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摘 要 目的 解決刀具破損聲發(fā)射監(jiān)測(cè)中抗干擾性差和可靠性低的問題。方法 依據(jù)刀具破損的聲發(fā)射信號(hào)特征和加工過程中的主要聲發(fā)射干擾噪聲的特征，采用自適應(yīng)濾波、高低通濾波信號(hào)比較、雙閾值判別等監(jiān)測(cè)方法剔除干擾信號(hào)并準(zhǔn)確地識(shí)別刀具破損信號(hào)。結(jié)果 研制的新型監(jiān)控系統(tǒng)，以冷卻潤(rùn)滑液為聲發(fā)射波的傳播媒質(zhì)，安裝、使用方便，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。結(jié)論 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性和較高的可靠性。
關(guān)鍵詞 刀具破損； 聲發(fā)射； 監(jiān)測(cè)； 抗干擾
分類號(hào) TG502
Anti-Interference Technology for the Tool Breakage
with the Acoustic Emission Monitoring
Yang Dayong Wang Xinyi Xu Chunguang Jia Yuping
(School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)
Abstract Aim To solve the problem of low interference resistance and low reliability in the acoustic emission monitoring for the tool breakage. Methods Based on the feature of tool breakage's and primary interference's acoustic emission signal during manufacturing process, the signal of tool breakage was identified with the monitoring methods such as differential amplifying, the distinguishing method with double threshold value. This monitoring and processing method was discussed. Results The corresponding monitoring system is developed. The system uses cooling and lubricating liquid as the medium to transmit AE wave, which can be handily installed. In addition, the system has many advantages, such as small volume and compact structure. Conclusion The experiment proved that the system has relativly high interference resistance and reliability.
Key words tool breakage; acoustic emission; monitoring; anti-interference
部級(jí)基金資助項(xiàng)目作者研究了刀具破損時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)［1～3］，提出了一種新的抗干擾性強(qiáng)的監(jiān)測(cè)方法，研制了相應(yīng)的新型監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)把傳感器、前置放大器、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)集成為一體，利用液體傳播聲發(fā)射波，可直接安裝在機(jī)床主軸旁邊。電源、線路板的布線和元器件布局都采取了抗干擾措施。同時(shí)依據(jù)電磁兼容設(shè)計(jì)原理，采取了一點(diǎn)接地、殼體屏蔽結(jié)構(gòu)。
1 切削加工中的干擾噪聲
在切削加工過程中，由于存在著大量的聲發(fā)射現(xiàn)象，如3個(gè)切削變形區(qū)的塑性變形與金屬間摩擦、切屑斷裂，主軸齒輪嚙合、滾動(dòng)軸承振動(dòng)，因此必需把它們所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)與刀具破損的聲發(fā)射信號(hào)區(qū)分開，并把刀具破損AE(acoustic emission)信號(hào)以外的噪聲去除。
試驗(yàn)采用以冷卻潤(rùn)滑液為傳播媒體的非表面接觸的聲發(fā)射傳感器，該傳感器將前置放大器(帶寬4MHz，增益60dB)集成在內(nèi)部，靈敏度高，其傳遞幅頻特性如圖1所示。圖中縱坐標(biāo)為幅度G/dB。傳感器的諧振頻率為1MHz，由圖可見，在4MHz以下的頻率范圍內(nèi)都具有較好的傳遞特性。數(shù)據(jù)采集使用最高采樣頻率5MHz的數(shù)據(jù)采集板。對(duì)刀具破損信號(hào)和主要的干擾噪聲進(jìn)行采集并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，然后用信號(hào)處理軟件對(duì)其進(jìn)行分析。
圖1 傳感器傳遞特性圖
實(shí)際工況下的干擾主要來自于以下兩方面：① 傳感器殼體串入的干擾信號(hào)，包括重物撞擊傳感器(如工件搬運(yùn)、換刀等)，主軸齒輪嚙合，滾動(dòng)軸承振動(dòng)噪聲和飛屑撞擊傳感器等；② 正常切削中3個(gè)切削變形區(qū)的塑性變形、金屬間摩擦及切屑斷裂等產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。干擾噪聲功率譜(S)見圖2、圖3。
 
(a)重物撞擊傳感受器 (b)飛屑撞擊傳感受器
圖2 傳感器受撞擊的干擾噪聲功率譜
圖3 機(jī)床主軸變速干擾噪聲功率譜
對(duì)重物撞擊傳感器所引起的干擾噪聲進(jìn)行功率譜分析可知，噪聲能量比較大，但主要集中在低頻段，同時(shí)附帶有能量較小的高頻成分。飛屑撞擊傳感器引起的噪聲集中在低頻段，但信號(hào)能量比重物撞擊傳感器小3個(gè)數(shù)量級(jí)左右。主軸齒輪嚙合振動(dòng)噪聲的功率譜分布基本與重物撞擊傳感器時(shí)相似，但信號(hào)能量要相對(duì)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。
由圖4可見，切屑斷裂時(shí)的干擾噪聲的頻率范圍較寬，但低頻段能量相對(duì)較大(排除傳感器諧振頻帶的影響)。為了得到正常切削(無斷屑) 時(shí)的AE信號(hào)，使用高速鋼與硬質(zhì)合金車刀以不同的切削用量車削中碳鋼，并采集所產(chǎn)生的AE信號(hào)，典型信號(hào)如圖5所示。該信號(hào)為連續(xù)不斷出現(xiàn)的小幅度信號(hào)，分析功率譜可知，其能量集中在100kHz以上的高頻段。從以上兩種情況可見，正常切削所產(chǎn)生的AE信號(hào)能量都比較小。
圖4 切屑斷裂信號(hào)功率譜
 
圖5 正常切削信號(hào)及其功率譜
圖6所示為刀具破損的典型AE時(shí)域信號(hào)及其功率譜圖，時(shí)域上為大幅度的脈沖信號(hào)，其持續(xù)時(shí)間為0.2～1.0ms。從大量刀具破損AE信號(hào)功率譜統(tǒng)計(jì)分析可知，0.1～2.0MHz范圍內(nèi)都有信號(hào)分布。針對(duì)上述傳感器特性，把后續(xù)處理電路中濾波器的截止頻率提高到0.3～0.4MHz，這對(duì)于提高刀具破損聲發(fā)射檢測(cè)的抗干擾性是非常有益的。從刀具破損的功率譜圖可以看出，其功率譜能量要比正常切削的功率譜能量大3個(gè)數(shù)量級(jí)左右。
 
圖6 刀具破損信號(hào)及其功率譜
由上述分析可知，要區(qū)分刀具破損信號(hào)與各種干擾信號(hào)，應(yīng)該從聲發(fā)射信號(hào)的頻率、幅值、持續(xù)時(shí)間等多方面進(jìn)行鑒別。從頻帶上基本可以排除重物及飛屑撞擊傳感器、機(jī)床主軸變速等由傳感器殼體傳導(dǎo)來的干擾信號(hào)；從能量上可以排除正常切削和切屑斷裂所產(chǎn)生的AE信號(hào)。因此只要能鑒別聲發(fā)射信號(hào)的頻率、幅值、持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，便可以識(shí)別刀具破損信號(hào)。
2 信號(hào)處理方法
依據(jù)上述刀具破損聲發(fā)射信號(hào)識(shí)別原理，聲發(fā)射信號(hào)處理方法如圖7所示。
圖7 聲發(fā)射信號(hào)處理框圖
由于刀具破損聲發(fā)射信號(hào)頻率高，所以用高速信號(hào)采集器才能提取到原始聲發(fā)射信號(hào)，但若對(duì)其包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行采集處理便可降低對(duì)后續(xù)識(shí)別處理電路的要求。如圖 7所示，通過檢波對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅值鑒別來識(shí)別AE信號(hào)，然后再通過脈寬鑒別AE信號(hào)持續(xù)時(shí)間，即采用幅值和脈寬的雙閾值判別法就可識(shí)別刀具破損的聲發(fā)射信號(hào)。為了消除經(jīng)傳感器殼體傳導(dǎo)的干擾，本系統(tǒng)采用了一個(gè)自適應(yīng)濾波器，使殼體傳導(dǎo)的干擾噪聲被濾除。然后信號(hào)分別進(jìn)入高、低通濾波器，隨后兩路信號(hào)經(jīng)檢波放大后進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)高通信號(hào)的包絡(luò)(即檢波)進(jìn)行幅值比較。當(dāng)包絡(luò)信號(hào)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的幅值閾值時(shí)，比較器1觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。接著進(jìn)行脈寬比較，即信號(hào)進(jìn)入積分器開始進(jìn)行積分。只有比較器1的翻轉(zhuǎn)信號(hào)積累一定的時(shí)間，積分器的輸出才會(huì)高于預(yù)先設(shè)定的脈寬閾值，比較器2才會(huì)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)(當(dāng)積分器輸出低于脈寬閾值時(shí)，認(rèn)為是沖擊干擾)。另外當(dāng)?shù)屯ǖ陌j(luò)信號(hào)大于高通的包絡(luò)信號(hào)時(shí)，比較器3觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。比較器2與比較器3的輸出信號(hào)的邏輯“非”進(jìn)行邏輯“與”。即只有在比較器2觸發(fā)翻轉(zhuǎn)且高通包絡(luò)信號(hào)大于低通包絡(luò)信號(hào)時(shí)，邏輯“與”的結(jié)果才為“真”，即給出報(bào)警信號(hào)。通過后邊的邏輯“與”功能剔除了較強(qiáng)的低頻噪聲，同時(shí)附帶較弱的高頻干擾情況(如重物撞擊傳感器)。減少了實(shí)際應(yīng)用中的誤報(bào)。
由于敏感元件是浸在冷卻潤(rùn)滑液中的，而乳化液都具有一定的導(dǎo)電性，所以各種強(qiáng)電干擾噪聲會(huì)通過它傳導(dǎo)到敏感元件；另外傳感器安裝在冷卻潤(rùn)滑液撓性管的根部，聲波要借助冷卻潤(rùn)滑液傳播較長(zhǎng)的路徑才能到達(dá)傳感器。信號(hào)在傳播過程中衰減大，因此要求傳感器具有較高的靈敏度。為了消除強(qiáng)電的干擾，同時(shí)也為了耦合聲信號(hào)，在敏感元件表面涂上一層絕緣膠，其厚度應(yīng)為耦合介質(zhì)中聲波波長(zhǎng)的1/4的奇數(shù)倍。實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用證明了上述抗干擾措施是有效的。為了降低系統(tǒng)的熱噪聲，使冷卻潤(rùn)滑液管路穿過電子腔，通過降低其內(nèi)部溫度來降低電路噪聲。電壓噪聲是由器件中的熱噪聲引起的，通常用其均方值表示：Un=2(kTReB)1/2，式中玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23 J.K-1；T為器件的熱力學(xué)溫度；B為器件的帶寬；Re為器件輸入級(jí)的等效電阻。通過這種設(shè)計(jì)可以使電子腔溫度降低10～20℃，從而有效地降低了電路的熱噪聲。另外監(jiān)控系統(tǒng)還采用了低噪聲(Vn≤10nV.Hz1/2)的運(yùn)算放大器組成前置放大器與主放大器，這些措施進(jìn)一步降低了熱噪聲，提高了信噪比。
3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
在長(zhǎng)春FMS實(shí)驗(yàn)中心的MCV-O(NO.1)立式加工中心上進(jìn)行了鉆頭和銑刀破損試驗(yàn)，銑刀試驗(yàn)共進(jìn)行了22次，成功22次。鉆頭試驗(yàn)結(jié)果見下表。
表 鉆頭破損監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果
| 鉆頭直徑/mm |
主軸轉(zhuǎn)速/(r.min-1) |
進(jìn)給量/(mm.min-1) |
試驗(yàn)次數(shù) |
成功率/% |
| 0.2 |
1000 |
32 |
10 |
100 |
| 0.4 |
1000 |
13 |
20 |
100 |
| 0.5 |
1000 |
13 |
10 |
100 |
| 0.6 |
1000 |
20 |
10 |
100 |
| 0.8 |
1000 |
32 |
20 |
100 |
| 1.0 |
1500 |
13 |
20 |
100 |
| 1.5 |
1000 |
13 |
10 |
100 |
| 2.1 |
1000 |
20 |
5 |
100 |
在實(shí)驗(yàn)過程中，人為撞擊傳感器殼體和加工中心主軸以及加工中心啟停、變速等都沒有引起誤報(bào)，實(shí)驗(yàn)證明其具有很強(qiáng)的抗干擾性，所研制的聲發(fā)射刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的可靠性，有推廣應(yīng)用價(jià)值。 |
