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砂轮磨削过载判据及其疾速诊断

宣布日期:2017-12-06 11:32    阅读次数:次

    在磨削加工范畴,高速扭转的砂轮和工件的过载一旦产生,将会对财产和人生宁静形成严重风险.跟着磨削加工主动化水平的日趋进步,过载的主动辨认和防备成为保障磨削加工宁静性的重要课题.防过载的难点在于若何疾速不变和靠得住地辨认砂轮与工件的过载,特别是若何提早预判过载的产生.防过载的研讨重要从两方面遏制,起首是砂轮与工件的打仗进程,须要判定是一般打仗仍是过载性打仗;而后是砂轮的磨削进程,须要辨别是一般磨削仍是产生了过载.所谓防过载便是在磨削进程中须要疾速辨认最好预判是不是产生过载,并将诊断成果敏捷告诉数控加工装备遏制举措呼应来防止过载或加重过载的风险,是以防过载的难点和重要使命在于疾速、有用地辨认砂轮过载点,为装备的疾速呼应供给决议计划按照.
    为了能够或许或许疾速、精确判定磨削进程是不是过载,起首须要挑选适合的进程监测旌旗灯号.绝对电流、负载和能量变更等经常使用监测手腕,声发射旌旗灯号(AcousticEmission,AE)以其呼应快、价钱高等特色成为间接丈量的首选计划.以后,处置相干研讨和产物研发的企业重要有意大利MARPOSS和美国SBS公司,但未见相干研讨文献报道.可是,国际外针对砂轮磨削进程监控和砂轮钝化辨认已展开了普遍深切的研讨.比方:Liao等[1]经由进程对声发射旌旗灯号遏制阐发、特色提取及成立加强分类来在线监测砂轮的磨损;Xun等[2]接纳撑持向量机作为对差别前提下砂轮磨损遏制分类的东西,成果标明,撑持向量机在辨认砂轮磨损上很有用;Xu等[3]基于能量百分比对砂轮磨损旌旗灯号遏制辨认,经由进程提取差别磨削状况下的能量变更特色来辨认砂轮的磨损;巩亚东等[4]研讨接纳均方根值(RMS)电压、包络旌旗灯号的微分值和振铃计数相连系作为声发射磨削打仗检测的特色参量遏制了磨削打仗检测体系的研制,但未触及对砂轮与工件的过载研讨.
    本文连系时、频域阐发方式对砂轮与工件磨削和过载进程的声发射旌旗灯号遏制了特色提取研讨,提出了砂轮过载判据的评估目标,对差别特色提取方式取得的成果遏制了对照,阐发了提早预判过载产生的能够或许性及其预判方式.

1 实验数据收罗
 
1.1 实验平台
 
    磨削实验在MKA1620数控端面外圆磨床上遏制.实验用富士公司1045S声发射传感器,频次带宽为0.1~1.5MHz,活络度为51dB,传感器装置在机床尾架上(实验阐发所得领受旌旗灯号的最好地位),如图1所示.声发射宽带前置缩小器的带宽0.015~1.5MHz,增益40dB;数据收罗卡选用美国NI公司的USB6259,最大采样率为1.25MHz.磨削接纳白刚玉大气孔砂轮,型号为PSX1-500×75×203、中软80目.工件的资料为45号钢、直径为50mm、磨削长度为25mm的圆柱体,硬度HRC51.数据收罗接纳NI公司的Labview 软件,数据处置接纳Matlab软件.

1.2 数据收罗
 
    过载实验鉴于其风险性须要细心设想.实验起头前,让砂轮和冷却液开启到达一般磨削状况,坚持砂轮与工件未打仗,同时收罗1s的情况旌旗灯号作为背景噪声.为了迫近过载成果,从砂轮打仗实验起头,顺次接纳从低到高的进给速率对工件外圆遏制磨削,进给深度牢固为50μm,从而到达每次实验慢慢增添打仗强度的目标.实验分6组,进给速率别离取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mm/min,此中第6组进给速率已超越了一般进给的最大规模,须要在实验中做好充实的防护办法,随时遏制机床的运转.实验中砂轮转速为1 900r/min,砂轮线速率为50m/s,对6组磨削实验的旌旗灯号遏制收罗,按照前期实验研讨肯定采样率为400kHz.实验成果标明,实验6在磨削进程中因为进给速率过大,在打仗进给前期砂轮和工件产生了超越一般规模的振动和声音,即到达了非一般过载的成果.磨削实验是经由进程对MKA1620数控端面外圆磨床的数控编程主动遏制,磨削进程中由操纵技工查抄砂轮是不是钝化,如钝化,则对砂轮遏制修整后再持续磨削实验,直至第6组的实验竣事.


                             图1 声发射传感器在机床上的装置地位

2 旌旗灯号处置
 
2.1 旌旗灯号处置距离和样本容量
 
    旌旗灯号处置距离和样本容量的拔取间接干系到旌旗灯号的处置效力、处置精度和频次分辩率.斟酌到硬件本钱和现实需要,旌旗灯号能在10ms内处置终了并告诉数控机床(CNC)体系,拔取的旌旗灯号处置距离为5ms,为了知足对旌旗灯号较宽的频次分辩规模,每次处置样本容量为10ms的数据,该前提下的频次分辩率为100Hz,知足特色提取的请求.
 
2.2 旌旗灯号处置方式
 
    斟酌到防过载对呼应速率的需要,为了拔取适合的特色量以疾速、有用地反应砂轮与工件的过载,在旌旗灯号处置方式上重要基于时域和频域,优先斟酌处置效力.时域方式重要接纳时域方差和时域RMS,频域阐发则基于疾速傅里叶变更.过载产生的肯定经由进程所提取特色量的阈值及其变更速率(即斜率)来反应.上面给出了2种特色提取的方式.
(1)信噪特色比方式.信噪特色比指的是基于时域方差、时域RMS、功率谱峰数和功率谱最大值从旌旗灯号中提取的4种特色量.情况噪声旌旗灯号的特色量需事后进修取得,任务旌旗灯号的特色量为及时处置成果,信噪特色比即为任务旌旗灯号与情况噪声响应特色量之比.
    假定x(t)表现旌旗灯号样本,m 为x(t)中样本容量,则时域方差和时域RMS别离为:

    假定任务旌旗灯号x1(t)和情况噪声x2(t)的时域方差别离为σ12 和σ22,时域RMS别离为W1rms和W2rms,求得信噪特色比中时域方差旌旗灯号特色比阈值和时域RMS旌旗灯号特色比阈值别离为:

信噪特色比中时域方差斜率和时域RMS斜率别离为:

    假定任务旌旗灯号x1(t)和情况噪声x2(t)的功率谱峰数别离为N1和N2,功率谱最大值别离为P1max和P2max,求得信噪特色比中功率谱峰数特色比阈值和功率谱最大值特色比阈值别离为:

    信噪特色比中功率谱峰数斜率和功率谱最大值斜率别离为:


(2)信噪能量比方式.对旌旗灯号遏制疾速傅里叶变更,求得旌旗灯号功率谱,各点功率积分求得旌旗灯号的能量,而后把旌旗灯号的频次段均匀分红m 组,求得任务旌旗灯号与情况噪声旌旗灯号各分频段对应能量占总能量的百分比,它们的比值便是信噪能量比.
    假定旌旗灯号x(t)颠末疾速傅里叶变更后均分为m 组旌旗灯号F1(t),F2(t),…,Fm(t),由Fi表现(i=1,2,…,m),能量向量:

式中,T 为所求功率旌旗灯号的时候,总能量:

将式(11)规范化为

各频次段能量占总能量的百分比即能量占比:

假定任务旌旗灯号为x1(t),情况噪声旌旗灯号为x2(t),由式(15)可求得任务旌旗灯号各频段能量占比fe1i,情况噪声各频段能量占比fe2i,则信噪能量比阈值:

斜率


3 实验成果
 
    6组实验的磨削旌旗灯号电压如图2所示.前5组为一般磨削实验,磨削电压幅值都在0.5V之内.从实验6旌旗灯号阐发,过载产生时(约5.3×106个收罗点处)电压会在一般磨削的根本上有短时候的慢慢
递增而后到达过载,且过载电压远高于一般磨削.

                                                   图2 差别实验下砂轮和工件打仗进程声发射旌旗灯号
 
3.1 信噪特色比
 
3.1.1 信噪特色比阈值法 

    为了节俭篇幅,挑选一般打仗中打仗强度最大的实验5的采样旌旗灯号遏制阐发.拔取砂轮与工件从打仗到一般磨削的采样旌旗灯号,计较求得实验5的信噪特色比值.图3所示为实验5砂轮由未打仗工件到一般磨削进程中基于信噪特色比阈值方式的特色量变更情况.由图可见,趋向上各特色量由小到大,到达一般磨削约第80个特色点后,趋于必然规模内有纪律动摇.

图3 基于信噪特色比阈值法的特色量变更趋向(实验5)

    对照实验1~4前提下提取的特色量,研讨发明具有类似的纪律.实验1~6所提取的信噪特色比最大值见表1.表中,实验6的数据为过载刹时的值(过载点界说为特色点腾跃最大的点).由表可见,在一般磨削下,差别进给速率对应的各特色量的最大值都较小.设定4种特色量的过载阈值为前5组一般磨削实验最大值的200%,别离为80、12、6和50,图4所示为实验6从一般磨削到过载的信噪特色比值.
                                    表1 6组实验信噪特色比最大值

 

图4 基于信噪特色比阈值法的过载点四周特色量变更(实验6)
    由图4可知,除功率谱峰数信噪比外,其余3种特色量的值都较一般磨削增添较着.此中,图4(d)中基于时域方差的第13个特色点处的信噪特色比为211,已是一般磨削的6倍摆布,在4种特色量中敏感度最高,而现实过载点位于19点(为旌旗灯号渐变点).可见,拔取时域方差信噪特色比能够或许按照设定的过载阈值提早6个点约30ms预判过载的产生.

3.1.2 信噪特色比斜率法 

    图5所示为实验5的信噪特色比斜率特色量变更.由图可见,到达一般磨削约第80个特色点后,4种信噪特色比斜率除功率谱峰数外,都在必然规模内有纪律地振荡.研讨发明,实验1~4在一般磨削时都具有类似纪律.
      图5 基于信噪特色比斜率法的特色量变更趋向(实验5

    6组实验的时域方差、时域RMS、功率谱峰数和功率谱最大值的斜率振荡规模如表2所示.表2中实验6的特色量是过载点处的值,在一般磨削下5种进给速率的信噪特色比斜率振幅都较小.实验6中由一般磨削到过载的特色量斜率如图6所示.由图可见,在过载前后,信噪特色比斜率中除功率谱斜率外,在颠末4~5个特色点的少许增添后产生剧增.此中:时域方差、时域RMS和功率谱最大值的斜率在第18个特色点(过载渐变点)的值别离为6704、42.7、0.91、1 203,而在第14个特色点的值别离为171、8.2、0.85、140,已较着辨别于一般状况特色值.由此可得,时域方差斜率在辨认过载旌旗灯号的敏感度最高,且能够或许或许提早4~5个特色点约20~25ms完成预判.
                                表2 6组实验信噪特色比最大斜率

          
                                   图6 实验6的信噪特色比斜率变更

3.2 信噪能量比
 
3.2.1 信噪能量比阈值法 

    在6组实验中别离对FFT分化取得的频域旌旗灯号(0~200kHz)均分红8个频次段,并对每一个频次段旌旗灯号遏制信噪能量比的特色量提取.经阐发发明,50~75kHz频次段的信噪能量比敏感度最高,求得实验1在该频次段中一般磨削的信噪能量比方图7所示.到达打仗点后旌旗灯号的信噪能量比值跟着时候的增添趋于安稳.实验2~5所提取特色量变更趋向与实验1具有类似纪律,5组实验中一般打仗时信噪能量比的最大值别离为504,684,475,368,417.图8所示为实验6中过载点(18个特色量)四周信噪能量比变更,过载处信噪能量比为1402,可较着和一般磨削相辨别.

                                 图7 信噪能量比变更(实验1)
         
                                  图8 信噪能量比变更(实验6

3.2.2 信噪能量比斜率法 

    计较求得实验1一般磨削时50~75kHz频次段的信噪能量比斜率变更如图9所示.由图可见,当砂轮和工件不变打仗后,信噪能量比在必然规模内振荡.实验2~5的成果与实验1具有不异纪律,一般磨削情况下提取的信噪能量比斜率均低于400.实验6中,由一般磨削到过载的信噪能量比斜率如图10所示.由图可见,第18个点处特色点的信噪能量比斜率为1 012,远超越信噪能量比振荡规模,能够或许有用辨认过载.对照发明,信噪能量比阈值和斜率只能在信噪渐变处辨认过载,而不具有信噪特色比特色量所显现的预判功效.

                                           图9 信噪能量比斜率变更(实验1)

3.3 处置效力
 
    对2种特色提取方式在Matlab平台上的算法效力遏制比拟,处置电脑为Intel(R)Core(TM)i5-3210M 处置器、2.5GHz双核、4GB内存、64位操纵体系的MacBook Pro条记本,计较4 000个点时各特色量计较时候如表3所示.由表可见,信噪能量比的耗时要小于信噪特色比中的各特色量的耗时.

                         图10 信噪能量比斜率变更(实验6)

                        表3 各计划处置4000个点所需时候


3.4 讨 论
    基于活络度、不变性及处置效力3个准绳对所提取的特色量遏制比拟.所述活络度反比于一般磨削与过载时对应的特色值比值,能靠得住过载为不变,反之为不不变;效力则经由进程特色值的计较时候来表征.
    对照信噪特色比方式与信噪能量比方式的实验成果标明,基于前者所提取的时域方差、时域RMS、功率谱最大值这3个特色量在阈值和斜率上的敏感度都比后者高良多,此中时域方差信噪特色比约为后者的90倍;在不变性方面,信噪特色比与信噪能量比都能有用地辨认过载点,但信噪特色比中的时域方差、时域RMS、功率谱最大值3种特色值都能够或许提早5~6个处置点预判过载的产生;在处置效力方面,信噪能量比的处置时候要低于信噪特色比,约为后者的1/4.
    固然信噪能量比处置效力高,但信噪特色比的预判才能强,能够或许比信噪能量比提早25~30ms的辨认过载,并且信噪特色比具有很高的敏感度.是以,统筹敏感度、效力和靠得住性3个准绳,能够或许将信噪特色比中的时域方差的阈值与斜率配合作为优选的防过载特色量,当阈值与斜率中有一个到达过载阈值就能够或许诊断产生过载,如斯进一步进步诊断的靠得住性.

4 结 论
本文针对砂轮磨削过载的疾速诊断需要提出了2种特色量提取方式,并遏制了磨削实验研讨,其论断以下.
(1)经由进程实验研讨肯定了信噪能量比法的特色敏感频次段规模,经由进程公道挑选采样距离、处置样本容量和采样频次,使采样旌旗灯号知足防过载对及时性和分辩率的请求.
(2)将任务旌旗灯号的及时处置和情况旌旗灯号的自进修相连系,将任务旌旗灯号与情况噪声的特色值之比作为终究特色量,可有用进步特色量的鲁棒性.
(3)提出了评估砂轮过载特色量有用性的3个目标即活络度、不变性和算法效力,并基于该评估体系对差别特色提取方式取得的特色量遏制了量化比拟研讨.综合阐发,能够或许将信噪特色比中的时域方差的阈值与斜率结合作为优选的防过载特色量,进一步进步诊断的靠得住性.
(4)基于信噪特色比方式的时域方差特色量具有预判过载的才能,为砂轮过载的疾速诊断供给了一种新的路子.
 
参考文献:
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