磨削過程中防碰撞與消空程的信號特征提取

□ 王嗣陽 □ 范 灝 □ 賴小平 □ 許黎明

1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240

2.上海第三機(jī)床廠 上海 201699

磨削過程中防碰撞與消空程的信號特征提取

□ 王嗣陽1□ 范 灝2□ 賴小平1□ 許黎明1

1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240

2.上海第三機(jī)床廠 上海 201699

在磨削加工領(lǐng)域，消空程與防碰撞是磨削過程監(jiān)控中的兩大難點(diǎn)?；趯ι拜喣ハ鬟^程中聲發(fā)射信號的采集，分別對消空程與防碰撞提出了相應(yīng)的特征提取方法。通過選擇合適的采樣率與處理間隔，基于敏感度、穩(wěn)定性和處理效率，試驗(yàn)分析了所提取的特征量對防碰撞與消空程的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，提出的信噪能量比方法可以有效識(shí)別砂輪與工件的初始接觸點(diǎn)并應(yīng)用于消空程；提出的時(shí)域方差信噪比方法可以對碰撞點(diǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)知判斷，有效應(yīng)用于防碰撞。

消空程 防碰撞 信號處理 聲發(fā)射 特征提取

消空程與防碰撞是磨削過程監(jiān)控中的兩大難點(diǎn)，防碰撞要求能夠快速識(shí)別砂輪與工件的碰撞事件，關(guān)系到磨削加工的安全；消空程要求能夠準(zhǔn)確快速地識(shí)別砂輪與工件的初始接觸，影響到磨削效率。

為了能夠快速、準(zhǔn)確判斷磨削過程是否接觸或碰撞，需要確定合適的狀態(tài)監(jiān)測信號，本文采用目前在磨削方面應(yīng)用最廣泛的AE聲發(fā)射信號作為研究對象。當(dāng)前，基于這類監(jiān)測方法進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)的企業(yè)主要有意大利MARPOSS和美國SBS公司，然而目前相關(guān)技術(shù)的研究文獻(xiàn)報(bào)道還較少，國內(nèi)市場也沒有相關(guān)產(chǎn)品。但國內(nèi)外針對砂輪磨削過程監(jiān)控和砂輪鈍化識(shí)別已經(jīng)開展了廣泛深入的研究。T Warren Liao等［1］通過對聲發(fā)射信號進(jìn)行分析、特征提取及建立增強(qiáng)分類實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測砂輪的磨損；Xu Liming等［2］基于能量百分比對砂輪磨損信號進(jìn)行識(shí)別，通過提取不同磨削狀態(tài)下的能量變化特征來識(shí)別砂輪的磨損；鞏亞東等［3］研究采用RMS電壓、包絡(luò)信號的微分值與振鈴計(jì)數(shù)相結(jié)合作為聲發(fā)射磨削接觸檢測的特征參量進(jìn)行了磨削接觸檢測系統(tǒng)的研制。上述對磨削狀態(tài)和砂輪鈍化的研究都針對砂輪的工作狀態(tài)分析，而對砂輪與工件是否發(fā)生碰撞及消空程是初始接觸點(diǎn)的研究卻少涉及。

本文結(jié)合時(shí)頻域信號分析方法，針對消空程和防碰撞需求對磨削聲發(fā)射信號分別進(jìn)行了特征量的提取研究，并基于敏感度、穩(wěn)定性和處理效率等指標(biāo)對所提取的特征量進(jìn)行了評估，提出有效的消空程和防碰撞特征提取方法。

1 試驗(yàn)裝置與方法

磨削試驗(yàn)在MKA1620數(shù)控端面外圓磨床上進(jìn)行（見圖1）。選用日本富士公司的1045S聲發(fā)射傳感器，帶寬為100 kHz～1.5 MHz，靈敏度為51 dB，聲發(fā)射寬帶前置放大器的帶寬為15 kHz～1.5 MHz，增益40 dB；數(shù)據(jù)采集卡選用美國NI公司的USB6259；磨削用砂輪采用白剛玉大氣孔砂輪，型號為PSX1，中軟80目；工件材料為45號鋼，硬度51HRC，直徑50 mm，磨削長度為25 mm的圓柱體。數(shù)據(jù)采集采用NI公司的LabVIEW平臺(tái)，數(shù)據(jù)處理通過MATLAB實(shí)現(xiàn)。

磨削試驗(yàn)開始前，使砂輪和冷卻液開啟達(dá)到正常磨削時(shí)所處的狀態(tài)，保持砂輪與工件未接觸，由此建立正常的工作環(huán)境，同時(shí)采集1 s的環(huán)境信號作為背景噪聲。試驗(yàn)中砂輪轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，磨削量為50 μm，砂輪線速度為50 m/s。分別采用6種不同的進(jìn)給速度 （0.5、1、1.5、2、2.5、3 mm/min）對工件進(jìn)行磨削試驗(yàn)。記錄每次試驗(yàn)砂輪和工件從分離、接觸到穩(wěn)定的過程信號。隨所取進(jìn)給速度的不斷遞增，當(dāng)進(jìn)給速度為3 mm/min時(shí)，砂輪和工件接觸到一定程度時(shí)發(fā)生了異常，以此作為碰撞現(xiàn)象予以記錄。采樣率根據(jù)分析選取400 MHz，選取的信號處理間隔為5 ms，處理長度為10 ms。每次試驗(yàn)前由操作工檢查砂輪是否鈍化，如鈍化則對砂輪進(jìn)行修整。

▲圖1 防碰撞和消空程的試驗(yàn)裝置

2 信號特征提取

為了選取合適的特征量以快速有效地反映砂輪與工件的接觸和碰撞，針對消空程和防碰撞目標(biāo)，分別提出了基于傅里葉變換的信噪能量比和原始信號的時(shí)域方差信噪比兩種特征提取方法。

（1）基于傅里葉變換的信噪能量比。對信號進(jìn)行快速傅里葉變換，求得信號功率譜，將信號頻率平均分成8組，求得工作信號與環(huán)境噪聲信號各分頻段對應(yīng)能量占總能量的百分比，它們的比值就是基于傅里葉變換的信噪能量比。

設(shè)信號x（t）經(jīng)過FFT變換后按頻率由小到大均分為m組信號F1（t）、F2（t）、...、Fm（t），由Fi表示。i=1，2，..，m，向量V=［EF1，EF2，...，EFm］。

總能量E為：

將向量V標(biāo)準(zhǔn)化為Vp：

各頻率段能量占比Ep為：

設(shè)工作信號為x1（t），環(huán)境噪聲信號為x2（t），由式（4）可求得工作信號各頻段能量占比ef1i，環(huán)境噪聲各頻段能量占比ef2i，則原始信號FFT的信噪能量比Vp′為：

（2）原始信號的時(shí)域方差信噪比：首先求得工作信號和環(huán)境噪聲的時(shí)域方差，其中環(huán)境噪聲的特征量通過學(xué)習(xí)預(yù)先獲得，而工作信號的時(shí)域方差為實(shí)時(shí)處理結(jié)果，原始信號的時(shí)域方差信噪比即為工作信號與環(huán)境噪聲時(shí)域方差之比。

假設(shè)x（t）表示信號樣本，m為x（t）中樣本容量。其中時(shí)域方差σ2為：

假設(shè)工作信號x1（t）和環(huán)境噪聲x2（t）的時(shí)域方差分別為，則時(shí)域方差信號特征比閾值σ2′為：

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 消空程

采用基于傅里葉變換的信噪能量比方法，對試驗(yàn)1中砂輪從離開到接觸工件過程的原始信號 （見圖2）分析（見表1）發(fā)現(xiàn)，50～75 kHz頻率段信號對砂輪工件接觸的敏感度最高，將其確定為特征段頻率。

表1 基于傅里葉變換的信噪能量比（試驗(yàn)1）

從圖2可知，接觸處于第1×105個(gè)采集點(diǎn)附近的一小段區(qū)間內(nèi)，從原始數(shù)據(jù)上無法準(zhǔn)確判斷。而從50～ 75 kHz頻段信號處理的結(jié)果來看，如圖3所示，對應(yīng)于原始信號的這段區(qū)域，從第9個(gè)特征點(diǎn)開始特征值波動(dòng)式增加，這應(yīng)該是聲發(fā)射信號在切削液中傳播的結(jié)果，到第16個(gè)特征點(diǎn)的特征值為66，相較于未接觸時(shí)增加明顯，可以比較顯著地區(qū)分未接觸狀態(tài)，可將其確定為砂輪與工件的初始接觸點(diǎn)。當(dāng)砂輪與工件開始接觸后信噪能量比隨著接觸深度的增加逐漸變大，穩(wěn)定接觸后信噪能量比數(shù)值隨著時(shí)間的增加圍繞接觸點(diǎn)附近小幅波動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)1的分析，設(shè)置信噪能量比閾值為60。采用同樣方法對其余5組試驗(yàn)進(jìn)行分析，均能發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律，說明該方法魯棒性好，能很好地識(shí)別工件與砂輪的初始接觸，同時(shí)接觸處特征信號無階躍現(xiàn)象，為接觸判斷留下了預(yù)判的空間。

▲圖2 采集的原始信號（試驗(yàn)1）

▲圖3 接觸點(diǎn)區(qū)域提取的信噪能量比特征量變化趨勢

▲圖4 正常磨削原始信號（試驗(yàn)5）

▲圖5 正常磨削時(shí)信號的時(shí)域方差信噪比（試驗(yàn)5）

▲圖6 包含碰撞點(diǎn)區(qū)間的原始信號（試驗(yàn)6）

▲圖7 碰撞點(diǎn)附近的時(shí)域方差信噪比（試驗(yàn)6）

3.2 防碰撞

采用時(shí)域方差信噪比特征提取方法對6組試驗(yàn)進(jìn)行防碰撞的信號處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前5組試驗(yàn)屬于正常磨削（原始信號見圖4），信號時(shí)域方差信噪比由小到大，最后趨于某一固定值附近小范圍波動(dòng)，選取其中進(jìn)給速度最大的試驗(yàn)5進(jìn)行信號分析，其信號時(shí)域方差信噪比的變化見圖5，從第80個(gè)特征點(diǎn)開始平穩(wěn)波動(dòng)。試驗(yàn)6中出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，圖6為試驗(yàn)6原始信號，基于時(shí)域方差信噪比的特征量對碰撞現(xiàn)象反應(yīng)敏感，信噪比的變化見圖7。

由圖5可看出，正常磨削時(shí)時(shí)域方差信噪比不超過40。由圖7可以明顯看出，第19個(gè)點(diǎn)為碰撞點(diǎn)，但在圖7的第18個(gè)特征點(diǎn)處，時(shí)域方差特征比達(dá)到9 212，其值顯著超出正常磨削范圍，已經(jīng)發(fā)生碰撞，對應(yīng)圖6中3.3×104個(gè)采集點(diǎn)附近。研究發(fā)現(xiàn)，圖7中13特征點(diǎn)處的時(shí)域方差特征比值為210.9，相比于正常磨削已有明顯增加，通過設(shè)定合適的碰撞閾值可以判斷接觸異常，由此，可以提前6個(gè)特征點(diǎn)在發(fā)生較強(qiáng)烈碰撞前預(yù)判碰撞的發(fā)生。

3.3 處理效率

把兩種試驗(yàn)方案的特征量在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行算法效率比較，處理電腦配置為Intel（R）Core（TM）i5-3210M處理器、2.5GHz雙核、4GB內(nèi)存、64位操作系統(tǒng)的MacBook Pro筆記本，計(jì)算4 000個(gè)點(diǎn)時(shí)消空程與防碰撞所消耗的時(shí)間分別為1 ms和4 ms，結(jié)果表明，這兩種方法的數(shù)據(jù)處理效率能滿足要求。

4 結(jié)論

本文針對消空程和防碰撞分別提出了兩種不同的特征提取方法，并進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。

（1）通過合理選擇采樣間隔、處理樣本容量和采樣頻率，使采樣信號滿足消空程和防碰撞對實(shí)時(shí)性和分辨率的要求，同時(shí)，通過試驗(yàn)研究確定了在本文試驗(yàn)條件下的特征敏感頻率段范圍為50～75 kHz。

（2）將工作信號與環(huán)境噪聲的特征值之比作為最終特征量，將工作信號的實(shí)時(shí)處理和環(huán)境信號的自學(xué)習(xí)相結(jié)合，提高了特征量的魯棒性。

（3）基于信噪能量比的特征提取方法可以有效識(shí)別砂輪與工件的初始接觸點(diǎn)并應(yīng)用于消空程，提出的時(shí)域方差信噪比方法可以對碰撞點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有效判別，并能實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間的提前判斷，可有效應(yīng)用于防碰撞。

［1］T Warren Liao，F(xiàn)engming Tang，J Qu，et al.Grinding Wheel Condition Monitoring with Boosted Minimumdistance Classifiers［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2008，22：217-232.

［2］Xu Liming，Xu Kaizhou，Chai Yundong.Identification of Grinding Wheel Wear Signature by a Wavelet Packet Decomposition Method ［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University（Science），2010，15（3）：323-328.

［3］鞏亞東，王宛山.聲發(fā)射磨削接觸檢測系統(tǒng)的研制［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，18（6）：667-670.

（編輯 功 成）

TH165+.3；TG580

A

1000-4998（2015）04-0076-03

2014年9月