甘梓舜，王鵬宇，趙文祥，焦 黎，史雪春，王西彬

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 先進(jìn)加工研究所，北京 100081；2.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 淄博 255200)

隨著國際市場競爭的日益激烈，機(jī)械產(chǎn)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(yīng)市場的需要，各個(gè)企業(yè)或部門陸續(xù)將計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等自動化的生產(chǎn)方式應(yīng)用于生產(chǎn)制造的過程中，以提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率。在制造過程中，利用先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)監(jiān)視制造運(yùn)行過程，發(fā)現(xiàn)故障先兆，分析故障原因，并及時(shí)處理故障，是確保制造過程經(jīng)濟(jì)和高效運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。

多傳感器集成融合就是把分布在不同位置的多個(gè)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(bǔ)，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(yīng)的快速性和正確性，同時(shí)降低其決策風(fēng)險(xiǎn)[2]。

在車削加工中，由于工件的轉(zhuǎn)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(yīng)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(jī)床各物理特性的大致趨勢進(jìn)行處理便可獲取機(jī)床狀態(tài)信息，以達(dá)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(shí)現(xiàn)對機(jī)床狀態(tài)的實(shí)時(shí)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(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)測。試驗(yàn)機(jī)床型號為HAWK TC—150。

1 多傳感器融合監(jiān)測平臺的構(gòu)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(jī)與下位機(jī)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(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。其功能模塊具體分為智能傳感器數(shù)據(jù)接收模塊、傳感器信號處理模塊和上、下位機(jī)通信模塊。下位機(jī)信號采集板的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)以及人機(jī)交互等功能。

圖2 下位機(jī)采集板系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 切削力測量系統(tǒng)

切削力是車削過程中產(chǎn)生的重要物理現(xiàn)象，其大小與工件材料和切削因素有關(guān)，并直接影響切削過程，因此將切削力監(jiān)測作為主要內(nèi)容納入考慮。通過試驗(yàn)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(yīng)變式傳感器)。為使設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)更具適用性，使用壓電片傳感器進(jìn)行三向切削力測量。壓電片通過特定的壓力信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換被下位機(jī)采集到。切削力測量下位機(jī)采集板選用的是單片機(jī)STM32F103，其各種性能均滿足所設(shè)計(jì)的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)要求，并具有體積小、便攜的優(yōu)點(diǎn)。其主要部件及信息傳遞過程如圖3所示。下位機(jī)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(zhuǎn)換三向切削力時(shí)需減去夾緊力帶來的A-D值。

圖3 切削力測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.2 主軸電流測量系統(tǒng)

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

為研究電流與機(jī)床狀態(tài)的關(guān)系，對主軸電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以建模如下：

(1)

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

不考慮轉(zhuǎn)子繞組的損耗，主軸電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te計(jì)算式為：

(2)

式中，Ke為主軸電動機(jī)轉(zhuǎn)矩常量；Ie為三相電流的RMS值；iab、iac、ib c為主軸電動機(jī)三相輸入電流。

主軸電動機(jī)的總干擾轉(zhuǎn)矩Tt計(jì)算式為：

Tt=Ta+Tfco+δTf+Tc

(3)

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

Ta=KeIe-Bω-Tf

(4)

由于Bω、Tf恒定，所以電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩將隨著故障的變化而變化，因此電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可用來進(jìn)行主軸機(jī)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化，也引起電動機(jī)電流的變化；并且電流越大，說明主軸載荷越大。當(dāng)載荷超過某一閾值‘It’時(shí)，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(dāng)前的運(yùn)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(jī)STM32F103進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其安裝組成如圖4所示。由于單片機(jī)STM32含有多個(gè)A-D轉(zhuǎn)換測量通道，因此與力傳感器共用同一個(gè)單片機(jī)進(jìn)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(jī)。

圖4 電流測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.3 上位機(jī)系統(tǒng)和傳感器安裝

上位機(jī)使用Visual Basic 6.0企業(yè)版編程，并使用工業(yè)控件，可實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示、采樣值的數(shù)據(jù)處理和存儲分析等。其顯示界面如圖5所示。

a)切削力實(shí)時(shí)采集曲線界面

b)切削電流實(shí)時(shí)采集曲線界面

傳感器安裝示意圖如圖6所示。3個(gè)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(shè)計(jì)了一個(gè)與刀桿底部接觸的U形塊，壓電片安裝在2個(gè)接觸面之間。振動傳感器安裝在刀桿的前端，用于測量2個(gè)方向的振動。由于振動傳感器的設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，因此直接采用由Coinv設(shè)計(jì)的振動傳感器采集數(shù)據(jù)。電流傳感器安裝在主軸電動機(jī)附近，電動機(jī)電纜穿過傳感器。測試平臺的實(shí)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(shí)物圖

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 機(jī)床狀態(tài)分析

機(jī)床狀態(tài)可通過切削力和主軸電流進(jìn)行判斷。主軸電流用于分析機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)，首先在不同工況以及空載恒速下測量機(jī)床電流大小，按上節(jié)所提到的設(shè)定閾值‘It’，當(dāng)檢測到電流值大于‘It’時(shí)，發(fā)出報(bào)警。切削力作為切削過程中的重要指標(biāo)，可反映切削過程刀具破損。在刀具破損時(shí)，切削力有一個(gè)明顯的增幅。在下位機(jī)編程時(shí)，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(jù)不同狀況決定)，則可判斷刀具崩刃。

2.2 切削試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

本文主要的試驗(yàn)對象為超高強(qiáng)度鋼42CrMo，其主要成分見表1。

表1 42CrMo主要元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

該切削試驗(yàn)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(yàn)以測試傳感器系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，并就試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)參數(shù)和測量結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)與測量結(jié)果

以上信息數(shù)據(jù)是在切削過程中數(shù)據(jù)的平均值，在切削過程中收集的實(shí)時(shí)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(jìn)行了一系列對比試驗(yàn)，在不同刀具磨損狀況下采集切削力和電流數(shù)據(jù)，試驗(yàn)參數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)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(jù)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(yán)重，切削力和電流數(shù)據(jù)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(jù)

圖10 嚴(yán)重磨損后的刀具后刀面(VB:0.167 mm)

圖11 未經(jīng)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(jù)

圖13 不同切削參數(shù)下的主軸電流數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并搭建了一種便攜式多傳感器融合機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，主要工作及結(jié)論如下：1)進(jìn)行大量刀具磨損切削試驗(yàn)，采集切削過程中的切削力與振動信號，驗(yàn)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(guān)系，發(fā)現(xiàn)刀具磨損對機(jī)床物理信號的影響，并通過電流閾值在線判斷機(jī)床狀態(tài)；3)后續(xù)將對該傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法具體分析刀具磨損與切削力和電流之間的定量關(guān)系。