專利名稱：一種聲發(fā)射(ae)刀具綜合監(jiān)視(控)方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及切(磨)削過程刀具(砂輪)破損、磨損及其它工況的實(shí)時(shí)監(jiān)視(控)方法與裝置。
切(磨)削過程刀具(砂輪)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)視(控)是現(xiàn)代制造系統(tǒng)和重型機(jī)械制造及大型貴重工件切(磨)削設(shè)備與工件安全，提高設(shè)備利用率和產(chǎn)品質(zhì)量，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低成本和廢品率，減少物質(zhì)消耗，實(shí)現(xiàn)無人化全自動(dòng)加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。
刀具(砂輪)切(磨)削過程工況實(shí)時(shí)監(jiān)視(控)系統(tǒng)與裝置的主要技術(shù)要求有①以足夠的工作精度(漏報(bào)與誤報(bào)率均應(yīng)＜5～10%)實(shí)現(xiàn)破損、異常磨損(或磨損)和其它刀具工況監(jiān)視(控)功能;②能穩(wěn)定地在數(shù)控車間及普通機(jī)加工車間條件下正常工作，有強(qiáng)地抗現(xiàn)場(chǎng)機(jī)、電、磁、聲干擾，特別是瞬態(tài)強(qiáng)干抗的能力;③對(duì)瞬態(tài)刀具工況如破損響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng);④有良好的應(yīng)用性能-適應(yīng)機(jī)型和工種多，裝調(diào)簡單可靠，不影響正常切削條件(包括切削用量、冷卻潤滑液條件等)的選用，使用經(jīng)濟(jì)效益好，而裝置成本適中(≤1/10設(shè)備價(jià)格)。但在近二十年，無論是直接還是間接方法還沒有一個(gè)廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)具有上述全部功能要求?；诠鈱W(xué)圖象，接觸與放射線法的監(jiān)視系統(tǒng)難于實(shí)用化，功率或電流識(shí)別法靈敏度低;切削力或力矩法受阻于識(shí)別閾值的確定;振動(dòng)與聲發(fā)射法雖有應(yīng)用前景，但仍難完全滿足上述要求。中國發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?9100419.X提出了基于多維特征參數(shù)的組合識(shí)別方法并實(shí)現(xiàn)了智能化判斷和硬、軟件抗干擾濾波與剔除、抑制，達(dá)到了實(shí)用化的上述主要要求，但該申請(qǐng)專利尚有以下不足之處(1)它主要用于單工序(種)工況監(jiān)視，不能適應(yīng)多工序(種)，多種刀具加工機(jī)床，如加工中心機(jī)床，柔性制造單元(FMC)，柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIM)等，自動(dòng)綜合刀具工況監(jiān)視的要求;(2)為適應(yīng)刀具綜合監(jiān)視，它不具有可編程閾值和增益的自動(dòng)調(diào)整能力。
本發(fā)明的目的在于研究響應(yīng)速度快，工作精度高，抗瞬態(tài)強(qiáng)干擾能力強(qiáng)，適于對(duì)多工序(種)，多種刀具變換的自動(dòng)化機(jī)床連續(xù)工作中刀具工況實(shí)時(shí)監(jiān)視，具有可編程的閾值和增益自動(dòng)調(diào)整能力的綜合刀具監(jiān)視(控)技術(shù)與裝置。
刀具(砂輪)切(磨)削過程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的因素很多，且其信號(hào)又有多種特征，所有單獨(dú)一種聲發(fā)射信號(hào)特征很難作為斷定刀具(砂輪)的工況，必須對(duì)AE信號(hào)的多種特征加以綜合分析，才能較好地反映刀具(砂輪)的工作狀況，減少漏報(bào)率誤報(bào)率。AE信號(hào)的特征有以下幾種
1.振鈴記數(shù)即單位時(shí)間內(nèi)超過預(yù)置閾值A(chǔ)E信號(hào)的個(gè)數(shù)。AE信號(hào)的波形見附
圖1a。該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、削去其低于閾值電平值的信號(hào)，再經(jīng)過整形后即成振鈴信號(hào)波形圖，如圖1b。
2.一次包絡(luò)信號(hào)是對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波所得信號(hào)。如圖1c。
3.一次包絡(luò)信號(hào)幅值的均值是單位時(shí)間間隔內(nèi)，一次包絡(luò)信號(hào)幅值的均值。
4.一次包絡(luò)信號(hào)的峰值如圖1c中的Ap1、Ap2……
5.一次包絡(luò)信號(hào)的微分峰峰值即將一次包絡(luò)信號(hào)用微分電路進(jìn)行微分，即得圖1g中的Ad1，Ad2，Ad3，Ad4……
6.二次包絡(luò)信號(hào)即將一次包絡(luò)信號(hào)經(jīng)低通濾波而成，如圖1d。
7.二次包絡(luò)信號(hào)的峰值即如圖1d中的SA1，SA2……
8.一次包絡(luò)峰值記數(shù)圖1f即為一次包絡(luò)峰值記數(shù)信號(hào)，其產(chǎn)生過程為將圖1d的二次包絡(luò)信號(hào)值加一常數(shù)k值后與圖1c中的一次包絡(luò)信號(hào)相比(如圖1e)當(dāng)一次包絡(luò)信號(hào)的峰值超過已疊加一常數(shù)k值后的二次包絡(luò)信號(hào)的幅值時(shí)，即得一個(gè)一次包絡(luò)峰值記數(shù)，k值為按不同切削工況而定的值。
9.二次包絡(luò)信號(hào)波延續(xù)時(shí)間由預(yù)置閾值所截取的一個(gè)二次包絡(luò)信號(hào)波的時(shí)間長度，如圖1d之tA2，按工況確定預(yù)值的閾值。
上述幾種AE信號(hào)的特征都在某個(gè)方面反映刀具(砂輪)切(磨)削過程中的工作狀況，當(dāng)幾種特征參數(shù)的綜合達(dá)到某一值時(shí)，即表明刀具(砂輪)的破損或工況異常。
本發(fā)明的構(gòu)成是用AE信號(hào)的“振鈴記數(shù)”，“一次包絡(luò)信號(hào)幅值的均值”，“一次包絡(luò)信號(hào)的峰值”，“二次包絡(luò)信號(hào)的峰值”，“一次包絡(luò)信號(hào)峰值記數(shù)”，“二次包絡(luò)信號(hào)的波延續(xù)時(shí)間”，“一次包絡(luò)信號(hào)的微分峰峰值”作為判斷刀具(砂輪)工況的特征指標(biāo)。
其判斷原理如下
以二個(gè)特征信號(hào)為例，特征信號(hào)L1，L2(二維)可在特征平面上用線性方程
Y＝a1l1+a2l2+a3(區(qū)域Ⅰ)
Y＝b1l1+b2l2+b3(區(qū)域Ⅱ)來表示(圖2)。
對(duì)不同的L1，L2都可以在特征平面上組成不同的Y值。為了表示刀具工況正常和異常，Y值應(yīng)分為兩類。由大量的切削實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以得到一條Y-Y折線作為識(shí)別分界線，在Y-Y折線以右的為異常區(qū)，在Y-Y折線左面的為正常區(qū)。因此對(duì)某一特定的L1，L2值，即可計(jì)算出其Y值，然后檢查其Y值是在Y-Y折線的右面還是左面，如在右面則表示異常(即刀具破損)，如在左面則表示正常。Y-Y折線稱為決策線。
假如有三個(gè)特征信號(hào)L1，L2，L3(三維)則相當(dāng)于二維時(shí)的特征平面即為特征空間。且也可按線性方程計(jì)算出不同L1，L2，L3時(shí)的Y值。同樣也可以把不同的Y值分為二類(正常的和異常的)，而且也可由一折平面(折面)來劃分。在平面一邊的為正常區(qū)，在另一邊的為異常區(qū)，該平面即叫做決策面(相當(dāng)于二維時(shí)的決策線)。
進(jìn)一步把特征信號(hào)擴(kuò)大到七個(gè)(L1，L2，…L7)則該七個(gè)特征值也可按線性方程Y＝f(
)計(jì)算出Y值，且分布在一個(gè)廣義的空間中(七維空間)。且也可由一個(gè)決策面(折面)來將各個(gè)不同的Y值分成兩組(正常區(qū)和異常區(qū))。
本發(fā)明中采用的線性方程Y＝f(
)具體為
其中a1…a8，b1…b8系數(shù)，按不同的工況決定。
例如對(duì)于n＝255rpm機(jī)攻絲監(jiān)視時(shí)，L1為振鈴記數(shù)，L2為一次包絡(luò)信號(hào)幅值的均值，L3為一次包絡(luò)信號(hào)的峰值，L4為一次包絡(luò)信號(hào)的微分峰峰值，L5為二次包絡(luò)信號(hào)峰值，L6為一次包絡(luò)峰值記數(shù)，L7為二次包絡(luò)信號(hào)波延續(xù)時(shí)間，方程Y的系數(shù)分別為
a1＝b1＝1 a2＝b2＝-5 a3＝b3＝1
a4＝b4＝0.8 a5＝b5＝4 a6＝b6＝64
a7＝b7＝0.5 a8＝b8＝-213
表 在XH754加工中心上實(shí)測(cè)值
特征信號(hào)(L1…L7)即“振鈴記數(shù)”，“一次包絡(luò)信號(hào)幅值的均值”，“一次包絡(luò)信號(hào)的峰值”，“一次包絡(luò)信號(hào)的微分峰峰值”，“二次包絡(luò)信號(hào)峰值”，“一次包絡(luò)信號(hào)峰值記數(shù)”，“二次包絡(luò)信號(hào)的波延續(xù)時(shí)間”。
本發(fā)明聲發(fā)射刀具綜合監(jiān)視儀的構(gòu)成是，以上述特征指標(biāo)為識(shí)別輸入構(gòu)造一種按專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)建立的多層次AE信號(hào)特征參數(shù)模式識(shí)別與識(shí)別判斷程序固化于通用微型計(jì)算機(jī)中的智能化識(shí)別判斷與知識(shí)庫系統(tǒng)，具有可編程閾值和增益自動(dòng)調(diào)整能力的多工序，多種刀具的自動(dòng)綜合監(jiān)視系統(tǒng)。
按本發(fā)明的上述原理制成的聲發(fā)射刀具綜合監(jiān)視儀的工作原理圖如圖3。
該儀器由硬件、軟件來完成各項(xiàng)處理。
由傳感器接收AE信號(hào)經(jīng)過放大，帶通濾波由硬件進(jìn)行預(yù)處理，得到振鈴記數(shù)，一次包絡(luò)信號(hào)，二次包絡(luò)信號(hào)，一次包絡(luò)信號(hào)的微分。然后進(jìn)行特征提取，由軟件采樣，得到振鈴記數(shù)值，一次包絡(luò)幅值均值，一次包絡(luò)峰值，二次包絡(luò)峰值，二次包絡(luò)波延續(xù)時(shí)間，一次包絡(luò)微分峰峰值，一次包絡(luò)峰值記數(shù)值(即七個(gè)特征值)。參數(shù)估計(jì)部分即從工序信息取得加工方法信息(即車、銑、鉆等的代碼)從特征提取部分取得一次包絡(luò)幅值均值以確定加工狀況信息K(高速或低速)，從而估計(jì)出a1，a2，a3…a8，b1，b2，…b8及K值等參數(shù)的數(shù)值(由專家知識(shí)庫先驗(yàn)知識(shí)中得知)，然后結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)確定所用Y＝f(
)的方程。在分類器中按所提取的特征參數(shù)值用由先驗(yàn)知識(shí)所確定的Y＝f(
)方程進(jìn)行運(yùn)算得出Y值，進(jìn)行比較，如Y＜0則為正常，Y≥0則為異常，如為異常則啟動(dòng)報(bào)警器報(bào)警，如為正常則重復(fù)監(jiān)測(cè)。
完成上述功能的軟件框圖見圖4。
主程序初始化后開中斷1延時(shí)準(zhǔn)備接受中斷，而后中斷1即做數(shù)據(jù)采樣，采取振鈴記數(shù)，一次包絡(luò)，二次包絡(luò)，一次包絡(luò)微分，一次包絡(luò)峰值記數(shù)等五個(gè)參數(shù)，并重新啟動(dòng)采樣口，以使之不斷進(jìn)行采樣。延時(shí)結(jié)束后在主程序中進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，以確定b1，b2…b8，a1，a2…a8和K值等的參數(shù)及確定Y＝f(
)的方程形式，然后開啟中斷1并等待，中斷2對(duì)采樣所得的五個(gè)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)特征提取得到七個(gè)上述特征參數(shù)。按Y＝f(
)的具體方程式進(jìn)行計(jì)算然后進(jìn)行Y＜0或Y≥0的比較以作出是否報(bào)警的判斷，如為異常則啟動(dòng)報(bào)警器報(bào)警，如為正常則檢查切削狀態(tài)是否改變(即切削速度是否改變，加工方法是否改變)。如切削狀態(tài)改變則置切削狀態(tài)改變標(biāo)志。然后返回主程序，主程序檢查切削狀態(tài)標(biāo)志，如標(biāo)志不變則等待下次中斷，如標(biāo)志改變，則要重新估計(jì)參數(shù)，Y＝f(
)方程，然后返回重復(fù)監(jiān)測(cè)程序。
為完成上述功能，本聲發(fā)射綜合刀具監(jiān)視儀的系統(tǒng)框圖如圖5。
該儀器共分五大部分(Ⅰ)信號(hào)檢測(cè)與預(yù)處理單元(1～11);(Ⅱ)信號(hào)與通用微型計(jì)算機(jī)接口單元(12);(Ⅲ)通用微型計(jì)算系統(tǒng)(13);(Ⅳ)交聯(lián)傳輸I/O與報(bào)警輸出單元(14，15);(Ⅴ)抗干擾電源系統(tǒng)(16，17)。為寬帶壓電晶體AE傳感器頻帶為100KHZ～1MHZ(≤±10dB)[3]為前置放大器，[2]為放大器，增益為20dB或40dB，[3]為高通濾波器其截止頻率為100KHZ，衰減斜度為10dB/ocT。[2][3]組成的前置放大器輸入換算噪音小于4.5μV(RMS)，其電路原理圖為圖6。主放大器，增益為10～40dB。(圖7)為帶通濾波截止頻率高通300KHZ，低通1MHZ，衰減斜率24dB/ocT(圖8)。振鈴形成電路(圖9)。包絡(luò)形成電路(圖10)。
由[4][5][6][7]組成信號(hào)預(yù)處理電路如圖11。可編程放大器(圖11中的Ⅰ)，目的在于保證信號(hào)在A/D的合適量程之中。二次包絡(luò)形成電路(圖11中Ⅱ)。微分信號(hào)形成電路(圖11中Ⅲ)?？删幊涕撝当容^器，形成包絡(luò)計(jì)數(shù)(圖11中Ⅳ)。含A/D，D/A，CTC等信號(hào)與微機(jī)接口。微機(jī)系統(tǒng)。與機(jī)床交換信息的交聯(lián)口，可選RS232或繼電器。報(bào)警輸出，把報(bào)警信號(hào)送到儀器面板的報(bào)警燈與峰鳴器。～[15]組成為的微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的特征選擇與信號(hào)處理電路單元，電路圖如圖6。交流抗干擾電源(市售)直流穩(wěn)壓電源(市售)
說明附圖如下
圖1為波形圖。
a為聲發(fā)射(AE)波形圖b為振鈴記數(shù)波形圖
c為一次包絡(luò)波形圖d為二次包絡(luò)波形圖
e為一次包絡(luò)峰值記數(shù)形成圖f為一次包絡(luò)峰值記數(shù)波形圖
g為一次包絡(luò)微分峰峰值波形圖
圖2為特征平面圖。
圖3為聲發(fā)射刀具綜合監(jiān)視儀工作原理圖。
圖4為聲發(fā)射刀具綜合監(jiān)視儀軟件框圖。
圖5為聲發(fā)射刀具綜合監(jiān)視儀系統(tǒng)框圖。
圖6為前置放大器電路原理圖。
圖7為主放大器電路原理圖。
圖8為帶通濾波電路原理圖。
圖9為振鈴形成電路原理圖。
圖10為一次包絡(luò)形成電路原理圖。
圖11為信號(hào)處理單元電路原理圖。其中
Ⅰ-為可編程控放大器電路原理圖。
Ⅱ-為二次包絡(luò)形成電路原理圖。
Ⅲ-為微分電路原理圖。
Ⅳ-為一次包絡(luò)峰值記數(shù)電路原理圖。
按本發(fā)明對(duì)AE信號(hào)的多種特征加以綜合分析的方法來判斷刀具工況的方法制成的聲發(fā)射刀具監(jiān)測(cè)儀可以減少漏報(bào)率和誤報(bào)率。本發(fā)明的聲發(fā)射刀具綜合監(jiān)視儀漏報(bào)率、誤報(bào)率低，抗現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)、電、磁、聲等瞬態(tài)干擾能力強(qiáng)，并可用于多種機(jī)床及多工種，能自動(dòng)適應(yīng)多刀具多工種閾值設(shè)定及增益調(diào)整。
權(quán)利要求
1、一種聲發(fā)射(AE)刀具綜合監(jiān)視方法，其特征是用AE信號(hào)的“振鈴記數(shù)”、“一次包絡(luò)信號(hào)幅值的均值”，“一次包絡(luò)信號(hào)的峰值”、“一次包絡(luò)信號(hào)的微分峰峰值”、“二次包絡(luò)信號(hào)的峰值”、“一次包絡(luò)峰值記數(shù)”、“二次包絡(luò)信號(hào)波延續(xù)時(shí)間”作為判斷刀具(砂輪)破損的特征指標(biāo)。
2、一種由聲發(fā)射(AE)信號(hào)檢測(cè)與預(yù)處理單元、信號(hào)與通用微型計(jì)算機(jī)接口單元、通用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、交聯(lián)傳輸與報(bào)警輸出單元和抗干擾電源系統(tǒng)組成的聲發(fā)射(AE)刀具綜合監(jiān)視儀，其特征是按專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)建立的多層次AE信號(hào)特征參數(shù)模式識(shí)別與識(shí)別判斷程序固化于通用微型計(jì)算機(jī)中的智能化識(shí)別判斷與知識(shí)庫系統(tǒng)，具有可編程閾值和增益自動(dòng)調(diào)整能力的多工序、多種刀具自動(dòng)綜合監(jiān)視系統(tǒng)。
全文摘要
一種聲發(fā)射刀具綜合監(jiān)視方法，其特征是用聲發(fā)射信號(hào)的振鈴記數(shù)，一次包絡(luò)信號(hào)幅值的均值，一次包絡(luò)信號(hào)的峰值，一次包絡(luò)信號(hào)的微分峰峰值，二次包絡(luò)信號(hào)的峰值，一次包絡(luò)信號(hào)峰值記數(shù)，二次包絡(luò)信號(hào)波延續(xù)時(shí)間等七個(gè)特征參數(shù)作為判斷刀具工況的指標(biāo)，按此法制成的聲發(fā)射刀具綜合監(jiān)視儀其漏報(bào)率及誤報(bào)率低，抗現(xiàn)場(chǎng)機(jī)、電、聲、磁等瞬態(tài)干擾能力強(qiáng)，并可用于多種機(jī)床、多工種，能自動(dòng)適應(yīng)多刀具，多工種閾值設(shè)定及增益調(diào)整。
文檔編號(hào)B23Q17/09GK1041721SQ8910883
公開日1990年5月2日 申請(qǐng)日期1989年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月30日
發(fā)明者張伯鵬, 羅振璧, 鄭力, 湯曉薇, 徐家球 申請(qǐng)人:清華大學(xué)