劉 森 李 靜 高華玨 沈南燕

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鈦合金磨削中砂輪磨損狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)研究*

劉 森 李 靜 高華玨 沈南燕

（上海大學(xué)上海市智能制造及機(jī)器人重點實驗室 上海200072）

鈦合金是一種典型的難加工材料，在磨削時容易造成砂輪粘附導(dǎo)致磨粒的破碎與脫落，使砂輪發(fā)生磨損，影響工件的加工質(zhì)量。基于振動信號研究了鈦合金磨削砂輪磨損狀態(tài)的在線監(jiān)測，分析了砂輪磨損過程及振動與磨損的內(nèi)在聯(lián)系，通過試驗提取出反映砂輪磨損狀態(tài)的特征值，制定了砂輪磨損的判別流程，設(shè)計了砂輪磨損判別閾值，用上位機(jī)軟件開發(fā)了砂輪磨損在線監(jiān)測軟件，最后通過試驗驗證了砂輪磨損判別方法的可靠性，為以后使用普通外圓磨床中低速磨削鈦合金提供一些參考。

鈦合金 砂輪磨損 振動信號 在線監(jiān)測

鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐蝕性高、化學(xué)活性大等材料特性，使鈦合金成為了典型的難加工材料，在磨削加工中容易造成砂輪粘附嚴(yán)重、磨削力大、磨削質(zhì)量不易控制等狀況，給鈦合金磨削造成了很大的困難[1]。目前國內(nèi)外研究鈦合金主要以高速磨削為主，在中低速磨削方面研究的較少[2]，故本文嘗試以中低速磨削鈦合金，研究鈦合金磨削時砂輪磨損狀態(tài)。

砂輪磨損狀態(tài)在線監(jiān)測對提高磨削系統(tǒng)的智能程度有著重要意義。一般刀具磨損的監(jiān)測信號常見的有切削力、功率、振動和噪聲等，而對砂輪磨損狀態(tài)識別的研究不多，且大多是基于切削力信號進(jìn)行研究[3]?？紤]到砂輪磨損監(jiān)測信號的方便性和經(jīng)濟(jì)性，本文從振動信號著手研究砂輪的磨損狀態(tài)，首先分析了砂輪磨損過程及振動與磨損的內(nèi)在聯(lián)系，然后進(jìn)行磨削試驗研究提取出反映砂輪磨損狀態(tài)的特征值，設(shè)計了砂輪磨損的判別流程及判別閾值，用上位機(jī)軟件開發(fā)了砂輪磨損在線監(jiān)測軟件，最后通過試驗驗證了砂輪磨損判別方法的可靠性。

1 基于振動信號的砂輪磨損研究

1.1 砂輪磨損過程分析

砂輪磨損是一個復(fù)雜的物理過程，其形式主要有磨粒的磨耗磨損、磨粒破碎等。大量的研究證明砂輪磨損過程大致可以分為初期磨損、穩(wěn)定磨損、急劇磨損這三個階段[4]。砂輪磨損過程如圖1所示。在初期磨損階段，砂輪磨損主要表現(xiàn)為磨粒的破碎和整體脫落，砂輪半徑磨損較大，表現(xiàn)為曲線上升較陡；在穩(wěn)定磨損階段，仍會有一些磨粒破碎，但主要為磨粒的磨耗磨損，表現(xiàn)為曲線斜率較小，在急劇磨損階段，磨粒大塊碎裂，結(jié)合橋斷裂，砂輪不能正常工作，表現(xiàn)為曲線斜率急劇上升，一般磨削在達(dá)到該階段之前，砂輪就需要重新修整了[5]。

圖1 砂輪磨損過程

1.2 砂輪磨損與磨削振動的關(guān)系

由磨削振動理論可知，系統(tǒng)的振動是由激振源及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性決定的。磨削過程中磨粒不斷地破碎脫落，由于自銳性會形成新的磨粒，導(dǎo)致與工件接觸的磨粒數(shù)（有效磨削磨粒）不斷發(fā)生變化；工件和砂輪之間互相磨削導(dǎo)致有效磨削磨粒和工件的接觸面積也在不斷變化。而在這個過程中，作為振動激勵和磨削力、砂輪和工件之間的動態(tài)接觸剛度和動態(tài)阻尼都在變化，因此砂輪磨損與振動信號之間必然存在著聯(lián)系[6]。故本文可以提取出能夠表明振動信號的特征值，研究特征值與砂輪磨損之間的關(guān)系。

2 特征值的提取及砂輪磨損判別流程

2.1 特征值的提取

本次試驗對鈦合金TC4棒料進(jìn)行磨削，規(guī)格為?80mm×200mm，如圖2所示；采用MK1620×500型數(shù)控端面外圓磨床，砂輪材料為白剛玉；采用凱斯特全合成切削液進(jìn)行冷卻并潤滑；振動信號采集控制器采用NI CDAQ-9188機(jī)箱，采集模塊采用NI 9234，振動傳感器選用美國CTC的壓電式加速度計AC192，布置在砂輪主軸電機(jī)外殼X、Y方向，如圖3所示。試驗?zāi)ハ鲄?shù)如表1所示。

表1 試驗?zāi)ハ鲄?shù)

在試驗前需先對砂輪進(jìn)行修整，修整完后開始磨削鈦合金工件，每走刀一次就用上位機(jī)軟件采集一次砂輪的振動信號并求出振動信號的均方根、幅值、均值、最大值、最小值等，直到砂輪磨損為止。

圖2 鈦合金TC4棒料

圖3 傳感器布置

通過對比振動信號的各種特征值發(fā)現(xiàn)振動信號的均方根與砂輪的磨損量之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。從圖中可以看出用剛修整好的砂輪進(jìn)行磨削時振動信號均方根比后面正常磨削階段的振動信號均方根稍大一些，正常磨削階段的振動信號均方根比較穩(wěn)定，劇烈磨損階段振動信號均方根急劇增大，這也與前文提到的砂輪磨損過程的三個階段特點相符，故我們認(rèn)為可以用振動信號均方根作為振動信號特征值來表征砂輪是否發(fā)生磨損。

圖4 振動信號均方根隨砂輪磨損變化趨勢圖

2.2 砂輪磨損判別流程

研究表明在磨削過程中，隨著砂輪走刀次數(shù)的增加砂輪會逐漸磨損，當(dāng)砂輪磨損到劇烈磨損階段時，磨削振動信號會發(fā)生明顯的變化[7]。因此可以結(jié)合砂輪的走刀次數(shù)和振動信號均方根作為砂輪磨損狀態(tài)的主要識別依據(jù)。故需要在走刀次數(shù)和振動信號均方根上分別設(shè)置一個判別閾值，而固定磨削工藝參數(shù)下的閾值可以通過實驗獲取。本文設(shè)計的砂輪磨損判別的具體流程如圖5所示，其中a代表砂輪的走刀次數(shù)，b代表振動信號均方根超過閾值的次數(shù)，c代表砂輪的走刀次數(shù)閾值。判定砂輪磨損并報警的情況有以下三種：（1）當(dāng)磨削振動信號超過閾值同時砂輪的走刀次數(shù)也超過閾值；（2）砂輪的走刀次數(shù)大于1.2倍的走刀次次數(shù)閾值，這主要是為了考慮因為一些突發(fā)狀況如無法采集振動信號、周圍環(huán)境干擾等因素導(dǎo)致采集來的振動信號始終不會超過閾值，也能及時的提示報警；（3）磨削振動信號連續(xù)兩次超過閾值。目的是為了防止在砂輪正常的情況下，振動信號因偶然因素超過閾值一次造成誤判。

圖5 砂輪磨損判別流程圖

3 砂輪磨損判別閾值的設(shè)計

根據(jù)前文砂輪磨損判別流程圖可知，通過上位機(jī)軟件對砂輪狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控最重要的部分是確定砂輪磨損識別閾值，即走刀次數(shù)閾值和振動信號均方根閾值。閾值的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到判定的結(jié)果；如果閾值設(shè)定的過低，則會出現(xiàn)非不穩(wěn)定狀態(tài)的錯誤報警，導(dǎo)致操作人員誤操作，干預(yù)設(shè)備的正常運(yùn)行；如果閾值設(shè)置過高，則可能會出現(xiàn)漏報警，甚至可能造成設(shè)備損壞或重大事故[8]。

3.1 走刀次數(shù)閾值設(shè)置

為了保證走刀次數(shù)閾值選取的可靠性，在試驗前需先對砂輪進(jìn)行修整。修整完后開始磨削鈦合金工件，每走刀一次就用上位機(jī)軟件采集一次砂輪的振動信號并求出振動信號的均方根，同時記錄砂輪的走刀次數(shù)，直到砂輪磨損為止。每次采集來的振動信號波形圖如圖6~圖16所示。從圖16中可以明顯看出振動信號發(fā)生了劇烈變化，故砂輪的走刀次數(shù)閾值設(shè)為11次。

圖6 砂輪第1次走刀

圖7 砂輪第2次走刀

圖8 砂輪第3次走刀

圖9 砂輪第4次走刀

圖10 砂輪第5次走刀

圖11 砂輪第6次走刀

圖12 砂輪第7次走刀

圖13 砂輪第8次走刀

圖14 砂輪第9次走刀

圖15 砂輪第10次走刀

圖16 砂輪第11次走刀

3.2 振動信號均方根閾值設(shè)置

對于信號類閾值的設(shè)置通常有以下兩種方法：第一種是以機(jī)床正常加工狀態(tài)下監(jiān)測到的振動信號作為基準(zhǔn)值，取基準(zhǔn)值的若干倍作為評估閾值[9]。第二種是在相同工況下多次采樣然后取其平均值作為評估閾值[10]。本文為了節(jié)約時間和減少系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，采用第二種方法確定振動信號均方根閾值。在磨削參數(shù)不變的情況下用已經(jīng)磨損的砂輪繼續(xù)磨削工件10次，同樣的每磨削一次采集一次振動信號，將10個振動信號均方根的平均值0.008作為評估閾值。

4 砂輪磨損在線監(jiān)測的實現(xiàn)

本文根據(jù)實際需要利用Labview編寫了砂輪磨損在線監(jiān)測的上位機(jī)軟件。在程序中設(shè)定好走刀次數(shù)閾值和振動信號均方根閾值后，程序啟動后當(dāng)砂輪處于正常使用階段時程序會顯示正常運(yùn)行，而當(dāng)砂輪發(fā)生磨損時，程序會自動暫停并且亮燈報警，從而提醒工作人員停機(jī)檢查，避免對工件和磨床造成損傷。上位機(jī)軟件前面板人機(jī)交互界面如圖17所示，后面板部分程序框圖如圖18所示。

圖17 砂輪磨損在線監(jiān)測人機(jī)交互界面圖

圖18 砂輪磨損在線監(jiān)測部分程序框圖

為了驗證所設(shè)計的砂輪磨損在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，本文設(shè)計了一個驗證試驗。驗證試驗中鈦合金工件的磨削工藝參數(shù)與表1一致，試驗前需先對已經(jīng)磨損的砂輪進(jìn)行修整。走刀次數(shù)閾值取為11，振動信號均方根取為0.008。當(dāng)試驗走刀次數(shù)達(dá)到11次時，振動信號均方為0.008 824 32，程序自動停止，機(jī)床報警燈亮，如圖19所示。此時停掉磨床查看磨削后的工件，發(fā)現(xiàn)工件表面出現(xiàn)明顯的燒傷，如圖20所示，這也間接的證明了此時砂輪已經(jīng)磨損，需要工作人員在此時修整砂輪或者更換新的砂輪。

圖19 驗證試驗報警圖

圖20 磨削后工件表面燒傷圖

驗證試驗結(jié)果表明：在磨削工藝參數(shù)確定的情況，本文所設(shè)計的砂輪磨損在線監(jiān)測系統(tǒng)是有效的，并且判定閾值的設(shè)置也是合理的，能夠及時在砂輪磨損的時候提示報警，避免了砂輪磨損后對工件加工質(zhì)量造成不良的影響。

5 結(jié)語

本文采用普通外圓磨床中低速磨削鈦合金，在保證加工精度和效率的前提下，從振動信號著手研究砂輪的磨損狀態(tài)，通過磨削試驗提出了用振動信號均方值來表征砂輪磨損狀態(tài)的方法，制定了砂輪磨損的判別流程并確定了砂輪磨損判別閾值，用上位機(jī)軟件開發(fā)了砂輪磨損在線監(jiān)測軟件，通過試驗驗證了砂輪磨損判別方法的有效性，并能夠為鈦合金磨削中砂輪磨損時提示報警。

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*上海市科委項目：面向汽車發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零件的異型曲面多任務(wù)智能磨床

編號：13DZ1101602