基于進(jìn)給電機(jī)電流信號數(shù)控高速銑削刀具破損檢測123

1、齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（外文翻譯）1基于進(jìn)給電流信號的數(shù)控高速銑削加工刀具磨損檢測作者：P.Y.SevillaCamacho、G.HerreraRuiz、J.B.RoblesOcampo和J.C.JureguiCrea收稿日期：2009年10月23日接受日期：2010年8月17日發(fā)布時間：2010年8月29日＃施普林格出版社倫敦有限公司2010摘要摘要刀具狀態(tài)監(jiān)測，主要用于高速加工（HSM），是一個需要解決的重要問題。然而，應(yīng)用于其他研究

2、項目的傳感器技術(shù)或類型呈現(xiàn)出一定的不便。為了優(yōu)化刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)，這里給出一種簡單，有效，快速的方法。此方法是基于離散小波變換（DWT）和統(tǒng)計方法。該方法的有效性依賴于使用便宜的傳感器對進(jìn)給電機(jī)的電流信號的測量。眾所周知的是在切削過程中電機(jī)的電流與刀具狀態(tài)有關(guān)。與刀具處于正常的切削狀態(tài)下相比，刀具磨損時候的電流消耗將發(fā)生變化。這種變化可以從反映刀具狀態(tài)的信號波形之間的差異得到。本研究項目的算法是通過采用DWT獲得的伺服電機(jī)的電流信號獲得

3、壓縮信號。然后從這些壓縮信號中我們發(fā)現(xiàn)它們之間的不對等指數(shù)。算術(shù)平均Irms值被用于解決連續(xù)的加工長度不對等指數(shù)，以減少具有一系列不對等平均值的數(shù)據(jù)的噪聲。同時，為了根據(jù)刀具狀態(tài)作出決定以檢測刀具磨損狀態(tài)而設(shè)置一個正常的切削閾值。因此，本研究項目呈現(xiàn)了一個低成本監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)起來很簡單。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞刀具磨損高速銑削加工小波變換統(tǒng)計方法進(jìn)給電流低成本的傳感器1引言引言目前，由于數(shù)控機(jī)床（CNC）隨著高性能CADCAM系統(tǒng)的廣泛使用，與傳統(tǒng)

4、的機(jī)械加工技術(shù)相比，高速加工（HSM）顯示出很多優(yōu)點，如提高了生產(chǎn)率、高品質(zhì)的表面、無毛刺的邊緣和幾乎無壓力的組件，僅舉幾例[1]。這些優(yōu)點與某些金屬的機(jī)械性能和新的刀具相輔相成。因此，HSM已經(jīng)成為一個普遍的工業(yè)制造過程，例如，HSM被廣泛應(yīng)用于在飛機(jī)和汽車行業(yè)中的鋁結(jié)構(gòu)的制造。但是HSM需要額外的系統(tǒng)以確保工件的加工質(zhì)量。最關(guān)鍵的是刀具狀態(tài)監(jiān)測（TCM）系統(tǒng)，原因似乎很明顯。但在高速加工時，刀具磨損將對加工過程產(chǎn)生破壞并對機(jī)加工表面

5、的質(zhì)量和信譽(yù)產(chǎn)生負(fù)面影響。毫無疑問，確定刀具什么時候已經(jīng)磨損或需要更換是非常重要的。此外，刀具壽命與切削速度密切相關(guān)，在最佳切削條件下，刀具壽命可以提高9倍。因此，如果定期更換刀具，而不管刀具是否還能用或有沒有嚴(yán)重磨損，這將產(chǎn)生額外的成本；相反，如果刀具已經(jīng)磨損而在加工過程中又沒有及時發(fā)現(xiàn)，就會對工件質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。過去二十年直到今天，監(jiān)控和傳統(tǒng)的銑削的研究一直很少。研究TCM的各種各樣的方法已經(jīng)提出并實驗。本研究項目提出了四個主要在

6、傳統(tǒng)銑削加工期間檢測刀具磨損的方法。這些方法包括切削力，聲發(fā)射（AE），振動和電機(jī)電流。齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（外文翻譯）3然而，該方法沒有考慮兩個排屑槽都發(fā)生磨損的可能性。在這種情況下用這種方法，一個相比之下的錯誤波形將被用于故障檢測。在第2.2節(jié)中將要討論這種不便。2刀具磨損檢測算法刀具磨損檢測算法2.1離散小波變換DWT分析，在TCM中已被證明是有用的。這個數(shù)學(xué)工具（TCM）的一部分，Daubechies，在小信號處理中被廣泛使用，

7、因為它提供了在一個依賴于應(yīng)用細(xì)節(jié)水平的抽取形式的原始信號的時間頻率表示。換言之，取決于應(yīng)用的細(xì)節(jié)水平，結(jié)果將顯示出以壓縮形式的采樣頻率獲得的時域樣本。小波變換在頻域和時域中具有良好的分辨率，同時，它允許在時域的不同的頻帶中提取更多的信息。此外，小波變換比FFT需要的計算時間少。這是因為小波變換由計算系數(shù)（輸入信號的內(nèi)部響應(yīng)）和離散小波函數(shù)組成。這些小波系數(shù)可能被認(rèn)為是原始信號的時間頻率圖。小波背后的想法是表示縮放函數(shù)和小波函數(shù)的信號?。

8、在一般情況下，利用小波允許將給定的信號分成兩個子信號平均（A）和詳細(xì)（D）。這兩個子信號見信號?的定義式（1）：（1）DAf11??子信號和上的指數(shù)表示平均和詳細(xì)信號電平。即，式（1）定義的是第一電平然AD而，正如前所述，有時也需要更多的電平。這時，多分辨率分析（MRA）將被投入使用。MRA背后的想法是一旦信號?被分成和，便以產(chǎn)生子信號的變換過程產(chǎn)生新的A1D1A1生子信號和。信號被幾次再分成子信號，這個過程就將進(jìn)行幾次。在一般情況下，

9、A2D2如果信號樣本的值N是2的k倍，那么k層MRA計算式如式（2）：（2）DDDAfkk12...?????在本研究中使用了MRA和長度為4的Daubechies。Daubechies4DWT被使用是因為它擁有正交特性且計算簡單，并與時域聯(lián)系密切[8]。2.2不對等指數(shù)的算術(shù)平均值用于獲得刀具磨損檢測參數(shù)的算法是統(tǒng)計技術(shù)。該算法用于計算來自于進(jìn)給電流的DWT系數(shù)的不對等指數(shù)的算術(shù)平均值。雖然在另一個研究中應(yīng)用了不對等指數(shù)評測，在本研究

10、中，該算法也會在某些情況下呈現(xiàn)出不便之處。在本研究中，必不可少的是分析加在信號上的兩個連續(xù)脈沖來計算不對稱指數(shù)。這個處理算法表明兩個脈沖之間的波形的變化。為了分析該算法的不便之處，本文根據(jù)資料中呈現(xiàn)的模型對切削力進(jìn)行了模擬。在圖1中給出了在幾種切削條件下進(jìn)行模擬所得的波形。如圖所示，當(dāng)?shù)毒呱系匿忼X僅被磨損掉一個時，每個鋸齒的波形間差異才很大，這是因為在切削路徑中磨損鋸齒所受到的力將減少同時其下一個鋸齒所受到的力將增加。因此，這些很大的變