精密磨削燒傷提取恒值特征技術(shù)研究

精密磨削燒傷提取恒值特征技術(shù)研究

李光玲

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 江陰214405)

摘要：文章以MKA1320/H數(shù)控外圓磨床為對(duì)象，針對(duì)嚴(yán)重制約精密磨削加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一磨削燒傷開展研究，采用磨削燒傷恒值特征提取法，將聲發(fā)射傳感器技術(shù)應(yīng)用到加工過程監(jiān)測(cè)之中，提取了基于聲發(fā)射頻譜矩心的磨削燒傷恒指特征，頻譜矩心值可作為磨削燒傷的恒值特征之一，并指出該恒值特征具有普適性，為精密磨削加工優(yōu)化磨削工藝參數(shù)和過程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：精密磨削；磨削燒傷；恒值特征

文章編號(hào)：1001-2265(2015)09-0143-02

收稿日期：2015-01-20；修回日期：2015-03-08

作者簡(jiǎn)介：李光玲(1964—)，女，遼寧錦西人，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，從事機(jī)電方面的教學(xué)與科研工作，(E-mail)tougaozhuanyong119@163.com。

中圖分類號(hào)：TH16;TG65

Research of Feature Extraction of Constant Precision Grinding Burn

LI Guang-ling

(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin Jiangsu214405,China)

Abstract：In this paper,based on MKA1320/H CNC cylindrical grinder as the object,this paper focuses on one of the key factor restricting the quality of grinding burn of precision grinding, grinding burn constant using feature extraction method,the acoustic emission sensor technology applied to process monitoring,grinding burn HSI feature extraction based on acoustic emission spectrum centroid,spectral moment heart value can be regarded as a constant value of one of the characteristics of grinding burn,and points out that the constant characteristic of universality,provide the technical basis for the optimization of grinding parameters precision grinding and process automation monitoring.

Key words：grinding;grinding burn;a constant feature

0引言

磨削加工在現(xiàn)代精密加工過程中一直扮演著重要角色。它能夠滿足工件表面質(zhì)量和加工精度的嚴(yán)格要求[1]，通常作為零件的終加工工序。在精密磨削過程中，磨削燒傷的現(xiàn)象經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)，由于其復(fù)雜性，加工過程所消耗的能量隨工件、砂輪狀況、進(jìn)給速度等因素的變化而變化，導(dǎo)致磨削溫度不可控，這些都嚴(yán)重制約著加工精度的提高[2]。因此，預(yù)測(cè)并預(yù)防磨削燒傷一直是精密磨削加工的重點(diǎn)。

磨削損傷大部分起源于磨削熱[3]，普通磨料砂輪以較小切深磨削工件時(shí)，磨削區(qū)產(chǎn)生的熱量造成工件與砂輪接觸區(qū)域溫度的急劇升高。磨削溫度是磨削熱輸入的直接結(jié)果。磨削溫度與磨削燒傷存在直接關(guān)系，當(dāng)砂輪和工件接觸界區(qū)域的溫度超過臨界值時(shí)，產(chǎn)生的高溫可引起多種形式的熱損傷。其中，磨削燒傷可導(dǎo)致工件表面材料的再硬化，使工件表面產(chǎn)生殘佘應(yīng)力，嚴(yán)重降低工件的疲勞壽命和應(yīng)力腐燭性能[4]。磨削燒傷是制約精密磨削加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，而燒傷的準(zhǔn)確檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)其有效抑制的前提。

針對(duì)精密磨削燒傷間接監(jiān)測(cè)的研究，涉及信號(hào)特征提取和選取算法較多，而對(duì)精密磨削燒傷引起恒指特征研究關(guān)注較少[5]。而精密磨削加工過程中磨削燒傷恒指特征的尋找是磨削燒傷研究中的關(guān)鍵問題。下文將開展磨削燒傷恒值特征提取方法研究，把聲發(fā)射傳感器技術(shù)應(yīng)用到磨削加工過程的監(jiān)測(cè)之中，所提取的精密磨削提取燒傷恒值特征為判斷磨削燒傷以及優(yōu)化磨削工藝參數(shù)提供了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為精密磨削加工的智能化和自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)，并為精密磨削加工過程的間接監(jiān)測(cè)提供技術(shù)依據(jù)。

1磨削燒傷恒值特征提取技術(shù)

在現(xiàn)有的大多數(shù)磨削燒傷試驗(yàn)中，通常通過改變砂輪轉(zhuǎn)速，頭架電機(jī)的轉(zhuǎn)速、工件進(jìn)給速度等參數(shù)以獲得磨削燒傷的發(fā)生[6]。在這種情況下，得到的燒傷特征值可能與磨削燒傷有關(guān)，也可能與加工參數(shù)的變化有關(guān)。這些特征值不一定能真實(shí)反應(yīng)磨削燒傷的發(fā)生，下面提出了一種磨削燒傷特征提取方法。

磨削燒傷特征提取方法是將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于精密磨削燒傷過程中。聲發(fā)射是指材料由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致應(yīng)力能快速釋放過程伴隨產(chǎn)生的應(yīng)力波[7]。這種應(yīng)力波使材料表面產(chǎn)生位移，這一位移能夠被基于壓電效應(yīng)的換能器拾取為電信號(hào)，即聲發(fā)射信號(hào)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)利用聲發(fā)射現(xiàn)象，借助于聲發(fā)射傳感器、中間處理環(huán)節(jié)和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射源的定位、判斷。這些廣泛的聲發(fā)射來源為磨削加工過程提供了豐富的監(jiān)測(cè)手段，如何從中提取特定監(jiān)測(cè)對(duì)象的特征值，是聲發(fā)射技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一[8]。

磨削燒傷特征提取方法為解決精密磨削加工過程中極易出現(xiàn)的燒傷問題，利用聲傳感器技術(shù)，將聲發(fā)射傳感器應(yīng)用到磨削燒傷的診斷和監(jiān)測(cè)上。消除了磨削加工參數(shù)對(duì)所提取特征值的影響，在試驗(yàn)和特征提取的算法上，初步獲取基于聲發(fā)射技術(shù)的恒值特征。

2恒值特征提取試驗(yàn)

本次試驗(yàn)的目的是提取與燒傷相關(guān)的不變性信號(hào)特征，從而實(shí)現(xiàn)磨削燒傷的預(yù)測(cè)和控制。為了在磨削燒傷發(fā)生時(shí)獲取其不變性特征，以MKA1320/H數(shù)控外圓磨床為例，進(jìn)行燒傷恒值特征提取試驗(yàn)。試驗(yàn)采用普通常見砂輪，試磨工件材料為普通碳素鋼(45鋼)，試磨工件和砂輪參數(shù)見表1，磨削燒傷試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖1。

表1　試磨工件和砂輪參數(shù)

圖1　磨削燒傷試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2.1試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)開始時(shí)，砂輪與工件接觸前2s開始采集數(shù)據(jù)，砂輪與工件接觸磨削加工過程傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，磨削結(jié)束后采集2s，每次釆集持續(xù)時(shí)間10s，進(jìn)行多次磨削燒傷實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)后對(duì)每個(gè)原始信號(hào)進(jìn)行了截?cái)嗵幚?，首先?duì)截?cái)嗪蟮穆暟l(fā)射信號(hào)展開了處理。釆用快速傅里葉變換頻域分析方法一對(duì)聲發(fā)射信號(hào)展開分析。快速傅里葉變換已成為多數(shù)數(shù)據(jù)處理應(yīng)用場(chǎng)合的基礎(chǔ)分析手段，磨削燒傷工況下釆集到的聲發(fā)射信號(hào)和正常磨削(未燒傷)工況下采集到的聲發(fā)射信號(hào)的一組幅值譜見圖2。

(a)未燒傷工況下

(b)采集到的聲發(fā)射信號(hào)的幅值譜

試驗(yàn)過程中,當(dāng)磨削燒傷發(fā)生時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的頻譜幅值強(qiáng)度有增高的趨勢(shì)，然而在試驗(yàn)過程中，聲發(fā)射信號(hào)的有效值會(huì)隨著磨削加工的進(jìn)行而增加，磨削參數(shù)的變化也會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)幅值的變化，而聲發(fā)射信號(hào)幅值的變化勢(shì)必會(huì)影響頻譜中的峰值、有效值、平均值等特征。這些特征值在磨削參數(shù)變化的場(chǎng)合下容易發(fā)生改變，不能作為磨損燒傷判斷的可靠特征值。

為了提取獨(dú)立于磨削參數(shù)的不變性特征，我們對(duì)5組磨削燒傷閾值參數(shù)組合進(jìn)行了組內(nèi)和組間對(duì)比。發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律：組與組之內(nèi)，磨削燒傷發(fā)生時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的頻譜峰值大于正常磨削時(shí)的頻譜峰值；組與組之間，各聲發(fā)射信號(hào)的頻譜幅值變化不一，小切深下，燒傷發(fā)生時(shí)的頻譜峰值有可能小于大切深時(shí)正常磨削工況下的頻譜峰值。不論磨削參數(shù)如何變化，多數(shù)情況下，當(dāng)磨削燒傷發(fā)生時(shí)，聲發(fā)射頻譜的高頻段處于“主導(dǎo)地位”，即高頻段的“比重”比低頻段高，因此，引入聲發(fā)射信號(hào)的“頻譜矩心"這一概念，來表征該特征。

(1)

其中，Y為磨削燒傷頻譜矩心，X(n)為頻譜幅值，P(n)為頻率。在聲音信號(hào)處理領(lǐng)域，“頻譜矩心”常用來表征一個(gè)聲音的“明亮度”[9]，是用于區(qū)分不同音樂風(fēng)格常用的特征值[10]。對(duì)磨削燒傷工況和正常磨削工況下聲發(fā)射信號(hào)的Y計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)燒傷發(fā)生時(shí)，頻譜矩心一般均顯著高于正常磨削工況下的頻譜矩心值。該結(jié)果表明頻譜矩心值可作為磨削燒傷的不變性特征之一。在不同磨削參數(shù)下，采用頻譜矩心作為特征值，能夠較好識(shí)別出磨削燒傷工況。

2.2磨削燒傷頻譜矩心普適性分析

在找到磨削燒傷恒指特征后，會(huì)產(chǎn)生這樣的思考：不同工件砂輪組合的頻譜矩心是否相同？考慮到紅剛玉與普通45鋼組合是使用較廣泛的工件砂輪合，并未涉及其他組合下聲發(fā)射信號(hào)的特征值變化情況。為了驗(yàn)證“頻譜矩心”對(duì)磨削燒傷預(yù)測(cè)的

表2　砂輪工件組合磨削參數(shù)

圖3　相同磨削參數(shù)下兩種組合的頻譜對(duì)比

由圖3可知，紅剛玉-45鋼組合比CBN砂輪與軸承鋼組合的聲發(fā)射頻譜高頻段幅值弱很多，通過公式(1)計(jì)算出二者的頻譜矩心值分別為67kHz和138kHz，很顯然發(fā)生了變化。由對(duì)比可知，工件砂輪的組合改變，頻譜矩心會(huì)相應(yīng)變化。通常，工件砂輪組合在磨削加工過程中通常是穩(wěn)定量[11]。實(shí)際操作針對(duì)某一特定的工件砂輪組合，燒傷發(fā)生時(shí)的頻譜矩心與正常磨削時(shí)有明顯不同。實(shí)際磨削加工過程中，當(dāng)更換工件砂輪組合時(shí)，就需相應(yīng)調(diào)整頻譜矩心的閾值即可，顯然磨削燒傷恒值特征之一頻譜矩心具有普適性。

3結(jié)論

精密磨削加工過程中，不論在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，還是工程應(yīng)用領(lǐng)域，磨削過程監(jiān)測(cè)技術(shù)均得到了廣泛重視，是磨削加工智能化和自動(dòng)化發(fā)展的新方向。文中創(chuàng)新性提出的基于“頻譜矩心”的磨削燒傷恒指特征的提取，并確定了磨削燒傷頻譜矩心這一恒值特征的普適性，采用這種征值能夠較好區(qū)分磨削燒傷工況和正常磨削工況，解決了磨削加工中磨削燒傷及其相關(guān)問題的特征提取問題，這一恒值特征的提出有益于過程監(jiān)測(cè)理論的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)精密加工的智能化和自動(dòng)化，十分有必要。

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(編輯李秀敏)