（机械设计及理论专业论文）钻削过程监测的实验研究及其虚拟仪器开发.pdf

摘要 钻头摩损瘸破损是金露切女l 过程中不可避免的现象，如果没有及时监控，将极大地 降低r 生产效率，带来较大的经济损失。钻头磨损和破损状态的监测是目前自动化加：i ：= 中一个有特解决的课题。尽管国内外在这方面敛过大量研究，但目前仍未有能在生产中 应用的监测系统。 本论文工作通过大量实验研究，探索钻头磨损破裂与钻削轴向力、扭矩及后刀面磨 损量的关系。通过实验数据的滤波、均值处理，褥到有标志意义的曲线，修正表达这些 关系的c o o k 经验公式。从而利用轴向力、扭矩及后刀面糜损量作为监测信号，建立钻 截遥程益溅横瘿。它可以作为开发虚拟仪器的羰冬。 虚拟仪器魁通过计算机强有力的软硬件，替代传统测试仪器中的数据处理模块和艋 示仪袭，扩大琢有仪器的功能，是伎统仪器的更款换代。本论文中简述遘一步开发钻削 过程监控虚拟仪器的布尚和组成，以及实现随机过程动态监控所必须的数据处理。 关键词：钻头；磨损；断裂；过程监洲；轴向力；扭矩 a b s t r a c t w e a ra n dc r a c ka r ei n e v i t a b l ei nd r i l l i n g + i tr e d u c e st h ep r o d u c t i v e n e s sa n d p r o f i ts e v e r e l y ， i ft h e r ei si nl a c ko fm o n i t o r i n g p r o c e s sm o n i t o r i n gi sa nu r g e n tn e c e s s i t ye s p e c i a l l yi nt h e p r o c e s so fa u t o m a t i cm a c h i n i n g e x t e n s i v er e s e a r c hw o r k si nt h i sa r e aa r er e p o r t e di n l i t e r a t u r e y e t ，n op r a c t i c a lm o n i t o r i n gs y s t e mi sa v a i l a b l e t h i st h e s i sw o r ki sa l le x p e r i m e n t a ls t u d y , e x p l o r i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed r i l l w e a r c r a c ka n da x i a lf o r c e ，t o r q u e ，a n df l a n kw e a r a f t e rd a t ap r o c e s s i n g ，s u c ha st h en o i s e f i l t e r i n ga n da v e r a g i n g ，ac h a r a c t e r i z i n gc u r v ei sd e d u c e d u s i n gt h e s ef a c t o r sa sm o n i t o r i n g s i g n a l sa n dm o d i f y i n gt h ec o o ke m p i r i c a lf o r m u l a ，t h em o n i t o r i n gm o d e lf 。rd r i l lp r o c e s s i n g i sp r o p o s e d i ti sv a l u a b l et ot h ed e v e l o p m e n to ft h ev i r t u a lm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t v i r t u a li n s t r u m e n ti sa l lu p d a t eo ft h ec o n v e n t i o n a lo n e s ，b ys u b s t i t u t i n gt h et r a d i t i o n a l d a t ap r o c e s s i n gu n i ta n dd i s p l a y i n gp a n e l sw i t ht h ep o w e r f u lc o m p u t e r t e c h n i q u e s i tw o u l d i m p r o v et h em o n i t o r i n gp e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y t h ec o n f i g u r a t i o na n dc o m p o n e n t so ft h e v i r t u a ls y s t e ma n dt h en e c e s s a r yd a t ap r o c e s s i n gf o rs t o c h a s t i cd y n a m i c m o n i t o r i n ga r eb r i e f l y j n t m d l i c e d k e yw o r d s ：d r iil ：w e a r ：c r a c k ：p r o c e s sm e n i t o r in g ：a x i a if o r c e ：t o r q u e i l 关于硕士学位论文使用授权的说明 论文题目：勉削过援簸趔鳆塞验班冠丞墓虐堑毯鼹汪筮 本学位论文作者完全了解大连轻工盟学院有关保留、使爱学位论文虢 掇定，大连轻王业学院有权保留并内基家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅茅日借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库送行检索，可以采硝澎审、缩印或扫貉等簸裁手段保存、汇 编学位论文，并且本入电子文档酶内容和纸矮论文麴志容稿一致。 保密题学位论文在解密后也遵守此援定。 是否保密( 霞) ，保密瓣至年月遥为止。 学生签名：墨i ! 整 第一章绪论 1 1 课题的提出和选题的意义 第一章绪论 在机械制造业，钻削是广泛使用的一种加工方法，据统计钻孔工序约占机加工总量 的4 0 ，然而由于钻头强度低及加工环境的影响，在钻削过程中钻头极易发生磨、破损 及折断现象，这严重阻碍了自动化加工技术在钻削中的应用，因而钻头工况在线监控一 直是实现加工过程自动化、智能化的一项重要技术。 以前，在缺乏合适的刀具监控系统的情况下，一般采取主动换刀的方法。在其切 削一定时间后不论刀具是否达到使用寿命便进行换刀。这种方法虽然能起到一定的作 用，但不能避免刀具在换刀之前便己损坏的情况，而且有些刀具在换刀时磨损并不厉害， 造成换刀时间和刀具使用效率的浪费。其测量结果的准确度、测试的自动化程度和效率 都不能满足现代化生产的需求。随着计算机辅助测试技术的不断发展，集切削力数据采 集和处理为一体的测试系统己成为必然的发展趋势。刀具正常磨损耐用度监控系统保证 刀具在达到一定的磨损量时被更换，它能有效地避免由于刀具的过量磨损而引起的工件 表面光洁度差，尺寸偏差，以及刀具的不可修复性损坏和机床、夹具等设备的损坏等问 题，而且能够充分利用不同刀具的有效寿命，减少加工辅助工作时间，提高加工效率。 当刀具急剧磨损或突然破损时，刀具损坏监控系统能及时报警等，控制系统控制机 床的进给机构及时停止进给驱动装置并进行换刀。在监控系统的探测和反应速度很快且 驱动装置能在瞬间刹车的情况下，刀具损坏监控系统能有效避免由于机床和工件的损坏 而造成的损失和由于维修而影响生产效率。破损发生时，切削力骤然急剧增大。，通常 都会造成设备的损坏。由于现代生产中加工零件和条件的多变使得破损发生的可能性增 大，而且由于设备和刀具更为精良，破损造成的损失更大，因此刀具损坏监控系统的作 用是不言而喻的。它也保证了在刀具耐用度范围内最大限度地使用刀具的切削能力。 由于刀具磨、破损监测的重要性，国内外的许多研究机构和公司对刀具磨破损的自 动监控做了长久和广泛的研究工作“1 ，得到了许多有价值的结论，但由于切削过程的 复杂性，切削条件的多样性和不稳定性( 柔性制造系统中更为复杂) ，刀具磨破损的自 动监控问题始终没有得到令人满意的解决。虽也有一些商品化的系统面市，但由于这些 第一章绪论 系统在理论模型上还不够完善，一些关键技术还有待发展，使用中都有一定的局限性， 故而未得推广。 随着人们对金属切削机理研究的不断的深人，以及计算机技术的发展，人们建立起 计算机辅助优化切削数据的程序系统，为选择最优切削参数提供了新的方法和手段。然 而，由于影响最佳切削参数的因素错综复杂，优化方法本身也存在着优化效率和收敛于 局部最优点的问题，因而最佳切削参数的确定受到了一定的限制，在实际操作中要针对 具体的问题建立相应的优化数学模型，步骤十分繁琐。目前利用计算机技术做成了各种 切削数据库，为生产提供数据，这些数据比较准确、可靠，是人们长期经验的总结，但 他们在应用时很大的程度上受到所搜集的数据量和其包含的范围的影响。另一方面，从 切削数据库检索的切削用量数据在应用中还要根据实际工作环境进行一定的调整，其本 身也不具有推广应用的能力。因此，目前这些切削用量的确定方法求解的快速性准确 性受到一定的限制，对于实时的控制切削用量、实现机器的智能化选取切削参数有较大 的困难。 国际间激烈的市场竞争造成了人们对加工系统的高效、优质和低成本的不断追求， 也造成了人们对提高制造过程的自动化、柔性化、集成化和智能化的越来越浓厚的兴趣 和要求，但是这一发展却受到了缺少可靠的刀具状态监控系统的阻碍。刀具状态在线实 时监控系统不仅能有效地提高生产效率、降低生产成本，还能避免由于刀具在加工过程 中的突然损坏而引起的设备、工件材料等的破坏，并避免由此而引起的停工修复造成的 时间浪费。由于刀具状态实时监控系统的重要作用，国内外的科研院所和生产单位、公 司花了大量的人力物力和财力对它进行研究，取得了许多很好的研究结果，发现了许多 种监控方法，也有一些商品化的系统投入使用。但是，这个问题始终没有得到很好的解 决。现有的方法和系统有它们各自的优点，但总的来说还是不太令人满意，它们的关键 问题之一在于无法可靠合理地在线监测刀具的磨破损状态。刀具在进行加工时，切削部 分是被切屑所遮盖的，无法通过摄像机或光学检测系统直接进行监测。只能通过问接监 测的方法。刀具的切削加工过程是一个复杂的过程，包括工件材料被割裂、切屑的强烈 变形、刀具与工件和切屑之间的摩擦及由此产生的很大的切削力和切削热。它的复杂性 决定了在加工过程中会产生许多各种各样的信号，合理采集信号值作为监控物理量，并 合理分析和处理这些信号，从中找出刀具磨破损状态的信息可以有效地实现对刀具状态 的间接监控。找到一种既能合理解决在线实时监测的问题，又具有较高的可靠性、稳定 性的方法是具有很大的实际意义的。 一般加工过程中的刀具状态监控包括信号检测，特征提取、状态识别和决策控制四 2 第一章绪论 个方面，涉及到很多相关技术，如传感器技术、计算机技术、自动控制技术、人工智能 以及切削机理。 刀具状态监控中另一个很重要的技术问题就是如何根据监控物理量的变化识别刀具 的磨损状态，即建立监控物理量与刀具磨损状态之间的关系模型问题，这也是现有研究 的薄弱环节之一。 总之，经济、实用和可靠的刀具状态在线实时监控系统既是面向自动化制造环境智 能监控系统的重要组成部分，也是一个很大的薄弱环节。在这方面继续深入进行研究和 开发是具有十分重大的意义的。 1 2 虚拟仪器技术的发展及其应用 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，虚拟仪器应运而生， 它是计算机技术与仪器技术深层结合的产物。虚拟仪器就是在通用计算机上加载相应的 软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台专用的传统电子仪器 一样。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系 统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件来方便地改变和增减仪器系统的功能与 规模，所以有“软件就是仪器”之称“。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境，建 立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器 的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己 的需要定义仪器的功能。 虚拟仪器是当今计算机辅助测控领域中的一项重要技术“”“1 。它以计算机为统一的 硬件平台，在其中配以具有测试和控制功能并可实现数据交换的模块化硬件接口卡，辅 以具有测试仪器功能且形象逼真的软件模块，通过系统管理软件的统一指挥调度来实现 传统测控仪器的功能。与传统仪器相比，虚拟仪器不仅开发与维护费用低，而且智能化 程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势“”。利用虚拟仪 器技术在线采集和处理多种钻削参数，并对切削过程监控，具有很大的优越性。 虚拟仪器技术本质上也是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复 杂，虚拟仪器软件平台为所有的f o 设备提供了标准的接口，例如数据采集、视觉、运 动和分布式f o 等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的 复杂性。为了获得最高的性能、简单的开发过程和系统层面上的协调，这些不同的设备 必须保持其独立性，同时还要紧密地集成在一起。虚拟仪器的这种结构可以使开发者们 3 第一章绪论 快速创建测试系统，并随着要求的改变轻松地完成对系统的修改。通常，虚拟仪器系统 是由计算机、应用软件和仪器硬件组成。 对于虚拟仪器应用程序的编写，目前，较流行的虚拟仪器软件环境大致可以分为两 类：一种是文本式的编程语言，如c 、l a b i f f n d o w s c v l 、1 4 s u a l b a s i c 、1 4 s u a l c + + 等：另 一种是图形化编程语言，具有代表性的有l a b v i e w , h p v e e 等。由此，虚拟仪器的发 展紧跟计算机技术的发展步伐，同时也显示出虚拟仪器的灵活性和强大的生命力。可以 推测，虚拟仪器技术可使现代测控的系统更加灵活、更紧凑、更经济、功能更强大。无 论是测量、测试、计量或是工业过程控制和分析处理，还是其它更为广泛的测控领域， 它都是理想而高效率的解决方案。利用虚拟仪器技术在线采集和处理切削参数，并对切 削过程监控，具有很大的优越性。 本文在此基础上开发的钻削过程监测的虚拟仪器系统能够通过应用程序将通用计算 机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作计算机，就像在操作自己 定义、自己设计的一台仪器一样，而人手不必触及仪器本身，从而实现硬件软化的结果， 并在足够硬件的支持下，对金属钻削过程中的轴向力、扭矩参数进行采集，再经软件处 理，从而反映钻头状态以及实时监控钻削过程，同时完成对被测试量的采集、分析、判 断、显示、数据储存等功能。 1 3 钻削过程监测系统国内外发展状况 多年以来，国内外的研究机构和公司在刀具监控方面进行了大量的研究和开发，研 制出了许多监测方法，有些已经用于实际生产过程之中。 国外，1 9 8 3 年t l y s t y “对用于无人加工系统加工过程状态监测的传感器系统进行了 权威性的总结归纳，主要涉及形位传感器、切削力传感器、主轴与进给轴力传感器、主 轴电机传感器及声发射传感器等，给出了它们的动态范围、应用场合。日本的b e r t o k 等人1 9 8 3 年和1 9 8 6 年就加工过程监控提出了扭矩监测与几何尺寸间关系模型辨识来实 现加工过程监控，并以切削扭矩信号建立a r 模型获取残差，实现刀具破损监测。e m e l 等人1 9 8 8 年用a e 信号进行模式识别来实现车刀磨破损监测，e l b e s t a w i 等人1 9 8 9 年以 切削力、扭矩、主轴振动信号等多参数输入模式识别模型来实现铣削过程监测。b a r k e r 等人1 9 9 3 年以高阶谱特征来监测刀具磨损。r a m a m u r t h i 等人1 9 9 3 、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与预测。t a r n g 等人 1 9 9 4 年对铣削过程的颤振以力和扭矩来建立其过程模型，并建立铣刀破损的神经网络分 4 第一章绪论 类模型。k a y e 等人以监测主轴转速变化实现车刀刀具磨损监测。z h a n gd e y u a n “”1 9 9 5 年以遥测力信号方式和同步采样滤波方式实现铣刀破损监测。s u n i le l a n a y a r 等人1 9 9 5 年以径向基函数神经网络分类模型实现刀具磨损监测。t a n s e l 等人1 9 9 5 年用小波信号 处理结合a r t 2 神经网络模型实现铣刀切削状态监测。d a s 等人1 9 9 7 年提出一种简单分 析递阶过程模型臼乒卿来实现刀具磨损监测。xq i “等人1 9 9 7 年以2 个交叉加速度间 的相干函数为基础实现车削过程刀具磨损与颤振监测。s a n t o c h i 等人1 9 9 7 年研制了一种 集刀具与传感器于体的无线数据传输传感系统。z c c h e n 等人1 9 9 7 年以三向切削力 信号运用模糊逻辑、模糊搜索分类器、a n n 相结合构造了一个铣刀破损监测系统等。 国内，清华大学万军“”对切削状态监测进行了述评，给出了刀具状态检测的直接法 和间接法的状态信号与特征参数一览表，并进行了具体分析。西安交通大学在这方面做 了许多有益的探讨，提出了车削分力比监测、频段相干函数法等多种监测模型。华中理 工大学则在切削状态的a r 模型监测、切削颤振监测与控制等方面做了大量的开拓性工 作。东南大学黄仁、钟秉林等人在刀具寿命管理、磨削烧伤辨识、车削状态监测等方面 运用模式识别等理论做了深入研究。哈尔滨工业大学姚英学、袁哲俊等人就钻削加工过 程与切削状态监测提出了多参数、多模型监测系统及声发射监测系统等。上海交通大学 在声发射刀具切削状态监测等方面也开展了深入研究。 1 4 本论文的主要内容及结构组织 本课题研究的是钻削过程监测的实验研究及其虚拟仪器开发，目的是通过大量的实 验找出能够准确地反映钻头的磨、破损状态的物理量，然后利用虚拟仪器技术构造一个 虚拟监测系统，实现对钻头状态的监测。 全文共分七章。第一章作为论文的综述，首先简述了钻头在机械制造业的重要性及 钻头磨破损监测的不完善给制造行业带来的巨大损失，从而阐述了对钻头监测的必要 性。然后介绍了当前国内外的发展状况以及虚拟仪器技术及信号处理技术在钻头监测上 的应用。 第二章介绍了钻削过程中信号特征提取方法及监测原理。论文阐述了状态特征量的 选择原则，对现有的监测特征量进行了比较，根据实验室条件、钻头的磨破损形式以及 表征钻头磨损状态的特征参数中，选取了较为合适的特征量一轴向力及扭矩，并给出了 监测原理公式。 第三章钻削实验及数据处理。首先介绍了钻削过程监测系统的硬件搭建过程，然后 5 第一章绪论 给出了实验的条件及实验的工艺参数，最后又介绍了实验数据取得、显示、滤波以及特 征数据的提取、分析。 第四章钻削过程监测系统的虚拟仪器开发。首先介绍了虚拟仪器所能完成的功能， 然后详细地介绍了采用m c + + 开发的钻削力监测系统的构成、功能以及实现方法等。 第五章结论与展望。总结了本论文所做的研究工作及取得的成果，并对尚存的问题 作了分析，提出了继续研究的方向。 6 第二章钻削过程中信号特征提取方法及监测原理 2 1 引言 第二章钻削过程中信号特征提取方法及监测原理 状态监测就是对设备进行大量的振动、压力、温度、流量、转速等的测量与标准状 态进行比较和分析以判断工厂设备的状况。特征提取是对检测信号的进一步加工处理， 从大量信号中提取出与加工状态变化相关的参数，一方面可以提高信号的信噪比，另一 方面可以减少后期数据的处理量，提高运算速度。提取特征参数的品质对监测系统的性 能和可靠性具有很重要的影响作用。 2 2 特征提取 对于钻削过程监测来说，要有一些定量地表征钻头磨损状态的特征参数，通过这些 参数对钻头的状态用计算机进行判断。恰当地选择特征参数是监测的关键。 2 2 1 特征参数的选择原则 ( 1 ) 敏感度高：即所要监测的机器状态有少量变化就可引起特征参数较大的变化。 ( 2 ) 稳定性好：即特征参数受测试条件( 如采样频率、采样长度和起始点位置、信 噪比、测试仪器的灵敏度等) 和机器的工作条件( 负载大小、转速等) 影响小。例如信 号的无量纲幅域参数的稳定性比有量纲幅域参数的稳定性要好；峰值比均方根值对疲劳 剥落故障敏感，但稳定性要差些；峭度系数对早期疲劳剥落故障很敏感，但稳定性差等。 ( 3 ) 对应性好：即特征参数和机器的状态一对应性好。但这在很多情形下是不可能 的。同一个特征参数可对应多种异常状态，同一种异常现象可表现为不同的特征参数变 化。因此常需要多个特征参数综合判断。 ( 4 ) 计算量小：特别在自动监测( 简易诊断) 时计算量小是很突出的优点。 ( 5 ) 可调控制限：即所设定的参数必须能设置明确的控制限，并且，这样的控制限 能在系统运行过程中不断给以修正。 ( 6 ) 数据库容量小：即监测参数的选定必须考虑到尽可能使数据库的容量减少，能 7 第二章钻削过程中信号特征提取方法及监测原理 以最小容量的数据库存储最多的信息。 2 2 2 特征参数的物理量 特征参数按测量对象可分为： ( 1 ) 振动：加速度、速度和位移( 包括轴心轨迹) ； ( 2 ) 噪声：噪声声压、声强等； ( 3 ) 声发射：声发射事件计数率和累积计数、振铃计数、声发射能量等； ( 4 ) 力：应力、扭矩、轴向推力、垂直分力、水平分力等； ( 5 ) 温度； ( 6 ) 压力； ( 7 ) 电压、电流。 2 3 钻头磨破损形式 2 3 1 钻削要素 钻孔的切削要素n 7 1 ( 图2 1 ) 主要包括： ( 1 ) 切削速度 ，切削速度是指钻头外缘点的主运动速度。 ，：旦堕m 砌加 l u u u ( 2 ) 进给量，和每齿进给量a ，为每转的进给量( m m r ) ， ( 刃) 的进给量即为： 口，= 等m m t 量 ( 3 ) 切削深度唧 ( 2 3 1 ) 钻头有两个主刃，每齿 ( 2 3 2 ) 。；一d m m( 2 3 3 ) 和。i “j j ( 4 ) 切削厚度在基面内沿主切削刃法向测量的切削层厚度。 通常近似认为主刃上的平均切削厚度a 。，： 8 第二章钻削过程中信号特征提取方法及监测原理 = 丢豳妒一 较准确的计算，主刃上选定点的切削厚度口。应按： 呱= 丢咖t 。一 ( 5 ) 切削宽度d 。切削宽度是指沿主切削刃测量的切削层宽度。 d 4 ”。2 s i n o o ”“ ( 6 ) 切削面积在主刃上各点( h ) 的单元切削面积 d 4 c z = 4 “d 4 h 珥 m m 2 每条主刃上的切削面积： 护钆m = 丢， ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 图2 1 钻削要素图图2 2 标准麻花钻切削力分布 f i g 2 1d r i l lc u t t i n gf a c t o rf i g 2 2s t a n d a r dt w i s td r i l lc u t t i n gf o r c ed i s t r i b u t i o n 9 第二章钻削过程中信号特征提取方法及监测原理 2 3 2 钻削力 钻削力的组成：钻削抗力的产生，是由于工件的切削形变，以及钻头和切屑、工件 间的摩擦。 标准麻花钻有五个切削刃：两个主刃、一横刃和两副刃。各切削刃上所受的切向力 b 、径向力f ，和轴向力巳如图2 2 所示。其中，横刃和副刃上的径向力b 和副刃上 轴向力凡可忽略不计，两主刃上径向力f ，相互平衡。 所以，总轴向力f 为：f = 2 f 。+ f 。， ( 2 3 9 ) 总扭矩m 为： m = 2 f f r + 2f f 月+ f t v , b v n m( 2 3 1 0 ) 钻削力在各切削刃的大约分配比例，如表2 1 。可见在钻一般材料时，轴向力主要来 自横刃，而扭矩则主要由主刃产生。 表2 1 麻花钻切削刃上切削力的分配 t a b l e 2 1t w i s td r i l l sd i s t r i b u t i o no fc u t t i n gf o r c e 用压电式钻削测力仪，来测定麻花钻的轴向力和扭矩。本实验中选用的材料为4 5 # 钢，正火，采用干式切削，选用的钻削用量范围为：钻头直径d = 砂8m m ，进给量，- 0 1 0 m m r ，钻削速度2 0 0 9 6 m m m i n 。切削力经验公式嘲： f = cp v 、矿f i l k fn m = c m v v m d d “f f ”k m n m ( 2 3 1 1 ) ( 2 3 1 2 ) 式中，c ，、c 脚一轴向力、扭矩系数； v 一切削速度( m m i n ) ； 产进给量( 删，) ； d 一钻孔直径( r a m ) ； k ，、茁j i f 一轴向力、扭矩校正系数。当后刀面磨损量小于0 2 5 m m 时，校正系 第二章钻削过程中信号特征提取方法及监测原理 数均为1 ，具体情况可查阅相关手册。 表2 2 麻花钻切削力公式系数和指数 t a b l e 2 2c o e f f i c i e n ta n de x p o n e n t i a li nt w i s td r i l lc u t t i n gf o r c ef o r m u l a 2 3 3 麻花钻的磨损与耐用度 在钻头上的切削负荷是很不均匀的，因此各部分的磨损也很不均匀。 ( 1 ) 钻钢等塑性材料 图2 3 钻头磨损型式 魄2 3d r i l lw e a l t y p e ( 2 ) 钻铸铁等脆性材料 ( 1 ) 钻头的磨损型式在钻孔中，钻头主刃的前、后刀面和棱边( 刃带) 、横刃都 有磨损如图2 3 所示。但磨损最大的是在外缘转角处。钻铸铁等脆性材料，开始是后刀 面磨损，然后转为掉角磨损v b c 2 。钻钢类等塑性材料及耐热合金等，主要是后刀面磨损 吼和棱边磨损旧a 。棱边磨损严重时，发生粘着和划沟，使外径减少，形成顺锥，甚 1 1 第二章钻冉过程中信号特征提取方法及监测原理 至引起钻头损坏。 高速钢麻花钻的磨损限度，可参照表2 3 。 表2 3 麻花钻的磨损限度( r a m ) t a b l e 2 31 w i s td r i l l sw e a rl i m i t ( 2 ) 切削刃的负荷特性和耐用度钻头切削刃上各点的负荷情况，主要决定于该点 的切削速度收和切削厚度a 。因此，可以把v x 、a 。的乘积作为衡量切削刃某一点的切 削负荷情况的一个指标，由于v x 4 。沿标准麻花钻主刃上的分布是很不均匀的。在外 缘处切削速度v 大，切削厚度a 。也大，这充分反映在沿切削刃外缘处的磨损严重性上。 2 4 钻头状态监测方法 钻削过程的状态异常，必然通过各种现象以多种方式表现出来，例如，刀具的磨损 可能引起切削力增加、切削温度上升、切削振动加剧，切削功率增大、表面粗糙度恶化、 尺寸超差等等。从理论上讲，切削过程中表现出的多种状态参量的变化均可用于切削状 态的监测。 钻头磨破损的监测方法按照监测手段可以分为直接监测法和间接监测法。直接监测 法就是直接检测钻头磨损面的数值大小。例如采用接触式探头、工业摄像机、放射传感 器等设备直接监测刀具的磨损量。直接监测法虽然有较高的测量精度，但用于在线的实 时监测有一定的困难，并且花费昂贵，监测设备的安装也存在一定的限制，因而难以普 及推广。间接监测法是通过监测与钻头磨损状态相关的物理信号来估计刀具的磨损状 态。当钻头磨损时，会引起如切削力、功率、振动以及零件的表面粗糙度等物理量的变 化，因而可以通过监测这些物理量并找出它们与刀具磨损状态的对应关系从而间接的探 知刀具的状态。由于刀具磨损过程非常的复杂，间接监测法和直接监测法相比，效果并 不是太理想，可靠性不够高，然而它可以方便地实现在线监控，故刀具磨损在线监测技 术的研究仍主要集中于间接监测法。同时，随着计算机的普及以及信号处理技术的发展， 为实现用间接监测法实时监测钻头磨损状态提供了有利条件。 第二章钻削过程中信号特征提取方法及监测原理 2 4 1 直接法 刀具磨损量的大小是反映刀具切削性能的重要指标。通过直接测量刀具磨损，可以 达到监测刀具切削性能和加工过程状态的目的。某些采用刀具磨损( 如后刀面磨损值 v b ) 作为磨顿标准的加工过程比较适合采用这种方法，其特点是能够准确测量刀具磨 损量的大小，缺点是测试设备较为复杂，难以做到在线测量，对切削环境的要求较高。 直接法一般是静态测量，很难反映切削加工过程的动态特性。因而至今仍限于实验室使 用。 2 4 2 机械功率监测法 在钻削过程中，主驱动电机的功率电流和主轴扭矩成正比也即和切削力切向分量成 正比随着刀具磨损量的增大，机床所消耗的功率也相应的增大，因此可以通过监测机 床功率的变化来探测钻头磨损量的交化一般情况下，功率监测法是通过测量负荷功率或 电流和电压间相位差及电流波形变化来达到监测目的的。它具有测量信号简便、可避免 切削环境中切屑、振动等干扰，测量装置易于安装的优点。但这种方法也存在着功率信 号随切削条件和切削参数而变化，随机干扰较大的缺点，且机械功率对刀具磨损的变化 并不如后面将介绍的切削力对刀具磨损量的变化敏感“”。目前将此法运用于监测粗加工 时的刀具破损有较高的可靠性“。 2 4 3 切削振动监测法 在切削过程中，工件和切屑和磨损的刀具发生摩擦，产生振动，因而切削过程中的 振动信号包含丰富的与刀具状况密切相关的信息。许多研究者对振动信号的功率谱和刀 具磨损之间的关系进行了深入研究，总的来说，某些频率的振动信号随着刀具磨损量的 变化而变化，因此通过监测振动加速度信号可以监测刀具的状态。此法具有传感器安装 方便，测量信号易于引出，测试仪器简单等优点，但同时也存在着容易受环境振动影响 的缺陷。 典型的振动信号监测系统是将振动加速度信号经电荷放大器放大，再经滤波及月d 转换输入到微机中，然后经选定的信号处理方法进行信号分析。振动加速度信号用于刀 具磨损监测目前还存在一些问题，如测振点位置的优化及仪器信号过载的干扰等“。 第二章钻削过程中信号特征提取方法及监测原理 2 4 4 声发射监测法 声发射臼c o u s 矗ce m i s s i o n ，a e ) 是近些年来发展起来的最有前途的监测方法之一。 在材料切削过程中，当形成切屑的同时会发出一种断裂波，这种波除了同工件的材料有 关外，其频率范围以及幅值还同刀具的磨损状态密切相关。因此可以将切削过程中的声 发射信号，作为判断刀具磨损状态的依据。用声发射监测刀具的磨损状态的主要优点是， 声发射的频率范围远远高于机械振动和环境噪声的频率范围。但是，切削加工中影响 a e 信号的因素很多，除了刀具磨损外，切削缠绕或崩刃等都会引起艇信号的变化“。 并且由于声发射信号在接触界面处传播时损耗很大，一般要求将传感器安装在工作台或 刀杆上，这就带来了信号传输和传感器安装难的问题。 2 4 5 切削力监测法 在切削过程中，切削力与刀具磨破损状态有着密切的关系。切削力一直是表征切酗 过程的最重要的特征量，刀具的磨损会引起切削刃和工件之间摩擦力的变化，故切削过 程的刀具磨损状态的变化和切削力变动具有明显的相关性。“。用切削力监测刀具状态有 着灵敏度高、抗干扰性好等较为突出的优点。利用测力传感器，可以测量切削力的分量 变化，传感器的安装非常方便，易于实现在线检测。 鉴于钻削力信号和钻头磨损量的密切关系以及实验室的实验设备等条件，本课题拟 采用切削力信号作为监测钻头磨损状态的物理量。 2 5 监测原理 根据实验研究结果，选用钻削时钻头的轴向切削力f 和切削扭矩r 作为钻头磨破损 监视系统的输入特征参数，建立它们与钻头磨，破损值间的模型，按此模型确定判据阈值， 可实现对钻头磨，破损的监视。 钻头磨损的数学模型_ c b 以方程2 “。若钻削时钻头的轴向力为f ，钻头后 刀面的平均磨损宽度值为c o ，按钻削实验数据可以回归得到以下方程( 称为c o o k 方程) ： f f f i 3 1 8 5 h b d f + o 0 2 2 h b d 2 + 1 2 1 7 h b d c o 式中f - 钻头的轴向力( ) ； 1 4 ( 2 5 1 ) 第二章钻削过程中信号特征提取方法及监测原理 h k 工件材料的布氏硬度； 乒_ 钻头直径( m m ) ； ，一钻削时每转的进给量( m m r ) ； n p 一钻头后刀面平均磨损宽度( r a m ) ； 由式( 2 5 1 ) 可得出 f o c ( 2 5 2 ) 当钻头折断时，轴向力，与扭矩丁均瞬时下降为零。 监视系统( 图2 4 ) 为钻头磨损与折损的监视系统框图。当主轴起动空运转时，自动 平衡器使动态测量仪的输出自动调整为零。该系统的磨损监视数学模型为c o o k 方程， 如式( 2 5 1 ) 所示。 当钻削开始后，通过动态测试仪测得轴向力及扭矩的变化值，然后通过电荷放大器 将采集到的电平信号进行放大，然后通过数据采集卡，将模拟信号转换成数字信号，进 入计算机进行处理。在钻头磨损过程中，钻头的磨损值与轴向力遵从c d 础方程。 l 工件l 夹具 动态测试仪 i 电荷放大器 i 数据采集卡 丰车军 钻头磨破损鉴别器 j 计算机报警监测 图2 4 钻头磨损与折损的监视系统 f i g 2 4m o n i t o rs y s t e mo f d r i l lw e a ra n df r a c t i o n 第二章钻削过程中信号特征提取方法及监铡原理 该系统平行地采用三个比较器对轴向力f 、扭矩r 及磨损值w 进行并行处理，以便 同时监视钻头的磨损及折损。在钻削过程中，通过比较器3 进行判别，如果钻头磨损值 大于设定值，则判别为过度磨损。在过度磨损阶段，如果轴向力及扭矩连续3 次超过设 定阈值，则判别为即将折断。此时报警系统发出报警信号。 第三章钻削实验及数据处理 第三章钻削实验及数据处理 本文采用大连理工大学机械工程学院传感测控研究所研制的y d z - 1 1 0 2 压电钻削测 力仪，外形如图3 1 所示。 图3 1y d z - i1 0 2 压电钻削测力仪 f i g 3 1y d 7 _ - 1 1 0 2p i e z o e l e c t r i c i t yd y n a m o m e t e r 该测力仪同一些我们开发的虚拟仪器组合在一起，可以完成切削力的静、动态测试， 从而使人们可以准确而容易地获得金属切削加工中最重要的参数，既二维切削力。 现在，金属切削理论的研究己由过去的静态测量发展到动态测量，对测力仪有了更 高的要求。采用y d z - 1 1 0 2 压电式钻削测力仪却能以其高刚度、高灵敏度、高固有频率 能很好地满足静、动态测试的要求，可测出钻削力和钻削扭矩( ，、m ) 。y d z - 1 1 0 2 压 电钻削测力仪不仅在技术上处于国内领先地位，而且其性能指标都达到国际同类产品的 先进水平。 1 7 第三章钻削实验及数据处理 3 1 压电钻削测力仪工作原理及特点 3 1 1 测试原理 如前所述，该测力仪主要是由三个压电式二维力传感器组成的。由二维力传感器的 力学特性可知，该测力仪可测量钻削力和钻削扭矩。根据需要，通过控制测力仪的刚度 ( 由结构尺寸决定) 和预紧力的大小，可以设计出不同测力范围和频率范围的测力仪。 3 1 2 特点 该测力仪刚性好、固有频率高、灵敏度高，线性和重复性好，滞后小，向间干扰均 在5 以下。无论从结构刚性、结构对称性、结构工艺性还是结构稳定性，该测力仪都 具有明显的优越性。它使用方便，便于操作，和国外同类产品相比，价格便宜得多。 3 2 压电钻削测力仪静、动态标定 3 2 1 静态标定 静态标定的目的是为了获得静标曲线，以便求得各项灵敏度、线性误差、重复性误 差、向间干扰等静态性能参数。静态标定在特制的三向加载器或车床上进行。压电系统 在静标后得到的灵敏度事实上为测力仪归一化灵敏度，所谓归一化，就是通过电路调节， 使示值与实际载荷值两者间的有效数字达到一致。 归一化灵敏度除电路调节可得到外，还可通过计算得出，此时放大器灵敏度为 1 0 o p c k g f , 输出为l m v k g 肛l o ，则归一化灵敏度： s q = 输出电压载荷 经“归一化”后，可以直接从数字电压表上读取力值。 被测力值= 输出电压锄y ) 输出增益档级( m v u n i t ) x1 0 输出增益一般取1 ，传感器灵敏度倍率取1 0 ，数字电压表取5 v 档即可。 一般在使用测力仪之前，要对测力仪进行静态标定，主要为了得到非线性和干扰值 的大小。为了统一标准和便于分析，标定都是一项一项分别进行的。 首先，测出鼠y 、z 三向各自归一化灵敏度，根据这一归一化灵敏度各自等量程加 1 8 第三章钻削实验及数据处理 载，这样就得到鼠y 、z 三向线性标定曲线及线性误差大小。 然后，再将电荷放大器拨到x 向归一化灵敏度档，将z 向引出接到电荷放大器输 入端，分别在y 、z 向加载，就可以得到kz 向对x 向的干扰系数。 在标定曲线中，线性误差通常用满量程误差饵s o ) 表示。具体步骤如下： ( 1 ) 将标定曲线起点与终点连线； ( 2 ) 求出最大偏差a m a x = 6 ； ( 3 ) 求a m a x 与最大量程的比值： 6 饵曲= z s m a xih m a xx 1 0 0 = 6 1 5 5 0 x 1 0 0 = 0 4 其中，8 伍劝即为满量程线性误差。 3 2 2 动态标定 测力仪的动态标定，目前主要有激振法和钢球冲击法两种，主要是用于求得频率响 应曲线和固有频率。本系统采用大连市振动检测中心进行的钢球冲击法进行标定，动态 标定系统框图见下图3 2 所示。 3 3 电荷放大器 图3 2 动态标定系统框图 f i g 3 2s y s t e mb l o c kd i a g r a mo fd y n a m i cs t a n d a r d i z a t i o n y e 5 8 5 0 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的宽带电荷放大器，可配 接压电式传感器测量振动、冲击、压力等机械量，广泛应用于水利、动力、采矿、交通、 建筑、地震、航空、航天、兵器、防爆等部门。由于下限频率极低，因而特别适合对压 电式压力，力传感器进行准静态标定。 四档不同的输出m y u n i t ( 0 1 ，1 ，1 0 , 1 0 0 ) 是通过转换不同的反馈电容c ，得到， 1 0 0 0 m v l u n i t 档是l o o m v l u n i t 档输出再经低通滤波器放大1 0 倍得到。 下限频率通过转换不同的反馈电阻彤得到，m 档反馈电阻为1 0 1 3 0 ，l 档反馈电 阻未接，由反馈电容绝缘电阻决定，约为1 0 1 3 0 。 1 9 第三章钻削实验及数据处理 继电器和电阻r ，串联后，并在反馈电容c ，上，若电荷级过载时，继电器吸合，使电 路迅速复位。 低通滤波器由运算放大器r 2 , r 3 ，c 1 ，c 2 组成二阶有源伯特沃滤波器，取r 2 = r 3 ， c 2 = 2 c 1 ，同时改变a 和c 2 获6 档不同的上限频率。倒相器为反相比例放大器，取 r 4 = r 5 ，使输入输出相等。 输出放大器为一增益可调的运算放大器，对不同灵敏度的传感器相应给出不同增益， 使仪器的输出电压与作用在传感器上的机械量成归一关系。 过载指示器由两组对称触发器组成，当机械信号幅度大于+ l o v p 时，发光二极管亮， 并延迟约2 秒。 仪器的工作电压是1 5 v , 由变压器降压，整流、滤波、稳压后得到，并装有限流保 护电路，仪器备有直流输入插座，可直流供电。 需要特别注意的是：在每次测量时，需将电荷放大器复位后开启，以便消除残余电 荷，影响正常的测量。 3 4 数据采集卡 数据采集卡采用的是凌华p c i - 9 1 1 8 的3 3 3 k s s 高速多功能数据采集卡，该卡有3 2 位p c i 总线( 即插即用) ，1 6 路模拟量输入，1 2 位一d 转换器，4 个数字量i 0 通道， 同时具有软件触发、可编程定时器触发与外部脉冲触发等特性。 通过数据采集卡连续数据采集或者说实时数据采集是在不中断数据采集过程的情况 下不断地向计算机返回采集数据，开始数据采集后d a q 卡不断地采集数据并将它们存 贮在指定的缓冲区中c i r c u l a rb u f f e r ，然后v c 每隔一段时间将一批数据送入计算机进行 处理。如果缓冲区放满了，d a q 卡就会又重新从内存起始地址写入新数据覆盖原来的 数据，这个过程一直持续直到采集到了指定数目的数据点或者v c 主动中止了采集过程 或者程序出现错误，这种工作方式对于需要把数据存入磁盘或者观察实时数据很有用。 3 5 钻削测试系统的搭建 首先将数据采集卡按要求插入计算机的p c i 插槽中，安装必要的驱动程序，然后将 电荷放大器的输出端通过接线盒接在数据采集卡上，然后再将测力仪安装在工作台上， 并将其输出端接在电荷放大器的输入端上，最后将工件固定在测力仪上，接下来就可以 2 0 第三章钻削实验及数据处理 进行测试了。实验现场如图3 3 所示。 图3 3 实验场景 f i g 3 3e x p e r i m e n t a ls t c e l l c 3 6 钻削过程监测系统的实验方案 实验方法是用一把新钻头开始钻削，在钻削过程中不断采集轴向力及扭矩的力值， 实时观测力的变化情况，将实验数据保存在指定的文件中以备后来分析。实验完成后用 数据处理程序对采集所得的数据进行处理，给出处理结果，对试验结果进行分析。在切