趙春霞 白存軍 潘經(jīng)濤

（1.安泰科技股份有限公司 北京 2.北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司 呼和浩特 3.大唐內(nèi)蒙古分公司 呼和浩特）

以數(shù)控機(jī)床為代表的現(xiàn)代制造裝備，數(shù)控加工過(guò)程中，作為加工過(guò)程的主導(dǎo)執(zhí)行者的刀具不可避免的存在著磨損和破損現(xiàn)象，對(duì)加工質(zhì)量的影響存在于整個(gè)加工過(guò)程。因此，監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)對(duì)保證加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要。目前自動(dòng)化加工系統(tǒng)無(wú)論刀具損壞與否，通過(guò)壽命管理的方法來(lái)防止刀具的磨損帶來(lái)的損失。但是對(duì)刀具實(shí)際壽命的估計(jì)一般都偏于保守，這樣就具有很大的不確定性與隨機(jī)性，同時(shí)不能及時(shí)對(duì)加工過(guò)程中隨機(jī)發(fā)生的刀具破損做出判斷。采用刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則可以將刀具的使用壽命達(dá)到最大限度，這樣將有助于最優(yōu)的切削參數(shù)的確定，使生產(chǎn)率和加工成本各方面得到最佳協(xié)調(diào)[1]。

通過(guò)測(cè)試信號(hào)選擇、系統(tǒng)構(gòu)建、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇、信號(hào)分析方法等方面開(kāi)展機(jī)床刀具磨損監(jiān)測(cè)診斷研究。采用振動(dòng)及聲信號(hào)監(jiān)測(cè)作為信號(hào)分析源，構(gòu)建在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究確定在線監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)指標(biāo)；構(gòu)建機(jī)床刀具磨損分析系統(tǒng)，進(jìn)行刀具狀態(tài)信號(hào)分析和相應(yīng)樣本庫(kù)的建立。

一、基本理論

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（Empirical Mode Decomposition簡(jiǎn)稱EMD)）是美國(guó)國(guó)家宇航局的N.E.Hunag于1998年提出的一種基于信號(hào)特征時(shí)間尺度的時(shí)域分解方法，適合于分析非線性、非平穩(wěn)信號(hào)序列，具有很高的信噪比[2、3]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法將首先對(duì)一系列非平穩(wěn)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)化處理，接著做希爾伯特變換得到邊際譜圖，從而可以得到有物理意義的頻率值。由于基函數(shù)是由數(shù)據(jù)本身所分解得到，所以這種方法是直觀的、直接的、后驗(yàn)的和自適應(yīng)的。

小波由法國(guó)從事石油信號(hào)處理的工程師J.Morlet在1974年最早提出的，是一種目前使用比較多的時(shí)頻分析方法，特點(diǎn)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行變時(shí)窗分析，即對(duì)信號(hào)中的低頻分量采用較寬的時(shí)窗，對(duì)高頻分量采用較窄的時(shí)窗，這個(gè)特點(diǎn)使得小波分析在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部分析特性，比較適合分析具有瞬態(tài)性和隨機(jī)性的信號(hào)[4-5]。

虛擬儀器 LaboratoryVirtualInstrumentEngineering Workbench簡(jiǎn)稱LabVIEW，是一種圖形化編程語(yǔ)言，它用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序，與傳統(tǒng)儀器有一樣的結(jié)構(gòu)，一般由3個(gè)主要部分組成：輸入，輸出，數(shù)據(jù)處理。①輸入。將信號(hào)調(diào)理后作為輸入，然后將被測(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這樣處理比較方便。②輸出。將量化的信號(hào)數(shù)據(jù)做必要的信號(hào)調(diào)理并轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。③數(shù)據(jù)處理。按需求對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行各種數(shù)學(xué)分析和信號(hào)處理。

二、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由系統(tǒng)硬件和測(cè)試分析系統(tǒng)兩部分組成，硬件包括數(shù)據(jù)采集卡NI6023E（NI Corp,USA）、電渦流位移傳感器、聲傳感器、多功能功率放大器、PC計(jì)算機(jī)。硬件系統(tǒng)的建立只是前期的工作，它為數(shù)據(jù)采集提供了信號(hào)來(lái)源，而軟件系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)的處理功能協(xié)調(diào)硬件的工作。如由軟件發(fā)布指令到采集卡來(lái)完成電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，運(yùn)用各種算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理以得到所需要的信息。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件編程部分，完成對(duì)刀具磨損聲發(fā)射及振動(dòng)信號(hào)的采集、處理、分析等。軟件系統(tǒng)將在硬件的支持下，最終實(shí)現(xiàn)如下功能。

信號(hào)參數(shù)設(shè)置功能模塊。模塊主要包括采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置、傳感器參數(shù)設(shè)置、增益倍數(shù)設(shè)置和采集通道設(shè)置，為信號(hào)采集順利完成，并能夠采集到正確的信號(hào)提供保證。

磨損監(jiān)測(cè)功能模塊。通過(guò)A/D卡采集振動(dòng)及聲發(fā)射信號(hào)，傳遞至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，顯示時(shí)域波形，并可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算顯示。

磨損分析功能模塊。對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT變換后顯示頻域波形，相位譜、幅值譜、倍頻程、軸心軌跡圖的顯示。

數(shù)據(jù)管理功能模塊。該模塊用于打開(kāi)原始信號(hào)，便于離線分析。

圖2為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)界面程序面板圖。通過(guò)水平刻度條顯示主監(jiān)測(cè)程序加載進(jìn)度，并顯示相應(yīng)進(jìn)度以及加載狀態(tài)，加載完成后進(jìn)入監(jiān)測(cè)主界面。圖3為啟動(dòng)界面程序面版。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)界面

1.信號(hào)參數(shù)設(shè)置功能模塊

信號(hào)參數(shù)設(shè)置模塊主要包括2個(gè)部分，軟件屬性設(shè)置和硬件屬性設(shè)置。軟件屬性包括測(cè)試時(shí)間、操作者、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)保存目錄等設(shè)置。硬件屬性包括通道的選擇、設(shè)備的選擇、輸出電壓的范圍等參數(shù)的配置。圖4為參數(shù)設(shè)置模塊的前面板。采集電壓最小值默認(rèn)0，最大電壓默認(rèn)為10 V，采樣頻率初始化為8192 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)初始化為8192，數(shù)據(jù)保存路徑默認(rèn)為C：LabVIEW1.txt。根據(jù)所選用的傳感器來(lái)確定信號(hào)采集的通道，點(diǎn)擊確定按鈕轉(zhuǎn)換到磨損監(jiān)測(cè)界面，點(diǎn)擊退出系統(tǒng)，程序停止運(yùn)行。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)界面程序面板圖

圖4 參數(shù)設(shè)置模塊的前面板

2.磨損監(jiān)測(cè)功能模塊

首先是對(duì)內(nèi)存初始化，存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，而且對(duì)數(shù)據(jù)做一些簡(jiǎn)單的處理，如求取數(shù)據(jù)的均值、峰峰值以及變換到頻域顯示，由此完成整個(gè)采集的過(guò)程。主要包括數(shù)據(jù)的采集、時(shí)域波形顯示、相位譜、幅值譜、倍頻程、軸心軌跡圖的顯示以及倍頻的選擇、通道的選擇、基本統(tǒng)計(jì)分析的計(jì)算及顯示。

圖5 磨損監(jiān)測(cè)模塊的前面板

圖5為磨損監(jiān)測(cè)模塊的前面板。點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕，則位移傳感器、聲音傳感器等采集到的實(shí)時(shí)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中，經(jīng)數(shù)據(jù)采集程序調(diào)理后信號(hào)的時(shí)域波形、相位譜、幅值譜以及倍頻都會(huì)顯示在波形圖中，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕開(kāi)始保存數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)中，點(diǎn)擊“停止”按鈕則停止采集信號(hào)。圖6為數(shù)據(jù)采集模塊程序圖。

圖6 數(shù)據(jù)采集程序面板

3.磨損分析功能模塊

磨損分析模塊用于對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行后期分析處理，提取出與刀具磨損量緊密相關(guān)的特征量值，為鑒別刀具磨損情況做出一定的判斷。磨損分析部分包括信號(hào)分析和信號(hào)處理。信號(hào)分析可以通過(guò)解析法找出信號(hào)的不同特征，以了解其特性，找出隨時(shí)間或頻率變化的規(guī)律。信號(hào)處理是指信號(hào)經(jīng)過(guò)加工和變換，變換成另一個(gè)信號(hào)的過(guò)程。

磨損分析模塊包括監(jiān)測(cè)刀具的信號(hào)通過(guò)選擇高通、低通或者帶通濾波器以后再經(jīng)過(guò)加窗函數(shù)（漢寧窗、漢明窗、三角窗、矩形窗等）以后進(jìn)行時(shí)、頻域分析、顯示模塊（對(duì)采集的信號(hào)定性分析）；時(shí)域分析模塊（方差、均值、峰峰值、均方根值、最大最小值等）；頻域波形分析模塊（中位頻率、幅值譜分析、功率譜、相位譜、倒頻譜分析）；時(shí)、頻分析的EMD分析、邊際譜及小波分解和奇異值檢測(cè)。圖7為時(shí)域分析前面板，圖8為頻域分析前面板。圖9為時(shí)頻分析之EMD分析前面板，圖10是時(shí)頻分析之小波分析前面板。

圖7 時(shí)域分析前面板

4.信號(hào)管理功能模塊

主要是對(duì)采集的信號(hào)的資料進(jìn)行管理，包括數(shù)據(jù)的讀取、波形回顯（圖11）。

圖8 頻域分析前面板

圖9 時(shí)頻分析之EMD分析前面板

圖10 時(shí)頻分析之小波分析前面板

四、結(jié)束語(yǔ)

圖11 數(shù)據(jù)管理模塊

LabVIEW通過(guò)圖形符號(hào)來(lái)描述程序，編程過(guò)程更加接近人的思維模式，可以把效率提高數(shù)十倍。本章利用LabVIEW圖形化編程優(yōu)勢(shì)快速建立了友好的人機(jī)界面。通過(guò)一個(gè)人機(jī)界面的簡(jiǎn)單控制操作，實(shí)現(xiàn)方便、快捷、準(zhǔn)確地對(duì)振動(dòng)信號(hào)及聲發(fā)射信號(hào)的分析處理和模式識(shí)別，有一定的實(shí)用應(yīng)用價(jià)值。

1 張順軍.BTA深孔鉆削排屑與刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2007

2 劉慧婷.EMD方法的研究與應(yīng)用[D].合肥：安徽大學(xué)，2004

3 張曉亮.EMD方法在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2003

4 謝秀嫻.基于聲發(fā)射和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刀具磨損狀態(tài)識(shí)別研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005

5 盧廣陵.基于Web的水電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)小波變換處理技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007