李宏坤 ， 闞洪龍 ， 魏兆成 ， 趙 明 ， 代月幫

(1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 大連，116024) (2.中航航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)，110043)

引 言

葉輪類(lèi)產(chǎn)品是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)等大型機(jī)械的核心部件。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)日益向高負(fù)荷、高效率和高可靠性的趨勢(shì)發(fā)展[1]，整體葉輪結(jié)構(gòu)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。由于整體葉輪空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片間通道較深，傳統(tǒng)銑削方法在加工過(guò)程中需要較大的刀具懸伸量，極易導(dǎo)致銑刀崩刃[2]。葉片的表面加工質(zhì)量與銑刀狀態(tài)有密切關(guān)系，崩刃、破損的銑刀與葉片表面間的摩擦力急劇增大、切削溫度急劇上升，導(dǎo)致葉片的加工質(zhì)量顯著下降，因此葉片加工過(guò)程中銑刀狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)對(duì)提高葉片的加工質(zhì)量和加工效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了大量研究。Ertunc等[3-4]通過(guò)鉆削實(shí)驗(yàn)得出磨損刀具的進(jìn)給力是鋒利刀具的3倍以上。鄭建明等[5]基于切削力信號(hào)提取峰值因子和Kurtosis系數(shù)作為刀具磨損監(jiān)測(cè)特征參數(shù)，但臺(tái)式力傳感器存在安裝不便、承載面積小等不利因素，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際監(jiān)測(cè)。為了解決此問(wèn)題，文獻(xiàn)[6]研制了一種電阻應(yīng)變式刀柄結(jié)構(gòu)測(cè)力儀。文獻(xiàn)[7]研制了應(yīng)變式銑削測(cè)力儀,通過(guò)將測(cè)力儀安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上測(cè)量扭矩信號(hào)。應(yīng)變式測(cè)力儀對(duì)切削力的快速變化無(wú)法做出快速響應(yīng),測(cè)量速度較慢,因而不適合用于葉輪加工過(guò)程中銑削力的測(cè)量。瑞士Kistler公司[8]推出的壓電主軸環(huán)式測(cè)力儀雖然克服了應(yīng)變式測(cè)力儀測(cè)量速度慢的問(wèn)題，但其測(cè)力儀裝置對(duì)高速主軸-刀具加工系統(tǒng)的動(dòng)平衡性存在不利影響，也不能用于實(shí)際監(jiān)測(cè)。

機(jī)床電流、切削功率與切削力密切相關(guān)，利用機(jī)床電流、切削功率進(jìn)行刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有信號(hào)檢測(cè)方便、無(wú)需改變加工系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。歐陽(yáng)惠斌[9]從刀具切削功率變化的角度研究刀具狀態(tài)變化,利用微處理器進(jìn)行刀具狀態(tài)識(shí)別,實(shí)現(xiàn)了銑削加工刀具狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。Romero等[10]利用濾波器從驅(qū)動(dòng)電流中濾除高頻干擾信號(hào)提取切削力信號(hào)對(duì)銑刀狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Bassiuny等[11]運(yùn)用Hilbert-Huang變換以及平滑非線性能量算子對(duì)銑削條件下的進(jìn)給電機(jī)電流信號(hào)提取銑刀狀態(tài)特征量。該方法對(duì)刀具破損較嚴(yán)重的情況具有一定的監(jiān)測(cè)效果，但易受到加工條件的影響，加上葉輪加工過(guò)程中切削參數(shù)的變化造成驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生變化，因而較難從電流信號(hào)中區(qū)分出刀具狀態(tài)信息。

振動(dòng)信號(hào)包括加速度信號(hào)、速度信號(hào)以及位移信號(hào)。傳感器具有安裝自由、測(cè)量簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)振動(dòng)信號(hào)的研究非常豐富，運(yùn)用小波分解提取振動(dòng)信號(hào)的特征信息[12]，將經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸馀c獨(dú)立分量分析相結(jié)合分離振動(dòng)信號(hào)中的磨損信號(hào)[13]，建立振動(dòng)信號(hào)與刀具磨損狀態(tài)之間的回歸模型[14]。大部分監(jiān)測(cè)方法僅適用于平穩(wěn)加工過(guò)程，葉輪類(lèi)工件加工過(guò)程復(fù)雜多變，采集到的加速度信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào)，影響因素的增多導(dǎo)致直接處理加速度信號(hào)效果并不理想，而且監(jiān)測(cè)程序較為復(fù)雜，不能完成在線監(jiān)測(cè)的任務(wù)。

筆者在驗(yàn)證了銑削力與刀柄擺動(dòng)電渦流位移信號(hào)之間存在線性關(guān)系的基礎(chǔ)上，從刀具振動(dòng)位移信號(hào)的角度對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行研究，通過(guò)提取刀具振動(dòng)位移中與刀具狀態(tài)關(guān)系密切的特征信息，利用特征量定量刻畫(huà)刀具狀態(tài)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 監(jiān)測(cè)方法

1.1 葉輪加工工藝特點(diǎn)

對(duì)于通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)床本身間接反映刀具狀態(tài)信息的方法而言，信號(hào)種類(lèi)的選擇對(duì)特征提取有重要影響。該方法包括的信號(hào)類(lèi)型主要有力信號(hào)、加速度信號(hào)及聲發(fā)射信號(hào)等，在選取監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)應(yīng)充分考慮到加工工藝對(duì)信號(hào)采集存在的影響。如圖1所示，葉片、流道以及圓角是整體葉輪加工的主要內(nèi)容。為使葉輪在結(jié)構(gòu)上具有良好的氣動(dòng)性，葉片通常由復(fù)雜曲面經(jīng)三維扭曲形成多個(gè)扭曲面，包括包覆曲面、壓力曲面以及吸力曲面，各扭曲面幾何精度要求較高。由于相鄰葉片間距離極小流道較窄，因而整體葉輪的加工工藝通常需要粗加工、半精加工以及精加工多種工藝路線相互配合才能完成。工藝路線不同導(dǎo)致加工工況產(chǎn)生變化，進(jìn)而對(duì)信號(hào)的平穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響。

圖1 整體半開(kāi)式葉輪示意圖Fig.1 The whole half open impeller

對(duì)平面加工而言，加工具有工藝簡(jiǎn)單和工況穩(wěn)定的特點(diǎn)，這是平面加工與曲面加工的不同點(diǎn)之一。在走刀路線方面，平面加工與曲面加工也存在很大差異。平面加工刀具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡通常是直線或規(guī)則封閉曲線，且一般都是工件固定不動(dòng)刀具在動(dòng)，走刀過(guò)程中切深沒(méi)有變化。對(duì)于葉輪類(lèi)復(fù)雜曲面而言，其刀具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不處在一個(gè)平面內(nèi)，運(yùn)動(dòng)軌跡通常是空間曲線，需要工件與刀具共同運(yùn)動(dòng)相互配合完成，走刀過(guò)程中切深存在變化，導(dǎo)致加工工況的不穩(wěn)定，增加了信號(hào)分析的難度。

1.2 銑削力與刀柄振動(dòng)位移關(guān)系分析

與其他信號(hào)相比，力信號(hào)直接反映加工過(guò)程中切削力的大小，與刀具狀態(tài)關(guān)系最為密切，非常適合用作刀具狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信號(hào)，但由于目前已知不同類(lèi)型的力傳感器均存在一定不足，導(dǎo)致力傳感器還不能應(yīng)用到葉輪加工過(guò)程銑刀狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[15]指出，刀具在切削過(guò)程中會(huì)受到斷續(xù)切削力的激勵(lì)，激勵(lì)頻率為轉(zhuǎn)頻的齒數(shù)倍。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)，此時(shí)刀具系統(tǒng)的第1階固有頻率遠(yuǎn)大于激勵(lì)頻率，認(rèn)為刀具加工過(guò)程中的剛度特性與靜止時(shí)保持一致，即銑刀受銑削力作用后為彈性變形，銑刀上的動(dòng)態(tài)銑削力與所測(cè)刀柄徑向擺動(dòng)位移具有線性關(guān)系，因而考慮通過(guò)測(cè)量刀柄徑向擺動(dòng)位移替代力信號(hào)作為銑刀狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信號(hào)。

為了驗(yàn)證刀具徑向擺動(dòng)位移與切削力之間存在的線性關(guān)系，筆者以CMV-850A立式加工中心作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用三刃球頭銑刀作為加工工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。工件采用矩形狀45號(hào)鋼，通過(guò)改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度等參數(shù)，利用電渦流位移傳感器和三向壓電石英測(cè)力儀(型號(hào)YDCB-11105)同時(shí)采集多組刀柄徑向位移電渦流信號(hào)和銑削力信號(hào)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。利用切削狀態(tài)下電渦流位移信號(hào)和銑削力信號(hào)的均值對(duì)應(yīng)減去空轉(zhuǎn)下電渦流位移信號(hào)和銑削力信號(hào)的均值是刀具切削工件引起的位移信號(hào)和力信號(hào)[16]，通過(guò)曲線擬合的方法建立位移信號(hào)與力信號(hào)之間的關(guān)系，如圖3所示?？梢钥闯觯瑇,y方向位移信號(hào)與銑削力信號(hào)間均存在良好的線性關(guān)系(x方向銑削力的范圍較小，可能是導(dǎo)致其相關(guān)性相對(duì)較差的原因)。為了進(jìn)一步說(shuō)明刀具位移與銑削力之間的線性關(guān)系，筆者利用電渦流位移信號(hào)估計(jì)銑削力信號(hào)， 利用圖3x,y方向各自擬合的系數(shù)與對(duì)應(yīng)切削相關(guān)的位移信號(hào)相乘的結(jié)果即為估計(jì)力。筆者利用電渦流位移信號(hào)估計(jì)銑削力信號(hào)，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，x,y方向銑削力整體上均很好地吻合各自對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值，因加工時(shí)進(jìn)給方向?yàn)閥向，y向切削力大，刀柄擺動(dòng)位移量大，所以y向的線性關(guān)系比x向更加明顯。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental test-rig

圖3 力信號(hào)與電渦流位移信號(hào)線性關(guān)系Fig.3 Linear relationship between force signal and eddy current displacement signal

圖4 實(shí)測(cè)銑削力與估計(jì)銑削力對(duì)比Fig.4 Comparison of measuring milling forces and estimating milling forces

為了確定線性關(guān)系適用的頻率范圍，利用LMS測(cè)試儀器計(jì)算了刀尖到位移測(cè)量處的頻響函數(shù)，如圖5所示。可以看出，在250Hz以下剛度基本保持不變，滿(mǎn)足葉輪加工過(guò)程銑刀狀態(tài)監(jiān)測(cè)的使用要求。銑削力信號(hào)與刀具徑向擺動(dòng)位移電渦流信號(hào)之間存在較好的線性關(guān)系，表明可以利用電渦流位移信號(hào)替代銑削力信號(hào)作為監(jiān)測(cè)信號(hào)，將測(cè)量物理量由銑削力轉(zhuǎn)為刀柄徑向擺動(dòng)位移。與力傳感器存在安裝不便的問(wèn)題一樣，電渦流位移傳感器因需要專(zhuān)設(shè)夾具固定在機(jī)床主軸前端，同樣對(duì)葉輪加工造成不便，體現(xiàn)在專(zhuān)設(shè)夾具體積較大且固定位置處在主軸前端，加上葉輪葉片間距較小流道較窄，加工過(guò)程中很可能造成干涉，嚴(yán)重影響到五軸加工機(jī)床在工藝設(shè)計(jì)上的靈活性。

圖5 刀尖到位移測(cè)量處頻響函數(shù)Fig.5 FRF between milling tool and measuring position of displacement signal

1.3 加速度積分信號(hào)

由于葉輪加工工藝復(fù)雜、工況變化不定、加速度傳感器抗干擾能力比較差及干擾信號(hào)影響嚴(yán)重，因此直接處理加速度信號(hào)效果并不理想。經(jīng)上述分析可知，可以從刀具振動(dòng)位移的角度描述刀具狀態(tài)，但電渦流傳感器存在安裝不便的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。加速度傳感器利用磁鐵端座實(shí)現(xiàn)位置固定，具有固定自由、測(cè)量簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，刀柄與主軸之間采用拉釘或筒夾連接成為一體，刀柄振動(dòng)位移經(jīng)連接件最終傳遞到主軸端部，將三向加速度傳感器固定在主軸端部，對(duì)采集的加速度信號(hào)二次積分轉(zhuǎn)化為位移信號(hào)(簡(jiǎn)稱(chēng)積分位移信號(hào))來(lái)表示刀柄振動(dòng)位移大小。

積分位移信號(hào)代替電渦流位移信號(hào)作為監(jiān)測(cè)信號(hào)，可以解決傳感器安裝不便的問(wèn)題。由于加速度信號(hào)頻帶范圍較寬，包含的信號(hào)成分較為復(fù)雜，導(dǎo)致積分位移信號(hào)混有干擾信號(hào)，直接處理積分位移信號(hào)無(wú)法避免干擾信號(hào)的影響，其結(jié)果難以說(shuō)明與刀具狀態(tài)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了保證積分結(jié)果的準(zhǔn)確性去除干擾信號(hào)的影響，采取了兩點(diǎn)措施：a.采用頻域積分算法對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分，文獻(xiàn)[17-18]已經(jīng)充分證明了該算法對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分所得結(jié)果的有效性，從根本上保證了積分結(jié)果的準(zhǔn)確度；b.利用快速傅里葉變換算法對(duì)積分位移信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，濾除其他頻率信號(hào)只保留基頻及其諧波成分，再利用快速傅里葉逆變換將濾波后的信號(hào)變回時(shí)域信號(hào)作為監(jiān)測(cè)信號(hào)。利用電渦流位移傳感器測(cè)得的刀具振動(dòng)位移信號(hào)，其頻譜分析結(jié)果如圖6所示?？梢?jiàn)，電渦流位移信號(hào)主要成分只包括基頻及其諧波成分?？紤]到電渦流位移信號(hào)抗干擾能力比較強(qiáng)，這一結(jié)果表明了刀具振動(dòng)位移信號(hào)的基頻及其諧波成分與刀具狀態(tài)關(guān)系密切，因此提取積分位移信號(hào)的基頻及其諧波成分作為監(jiān)測(cè)信號(hào)。

為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)信號(hào)測(cè)量刀具振動(dòng)位移的有效性，筆者對(duì)電渦流位移信號(hào)與監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析。由于葉輪加工過(guò)程中，工況變化導(dǎo)致監(jiān)測(cè)信號(hào)波形幅值在不同時(shí)間段變化較大。為了描述信號(hào)的整體狀態(tài)及從不同角度提取信號(hào)信息，采用時(shí)域同步平均累積量對(duì)信號(hào)進(jìn)行描述，然后對(duì)電渦流位移信號(hào)與監(jiān)測(cè)信號(hào)各自計(jì)算的累積量進(jìn)行互相關(guān)分析，驗(yàn)證兩者間波形相似度。

圖6 刀具振動(dòng)電渦流位移信號(hào)頻譜Fig.6 Frequency spectrum for eddy current displacement signal of cutter swing

2 信號(hào)特征提取方法

2.1 時(shí)域同步平均原理

假設(shè)振動(dòng)信號(hào)xt由sot，st以及nt組成[19]

xt=st+sot+nt

(1)

其中：st為關(guān)注周期信號(hào)；sot為非關(guān)注周期信號(hào)；nt為隨機(jī)噪聲。

以st的信號(hào)周期T的整倍數(shù)截取信號(hào)xt，截段數(shù)為N，各段信號(hào)對(duì)應(yīng)求和。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論知識(shí)可知，白噪聲具有獨(dú)立不相關(guān)性，而非關(guān)注周期信號(hào)sot因相位差的存在幅值大幅衰減，得到

(2)

其中：α為非關(guān)注周期信號(hào)的衰減系數(shù)，α<1。

對(duì)xti做平均處理，輸出結(jié)果yti為

(3)

時(shí)域同步平均算法分為兩種：a.基于鍵向信號(hào)的時(shí)域同步平均；b.基于周期的時(shí)域同步平均?；阪I向信號(hào)的同步平均需要同時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)與鍵向信號(hào)，由于葉輪加工過(guò)程較為復(fù)雜，鍵向信號(hào)的獲取并不容易，且易受到噪聲信號(hào)的干擾，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)分段錯(cuò)誤。考慮到機(jī)床加工過(guò)程轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定，對(duì)結(jié)果影響較小，因而采用基于周期的同步平均算法。

2.2 基于周期的時(shí)域同步平均算法與累積量

(4)

基于周期的時(shí)域同步平均的算法原理，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)累積量的計(jì)算公式，推導(dǎo)出時(shí)域同步平均累積量的計(jì)算公式。不同階累積量物理意義不同，各階累積量從不同角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行描述。筆者選取前兩階累積量進(jìn)行分析，推導(dǎo)出的一階、二階時(shí)域同步平均累積量為

一階累積量

(5)

二階累積量

(6)

2.3 特征提取

與加速度信號(hào)波形復(fù)雜多變不同，位移信號(hào)波形隨旋轉(zhuǎn)周期呈周期規(guī)律變化，刀具狀態(tài)不同，對(duì)應(yīng)的位移信號(hào)周期波形也不同。位移信號(hào)的周期波形與刀具狀態(tài)密切相關(guān)。利用時(shí)域同步平均方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理可以有效提取出回轉(zhuǎn)周期信號(hào)，因此對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行時(shí)域同步平均可以增強(qiáng)位移信號(hào)周期波形的穩(wěn)定性。時(shí)域同步平均累積量是對(duì)信號(hào)的整體概括，不同階累積量從不同角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行描述，且與原始信號(hào)相比其周期波形更加穩(wěn)定，因而監(jiān)測(cè)結(jié)果更加可靠。依據(jù)銑刀破損前后對(duì)應(yīng)累積量波形在幅值以及形狀方面存在的差異，利用時(shí)域指標(biāo)定量刻畫(huà)累積量波形。波形不同相應(yīng)時(shí)域指標(biāo)值不同，將時(shí)域指標(biāo)看作特征量，根據(jù)刀具破損前后時(shí)域指標(biāo)值的變化實(shí)現(xiàn)刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

采用多個(gè)時(shí)域指標(biāo)(包括絕對(duì)均值、方差、有效值、峭度以及偏斜度)來(lái)刻畫(huà)信號(hào)波形信息。絕對(duì)均值體現(xiàn)信號(hào)波形的幅值變化；方差描述信號(hào)波形的離散程度；偏斜度描述數(shù)據(jù)相對(duì)于x軸的偏斜方向以及偏斜大小；峭度對(duì)沖擊信號(hào)特別敏感，用于描述信號(hào)沖擊大小。各時(shí)域指標(biāo)對(duì)應(yīng)公式分別為

方差

(7)

偏斜度

(8)

峭度

(9)

絕對(duì)均值

(10)

有效值

(11)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)內(nèi)某壓縮機(jī)企業(yè)葉輪生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心，利用電渦流傳感器及三向加速度傳感器同時(shí)采集加工信號(hào)。傳感器安裝位置及銑刀崩刃前后的刀具狀態(tài)如圖7所示(左圖刀具良好，右圖刀具崩刃)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。葉輪加工按照開(kāi)槽(2)+正常加工(7)+反切(1)3種銑削工藝循環(huán)進(jìn)行(數(shù)字代表走刀次數(shù))，每次走刀采集一組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)共采集了80組數(shù)據(jù)，每間隔一段時(shí)間停機(jī)觀察銑刀狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)第61組數(shù)據(jù)處銑刀崩刃。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置與銑刀狀態(tài)Fig.7 Experimental test-rig and tool condition

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)銑刀齒數(shù)軸頻/Hz采樣頻率/Hz工件2 000333.3310 240葉輪

3.2 同步平均累積量波形分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄第61組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)刀具崩刃，選取第14組與第64組數(shù)據(jù)分別計(jì)算電渦流位移信號(hào)以及積分位移信號(hào)時(shí)域同步平均累積量。同步平均周期為10個(gè)轉(zhuǎn)速周期，其中第14組數(shù)據(jù)刀具正常，第64組數(shù)據(jù)刀具崩刃，計(jì)算結(jié)果如圖8，9所示。為了描述電渦流位移信號(hào)與積分位移信號(hào)之間的波形相似度，計(jì)算了第14組與第64組數(shù)據(jù)電渦流位移信號(hào)與積分位移信號(hào)對(duì)應(yīng)累積量間的相關(guān)系數(shù)并繪制散點(diǎn)圖，結(jié)果如圖10，11所示。

圖8 第14組數(shù)據(jù)累積量波形對(duì)比Fig.8 Cumulant waveform comparison of 14th group data

圖9 第64組數(shù)據(jù)累積量波形對(duì)比Fig.9 Cumulant waveform comparison of 64th group data

圖10 第14組數(shù)據(jù)累積量線性回歸Fig.10 Cumulant liner regression of 14th group data

圖11 第64組數(shù)據(jù)累積量線性回歸Fig.11 Cumulant liner regression of 64th group data

可以看出，同步平均后兩類(lèi)位移的累積量波形在幅值以及形狀方面差別較大；產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是多方面，最根本的原因有兩點(diǎn)：a.信號(hào)種類(lèi)不同采集原理不同；b.信號(hào)傳遞路徑不同。盡管電渦流位移信號(hào)與積分位移信號(hào)波形幅值差別較大，但這不是積分位移信號(hào)能否用于監(jiān)測(cè)的主要原因，只要兩類(lèi)位移信號(hào)在銑刀破損前后累積量波形的變化趨勢(shì)一致，則兩類(lèi)信號(hào)具有類(lèi)似的監(jiān)測(cè)效果。由圖9，11可知，電渦流位移信號(hào)與積分位移信號(hào)對(duì)應(yīng)累積量間的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上，這表明電渦流位移信號(hào)與積分位移信號(hào)間線性關(guān)系非常顯著，兩者具有類(lèi)似的監(jiān)測(cè)效果，可以利用積分位移信號(hào)替代電渦流位移信號(hào)進(jìn)行刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

由圖8，9可知，刀具破損后兩類(lèi)位移信號(hào)各階累積量的變化存在諸多共同點(diǎn)：a.兩類(lèi)位移信號(hào)的一階、二階累積量幅值均有所增加，其中均以二階累積量的幅值增加顯著；b.刀具破損后各階累積量周期波形的形狀均發(fā)生了較大變化。此外還可以看出，積分位移信號(hào)的二階累積量幅值增加比電渦流位移信號(hào)更加明顯，這表明積分位移信號(hào)的二階累積量比電渦流位移信號(hào)的二階累積量對(duì)刀具狀態(tài)變化反應(yīng)更加靈敏。上述分析驗(yàn)證了利用積分位信號(hào)進(jìn)行刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)是可行的。

3.3 效果驗(yàn)證

圖12，13分別為積分位移信號(hào)一階、二階累積量的特征提取結(jié)果。由圖12可知，各特征量在第55組后各特征值整體有所提高。圖13各特征量在第55組特征值增加顯著，且之后特征值基本穩(wěn)定。兩者結(jié)合可以判定刀具破損發(fā)生在第55組，實(shí)驗(yàn)記錄刀具破損發(fā)生在第61組，該監(jiān)測(cè)結(jié)果處在第61組之前，因而監(jiān)測(cè)結(jié)果符合要求。

由圖12，13還可知，葉輪加工工藝對(duì)特征值存在較大影響，體現(xiàn)在部分刀具破損后的數(shù)據(jù)組特征值小于破損特征值，且這些破損組組號(hào)之差正好等于10。圖13的第60組與第70組數(shù)據(jù)特征值，組號(hào)差為10，是因?yàn)槿~輪加工按照開(kāi)槽(2)+正常加工(7)+反切(1)循環(huán)進(jìn)行(數(shù)字代表走刀次數(shù))，每次走刀采集一組數(shù)據(jù)，所以反切工藝組號(hào)是10的倍數(shù)。這表明該監(jiān)測(cè)方法無(wú)法對(duì)反切、開(kāi)槽工藝進(jìn)行監(jiān)測(cè)；但由于加工過(guò)程是循環(huán)進(jìn)行的，且正常加工階段是完整工藝過(guò)程的主要部分，銑刀一旦破損，在正常加工階段該方法依然有效，因而可滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)要求。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要機(jī)器自動(dòng)進(jìn)行刀具狀態(tài)識(shí)別，最簡(jiǎn)單的方法就是通過(guò)設(shè)置閾值進(jìn)行判斷。當(dāng)特征值大于閾值時(shí)自動(dòng)報(bào)警，為此要求破損組特征值必須大于破損前特征值。運(yùn)用一階累積量的特征值進(jìn)行判斷無(wú)法滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)要求，但通過(guò)實(shí)時(shí)繪制其特征值圖可輔助人工判斷。二階累積量的各特征值破損前特征值均小于破損特征值，滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)要求，因此可以將二階累積量的特征量作為監(jiān)測(cè)特征量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)置閾值對(duì)銑刀狀態(tài)實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

圖12 積分位移信號(hào)一階累積量特征值Fig.12 Integral displacement signal characteristic value of first order cumulant

圖13 積分位移信號(hào)二階累積量特征值Fig.13 Integral displacement signal characteristic value of second order cumulant

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出的銑刀狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法從運(yùn)用于實(shí)際監(jiān)測(cè)的角度出發(fā)，利用加速度傳感器采集信號(hào)，解決了傳感器安裝不便的問(wèn)題。通過(guò)提取積分位移信號(hào)的基頻及其諧波作為監(jiān)測(cè)信號(hào)，去除了干擾信號(hào)的影響。結(jié)合時(shí)域同步平均方法，利用一階、二階累積量有效提取出銑刀特征信息，并用絕對(duì)均值、方差和峭度等時(shí)域指標(biāo)定量刻畫(huà)累積量信號(hào)波形。通過(guò)設(shè)定閾值實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)警，監(jiān)測(cè)程序較為簡(jiǎn)短、運(yùn)行速度快，滿(mǎn)足在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性的要求，較好地解決了復(fù)雜曲面加工過(guò)程中銑刀狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警的難題。