一種基于電流與聲發(fā)射復(fù)合信號(hào)的刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及刀具磨損監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體的說是一種基于電流與聲發(fā)射復(fù)合信號(hào)的刀 具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 刀具磨損狀態(tài)識(shí)別作為制造過程自動(dòng)化技術(shù)的一部分，已日益為人們所重視，一 個(gè)工作可靠的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過及時(shí)、準(zhǔn)確地反映刀具磨損狀態(tài)信息來指導(dǎo) 機(jī)床完成自動(dòng)換刀，實(shí)現(xiàn)不間斷生產(chǎn)過程，穩(wěn)定工件的加工質(zhì)量。
[0003] 刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法主要分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法如光學(xué) 法、放射線法、電阻法等，其測(cè)量精度高，但易受加工環(huán)境的干擾，不便在實(shí)時(shí)加工中進(jìn)行在 線測(cè)量；間接測(cè)量法通過采集并處理與切削過程相關(guān)的信號(hào)，如切削力信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、電 流信號(hào)、聲發(fā)射信號(hào)、或電機(jī)功率等，間接獲得反映刀具磨損狀態(tài)的信息。
[0004] 金屬切削過程中，切削力會(huì)隨著刀具磨損量的增加發(fā)生相應(yīng)的變化，利用切削力 信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，但切削力測(cè)量?jī)x器的高成本影響了該方法的實(shí)際應(yīng)用 價(jià)值；切削力的變化會(huì)引起電機(jī)輸出扭矩的改變，從而使電機(jī)電流發(fā)生變化，因此利用電機(jī) 電流信號(hào)可以間接實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。由于電流傳感器成本低，易于安裝，因此電 流監(jiān)測(cè)法具有很好的應(yīng)用基礎(chǔ)，金屬切削過程存在很強(qiáng)的非線性，如何在非平穩(wěn)的電流信 號(hào)中提取并篩選出有效的特征，是電流監(jiān)測(cè)法研宄的重要環(huán)節(jié)。
[0005] 利用檢測(cè)電機(jī)電流信號(hào)識(shí)別刀具磨損狀態(tài)是很實(shí)用的方法，然而，電流信號(hào)不但 與刀具磨損有關(guān)，也與切削參數(shù)有關(guān)（即切削速度、進(jìn)給量、鉆頭直徑等），還與加工材 料、刀具材料有關(guān)。所以，用電流信號(hào)檢測(cè)刀具磨損的關(guān)鍵是如何剔除切削條件的影響，使 電流信號(hào)只與刀具磨損狀態(tài)有關(guān)，也就是說一個(gè)理想的刀具磨損檢測(cè)模型必須對(duì)刀具磨損 狀態(tài)反應(yīng)靈敏，而對(duì)切削條件變化不靈敏。
[0006] 有文獻(xiàn)報(bào)道，利用進(jìn)給電機(jī)電流分別對(duì)銑削加工的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了 研宄，對(duì)于電流信號(hào)的處理采用了截止頻率50Hz的低通濾波，即只對(duì)電源頻率附近的低頻 電流信號(hào)進(jìn)行分析，經(jīng)研宄發(fā)現(xiàn)，高頻電流信號(hào)中仍存在可用于刀具狀態(tài)特征提取的成份， 這些成份與切削力的變化存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是由于穩(wěn)定性不高，有時(shí)候不能完全確 定成分內(nèi)容，所以單獨(dú)的信號(hào)電流監(jiān)測(cè)雖然成本不高，但是穩(wěn)定性與可靠性稍差。
[0007] 由于聲發(fā)射信號(hào)測(cè)量簡(jiǎn)便，成本不高，且包含了豐富的刀具切削狀態(tài)信息，故采用 切削聲發(fā)射信號(hào)間接識(shí)別刀具磨損狀態(tài)已得到廣泛的關(guān)注。這些研宄利用時(shí)域分析、時(shí)序 分析、頻域分析以及時(shí)頻域分析等方法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理并從中提取反映刀具磨損狀 態(tài)的多種特征。通過以上方法所提取的特征雖可從一定程度上反映刀具的磨損狀態(tài)，但由 于實(shí)際加工條件變化的復(fù)雜性，這些特征難以全面而有效地反映刀具的磨損狀態(tài)變化，所 以單獨(dú)的聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性與可靠性也不是太高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)上述現(xiàn)有的單獨(dú)的信號(hào)電流監(jiān)測(cè)及聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性與可靠性也不高 的缺陷，本發(fā)明提供一種基于電流與聲發(fā)射復(fù)合信號(hào)的刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為： 一種基于電流與聲發(fā)射復(fù)合信號(hào)的刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電流信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu) 和聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，所述的電流信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括電流傳感器、電流放大濾波裝置、A/ D轉(zhuǎn)換器II及計(jì)算機(jī)，電流傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)床主軸電機(jī)電流，電流信號(hào)經(jīng)電流放大濾波裝置， 然后通過A/D轉(zhuǎn)換器II轉(zhuǎn)換，由計(jì)算機(jī)保存后，供后續(xù)處理與分析；所述的聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè) 機(jī)構(gòu)包括聲發(fā)射傳感器、信號(hào)放大器、抗混疊濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器I及計(jì)算機(jī)，聲發(fā)射傳感器 直接安裝在車刀刀柄上，車刀在切削加工過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)依次經(jīng)過信號(hào)放大器、 抗混疊濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器I后存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，通過處理與分析，得出刀具磨損狀態(tài)； 通過檢測(cè)切削加工中的主軸電機(jī)的電流信號(hào)及車刀磨損狀態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)，并基于電 流與聲發(fā)射復(fù)合信號(hào)進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0010] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明提供的基于電流與聲發(fā)射復(fù)合信號(hào)的刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自適應(yīng)獲取切削電機(jī) 電流信號(hào)與聲發(fā)射信號(hào)中刀具磨損狀態(tài)特征，該方法充分挖掘聲切削電機(jī)電流信號(hào)與聲發(fā) 射信號(hào)中豐富的刀具磨損狀態(tài)信息，結(jié)合小波包分析、相關(guān)性分析和主成分分析等方法，自 適應(yīng)地提取反映刀具當(dāng)前磨損狀態(tài)的特征信息，并通過分析與初始磨損狀態(tài)特征之間的關(guān) 聯(lián)性來判斷刀具的磨損程度； 本發(fā)明提出了基于小波包分析和相關(guān)系數(shù)法的刀具磨損狀態(tài)特征的自適應(yīng)獲取方法， 該方法對(duì)原始切削聲發(fā)射信號(hào)依次進(jìn)行小波包分解與單節(jié)點(diǎn)重構(gòu)、相關(guān)性分析、第二次小 波包重構(gòu)、時(shí)域特征提取與時(shí)序特征提取，最后以主元分析法進(jìn)行特征融合，該過程在某一 確定的加工工藝參數(shù)下，針對(duì)不同類型特征(包括時(shí)域特征和時(shí)序特征）分別提取特征數(shù)據(jù) 數(shù)列，以融合特征聚焦反映刀具磨損狀態(tài)的主要特征信息，并在刀具磨損過程中動(dòng)態(tài)更新 該融合特征矩陣，該方法對(duì)刀具磨損狀態(tài)的特征提取表現(xiàn)出一定自適應(yīng)性； 本發(fā)明提出了以灰色關(guān)聯(lián)分析判定刀具磨損狀態(tài)的方法，該方法將融合特征矩陣中反 映刀具切削初期狀態(tài)的特征數(shù)據(jù)序列作為參考數(shù)據(jù)序列，將反映刀具當(dāng)前磨損狀態(tài)的特征 數(shù)據(jù)序列作為比較數(shù)據(jù)序列，通過計(jì)算兩者的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度動(dòng)態(tài)判別刀具的磨損程度； 本方法是正確的、有效的，判別結(jié)果與刀具實(shí)際狀況一致，獲得了較高的刀具磨損狀態(tài)識(shí)別 正確率。
【附圖說明】
[0011] 圖1本發(fā)明刀具聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)示意圖； 圖2刀具磨損狀態(tài)判別的基本原理圖； 圖3本發(fā)明刀具磨損電流監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)； 圖4單個(gè)工件加工中的切削聲發(fā)射信號(hào)波形； 圖5 1號(hào)-3號(hào)刀片部分時(shí)域特征-RMS ; 圖6 1號(hào)-3號(hào)刀片部分時(shí)域特征-裕度因子； 圖7 1號(hào)-3號(hào)刀片部分時(shí)域特征-峰值因子；