基于滾動(dòng)均值濾波的磨齒機(jī)振動(dòng)性能研究

房議

摘? 要：分析磨齒機(jī)的振動(dòng)性能對(duì)提高機(jī)床動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，降低振動(dòng)對(duì)齒輪加工精度的影響起著至關(guān)重要的作用。該文通過滾動(dòng)均值濾波理論對(duì)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，改變參數(shù)并通過相似系數(shù)比較其濾波效果，從而合理地選取參數(shù)值來研究磨齒機(jī)的振動(dòng)特性。

關(guān)鍵詞：磨齒機(jī)? 振動(dòng)性能? 滾動(dòng)均值濾波? 相似系數(shù)

中圖分類號(hào)：TG616 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（b）-0004-04

機(jī)器人用RV減速器擺線輪是整個(gè)減速器的核心部件，而擺線輪的加工目前多采用專用機(jī)床成形法磨削，故磨齒機(jī)的振動(dòng)性能直接影響著其齒輪的加工精度和加工質(zhì)量，也一直是國(guó)內(nèi)外研究者們關(guān)注的重點(diǎn)[1-3]。在磨削過程中，影響磨齒機(jī)磨削加工的振源較多：有電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)床X、Y、Z這3個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，主軸與砂輪的磨削振動(dòng)，液壓配重鏈傳動(dòng)沖擊振動(dòng)等，因此磨齒機(jī)受到各種干擾因素的影響增多，如何區(qū)分干擾信號(hào)和正常信號(hào)給磨齒機(jī)振動(dòng)性能的研究與分析帶來一定的難度，濾波算法成功地解決了這一難題。目前為止，比較經(jīng)典的濾波算法主要有以下幾種：滾動(dòng)均值濾波法[4]、中位值濾波法[5]、遞推平均濾波法[6]、中位值平均濾波法[7]、限幅濾波法[8]、一階滯后濾波法[9]、消抖濾波法[10]等。其中，滾動(dòng)均值濾波法通過用當(dāng)前數(shù)據(jù)及其后面的幾個(gè)數(shù)據(jù)（假設(shè)總共為K個(gè)）的樣本均值動(dòng)態(tài)地取代當(dāng)前數(shù)據(jù)，能有效地降低隨機(jī)干擾因素引起的波動(dòng)，特別適用于在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)樣本，被廣泛用于振動(dòng)、溫度等被測(cè)參數(shù)的濾波過程中，而且被證實(shí)有良好的濾波效果。鑒于此，該文將運(yùn)用滾動(dòng)均值濾波理論分析磨齒機(jī)的振動(dòng)特性，對(duì)采集到的磨齒機(jī)原始振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，從而提取隱藏的有用振動(dòng)信息以分析磨齒機(jī)在加工制造過程中的性能變化趨勢(shì)。

但值得注意的是，K值的選取對(duì)濾波效果具有很大的影響。K值取的過大，振動(dòng)曲線將過于平滑，濾波后的振動(dòng)數(shù)據(jù)相比于原數(shù)據(jù)樣本也將越失真;K值取的過小，濾波效果將較差，濾波后的振動(dòng)曲線也將非常不平滑。因此，合理地選取K值是對(duì)數(shù) 控磨床振動(dòng)性能分析的關(guān)鍵。對(duì)于不同的K值，如何判定其濾波效果的好壞也具有一定的難度和挑戰(zhàn)。因此，該文通過計(jì)算濾波前后數(shù)據(jù)樣本的相似系數(shù)[11]，判定不同K值條件下的濾波效果。

1? 理論基礎(chǔ)

1.1 振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集

2? 實(shí)驗(yàn)研究

振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)主要是采集機(jī)床在磨削加工中的振動(dòng)加速度信號(hào)，測(cè)試平臺(tái)硬件主要有上位機(jī)、振動(dòng)加速度傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集卡、磨齒機(jī)。實(shí)驗(yàn)選用壓電式的加速度傳感器，其靈敏度為1000mv/g;數(shù)據(jù)采集卡選用的是一款8通道24位USB電壓信號(hào)采集卡。加工試驗(yàn)圖見圖1。

通過采集機(jī)床磨削加工下不同位置振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)比加速度值探究機(jī)床的振動(dòng)情況見圖2。圖2（a）顯示為傳感器測(cè)得機(jī)床X方向的一段振動(dòng)信號(hào);圖2（b）為機(jī)床Y方向的振動(dòng)信號(hào);圖2（c）為Z方向的振動(dòng)信號(hào)。橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)序號(hào)，縱坐標(biāo)顯示在該方向上的振動(dòng)加速度值。

由圖2可以看出在給定的磨削工況下，機(jī)床在X、Y、Z方向振動(dòng)值主要在-0.02～0.02g范圍內(nèi)波動(dòng)，Z方向振動(dòng)數(shù)據(jù)樣本中有少量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，屬于干擾信號(hào)。在磨削過程中，機(jī)床受各種內(nèi)部因素和外界環(huán)境的影響，振動(dòng)數(shù)據(jù)無規(guī)律可循，給機(jī)床性能的研究與分析帶來一定的難度。

用當(dāng)前數(shù)據(jù)及其后面的4個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)，即5個(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)的均值取代當(dāng)前數(shù)據(jù)，經(jīng)過均值濾波后，機(jī)床在X、Y、Z這3個(gè)方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

由圖3中（a）（b）（c）可以看出經(jīng)過均值濾波后，機(jī)床在X、Y、Z方向振動(dòng)幅值明顯減小，X方向、Y方向振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)主要在-0.015～0.015g范圍內(nèi)波動(dòng);Z方向振動(dòng)數(shù)據(jù)主要在-0.025～0.025g范圍內(nèi)波動(dòng)，造成這一現(xiàn)象可能是Z向機(jī)床在加工過程中本身振動(dòng)較大，但主要原因是振動(dòng)數(shù)據(jù)中有少量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。

用當(dāng)前數(shù)據(jù)及其后面的9個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)，即10個(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)的均值取代當(dāng)前數(shù)據(jù)，經(jīng)過均值濾波后，機(jī)床在X、Y、Z方向振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4中（a）（b）（c）可以看出經(jīng)過第二次均值濾波后，機(jī)床在X、Y、Z這3個(gè)方向振動(dòng)幅值明顯地減小了，X方向振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)主要在-0.015～0.015g范圍內(nèi)波動(dòng);Y方向振動(dòng)數(shù)據(jù)主要在-0.005～0.005g范圍內(nèi)波動(dòng);Z方向振動(dòng)數(shù)據(jù)主要在-0.015～0.015g范圍內(nèi)波動(dòng)。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)法，計(jì)算濾波前后數(shù)據(jù)樣本的相似度，如表1所示。

由表1可以看出，對(duì)于X、Y、Z方向振動(dòng)數(shù)據(jù)樣本，K=10時(shí)的相似度均大于K=5時(shí)的相似度;因此，從總體上來看，K=10時(shí)的濾波效果好于K=5時(shí)的濾波效果。

3? 結(jié)語

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，用越多振動(dòng)數(shù)據(jù)的均值濾波后機(jī)床的振動(dòng)幅值越小，但是，濾波后的數(shù)據(jù)相對(duì)于原振動(dòng)數(shù)據(jù)也越失真。因此，需要合理地選取濾波過程中的振動(dòng)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。下一步，我們將用灰關(guān)系分析方法計(jì)算濾波后的振動(dòng)數(shù)據(jù)樣本與原始數(shù)據(jù)振動(dòng)樣本的灰關(guān)系，以檢驗(yàn)濾波后的振動(dòng)數(shù)據(jù)樣本的失真度。

參考文獻(xiàn)

[1] 王會(huì)良，房議，馬文鎖.基于ANSYS的擺線輪磨齒機(jī)立柱