（机械电子工程专业论文）基于dsp的深孔加工过程监测系统的研究.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 基于d s p 的深孔加工过程监测系统的研究 机械电子工程 刘西安 郑建明教授 摘要 签 签 名： 深孑l j j n 工是机械加工中的一个重要分支，随着深孔加工自动化技术的同益发展，研究 深孔加工过程中刀具磨损和排屑状态的实时监测具有十分重要的实际意义。 本文以b t a 深孔钻床为研究对象，针对深：t l j j n 工过程的特点，提取了功率和油压作 为监测信号，建立了基于d s p 的深孔钻肖u 过程刀具磨损与排屑状态的在线实时监测系统。 根据监测系统的实时性需要，采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片作为监测系统硬件平台的 中央处理单元，完成了实时监测系统硬件设计，该系统能够实现工况信号采集、分析以及 工况识别等功能，通过串行接口可以将采集的信号传输到计算机上做进一步分析和处理。 监测系统的硬件采用模块化设计，监测系统的硬件模块包括：时钟电路、电源电路、 复位电路、存储器设计、数据采集电路、串行通信和仿真接口。在c c s 集成丌发环境下， 完成了监测系统的基本配置。 针对b t a 系统的复杂性以及油压信号和功率信号的非平稳性，采用自适应噪声抵消 消噪思想来实现油压信号和功率信号中的背景噪声的消噪。讨论了自适应噪声的原理，给 出了消噪算法，并以机床空载时的油压和功率信号作为自适应滤波器的参考信号对加工时 的油压信号和功率信号进行了消噪实验，结果表明使用该方法具有很好的非平稳随机噪声 消噪效果，为监测信号特征的提取奠定了基础。 根据油压信号时域特征与排屑状态之间的密切联系，提取了油压信号的峰值、方差、 峰值因子、脉冲因子和油压变化率五种特征参数作为油压信号的特征向量来判断深孔钻削 过程中排屑状态；对刀具磨损的监测采用功率信号各频段的细节信号能量、二阶累积量、 三阶累积量、四阶累积量和双谱在敏感频段的能量七种特征参数作为功率信号的特征向量 来判断刀具的磨损状态。针对特征向量与工况之间关系的复杂性与不确定性，采用模糊识 别的思想建立了深孔钻削过程排屑与刀具状态的模糊c 均值识别方法，实验结果表明该 方法能够准确地识别深孔钻削过程中的的排屑状态和刀具磨损状态。 关键词：b t a 深孔钻削；数字信号处理；实时监测；自适应噪声抵消；模糊c 均值 论文研究得到了西安理工大学博士启动基金的资助( 项目编号：1 0 2 - - 2 2 0 4 1 2 ) 。 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nt h ed e e ph o l ed r i l l i n gm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nd s p m a j o r ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：x i a nu u s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n m i n gz h e n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：羔唑l = ! u s i g n a t u r e ： t h ed e e ph o l em a c h i n i n gi sa ni m p o r t a n tb r a n c hi nm e c h a n i c a lm a c h i n i n g ，w i t ht h e i n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fd e e ph o l ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , i ti se s s e n t i a lt or e s e a r c ho nt o o l w e a l a n dc h i pr e m o v a lc o n d i t i o nr e a l t i m em o n i t o r i n gi nd e e ph o l em a c h i n i n g t a k i n gb t ad e e ph o l ed r i l l i n gm a c h i n ea so b j e c t i v e ，o nt h ec h a r a c t e r i s t i co fd e e ph o l e d r i l l i n g , e x t r a c t i n gt h ep o w e ra n do i lp r e s s u r ea st h em o n i t o rs i g n a l s ，t h er e a l t i m em o n i t o r i n g s y s t e m ，w h i c hi sb l o c kc h i p sa n dt o o lc o n d i t i o ni nd e e ph o l ed r i l l i n g ，i se a t a b l i s h e dw i t hc u t t i n g p o w e ra n d o i lp r e s s u r ea sm o n i t o r i n gs i g n a l a c c o r d i n g t ot h er e a l t i m e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t o fm o n i t o r s y s t e m ，u s i n g t m s 3 2 0 f 2 81 2a st h ec e n t r a lp r o c e s s i n gu n i to ft h em o n i t o r i n gs y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h e h a r d w a r ed e s i g no ft h er e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mi sc o m p l e t e d t h i sm o n i t o rs y s t e mh a st h e m o r ef u n c t i o n so ft h er e a l t i m ea c q u i s i t i o n ，a n a l y s i sa n dr e c o g n i t i o no ft h ew o r k i n gc o n d i t i o n s i g n a l v i at h es e r i a li n t e r f a c e ，t h ea c q u i s i t i o nm o n i t o r i n gs i g n a l sa r et r a n s p o r t e dt oc o m p u t e r a n dt h ea n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n go ft h ec o l l e c t e dd a t u mi nt h ef u r t h e ri sp r o c e s s e d t h em o n i t o r i n gs y s t e mh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e di nm o d u l a r i z a t i o n t h eh a r d w a r e m o d u l eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi n c l u d e st h ec l o c kc i r c u i t ，p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，t h er e s e t c i r c u i t ，t h em e m o r ye x t e n d e dc i r c u i t ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，t h es e r i a li n t e r f a c ec i r c u i t ， s i m u l a t i o ni n t e r f a c e t h el o wl a y e rc o n f i g u r a t i o no ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi sc o m p l e t e db y u s i n gc c si n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t o nt h eb t a s y s t e mc o m p l e x i t ya n dn o n s t a t i o n a r i t yo fo i lp r e s s u r ea n dp o w e rs i g n a l ，u s i n g a d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gi d e a , t h eb a c k g r o u n dn o i s eo fo i lp r e s s u r ea n dp o w e rs i g n a l i s c a n c e l e d t a k i n gt h eo i lp r e s s u r ea n dp o w e rs i g n a lo fm a c h i n et o o li d e l - r u na st h er e f e r e n c e s i g n a l o fa d a p t i v ef i l t e r ，t h eb a c k g r o u n dn o i s eo fo i lp r e s s u r ea n dp o w e rs i g n a lo nm a c h i n e t o o lp r o c e s s i n gi sc a n c e l e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w nt h a tm u c hn o n - s t a t i o n a r yr a n d o m n o i s ei sc a n c e l e du s i n gt h em e t h o d 西安理工大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h et i m ed o m a i nc h a r a c t e r i s t i c s o fo i l p r e s s u r es i g n a lh a v i n gg o o d c o i t e a l a t i o nw i t hc h i p sr e m o v a lc o n d i t i o n ，u s i n gt h ep e a k ，v a r i a n c e ，p e a kf a c t o r ，p u l s ef a c t o ra n d c h a n g er a t eo fo i lp r e s s u r es i g n a la so i lp r e s s u r es i g n a le i g e n v e c t o rt oj u d g et h ec h i pr e m o v a l c o n d i t i o ni nd e e ph o l ed r i l l i n g 0 nt hb a s i so ft h es t r o n ga s s o c i a t i o nb e t w e e nt h ef r e q u e n c yb a n d e n e r g vc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs i g n a la n dt h et o o lw e a rc o n d i t i o n ，t a k i n gt h ed e t a i l s i g n a l e n e r g yo ff r e q u e n c yb a n d s s e c o n d o r d e rc u m u l a n t ，t h i r d o r d e rc u m u l a n t ，f o u r t h - o r d e rc u m u l a n t a n db i s p e c t r u ma v e r a g i n ge n e r g yi ns e n s i t i v ef r e q u e n c yb a n do fp o w e rs i g n a la sp o w e rs i g n a l e i g e n v e c t o rt oj u d g et h et o o lw e a rc o n d i t i o n o nt h ec o m p l e x i t ya n du n c e r t a i n t y b e t w e e ne i g e n v e c t o ra n dw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h ef u z z y cm e a nr e c o g n i t i o nm e t h o do nt h et o o la n fc h i p sr e m o v a lc o n d i t i o ni nd e e ph o l ed r i l l i n gi s e s t a b l i s h e dv i at h ef u z z yr e c o g n i t i o ni d e a ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w nt h a tt h et o o la n fc h i p s r e m o v a lc o n d i t i o ni nd e e ph o l ed r i l l i n ga r ea c c u r a t e l yr e c o g n i s e db y t h em e t h o d k e yw o r d s ：b t ad e e ph o l ed r i l l i n g ；d s p ；r e a l t i m em o n i t o r ；a d a p t i v e n o i s ec a n c e l l a t i o n ；f u z z y c m e a l l t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h ed o c t o rf u n do fx i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y i i 独创性：声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明；本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：。窒! ! 亟垒：。h 坪旷年各月j f 日 学位论文使用授权声明 本人塞型叟墅在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。，本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权珏安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名；童l 鱼蔓：导师签名：圣翌里强墉多月国日 l 绪论 1 绪论 1 1 课题来源及其研究意义 在机械加工中，- 孑l d n 工占有重要地位，一般约占机械加工量的1 3 。- t l d r i 工分为浅孔 加工和深孑l 加z e 两类，也包括介于两者之问的中深孔加工。一般规定孔深和孔径d 之 比大于5 ( l i d 5 ) 的孔称为深孔【。深；f l d t a 工在国防工业、石油采掘、航空航天、机床、 汽车等行业获得相当广泛的应用。 深孔加工作为机械加工中的一个重要分支，其发展先后经历了枪钻、b t a ( b o r i n ga n d t r e p a n i n ga s s o c i a t i o n ) 内排屑深孔钻、喷吸钻和d f ( d o u b l ef e e d e r ) 单管喷吸钻。枪钻是 将高压液体通过钻杆内通道送到刀尖，带走切屑和切削热量，并在钻头外径一i - _ d i i 导向条， 以保证孔的正确方向的深孑l 加工方法。b t a 方式是在枪钻的基础上增强了刀具刚性，改 善了排屑条件，提高了孔的表面质量。1 9 6 3 年瑞典山特维克公司发明了喷吸钻，巧妙应 用喷吸效应使切屑在推、吸效应下排出，改善了排屑过程。2 0 世纪7 0 年代中期日本冶金 股份有限公司研制出d f 单管喷吸钻，增加了一个具有喷吸效应的油压头，使钻杆系统刚 性增加。近些年以来，为了从根本上解决了断屑、排屑难的问题，国内许多研究深孔加工 技术的机构将振动切削技术与各种深孔加工系统相结合，研究开发了振动切削深孔加工技 术，通过控制振动参数( m 厂) 与切削用量( ，l ，s ) ，如口居，伽( 频转比) ，即可实现钻 削过程中切屑形状和大小的自主控制，提高了钻孔效率和加工质量f 2 h 钔。 从深孔加工的工艺来说，它与普通车、铣、磨、浅孔钻等加工方法有明显的不同，深 孔加工是一种处于封闭状态下的加工方式。例如，在转速为4 5 0 r m i n ，进给量为 0 0 3 0 8 m m r ，频转比为1 2 的切削条件下，加工一长度为2 m ，直径为2 0 m m 的深孔， 材料为3 5 c r m o v a ，调质硬度为h b 2 5 5 。钻头经历的切削时间约为1 4 4 m i n ，随钻孔深度的 增加，切削区域产生的热量也相应增多，受封闭环境的影响，其热量不易扩散，切削过程 产生的切屑排放经过的路线逐渐加长，容易造成切屑堵塞、刀具磨破损等现象。目前，监 测排屑过程是否堵屑、刀具是否磨损等现象主要依靠操作者直接观察钻削过程中各种工况 信息，严重影响劳动生产率的提高，造成产品质量下降，生产成本增加，制约了深孔加工 过程的自动化。 随着制造工业的发展，一些自动化、无人化加工系统在企业中的应用越来越广泛，加 工过程中人直接参与的操作工作越来越少，那么在没有人对设备工作状态进行监控的情况 下，如何保证产品质量、提高生产效率，成为机械加工行业研究的焦点。为了适应f m c 、 f m s 等高度自动化加工设备正常运行，并持续、高效地生产出合格产品的需要，许多研 究者开始对机械加工过程的工况状态进行监测和控制。研究表明，如果在设备上安装一个 好的监控系统可以减少由于人为和一些技术因素造成的设备故障停机时间7 5 左右。据 资料统计，孔加工的工作量约占金属切削加工总量的三分之一，而深? l , - b n 工约占全部孔加 工工作量的二分之一，数据表明研究钻削过程中钻头磨破损状态具有重要的经济价值。过 西安理工大学硕士学位论文 去的研究工作主要集中在浅孔铺削监控方面，但山于深孔加工工艺的复杂性，目i 订有关深 孔钻销过程i i f l 刀具磨损以及排屑状态方l 酊的监控系统能成功应用于生产实践的报道还很 少。在深孔钻削加工中，钻削过程的状态监测具有十分重要的实际意义。 本课题针对目f j 玎深孔加工设备的自动化程度低，同时为适应工业自动化发展的迫切要 求，以b t a 深孔钻床为研究对象，针对深孔钻削过程的实际加工环境，采用功率监测法 和油压监测法，建立了基于切削功率信号干u f l l t 压信号的深孑l 钻削过程刀具磨损与排屑状态 的监测系统，并且在监测信号的预处理和刀具磨损和排屑状态的识别算法做了进一步的研 究，从而提高深7 l j j n 工过程状态监测系统的实时性和可靠性。 1 2 国内外实时监测方面的研究现状 随着近些年来，将d s p 应用到实时监测技术当中来，使实时监测技术发展迅速。国 i 为j l - 专家在深孔加工过程中状态实时监测方面已经做了大量的研究工作，并取得了一些研 究成果。 刘锡海等自行研制了2 m m 深孔钻削监控系统，通过获取电机电流间接测量钻头磨 损情况。系统以3 8 6 微机作为主机，用t u r b o c 和汇编语言联合编程，实现了正常钻削控 制与钻头磨破损、切屑堵塞等异常情况进行处理，找出了正常钻削与异常钻p i l l ( 钻头磨损、 钻头破损、切屑堵塞) 的规律，确定了监控阂值【5 】。 北京理工大学的徐春广等人从实时在线监测刀具切削状态的应用出发，研制了一种新 型的电机电流拾取方法和传感装置，并分析在加工过程中切削力、电机电流与刀具切削状 态的关系，同时研究了利用电机电流信号进行刀具切削状态的监测原理，并用实验证明了 其方法的可靠性和实用性【们。 上海理工大学光电学院黄杨晖等人提出了利用d s p 2 4 0 7 a 芯片的脉宽调制电路 p w m 对步进电机实现精确控制的方法，介绍了步进电机工作的基本原理，详细阐述了步 进电机驱动控制模块的硬件结构和软件设计。实验表明该电机控制系统工作稳定，能实现 电机的精确定位和速度控制【7 j 。 大连民族学院的陈兴文、刘燕实现了基于d s p 的对机床切削力信号在线监测。利用 数字信号处理器构建硬件系统实现数控机床切削力在线状态监测，主要完成了切削力信号 的采集、实时监测和数据的后续处理与分析，从而实现对加工过程的实时监控【8 1 。 清华大学计算机系董光波，谢桂海，孙增圻等人利用t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 微处理器和小波 分析技术，实现了对强噪声语音信号的分析与去噪处理，建立了基于d m a 、双缓冲区切换 和中断响应机制等技术的音频信号采集与处理的程序框架，并对小波频带阈值去噪、d m a 与外设接口配置、d s p 内存使用等问题提出了具体的解决方法，为数字信号处理领域相关 问题的研究提供了有效例证【9 1 。 吉林大学杨兆军教授等人在研制出微孔钻削测力仪和探索出微钻头钻削扭矩极限值 分布规律的基础上，对以钻削扭矩为监测对象的微孔钻削在线实时监测进行了研究，得到 2 1 绪论 了一定试验条件下的微钻头钻削扭矩极限值服从三参数威斫i 尔分和的结论。利用分斫i 函数 导出的可靠扭矩函数来确定监测阈值，并对钻削过程进行监测，有效地避免了微钻头的折 断，提高了微钻头的利用率【1 0j 。之后，又建立了基于神经网络的以l a b v i e w 为平台的 微孔钻削力实时监测系统，以轴向力和扭矩信号为监测对象，应用b p 神经网络进行多 路传感器信息融合，判断微钻头的工作状态，为微孔钻削加工的智能化在线监测提供一种 有效的技术方法【l 。 芬兰的e r k k ij a n t u n e n 提出了钻削过程中多种刀具状态的监测方法，其中利用电机电 流来监测刀具的状态的方法，电机电流的变化能直接反映出刀具的工作状态f 1 2 】。 美国的h e r c o g ，d a r k o 等人提出了利用m a t l a b s i m u l i n l ( 对d s p 板的编程方法。 他们在r e a l t i m ew o r k s h o p 环境下为d s p 板丌发了一套s i m u l i n k 模块。此d s p 板在 马里博尔大学的机器人学院已经开发完成。利用r e a l t i m e w o r k s h o p 和c c s 开发平台 可以生成二进制可执行代码，并加载到d s p 板上实时执行【1 3 】。 美国的c o u s s y , p 等人提出了一种基于m a t l a b s i m u l i n 】( 更高效和柔性的d s p 设 计流程。复杂的数字信号处理系统的设计正向更少成本、更快时间、占用存储器最少方向 发展。在他的文章中提出了一种方法论和工具，能够在有限的i 0 传输时间和固定的存 储器容量下进行高级别的d s p 综合应用【1 4 】。 综上所述，有关深孔钻销过程中刀具磨损以及排屑状态方面的监测系统能成功应用于 生产实践的报道还很少，特别是监测系统的实时性和有效性还远远达不到深孔加工自动化 的要求。因此，研究深孔钻销过程中刀具磨损以及排屑状态的实时监测具有十分重要的实 际意义。 1 3 实时监测技术存在的问题与发展趋势 在国内外学者的共同努力下，刀具磨损以及排屑状态的实时监测技术的研究取得了很 大的进展，同时也开发出了一些状态实时监测系统。但要使其实用化还有很多工作需要做， 尤其能应用于深孔加工这一特殊过程实时监测的系统几乎没有。要提高深孔加工过程的自 动化，仍有许多问题需要解决： ( 1 ) 加工过程经历时间长，工况变化复杂，故障种类的随机性很大，要及时、准确 获取故障信息存在很大困难； ( 2 ) 深孔加工过程的现场切削环境恶劣、干扰较多、传感器安装困难和抗干扰性差， 通常只能安装在远离切削区的地方，而且大多数传感器是针对特定加工对象，环境适应性 差，急需提高传感器的抗干扰能力； ( 3 ) 信号特征提取技术的局限性，信号特征提取方法需要更进一步部深入和细化。 经过几十年的研究，学者们提出了许多特征提取的方法，但每一种方法都有其自身的局限 性。不同信号会表现出不同的特征，因此针对深孔加工过程中的实际情况，需要进一步研 究能有效表征深孔加工过程工况状态的特征量。近年来，出现t d , 波分析、非线性时频分 西安理工大学硕士学位论丈 析、高阶谱分析、分形、混沌等先进的信号处理技术为特征的提墩提供了新的研究手段： ( 4 ) 深孔加工过程中经常会i 【l 现一些随机性故障现象，如材质不均、加工过程的不 稳定性使传感器信号具有很强的随机性，各状念特征模式空问高度重叠，从而导致识别精 度低，误报率高。这就关系到能否建立合理的状态识别模型去识别各种故障状态。目前出 现了模糊聚类、各种神经网络系统、专家系统、隐马尔可夫模型( h m m ) 等模式识别的 方法，针对深孔加工过程状态监测，究竟哪一种模型更能准确判断刀具磨破损及排屑是否 畅通的问题，有待进一步研究。 国内外专家在深孔加工过程中状态实时监测方面已经做了大量的研究工作，并取得了 一些研究成果。例如国内大连民族学院的陈兴文、刘燕实现了基于d s p 的对机床切削力 信号在线监测、吉林大学杨兆军教授等人建立了基于d s p 的微孔钻削加工的智能化在线 监测等等。因此，把d s p 应用到实时在线监测技术当中来，已成为实时在线监测技术发 展的趋势。 1 4 本文主要研究内容 本文在现有深孔加工监测技术的基础上，以b t a 深孔钻床为研究对象，根据深孔加 工的复杂性以及所存在的问题，研究了深孔加工过程中刀具磨损与排屑状态实时监测技 术，构建更加完善可靠的深孔加工系统。 本文主要的研究内容如下： ( 1 ) 本文对深孔加工目前在线监测控制技术研究状况进行分析与总结，以b t a 深孔 钻床为研究对象，针对深孔钻削过程的实际加工环境，采用功率监测法和油压监测法，建 立基于切削功率信号和油压信号的深孔钻削过程刀具磨损与排屑状态的监测系统。 ( 2 ) 本文根据监测系统的实时性需要，采用d s p 芯片中的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为监测 系统硬件平台的中央处理单元，建立深孔钻削过程刀具磨损与排屑状态的实时监测系统， 该系统能够完成信号采集和信号分析和识别，并且可以通过串行接口将采集的信号传输到 计算机上做进一步分析和处理。 ( 3 ) 本文采用模块化设计监测系统的硬件，监测系统的硬件模块包括：时钟电路、 电源电路、复位电路、存储器设计、数据采集电路、串行通信和仿真接口。在c c s 集成 开发环境下，完成监测系统的基本配置。 ( 4 ) 本文针对b t a 系统的复杂性以及油压信号和功率信号的非平稳性，采用自适应 噪声抵消消噪思想来实现油压信号和功率信号中的背景噪声的消噪。讨论自适应噪声的原 理，给出消噪算法，并以机床空载时的油压和功率信号作为自适应滤波器的参考信号对加 工时的油压信号和功率信号进行消噪实验。 ( 5 ) 根据油压信号时域特征与排屑状态有密切联系以及功率信号频带能量特征与刀 具磨损状态有较强联系，采用模糊识别的思想建立深孔钻削过程排屑与刀具状态的模糊c 均值识别方法。 4 2b t a 深孔钻卉t l 过程状态监测系统的方案建立 2b t a 深孔钻削过程状态监测系统的方案建立 在工业实践中，由于加工现场切削环境恶劣、切屑飞溅、冷却液、切削温度与振动的 影响，获取信号时二f 扰较强，对髓测技术的实际应用造成很大困难。有时候利用单一特征 的监测方法缺乏较好的可靠性和柔性，在实际生产应用中还有一定的局限性，同时一些应 用在普通车、铣、磨、浅孔钻方面的监控技术无法直接运用于深孔加工过程，且一个好的 监控系统必须最大可能地反应其加工过程的状态。为此，如何建立合理的监测方案成为提 高监测系统实时性和可靠性的重要工作。 2 1b t a 深孔钻床的原理与构成 目前，国内外常用的深：f l i j n 工系统主要有枪钻深- 孑l ) j i 工系统、b t a 深孔加工系统、 喷吸钻深孔加工系统和d f 深孔加工系统。其中，b t a 深孔加工系统因其加工范围广，同 时具有良好的加工质量和稳定的加工性能，已经成为深孔加工中普遍使用的一种深孔加工 技术。本文针对b t a 深孔钻床为监测对象，文章以后提到的深孔加工系统即默认b t a 系 统。首先简介一下b t a 深孔钻床。 2 1 1b t a 深孔钻床的原理 内排屑深孔钻削产生于枪钻之后，针对枪钻系统存在钻头与钻杆难于快速拆装更换和 钻杆刚性差，进给量受到严格限制等缺陷，而且不适用于较大直径深孔的加工。而内排屑 深孔钻削，保持钻头与枪杆为中空圆柱体，使钻头能够快速拆装和提高了刀具刚性问题。 常见的内排屑深孔加工系统为b t a 系统，如图2 1 所示，其工作原理是：具有一定压力 的切削液进入授油器后通过钻杆外部环状空间流向切削刃部分( 钻杆与输油器的右端有密 封) 进行冷却润滑，并将切削刃上形成的切屑反向压入钻头的出屑口，经钻杆的中空内腔 向后排出。切削液经过虑网过滤后到油箱中，重新供油泵循环使用。 入口 图2 - 1 内排屑深孔钻( b t a ) 系统 f i g 2 - 1b t ad e e ph o l ed r i l l i n gs y s e m 2 1 2b t a 深孔钻床的构成 目前国产的深孔钻床在加工中普遍存在着断屑不稳定，容易出现排屑不畅或出现堵屑 5 西安理工大学硕士学位论天 问题，；) o - j c 是在对中、小直径的超深孔加： 中，这一问题更加突出。这些问题，可采川振 动深7 l t ：7 i i i f l 技术得到较好的解决。采用振动深；f l i 7 i i j l j ，对普通车床进行改造，b t a 深孔 钻床如图2 。2 所示，在原车床的基础上增加四大部件1 1 5 i 。 图2 2 普通车床臼行改制b t a 深孔钻床 f i g 2 - 2t h eb t ad e e ph o l ed r i l l i n gm a c h i n ei m p r o v i n gc o m m o nl a t h e ( 1 ) 振动装置 振动装置提供频率f 、振幅a 且可无级可调的轴向振动，并通过钻杆将振动传到钻头 而实现振动钻削。振动装置又作成一个通用部件，安装在普通车床大拖板上，并与拖板一 起完成钻削的进给运动。 ( 2 ) 授油器 授油器同样作成一个通用部件，安装在普通车床的小导轨上，并可根据工件的长短方 便地移动。其作用是提供入钻导向、钻杆支承、减振，并同工件端面形成一个封闭的切削 液单向流动通道，完成切削液的输送功能。对于在大型特长工件上的超长深孔( 如长油缸) ， 为便于操作，减少辅助时间，可采用双溜板以安装振动装置和授油器。 ( 3 ) 供油系统 供油系统一般通过油泵站将一定流量和压力的切削液输送至钻削工作部位，起到润 滑、冷却、清洗、排屑等作用，并将回流至油箱的切削液进行净化( 沉淀、液屑分离、离 心过滤) 。 ( 4 ) 电气控制系统 振动钻削在选择好进给量s 和振幅“以后，频转比够挖) 将直接影响断屑效果和加工的 平稳性，为此专门研制了振动频率厂可自动跟踪主轴转速n 的振动钻削闭环控制仪。该控 制仪能数字显示 玎的匹配关系，确保加工过程中频转比咖) 保持相对稳定，并能根 据加工过程的实际需要任意调整其匹配数值，以达到断屑可靠，排屑顺利，使加工过程在 平稳状态下进行。另外，能通过变频器控制进给系统电机，以实现振动钻削进给量的无级 可调。为保证进给平稳，采用单独电机驱动和平稳的减速机构。还可通过控制系统实现快 进、慢进、工进、快退等加工过程的自动循环。 普通车床改造成的振动深孔钻镗床( 刀具回转) ，可以通过油路变化，方便地实现b t a 系统。b t a 系统( 又称单管系统) 是切削液单纯通过授油器输入，通过钻杆与已加工孔 6 2b t a 一幂孔钻削过程状态监测系统的i 案建立 圈圈曩 ( d 1 副切削刃磨损 ( d 】a u x i l l a r y c u t t i n g e d g e w e a r 忙) 刀尖崩刃 ( 0 t o o ln o s e t i p p i n g 图厶3 内排屑深孔钻常见的躇破损形式 f i g2 - 3 b t ad e e p h o l e d r i l l t o m o i l w e a r f o r m s 西安理工大学硕士学位论丈 内排屑深4 l 硭i 头是深孔加工系统中常用的刀具，j 乓切削部分主要由内刃、外刃、钻尖、 导向块以及排屑孔组成。在深孔钻削中，单刃b t a 钻的附刀面、后刀面、主切削刃、剐 切削刃和钻尖鄙会发生磨损。b t a 钻常见的磨损形式如图2 3 所示。 在实际加工过程中，根据加工材料和切削条件的不同，通常以一种磨损形式为主，同 时伴随出现其它几种磨损形式。 一般在深孔加工过程中，最早出现的是钻头后刀面磨损和主切削刃的磨损。后刀面磨 损通常用平均磨损值昭来衡量。钻削中，钻尖对材料起挤压作用，因会很快出现钻尖钝 化或崩刃。钻尖损坏也是钻头丧失切削能力的重要原因之一。 深孔加工在封闭环境下进行，能否顺畅排屑是实现深孔钻削顺利进行的关键问题。然 而，在钻削过程中，随着孔深的增加切屑排出经过的路线逐渐加长，容易发生堵屑现象。 一旦出现切削堵塞，会影响加工孔表面质量，降低生产效率，增加劳动成本【1 7 】。 2 2 2 工况信号分析 工况信号能够反映机械加工过程的状态，就目前实现监测的手段来说，主要还是利用 不同的工况信号对设备状态进行监控。不同加工过程需要采用不同的工况信号来实现监 测，就深孔钻削过程来说，可利用的工况信号如下【1 8 1 【2 l j ： ( 1 ) 振动加速度：振动信号是对刀具磨破损较为敏感的信号。它与切削力及加工系 统本身的动态特性密切相关。深孔加工过程中发生刀具严重磨损和破损时，振动信号的幅 值和能量会急剧增大。 ( 2 ) 切削力：在深孔钻削过程中，切削力实现主进给运动，是与刀具磨破损密切相 关的物理量。切削过程中，刀具正常磨损阶段时，切削力是逐渐增加的；急剧磨损时，切 削力会先有一段降低，然后急剧上升。加工过程中遇到材质不均或硬质点时，切削力会产 生一个阶跃性的变化。这些变化同样会引起切削力的幅值和频谱特征参数发生变化。 ( 3 ) 切削功率：深孔钻削中切削功率主要反映在主轴电机和进给电机两方面。正常 钻削过程，功率曲线变化很小；刀具表面产生小面积破损时，功率曲线会有小的起伏；严 重磨损时，电机功率会明显增大并且产生波动；刀具破损时，电机功率会有一个瞬间降低， 然后迅速上升。 ( 4 ) 润滑冷却系统油压：油路系统在深孔加工过程中起到冷却、润滑、排屑的作用， 而油路系统工作的重要参数就是压力和流量。一方面，正常工作过程中，油路系统压力是 平稳变化的；当回油管道发生切屑堵塞时，油压会缓慢增加；随着堵塞程度的加重，油压 会产生突变并急剧上升。另一方面，刀具磨损，切削力会增大，导致断屑困难，也会发生 堵塞，间接引起油压增大。 由以上分析可以看出，当深孔钻削过程有故障发生时，会引起相应工况信号的特征参 数变化。因此，我们可以针对深孔加工过程的特点，选择合适的工况信号来监测深孔钻削 过程的状态【2 0 1 【2 1 】。 8 2 b t a 深孔钻削过程状态监测系统的方案建立 2 3 深孔钻削过程状态监测系统的建立 深孔加工过程中可用于状态监测的工况信号很多，但并不是每种信号都能用于实际加 工过程。结合深孔加工系统的特点，本文通过功率监测法和油压监测法主要针对b t a 深 孔钻削过程中常出现的钻头磨破损和堵屑这两类故障状态进行监测。下面简单介绍一下功 率监测法和油压监测法。 2 3 1 功率监测法 切削功率即就是机床主电机的输出功率( 用字母p 表示) 。它由净切削功率犀、空载 功率只和机床传动系统摩擦所消耗的附加功率只组成。净切削功率最与被a n t 材料的性 能、切削用量以及刀具状态等密切相关；空载功率只是机床转速的函数，且与机床的润滑 条件有关；附加功率随切削功率的增加而增加【1 7 l 。主电机功率如下式所示： p = 只+ 号+ 乞( 2 1 ) 实际中，由于电机的输出功率检测较为困难，所以实验研究中我们检测主电机的输入 功率另。主电机的输入功率主要由机床功率( 主电机输出功率) p 及其内部损耗功率组 成，如下式所示： 弓= p + ( 2 2 ) 而电机的内部功率损耗一般由铜损、铁损及机械损耗，它们与加工状态的变化引起的 功率变化相比，可以忽略不计。因此，我们可以用检测电机的输入功率只代替机床功率p 。 在切削过程中，刀具状态的变化将使机床主轴扭矩发生变化，因而主轴驱动电机的输 入功率也将发生变化。试验研究表明，当刀具磨损时，主轴驱动电机的输入功率将随之增 大；当刀具发生折断时，对于车削加工，净切削功率将会出现瞬时零点，而后骤然增大的 特征【2 1 1 。根据这些研究结论，可以通过监测机床主轴电机的输入功率推断出刀具的状态。 2 3 2 油压监测法 在深孔钻削加工过程中，压力油的主要作用是从切削区域和刀槽或切屑嘴中或向刃具 的前方冲掉切屑，高的压力迫使切削液到达切削刃以保持润滑、冷却和排屑作用。如图 2 4 说明深孔钻削过程在切削区域和排屑过程的工作情况。油路系统工作过程：从齿轮泵 输出的压力油被送到机床授油器，经进油口进入刀具前端部分，起到冷却、润滑并带走铁 屑的作用，通过排屑孔把带有铁屑的压力油排出，经虑网过滤后流回油箱，依次不断地进 行循环。由此可见，压力油对深孔加工过程起着非常重要的作用。 图2 4 深孔钻削过程油路系统工作示意图 f i g 2 _ 4 ，n l ed r a w i n go fo i ls y s t e mi nd e 印h o l ed r i l l i n g 进油口 屑孔 9 西安理工大学硕士学位论文 正常钻i l l 0 过程中，随着钻削深度的增加，汕压平稳上升；一旦排屑过程发生堵翮现象， 油压的增幅变大；随着堵塞程度的加剧，汕压会产生突变 ：急删上丁i _ 。因此利用油压信号 来监测深孔加工过程中是否发生排屑堵塞现象是可行的j 。 2 3 3 基于d s p 的深孔钻削状态监测系统 在功率监测法和油压监测法的基础上，并结合深孔钻削系统的特点，本文建立基于 d s p 的切削功率和油压信号的深孔钻削过程排屑与刀具状态监测系统如图2 5 所示。该系 统通过监测切削功率信号来反应深孔钻削过程中刀具磨破损状态；通过监测涧滑冷却系统 的油压信号来反应深孔钻削过程排屑是否发生堵塞，并且将两路信号融合起来，建立多参 数融合的监测模型，以提高监测系统的可靠性【2 引。 在该系统中，功率信号是深孔钻床的主电机的输入功率通过功率变送器后采集来获 得，油压信号是通过安装在油阀上的压力传感器直接输出到d s p 监测系统。功率变送器 和压力传感器的输出信号均为标准的0 5 v 的电压信号。监测系统具有实时采集功率信 号和油压信号并能对两路进行分析的功能，而且可以反馈深孔钻削过程排屑与刀具状态并 报警。监测系统的中央处理单元足具有高速数字信号处理能力的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理剁乃】。 刊功率变送器 = j b t a 深孔 痔号信号状态输f i i 采集 卜 处理 卜 识别 卜 报警 钻床 模块模块模块结果 刮油压传感器 = j 1 d s p 监测系统中完成 图2 - 5 深孔钻削状态监测系统框图 f i g 2 5t h em o n i t o r i n gs y s t e md i a g r a mo ft h ed e e ph o l ed r i l l i n g 2 4 本章小结 ( 1 ) 介绍了b t a 深孔钻床的原理与构成以及各部件的功能和作用；针对深孔钻削过 程的实际加工环境，采用功率监测法和油压监测法，研究结果表明：功率信号能综合反映 钻削过程钻头磨破损状态；油压信号能有效反映深孔钻削过程排屑是否发生堵塞； ( 2 ) 以b t a 深孔钻床为研究对象，针对深孔钻削过程的实际加工环境，采用功率监 测法和油压监测法，建立了基于切削功率信号和油压信号的深孔