甘梓舜，王鵬宇，趙文祥，焦 黎，史雪春，王西彬

(1.北京理工大學 機械與車輛學院 先進加工研究所，北京 100081；2.山東特種工業(yè)集團有限公司，山東 淄博 255200)

隨著國際市場競爭的日益激烈，機械產品向著多樣化，小批量和加快更新?lián)Q代速度的方向發(fā)展。為了適應市場的需要，各個企業(yè)或部門陸續(xù)將計算機集成制造系統(tǒng)等自動化的生產方式應用于生產制造的過程中，以提高產品質量及生產效率。在制造過程中，利用先進的監(jiān)控技術監(jiān)視制造運行過程，發(fā)現(xiàn)故障先兆，分析故障原因，并及時處理故障，是確保制造過程經濟和高效運行的關鍵[1]。

多傳感器集成融合就是把分布在不同位置的多個傳感器所提供的局部不完整觀察量加以綜合，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確定性，以形成對系統(tǒng)環(huán)境相對完整一致的感知描述，從而提高智能系統(tǒng)決策、規(guī)劃和反應的快速性和正確性，同時降低其決策風險[2]。

在車削加工中，由于工件的轉速較高，信號動態(tài)變化頻率大，因而增大了信號采集的難度，增加了特征提取的困難。大部分傳感器系統(tǒng)為了追求更精確的測量以及更快的響應速度，放棄了一些其他特性，例如通用性或便捷性；然而，在大部分情況下，通過對機床各物理特性的大致趨勢進行處理便可獲取機床狀態(tài)信息，以達到監(jiān)測效果。

本文研發(fā)了一種體積較小、通用性較高的傳感器融合系統(tǒng)，以實現(xiàn)對機床狀態(tài)的實時監(jiān)測和信號采集。該系統(tǒng)放棄部分性能而力求精簡與通用，并針對采集的數(shù)據進行處理，實現(xiàn)智能預測。試驗機床型號為HAWK TC—150。

1 多傳感器融合監(jiān)測平臺的構建

多傳感器融合監(jiān)測系統(tǒng)平臺搭建的主要工作圍繞上位機與下位機兩部分展開，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 傳感器融合監(jiān)測系統(tǒng)框圖

下位機主要負責數(shù)據的采集和傳輸。其功能模塊具體分為智能傳感器數(shù)據接收模塊、傳感器信號處理模塊和上、下位機通信模塊。下位機信號采集板的系統(tǒng)架構如圖2所示。上位機主要負責顯示傳感器采集的數(shù)據以及人機交互等功能。

圖2 下位機采集板系統(tǒng)架構

1.1 切削力測量系統(tǒng)

切削力是車削過程中產生的重要物理現(xiàn)象，其大小與工件材料和切削因素有關，并直接影響切削過程，因此將切削力監(jiān)測作為主要內容納入考慮。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，壓電式傳感器的適用性普遍高于其他模式力傳感器(如應變式傳感器)。為使設計的監(jiān)測系統(tǒng)更具適用性，使用壓電片傳感器進行三向切削力測量。壓電片通過特定的壓力信號轉換模塊，將壓變片上施加的壓力大小按比例輸出0～5 V的電壓，并通過A-D轉換被下位機采集到。切削力測量下位機采集板選用的是單片機STM32F103，其各種性能均滿足所設計的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)要求，并具有體積小、便攜的優(yōu)點。其主要部件及信息傳遞過程如圖3所示。下位機程序編寫主要分為A-D采集程序以及串口通信程序。由于刀桿夾緊力的存在，所以在通過A-D轉換三向切削力時需減去夾緊力帶來的A-D值。

圖3 切削力測量系統(tǒng)的結構

1.2 主軸電流測量系統(tǒng)

主軸電流是機床運行的重要信息之一。采用電動機電流信息一方面可對主軸的運行能力進行在線評估；另一方面可對機床本身進行故障狀態(tài)監(jiān)測，并且電流傳感器價格便宜，安裝方便[3]。

為研究電流與機床狀態(tài)的關系，對主軸電動機的輸出轉矩可以建模如下：

(1)

式中，J為主軸驅動的轉動慣量常數(shù)；B為等效粘性阻尼系數(shù)；ω為主軸電動機角速度；Te為主軸電動機輸出轉矩；Tt為總的干擾轉矩。

不考慮轉子繞組的損耗，主軸電動機輸出轉矩Te計算式為：

(2)

式中，Ke為主軸電動機轉矩常量；Ie為三相電流的RMS值；iab、iac、ib c為主軸電動機三相輸入電流。

主軸電動機的總干擾轉矩Tt計算式為：

Tt=Ta+Tfco+δTf+Tc

(3)

式中，Ta為主軸機械組件故障引起的轉矩；Tfco為庫侖摩擦力引起的轉矩；δTf為非線性摩擦轉矩，它是Tc和ω的非線性函數(shù)；Tc為切削力引起的干擾轉矩。當主軸恒速空載運轉時，Tc= 0、δTf= 0、Jdω/dt=0，則：

Ta=KeIe-Bω-Tf

(4)

由于Bω、Tf恒定，所以電動機輸出轉矩將隨著故障的變化而變化，因此電動機輸出轉矩可用來進行主軸機械組件故障診斷。

由式1、式2和式4可知，切削力的變化將引起主軸電動機輸出轉矩的變化，也引起電動機電流的變化；并且電流越大，說明主軸載荷越大。當載荷超過某一閾值‘It’時，主軸系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障；因此，通過觀察電流的狀態(tài)，可評估主軸當前的運行能力[4]。

本系統(tǒng)采用開環(huán)霍爾電流傳感器檢測電流信號，霍爾電流傳感器具有便攜和易安裝性，適用于本系統(tǒng)。通過單片機STM32F103進行數(shù)據采集，其安裝組成如圖4所示。由于單片機STM32含有多個A-D轉換測量通道，因此與力傳感器共用同一個單片機進行信號采集并輸出4組信號(三向力信號和電流信號)到上位機。

圖4 電流測量系統(tǒng)的結構

1.3 上位機系統(tǒng)和傳感器安裝

上位機使用Visual Basic 6.0企業(yè)版編程，并使用工業(yè)控件，可實現(xiàn)對采集數(shù)據進行實時曲線顯示、采樣值的數(shù)據處理和存儲分析等。其顯示界面如圖5所示。

a)切削力實時采集曲線界面

b)切削電流實時采集曲線界面

傳感器安裝示意圖如圖6所示。3個壓電片固定在刀桿和刀座之間。為了測量沿刀桿方向的切削力，設計了一個與刀桿底部接觸的U形塊，壓電片安裝在2個接觸面之間。振動傳感器安裝在刀桿的前端，用于測量2個方向的振動。由于振動傳感器的設計相對復雜，因此直接采用由Coinv設計的振動傳感器采集數(shù)據。電流傳感器安裝在主軸電動機附近，電動機電纜穿過傳感器。測試平臺的實物圖如圖7所示。

圖6 傳感器安裝示意圖

圖7 測試平臺傳感器搭建實物圖

2 數(shù)據處理與分析

2.1 機床狀態(tài)分析

機床狀態(tài)可通過切削力和主軸電流進行判斷。主軸電流用于分析機床運行狀態(tài)，首先在不同工況以及空載恒速下測量機床電流大小，按上節(jié)所提到的設定閾值‘It’，當檢測到電流值大于‘It’時，發(fā)出報警。切削力作為切削過程中的重要指標，可反映切削過程刀具破損。在刀具破損時，切削力有一個明顯的增幅。在下位機編程時，每間隔0.5 s求一次均值，并比較兩者大小，若后者增幅超過一定比例(根據不同狀況決定)，則可判斷刀具崩刃。

2.2 切削試驗及數(shù)據分析

本文主要的試驗對象為超高強度鋼42CrMo，其主要成分見表1。

表1 42CrMo主要元素組成(質量分數(shù)) (%)

該切削試驗的加工中心為HAWK TC—150，車刀型號為DNMG—150408—FP，其刀尖圓弧半徑為0.8 mm，主切削刃后角為0°，刀具形狀為菱形，頂角為55°。開展單因素試驗以測試傳感器系統(tǒng)的準確性，并就試驗數(shù)據進行簡要分析。利用自制的傳感器系統(tǒng)采集切削力和電流信號。試驗參數(shù)和測量結果見表2。

表2 試驗參數(shù)與測量結果

以上信息數(shù)據是在切削過程中數(shù)據的平均值，在切削過程中收集的實時信號如圖8(v:120 m/min；a:0.5 mm；f:0.1 mm/r)和圖9(v:120 m/min；a:1 mm；f:0.3 mm/r)所示。

本文對傳感器系統(tǒng)的精度進行了一系列對比試驗，在不同刀具磨損狀況下采集切削力和電流數(shù)據，試驗參數(shù)和數(shù)據結果見表3。刀具后角在不同磨損量下的顯微圖如圖10和圖11所示[5]。不同切削參數(shù)下的切削力和主軸電流數(shù)據分別如圖12和圖13所示。由圖12和圖13可知，切削力與電流隨參數(shù)變化而有顯著變化，參數(shù)越大，切削力和電流的數(shù)值也越大。刀具磨損對切削力和電流也有很大的影響，刀具磨損越嚴重，切削力和電流數(shù)據越大[6]。

圖8 切削過程中的切削力信號

圖9 切削過程中的主軸電流信號

表3 切削力和電流數(shù)據

圖10 嚴重磨損后的刀具后刀面(VB:0.167 mm)

圖11 未經磨損的刀具后刀面(VB:0.01 mm)

圖12 不同切削參數(shù)下的切削力數(shù)據

圖13 不同切削參數(shù)下的主軸電流數(shù)據

3 結語

本文設計并搭建了一種便攜式多傳感器融合機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，主要工作及結論如下：1)進行大量刀具磨損切削試驗，采集切削過程中的切削力與振動信號，驗證系統(tǒng)的可行性與精確度；2)通過該傳感器采集的信息研究切削力和電流與切削參數(shù)之間的關系，發(fā)現(xiàn)刀具磨損對機床物理信號的影響，并通過電流閾值在線判斷機床狀態(tài)；3)后續(xù)將對該傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據進行離線分析，通過機器學習算法具體分析刀具磨損與切削力和電流之間的定量關系。