馬胤琛，楊建國，陸　駿MA Yin-chen，　YANG Jian-guo，　LU Jun（東華大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，上海 201620）

加工與制造

面向高速磨削過程工藝優(yōu)化的多傳感器融合檢測

馬胤琛，楊建國，陸駿
MA Yin-chen，YANG Jian-guo，LU Jun
（東華大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，上海 201620）

針對脆硬性材料高速磨削過程中加工特性復(fù)雜及信號難以捕捉的特點(diǎn)，研制了一種基于多傳感器融合的智能檢測系統(tǒng)。針對脆硬性材料磨損過程非線性強(qiáng)時(shí)變特點(diǎn)，結(jié)合多種信號特征提取及融合技術(shù)對磨削過程的多傳感器在線檢測結(jié)果進(jìn)行分析，重點(diǎn)解決高速磨削過程中工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性檢測、動(dòng)態(tài)特性識(shí)別和分析問題。該系統(tǒng)通過在高速磨床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了上述系統(tǒng)的有效性。

高速磨削；多傳感器融合；動(dòng)態(tài)特性

0　引言

陶瓷等難加工材料由于其優(yōu)異性能，在國內(nèi)外航空及國防領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。但陶瓷材料由于其高硬度，易脆性等特性成為磨削加工領(lǐng)域重點(diǎn)攻克的技術(shù)難點(diǎn)。高速磨削技術(shù)是陶瓷等難加工材料高效磨削的關(guān)鍵技術(shù)之一，但如何基于加工工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)優(yōu)化工藝參數(shù)，解決加工質(zhì)量是加工中急需解決的問題。特別是確保加工表面質(zhì)量前提下，提高加工精度和加工效率，需要結(jié)合加工工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)（如動(dòng)剛度等）對加工過程進(jìn)行精確控制，以選擇適合的工藝參數(shù)［1］。

本文針對陶瓷材料在高速磨削中引起的多種高頻不平穩(wěn)的突變磨削信號對加工過程進(jìn)行采樣，研制一種基于多傳感器的智能檢測及評價(jià)系統(tǒng)。工程實(shí)驗(yàn)應(yīng)用驗(yàn)證了該檢測系統(tǒng)的有效性。

1　國內(nèi)外相關(guān)研究回顧

多傳感器的精密監(jiān)測技術(shù)是提高加工過程質(zhì)量的關(guān)鍵因素?；谔沾傻却嘤残圆牧咸匦裕瑐鹘y(tǒng)高速磨削加工技術(shù)很難對加工穩(wěn)定性進(jìn)行控制，并保證加工質(zhì)量。國內(nèi)外最近主要通過穩(wěn)定性區(qū)域圖，動(dòng)態(tài)特性建模，熱力學(xué)耦合表征，磨削過程演變機(jī)理等方法對磨削過程中顫振、燒傷、振動(dòng)等影響加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵性因素開展研究。文獻(xiàn)［2］針對磨削過程特別是砂輪碰撞工件的瞬間對加工過程的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行分析，采用動(dòng)態(tài)仿真理論和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，通過研究加工工藝參數(shù)不同變化下顫振的大小，來判定穩(wěn)定邊界，優(yōu)化工藝參數(shù)。

針對高速磨削惡劣加工環(huán)境及磨削機(jī)理，國內(nèi)外專家對各種高精度抗干擾能力強(qiáng)的測量裝置、傳感器、采集分析設(shè)備和控制系統(tǒng)開展了大量的研究。例如，P. Lezanski［3］分別使用加速度傳感器和力傳感器對砂輪的磨損狀態(tài)和磨削力開展研究。其次，加速度傳感器還常被用于主軸振動(dòng)，分析高速磨床加工過程中的整體動(dòng)態(tài)性能，Julie Z. Zhang［4］使用三項(xiàng)加速度傳感器采集切削過程中的振動(dòng)信息。Alex W.Moerlein［5］成功的使用磨削力在線控制方法來控制外圓磨削過程中工件的尺寸。Changfei Lv［6］發(fā)現(xiàn)功率傳感器也可用于檢測磨削力。綜上所述，單傳感器的檢測方法在加工過程中已被廣泛應(yīng)用，該方法檢測方便，成本較低，但由于檢測信息與被測對象之間難以準(zhǔn)確建立一對一的對應(yīng)關(guān)系，所以測試準(zhǔn)確性通常不高。

高速磨削過程智能檢測的目的是為了得到能夠保證加工質(zhì)量和效率并使之成為加工工藝經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。而多傳感器監(jiān)測將分布在不同位置和不同類型的傳感器按照智能監(jiān)控系統(tǒng)決策、規(guī)劃的要求，通過信號處理、系統(tǒng)識(shí)別、參數(shù)評價(jià)和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法的組合將信號綜合分析，得出更準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。

N. Subrahmanya［7］使用傳感器自動(dòng)特征選擇方法對磨削過程中的故障進(jìn)行檢測，通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法能更準(zhǔn)確的檢測出磨削故障。根據(jù)國內(nèi)外加工領(lǐng)域智能檢測相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合研究重點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面，即如何開展特征提取選擇研究和冗余數(shù)據(jù)融合研究。特征提取選擇技術(shù)包括特征提取和選擇兩部分。使用信號處理技術(shù)包括時(shí)域分析，傅里葉分析和小波分析對特征進(jìn)行提取，通常能完備的反應(yīng)加工過程信息并提取相關(guān)的特征，但并不是所有的特征都和檢測目標(biāo)相關(guān)或者有很大的關(guān)聯(lián)性，所以有必要通過降低特征的維度的方法對特征進(jìn)行選擇，提煉出最能反應(yīng)出故障信息的特征。常用的特征提取技術(shù)包括主成分分析，獨(dú)立主成分分析，核主成分分析和多維標(biāo)度測量等方法。這些方法的缺點(diǎn)是沒有對原始信號輸入矩陣中特征的重要性權(quán)重進(jìn)行排序。所以，引入濾波，包裝和嵌入方法對特征進(jìn)行排序。例如文獻(xiàn)［8］通過支持向量機(jī)這種包裝方法使用評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測誤差對各傳感器的權(quán)重。但是在模型精確預(yù)測中并不完善，精確的不確定度評價(jià)方法還在研究中。

2　多傳感器性能檢測試驗(yàn)平臺(tái)

基于多傳感器信號融合的高速磨削難加工材料監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)盡可能排除惡劣環(huán)境的影響，采用能夠反應(yīng)高速主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)高頻特性的傳感器。其系統(tǒng)主要有三部分模塊組成，高速磨削加工模塊，高精密傳感器檢測模塊以及數(shù)據(jù)采集及分析模塊（如圖1所示）。

圖1　高速磨削綜合檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

高速磨削加工模塊使用高速磨床MGKS1332/H作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。選用型號為99VG3A1-400-22-5 76 D91 V+2046J1SC C150 E的陶瓷結(jié)合劑的金剛石砂輪和陶瓷SiC的加工材料為工件。在磨削加工和砂輪修整過程中采用水冷的方法對砂輪進(jìn)行冷卻。該實(shí)驗(yàn)在高速磨削過程中加工局部會(huì)產(chǎn)生大量熱量并會(huì)有高速切削物體飛濺出，檢測環(huán)境惡劣。

高精密傳感器檢測模塊如圖2所示，工件通過卡盤和前后兩頂尖固定，同時(shí)，將一個(gè)力傳感器，兩個(gè)加速度傳感器，一個(gè)AE傳感器和電渦流傳感器分別安裝在加工信號最敏感區(qū)域。Kilster公司的9347C三項(xiàng)力傳感器被安裝在后頂尖上，該傳感器測試范圍為-15到15kN，F(xiàn)x，F(xiàn)y的敏感度約為-7.8PC/N，F(xiàn)z的敏感度約為-3.7PC/N，X，Y向自然頻率為3.6kHz，Z向?yàn)?0kHz。使用兩個(gè)加速度傳感器分別安裝在力傳感器上、前方，對后尾架上的振動(dòng)進(jìn)行測試，傳感器為揚(yáng)州電子科技的D1010LA，使用頻率0.5～10kHz，重量15克，最大可測值為500ms-2（1g=10m/s2），電壓靈敏度為10.298mv/ms-2。德國米依公司的電渦流傳感器eddyNCDT3010安裝在工件旁，其量程和安裝距離都為0.5mm，誤差值為1.25um。

數(shù)據(jù)采集及分模塊為了保證測試采樣的準(zhǔn)確性及信號抗干擾能力，選用信號采集卡LMS對信號過濾和分析，使用高性能工控機(jī)對采集信號進(jìn)行特征分析，通過對數(shù)據(jù)的知識(shí)推理及融合分析，對加工狀態(tài)穩(wěn)定性及規(guī)律進(jìn)行分析。

3　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

在高速磨削碳化硅加工過程中，信號比普通材料磨削過程更為復(fù)雜。因此，針對高速磨削工藝條件下的脆硬性材料加工穩(wěn)定區(qū)域檢測的實(shí)驗(yàn)，分別研究砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量變化情況下工件加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。如表1所示。

表1　試驗(yàn)工藝參數(shù)選擇

表2　磨削過程主要特征數(shù)值

使用均值、方差、極值、峭度等時(shí)域信號特征對加速度、位移、力傳感器的原始信號（如圖2所示）進(jìn)行分析，選用最能反映磨削過程加工特性的特征對加工過程的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)（如表2所示）。由于加工過程的穩(wěn)定性主要受砂輪主軸的高速旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)影響，所以將傳感器所提取的特征信號重點(diǎn)對砂輪速度和進(jìn)給量對磨削過程穩(wěn)定性的影響開展研究。圖2表明，隨著砂輪速度的增加，表征工件系統(tǒng)振動(dòng)情況的切向和法相加速度值迅速增加，工件系統(tǒng)不穩(wěn)定。同時(shí)，工件系統(tǒng)所受的磨削力減小。圖3表明，隨著進(jìn)給量的增加，切向和法相加速度值迅速增加，工件系統(tǒng)不穩(wěn)定。同時(shí)，工件系統(tǒng)所受的磨削力增加。

磨削過程工件主軸不平衡度引起的工件主軸跳動(dòng)如表2所示，針對不同工藝條件下（砂輪、工件轉(zhuǎn)速，切深不同），展開對磨削工藝條件的研究，當(dāng)切深較大（實(shí)驗(yàn)5、7，ap=12um），砂輪速度較小（實(shí)驗(yàn)11，Vs=40m/ s），工件偏離量較大。反之，切深較?。▽?shí)驗(yàn)8、9，ap=3um），砂輪速度較大（實(shí)驗(yàn)10，Vs=100m/s），工件偏離量較小。表2通過對不同工藝條件下，工件主軸徑向位置均方差的變化來觀察主軸的跳動(dòng)量，判斷工件系統(tǒng)是否穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)4跳動(dòng)最大，原因是磨削加工遇到共振現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)11跳動(dòng)最小，是因?yàn)樯拜喫俣茸畹汀Ｗ屑?xì)觀察不同工藝參數(shù)變化下，工件系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量不變，砂輪速度變化時(shí)，工件系統(tǒng)徑向跳動(dòng)較大，當(dāng)砂輪速度達(dá)到80m/s左右時(shí)，跳動(dòng)值遇到拐點(diǎn)，當(dāng)砂輪速度到達(dá)100m/s時(shí)，工件徑向跳動(dòng)反而降低（如圖4所示）。當(dāng)砂輪速度和工件速度不變，進(jìn)給量增大時(shí)，工件系統(tǒng)徑向跳動(dòng)增大，而在8um后，遇到拐點(diǎn)，12um反而降低。上述結(jié)果表明，磨削過程中工件系統(tǒng)的穩(wěn)定并不是隨著工藝系統(tǒng)的變化，而成線性遞增或遞減關(guān)系，所以，必須進(jìn)一步對導(dǎo)致加工過程工件系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因進(jìn)行分析，研究磨削過程的內(nèi)部機(jī)理。

圖2　磨削過程加速度，力隨砂輪速度變化規(guī)律圖

圖3　磨削過程加速度，力隨砂輪進(jìn)給量變化規(guī)律圖

圖4　跳動(dòng)變化圖

4　多傳感器故障診斷

基于多傳感器的時(shí)域特征對磨削過程工件穩(wěn)定性分析，無法對引起工件不穩(wěn)定的原因進(jìn)行分析。使用頻域分析方法分別對引起工件振動(dòng)的原因進(jìn)行分析。如圖5所示，工件系統(tǒng)在任何情況下，在47.5Hz左右都存在較大的波峰值，該頻率是由機(jī)床工頻干擾信號引起。如圖5（a）所示，工件在加工過程中，高頻段約以47.5Hz為基頻（47.95Hz，95.07Hz，142.5Hz，190.1Hz，237.6Hz等處）有明顯振幅，如表3對比不同工藝下實(shí)驗(yàn)11，2，3，10，高頻段基頻與砂輪轉(zhuǎn)速成正比，證明高頻部分的工件主軸輪廓變化主要由砂輪周期性作用力引起，波動(dòng)大小與切深、工件轉(zhuǎn)速快慢相關(guān)。

另外，磨削加工過程和工件空轉(zhuǎn)中（圖5（b）、圖5（d）中），工件表面輪廓傅里葉圖的低頻段基頻為0.35Hz，由于低頻的幅值占整個(gè)頻率段的絕大多數(shù)成分，所以中工件主體跳動(dòng)主要由低頻段信號組成。每組實(shí)驗(yàn)基于基頻的2，4，9，10，20，24個(gè)周期有明顯的波峰（表3），表明工件加工過程中的運(yùn)動(dòng)特性主要和工件外圓形狀及工件系統(tǒng)的本身固有的靜、動(dòng)平衡有關(guān)。

基于磨削過程各個(gè)基頻段的幅值大小的檢測（如表3所示），我們可以找出引起工件運(yùn)動(dòng)幅值突變的原因，例如，圖2（c）中，實(shí)驗(yàn)5的切深為最大的12um，但跳動(dòng)值最小，主要原因是由于基頻第4和第20個(gè)周期處幅值明顯變小，說明當(dāng)進(jìn)給增大時(shí)，導(dǎo)致工件系統(tǒng)在每四分之一個(gè)周期處反而達(dá)到了局部的平衡。

圖5　位移傳感器頻譜分析圖

5　結(jié)論

本文結(jié)合使用多傳感器特征檢測及故障診斷分析方法對磨削過程的穩(wěn)定性進(jìn)行判別，就陶瓷等難加工材料在加工過程中，不同工藝參數(shù)下加工工藝對表面質(zhì)量的影響開展研究，為高速磨削加工工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇提供科學(xué)依據(jù)。通過對高速磨削過程中振動(dòng)，主軸偏心，等故障原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)工件加工過程中工件外圓形狀及工件系統(tǒng)的本身固有的靜、動(dòng)平衡特性影響高速加工穩(wěn)定性。綜上說述，面向高速磨削過程開展多傳感器檢測技術(shù)研究能夠提高加工質(zhì)量，為制造技術(shù)的提高提供更多的理論支持。

表3　不同工藝試驗(yàn)下表面輪廓FFT圖不同基頻及幅值一覽表

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Multi-sensor fusion detection of high speed grinding process optimization

TH161

A

1009-0134（2016）06-0064-05

2016-01-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175077）

馬胤?。?985 -），男，上海人，博士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)、智能檢測與控制。