采用麦克风进行检测颤证的技术

1、采用麦克风的颤证检测技术内容提要内容提要n一、声音信号检测颤振的原理一、声音信号检测颤振的原理n二、常用的基于声音信号的颤振检测技术二、常用的基于声音信号的颤振检测技术n三、颤振检测技术在模拟条件下的验证三、颤振检测技术在模拟条件下的验证n四、颤振检测技术在真实情况下的验证四、颤振检测技术在真实情况下的验证n五、总结五、总结一、声音信号检测颤振的原理一、声音信号检测颤振的原理nK.S.Smith发现加工过程中产生的声压信号与刀具的位移成正比。这使得使用麦克风检测非稳态的颤振成为可能。n在稳态切削过程中，主轴转动（及其谐波）和齿轮传动的频率在信号中占支配地位。当系统达到非稳态时会出现其他的一些频

2、率。因此对与主轴转动和齿轮转动不同频率的峰值进行检测可以检测颤振。n麦克风已在商业软件如Accord Mill和Harmonizer中得到了应用。正在开发的有Chatterpro。处于稳态的声压信号的频谱分析处于非稳态的声压信号的频谱分析采用麦克风检测颤振的优缺点采用麦克风检测颤振的优缺点n优点：麦克风使用简单不涉及定位问题。n缺点：周围环境如环境噪音、声音反射都会干扰声音信号。二、颤振检测技术二、颤振检测技术nA 基于峰值的检测方法nB 基于频率的检测方法nC 基于统计的检测方法A 基于峰值的检测方法基于峰值的检测方法n常用的用两种方法：最简单的方法是直接将声压的峰值与在稳态时测量的值进行比

3、较。但这种方法容易受到工作环境的影响。另外一种是将最高峰值与稳态峰值的平均值和系数（610）的乘积进行比较。但决定阀值的系数难以确定。B 基于频率的检测方法基于频率的检测方法n稳态频谱中主要是齿轮转动、主轴转动的频率及其谐波。n非稳态的频谱中包含了占主导的接近系统本征频率（也被称为颤振频率）的信号。n使用FFT变换得到信号的频谱，并将与稳态频率相关的峰值移除。剩余的信号如果占主导的是齿轮、主轴转动频率的二次谐波，那么系统处于稳态；如果站主导的是颤振频率，那么系统处于非稳态。C 基于统计的检测方法基于统计的检测方法n该方法最先由Delio提出。n其原理： 在稳态时，刀具转动到相同的位置其刀尖的位

4、置是相同的。而非稳态时，刀尖的轨迹成椭圆形。 其位置方差 （其中 ） 当方差超过某一值时判定颤振发生。 同样，这种刀尖位置方差计算的方法也适 用于声压。NxxmiNi)(2212NxxiNim1三、在动态仿真下进行测试三、在动态仿真下进行测试n首先运用动态仿真得到的信号对以上三种技术进行测试。n该系统参数如下： 零螺旋角单槽圆柱铣刀 主轴转速恒定为3500r/min 半进入式顺铣，切削深度深度为：0.1， 0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8, 2.0,3.0,4.0,5.0。 挠性工件与进给方向垂直，将模型简化为单自 由度模型。f=100Hz,k=10KN/

5、m,=0.4%该系统的稳定域曲线该系统的稳定域曲线稳态域曲线在3500RPM左右的区域该模拟系统的稳定域曲线动态仿真产生的信号动态仿真产生的信号切削深度为0.1mm,系统处于稳态切削深度为1mm,系统处于非稳态作为研究的信号有两种：一种是由动态仿真产生的原始信号；另一种是仿真信号和白噪音（其峰值是仿真信号最大峰值的5%）的叠加。频域分析在Matlab环境下进行FFT变换。采用汉宁窗进行加窗处理。A 基于峰值的检测方法基于峰值的检测方法主导峰的峰值随轴向切削深度的增加而单调递增。阀值比率为切削深度0.8mm和0.1mm时方差的比值，其值约为8。 白噪音对计算结果没有影响。 最高峰值振幅的变化曲线

6、实线（红色）为原始信号，虚线（蓝色）为叠加信号B 基于频率的检测方法基于频率的检测方法n当处于稳态时，主导频率 齿轮转动频率的第二谐波 频率。n随着切削深度的增加，颤 震频率所占比重越来越大， 当主导频率发生变化时， 即判定系统处于非稳态。n白噪音对结果无显著影响。仿真信号的主导频率C 基于统计的检测方法基于统计的检测方法 阀值比率为切削深度0.8mm和0.1mm时方差的比值，其值约为10。声压方差的变化曲线 模拟测试的总结模拟测试的总结n信号的观测结果和颤振指标随切削深度的变化是一致的。n确定的基于主导峰值检测方法的阀值比率为8；基于统计的检测方法的阀值比率为10。四、在实际条件下进行验证四

7、、在实际条件下进行验证构造实验n工件被固定在挠性结构上，该结构尽量接近单自由度系统（本征频率120.4Hz,阻尼比率为0.38%）。n刀具为三槽圆柱形硬质合金刀，麦克风为Bruel & Kjaer 2236，在夹具上安装加速度传感器。n主轴转速为1200RPM，切削深度范围为0.31.5mm。A 基于峰值的检测方法基于峰值的检测方法在实际情况下测得的峰值随切削深度变化的曲线n阀值定为在有噪音的环境下测量的峰值最大值的8倍，约为7.818Mv。n预测的极限切削深度在0.751mm之间。这与观测到的当切削深度大于0.75mm时表面粗糙的极具增大相符。n对从加速度传感器得到的信号进行分析，其结果与上述分析相同。B 基于频率的检测方法基于频率的检测方法n使用基于频率的检测方法的预测结果比基于峰值的检测方法提前。在实际情况下测得的信号的主导频率C 基于统计的检测方法基于统计的检测方法n阀值定为14 Vn预测的切削深度也在0.751mm之间方差的变化曲线410五、总结五、总结nA基于峰值的检测方法是最