fc o p y r i g h t 6 7 a c k n o w i e d g e m e n t 6 8 x 第一章绪论 1 。1 研究背景及意义 第一章绪论 随着科学技术和国民经济的不断发展，以及现代集成制造系统的问世，人们对机 械力h - t - 精度和加工效率提出了越来越高的要求，朝着高精度、高速、高生产率切削的 方向发展，这也就对刀具的性能提出了相当高的要求。事实表明，一个落后的工具制 造业不可能支持一个先进的工业体系，要实现高效合理的切削，必须要有与之相适应 的刀具材料。刀具质量的优劣，将直接影响机械工业及相关行业的生存与发展f i j 。 金刚石，作为自然界中最硬的物质，具有最优良的物理、化学、光学和材料性能， 能满足精密及超精密加工对刀具材料的大多数要求，因此金刚石刀具在精密超精密加 工领域具有不可替代的地位，被认为是超精密加工领域中最理想的切削刀具材料【”l 。 由于金刚石具有高硬度高脆性的特点，因此金刚石晶体的加工需要特殊的加工工艺， 目前文献中提及的金刚石刃磨先进方法有如下8 种【l ：机械研磨法、离子束溅蚀法、热 化学抛光法、无损伤机械化学抛光法、真空等离子化学抛光法、化学辅助机械抛光与 光整法、氧化刻蚀法、激光刻法。 机械研磨法是传统的方、法【5 6 l ，该方法具有成本低、效率高、操作过程简单等特点， 经过精细研磨的会刚石晶体能获得高质量的表面，目前仍被广泛应用。机械研磨法加 工金刚石刀具时，研磨线速度高，局部压力大，振动冲击作用强烈。加工过程刀具表 面及刃口由于受到强烈冲击，导致表面产生微小裂纹和沟槽，限制刀具质量的提高。 为了对进一步提高研磨质量，本课题组对传统刚性机械研磨的基础上提出了金刚 石弹性浮动研磨实验装置，引入了弹性梁和弹性挚等弹性部件。跟传统的研磨系统 相比，该装置突出了弹性系统的减振作用，使得研磨区域和央持机构的柔性得到增强。 本课题组已经开展了一系列基于会刚石弹性浮动研磨系统的研究工作，通过实验已经 证明应用该技术可以提高研磨质量。由于采用弹性浮动装置，在加工过程中会存在挠 动和冲击，影响金刚石与磨微的接触精度，使金刚石的材料去除方式由塑性变形变为 解理，降低表面质量。 在金刚白弹性浮动研磨加工过程巾，加工区域的振动程度受至0 研磨工艺参数的影 响。加1 二过程中的工艺参数主要有研磨速率，研磨压力以及弹性梁的长度等i9 1 。为了降 广东工业大学硕士学位论文 低研磨过程中振动的干扰，需要对研磨工艺参数进行优化调整。而研磨过程中振动信 号包含大量与研磨过程相关的信息，通过对研磨过程振动信号进行分析，提取不同研 磨工艺参数时的信号特征，定性的描述振动信号强度与工艺参数的关系，可以为研磨 工艺的优化和过程控制提供依据。 1 2 金刚石研磨研究现状 机械研磨是金刚石刀具传统的加工方法，金刚石机械研磨的原理通常是在刚性研 磨盘( 如铸铁、锡、铝等软金属或硬木、塑料等) 里注入ll am 至十几微米大小的氧化 铝和碳化硅等磨料，在一定压力下，通过研磨盘与金刚石的相对运动，借助磨粒的微 切削作用，除去微量的工件材料，以达到高的几何精度和优良的表面粗糙度。目f j 见诸文献的金刚石刀具研磨工艺方法有如下【1 1 】： ( 1 ) 机械研磨法 1 2 1 机械研磨方法的原理为：在直径为3 0 4 0 c m 的铸铁研磨盘上涂 上一层混合有尺寸为1 - 5 0 u m 的金刚石粉末研磨膏进行预研，使金刚石粉末嵌入铸铁研 磨盘微孔中，然后采用适当转速对金刚石刀具进行研磨，本质是金刚石与金刚石的对 研。 传统的机械研磨方法由于具有较高的磨盘转速，正压力大，研磨时的摩擦力大， 故研磨效率高。由于这种研磨方法具有不连续的冲击作用，使得金刚石刀具锯齿度和 变质层厚度较大，表面粗糙度值( r a ) 也较大，一般为o 0 5 一- , l u m 。理论上，机械抛光法 可以使表面粗糙度值( r a ) 达到几个纳米。 ( 2 ) 无损伤机械化学抛光法该方法的原理是：在n a o h 溶液中加入适量的微细金 刚石粉术和更加细的硅粉，通过强静电作用使硅粉吸附在金刚石粉末之上，然后涂覆 在多孔制铸铁研磨盘上对金刚石刀具进行研磨。本质是微细硅粉和金刚石刀具表面碳 原子发生化学反应，通过硅粉的微磨削作用把反应层刮掉。缺点是磨削效率极低，约 每分钟一个碳原层。 ( 3 ) 化学辅助机械抛光与光整法”该方法原理是：首先先对金刚石刀具进行传统 的机械研磨，得到表面比较粗糙( r a u m ) 和尺寸精度不太高的刀具原形后再对其进 行化学抛光和光整。化学抛光和光整是将坩埚中的k n o ：；晶体加热到6 5 0 9 0 0 ，使其 变成熔融的液体后倒剑旋转的a l 2 0 3 研磨盘上，然后把金刚石刀具研磨部分浸入熔融 的k n o ，液体中。高温液体巾的会刚石表面碳原子发生活化，与高氧化性的k n o ：进行氧 化反应，q i 成c 0 或c 幔气体排 。该过程的氧化作用在会刚石刀具与研磨盘接触的表 第一章绪论 面波峰处比较激烈，即波峰处材料去除率高，以此达到化学抛光、光整的目的，可得 到质量很高的金刚石刀具，表面粗糙度值( r a ) 可达几个纳米。 1 3 加工过程振动研究现状 通常机床工作时所发生的振动是传动机构中的不平衡力、断续切削冲击力等多种 形式的干扰力对机床结构持续作用的结果。加工过程中刀具和零件的动态行为影响机 床加工零件的表面质且【。加工过程的振动会使零件和刀具的相对位置关系发生周期 性的改变，使结构表面发生改变，产生尺寸误差。振动是否会造成表面质量缺陷，取 决于工艺参数的选择和机床的动态行为。 国内外对于振动的研究主要包括以下两个方面： ( 1 ) 加工振动在线监测，主要是判断在加工过程中是否已发生振动，目的是监视 和报警。 较早在这些方面开展研究的是美国学者s u b r a m a n i a n 、d e w i e s 和w u t ”1 。他们通过 采集车床刀架处的振动信号x ( f ) ，然后计算出x ( f ) 的均值以和方差吒。如果在切削过 程中从+ 盯，超过设定的监测门限值，则判断振动发生。r a m a m u r t h i 等人f 1 6 】1 9 9 4 年以加 工影响图模型、数字实时知识基系统及谱分析结合来实现钻头状态的监测和预测。d u 等人1 9 9 5 年对制造过程及设备监控的方法进行了深刻分析，并提出全局数据基于知识 基的多处理机结构监控系统方案【 i 。 ( 2 ) 设计一些专门实验系统，对振动过程的相关信息进行分析从而识别出振动的 起振点并通过改变加工过程参数和工艺等方法来减小加工过程振动。 g a s p a r e t t o s 建立了耦合型模型对刀具的稳定及不稳定轨迹进行了研究并得到了切 削稳定条件。于俊一等人利用耦合型颤振模型，研究了机床主轴刚度方位对切削稳定 性的影响【1 9 l 。e m a 和m a r u i l 2 0 j 在理论上研究了在钻削加工时振动的抑制。m x i a o 等人在 研究振动切削的精密加工机理时提出了一种包含振动切削过程的切削模式，用振动模 式模拟了加工过程，并用实验进行了验证。i n s p e r g e r 和s t e p a n t 2 i 提出了一个新的稳定标 准用于高速铣削延迟参数激励模型，并且识别出高速铣削的振动频率。 广东工业大学硕士学位论丈 1 4 国内夕l , 7 j n - r 信号处理方法研究现状 1 4 1 ，n - r - 信号时域分析 时域分析是信号检测中最为古老和成熟度的技术，它包括均值分析、峰值分析、 均方根值分析、峭度分析、相关性分析、裕度分析等多种方法。通过对状态信号波形 的形状、振幅以及变化快慢等特性进行观察分析作为机器的特征，与正常运行时信号 特征进行比较。 在时间域直接分析振动信号是最简单和最便利的信号分析方法。分析过程可以通 过直接观察时间域波形或者检测与时间域振动信号相关的一些统计参数。最常用的统 计参数是峰值，r m s ，峰值系数和峰态( k u r t o s i s ) 。峰值和r m s 值用于振动分析应用范 围很广。将振动信号的峰值和r m s 值和正常状态时振动信号的峰值和r m s 值进行比 较，就可以确定正常信号与非正常信号的特征，可以确定振动程度。韩国的i s k a n g 等人1 2 2 在利用声发射信号监测微透镜机械加工过程刀具磨损状况和零件表面加工质量 状况时采用了声发射信号特征频带的均方根值做为监测参数，取得了很好的效果。印 度的d d i n a k a r a n 等人1 2 3 在研究利用声发射信号监测无涂层碳合金刀具月牙洼磨损时采 用了超声信号的振幅、脉宽和信号r m s 作为信号参数，确定了上述参数与月牙沣磨损 的深度和宽度的关系。w e i w uz h o n g 等人1 2 4 1 在比较研究干铣削和微量润滑铣削时采用了 时域振动信号的r m s 值作为一个比较参量。 另一方面，根据实际测量峰值系数和峰态与正常状态时的值比较是测量振动幅值 水平即振动程度，测量的是信号的整体水平。 1 4 2 ，j n - r 信号频域分析 傅里叶变换在许多领域中作为重要的分析工具，例如线性系统，光学，概率论， 量子物理，天线，和信号分析领域。f f t 最初用于分析连续信号和系统。随着数字技 术在信号和系统中的应用导致了傅罩叶变换在离散信号中的修f 和发展以在离散信号 和系统中应用。进一步研究了傅罩叶变换的计算问题提高计算速度达到实际应用的需 要。随着数码硬件的发展和傅罩叶快速算法的发展使得这个数学工具得到广泛应i - 1 】。 在数字信号处理领域，该方法效果明显。可以计算实时离散信号( 速度信号或数，视 频) 的傅罩叶变换，在变换域处理结果，同时可以进行逆变换。 4 第一章绪论 近年来随着信号处理手段的加强，谱分析方法作为有效地信号处理技术应用到信 号特征提取中。谱分析作为信号特征提取的一个重要手段，主要分析方法有：傅罩叶 谱分析、基于自回归滑动平均模型( a r m a ) 等现代谱分析、高阶谱分析、w i g n e r - v i l l e 时频变换分析等。c y j i n g 等人f 2 5 】研究加工过程检测刀具磨损阶段时采用了频带能量方 法和功率谱密度，很好的确立了刀具磨损阶段与频带能量之间的关系，为监测刀具磨 损提供了依据。i n - h y u 等人在研究金刚石刀具磨损监测系统时采用了振动信号的功 率谱密度作为监测的参数之一，将时域信号转换为频域，确定特征频带，计算特征频 带的能量。 傅里叶变换尽管应用广泛，同样有局限性。例如不能应用到非稳定信号，这类信 号( 例声音和图像) 在不同时间和空间具有不同的特征。尽管有傅里叶变换的修改版 如短时( 或时变) 傅里叶变换，傅旱叶变换依旧不能解决一些与非稳定信号相关的问 题，不能解决相关的问题。短时傅里叶变换广泛应用到声音信号处理问题，但是很少 应用到图像处理问题。存在即合理，由傅里叶变换催生出来的时频变换方法仍然有其 合理之处，一些学者仍然在这方面研究。双线性时频变换能够同时提供高的时域和频 域分辨，能够在复杂背景下检测出早期机械故障中的微弱暂态信号，对信号特征提取 很有意义。b o v i ck i l u n d u 等人【2 7 】根据振动信号研究刀具磨损监测时采用奇异普分析方 法重构信号，结合带通滤波器避免无用信号的干扰。i u l i a nm a r i n e s e u 等人【2 8 】提出了一 种利用声发射信号监测多齿铣削加工过程的方法，采用了s t f t 、c h o i w i l l i a m s 分布 ( c w d ) 和z h a o a t l a s m a r k s 分布( z a m d ) 等时频方法j 下确识别高速切削过程中的动态频 率成份。 1 4 3 小波分析 从不同方面独立研究的小波变换方法，在一些必要信号处理应用方面渐渐取代了 傅罩叶变换。多尺度信号处理，用于计算机图形；频带编码( s u b b a n dc o d i n g ) 用于声 音和图形压缩。小波级数展丌始于应用数学，已经被认为是不同的一个理论。小波变 换同时应用与连续和离散信号。小波变换提供了一个通用技术解决信号处理中的许多 问题。 小波变换成功应用于非稳定信号的分析处理，提供了除短时傅早叶变换( s t f t ) 夕b 的一个选择。不同于s t f t 只使用个分析窗，小波变换的滑窗宽度随尺度而改变， 樾捌分析信号的频率自动调整时域分辨卒。小尺度时，时窗窄，具有高的时域分辨率， 广东工业大学硕士学位论文 频窗宽，具有低的频率分辨率，可以获取信号各时刻的高频信息：大尺度时，时窗宽， 具有低的时域分辨率，频窗窄，具有高的频率分辨率，可以获取信号各时刻的低频信 息。实现“低频分量采用大时窗，对高频分量采用小时窗”的符合自然规律的分析方 法。小波分析方法特别适合非稳定信号的分析，而且由于在加工过程采集的信号经常 是非稳定的，时间和频率分辨率固定的s t f t 方法不适应非稳定信号的分析，例如 k m o r i 等人f 2 9 】采用f f t 对推力信号分析发现f f t 谱不能获得锯齿信号局部方面的信 息，相反经过小波变换的信号扩大了这个信息。小波分析克服了傅里叶方法的缺陷， 允许适应时频表示。wg o n g 等人【3 0 1 研究表明小波分析在切削过程用于刀具磨损识别比 傅罩叶分析更敏感和可靠。y o o n 和c h m t 3 ，】也证实小波变换方法比f f t 谱方法更有可靠 性。处理非稳定信号的信号处理方法更适合于过程检测。 我国对小波的研究起步相对较晚，1 9 9 4 年形成国内的小波研究高潮，