振動信號監(jiān)測在刀具磨損故障診斷中的應(yīng)用?

吳 迪，黃 民

（北京信息科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

加工中心的刀具系統(tǒng)，在進行切削加工的過程中，不可避免地會出現(xiàn)不同程度的磨損，磨損較輕時會使刀具的幾何形狀和加工工件尺寸發(fā)生改變，嚴重時將引起刀具磨鈍、破損、刀刃塑性變形及熱磨損等刀具失效現(xiàn)象，刀具磨損狀態(tài)的變化直接導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降和生產(chǎn)成本增加［1］，所以刀具磨損狀態(tài)的實時監(jiān)控對提高產(chǎn)品質(zhì)量、減低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率具有重要的意義。

1 刀具磨損的監(jiān)測

刀具狀態(tài)檢測方法可分為直接測量法和間接測量法。目前國內(nèi)外采用的刀具磨損的間接測量法有：切削力測量法、機械功率測量法、熱電壓測量法、振動信號及多信息融合檢測等［2］。下面主要介紹振動信號監(jiān)測技術(shù)。

刀具在切削過程中，工件與磨損的刀刃部側(cè)面摩擦，會產(chǎn)生不同頻率的振動。振動信號是一種對刀具磨損、破損敏感度非常高的征兆信號，因此更能表征刀具磨損信息［3］。我們通過對振動參量（振動位移、速度、加速度）進行分析處理，對機械設(shè)備的運行狀況正常與否做出判斷，從而判明故障發(fā)生的部位、程度及原因。

2 刀具磨損的振動監(jiān)測試驗

試驗選用DL-20MH車削中心，可對各種回轉(zhuǎn)體零件進行車削、鉆削、銑削加工。刀具為YT-15硬質(zhì)合金刀具。振動檢測設(shè)備為北京東方振動與噪聲技術(shù)研究所研制的INV-USB高速數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。

本次試驗采用3個加速度傳感器，分別用于監(jiān)測刀具X，Y，Z軸方向的振動情況。為了更好做比較，我們將工件按照長度分為6段，按照6種不同的切削速度以及是否加切削液進行12組試驗，對每段切削進行振動信號監(jiān)測。具體切削試驗方案如表1所示。

3 試驗數(shù)據(jù)的處理

3.1 時域分析與時域特征

本試驗中我們對上述12組試驗的振動信號進行了均值、均方值的時域分析，成功建立了振動信號與刀具磨損量之間的關(guān)系。

表1 切削試驗方案

3.1.1 均值

均值表示隨機數(shù)xi的平均值：

將試驗獲得的振動信號進行時域上的均值分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 刀具磨損過程中刀具振動信號時域均值變化圖

由圖1可以得出以下結(jié)論：在磨損初期，信號均值快速下降；在正常磨損期，均值平穩(wěn)小范圍波動；在劇烈磨損期，均值快速下降。因此我們可以依據(jù)振動信號的均值時域分析判斷當(dāng)前刀具的磨損階段。

3.1.2 均方值

均方值X表示隨機信號xi總能量的平均值：

將試驗獲得的振動信號進行時域上的均方值分析，結(jié)果如圖2所示。

同理，我們可以看出根據(jù)時域中的均方值分析亦可以判斷刀具當(dāng)前的磨損階段。

圖2 刀具磨損過程中刀具振動信號均方值變化圖

3.2 頻域分析與頻域特征

將信號的時域描述通過數(shù)學(xué)處理變換為頻域的方法稱為頻域分析。頻域分析有幅值譜、相位譜、功率譜、幅值譜密度、能量譜密度、功率譜密度等。下面就頻率譜和功率譜進行分析。

3.2.1 頻譜

頻譜函數(shù)x（ω）的模稱為振幅頻譜，簡稱頻譜。

本試驗采得的振動信號經(jīng)過數(shù)學(xué)處理得到的刀具磨損不同階段的頻譜如圖3～圖5所示。

圖3 初期磨損階段頻譜圖

圖4 正常工作階段刀具頻譜圖

圖5 嚴重磨損階段刀具頻譜圖

3.2.2 功率譜

自功率譜密度函數(shù)決定時域信號的能量分布規(guī)律表示為：

其中：Rxx（τ）為信號x（t）的自相關(guān)函數(shù)。

由于功率譜密度函數(shù)無法提供信號相位信息，因而無法分辯同頻率的不同信號，因此引入互功率譜密度函數(shù)：

其中：Rxy（τ）為兩組信號x（t），y（t）的互相關(guān)函數(shù)。

本試驗采得的振動信號經(jīng)過數(shù)學(xué)處理得到刀具磨損不同階段的功率譜，如圖6～圖8所示。

圖6 初期磨損階段互功率譜

圖7 正常工作階段刀具互功率譜

從振動信號的頻譜圖和信號的功率譜圖可以看出，不同刀具狀態(tài)下其振動信號的頻譜和功率譜也是不同的，可以求出幾個特征頻段，隨著刀具的磨損，峰值在逐漸的增大，并且增大越明顯，說明在刀具磨損越劇烈，測得的振動幅值和振動信號功率越大。

圖8 嚴重磨損階段刀具互功率譜

4 結(jié)束語

綜上所述，振動信號能非常有效地反映了刀具在不同磨損狀態(tài)下的振動情況，通過信號的時域分析、頻域分析可以進行刀具磨損狀態(tài)的診斷和預(yù)測，從而解決了由于刀具磨損造成的生產(chǎn)效率下降和加工質(zhì)量降低問題。

［1］馬旭.數(shù)控機床刀具磨損監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法［J］.控制與檢測，2009（2）：69-71.

［2］吳學(xué)忠，李圣怡.基于多傳感器的刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.數(shù)據(jù)采集與處理，1999（2）：200-203.

［3］劉貴杰，鞏亞東，王宛山.磨削過程在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.機床與液壓，2002（4）：18-24.