面向磨削烧伤问题的间接监测技术研究

摘要

过程监控系统是连接底层生产制造设备和上层生产决策管理的咽喉要道，是实现加工过程自动化不可或缺的一环，是保证产品制造质量的的重要课题。囿于现代机械加工设备和方法的复杂性与多样性，尽管在该研究领域涌现了许多有价值的探索，实际生产领域中的应用依然屈指可数。究其原因，关键在于缺乏对加工过程的清晰理解，缺乏对被监控对象发生机理的透彻认识，缺乏对监控方法的系统构建。因此，本文针对机械加工领域的典型应用—精密平面磨削加工，以间接监测技术为手段，以声发射传感器为主，以加速度传感器、电流传感器和电压传感器为辅，围绕磨削烧伤及其相关科学问题展开研究，旨在厘清精密磨削加工过程中加工参数与传感器信号特征之间的关系，准确提取磨削烧伤等问题发生时对应信号的不变性特征值，解决磨削加工中磨削烧伤及其相关问题的特征提取问题，提出一套切实可行的精密磨削加工过程间接监测方法。本文主要做了以下工作:
　　第一章:介绍了本课题的研究背景和意义、本研究领域内与本课题密切相关的国内外技术研究现状、本研究领域存在的科学问题以及本文的研究内容等。
　　第二章:初步建立了单颗磨粒作用工件时切削应变能与声发射有效值之间的数学模型;探讨了加工参数与声发射等信号之间的关系，研究了激光激发热损伤前后声发射信号的特征，以求在后续开展磨削过程监测研究时，能够消除磨削参数变化对信号特征的影响，从而在后续磨削烧伤研究中，去伪存真，准确提取磨削烧伤的信号特征。
　　第三章:针对具体工程应用，以精密平面磨削为对象，开展了磨削烧伤的不变性特征提取方法研究。将声发射传感器、电流传感器、电压传感器和加速度传感器应用到磨削加工过程的监测之中，提出了基于声发射“频谱矩心”的磨削烧伤不变性特征表征方法。
　　第四章:结合离散小波分析方法，提取出声发射信号5级分解系数的有效值作为磨削烧伤的特征值之一。同时，首次将希尔伯特—黄变换应用到声发射信号的磨削烧伤预测中，提出了以IMF平均能量值占比作为衡量IMF分量与磨削烧伤相关性大小的标准，提取了基于IMF边际谱的磨削烧伤不变性特征。
　　第五章:提出了以经验模态分解作为时域滤波器的信号去嗓方法，获得了更加准确的砂轮—工件初始接触特征;提出了基于离散小波分解的砂轮磨损特征值提取方法。
　　第六章:开发了砂轮—工件初始接触检测系统和基于支持向量机的磨削加工智能监测系统，实现了砂轮—工件初始接触检测、磨削烧伤识别和砂轮磨损判断的自动化。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

术语表

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 磨削加工间接监测技术概述

1．3 磨削烧伤预测方法研究现状

1．3．1 基于磨削热数值模型的磨削烧伤预测方法

1．3．2 基于直接测温技术的磨削烧伤预测方法

1．3．3 基于间接监测技术的磨削烧伤预测方法

1．4 砂轮磨损间接监测技术研究现状

1．5 砂轮—工件初始接触检测技术研究现状

1．6 本文主要研究内容

2 磨削加工及表面热损伤的AE信号特征分析与试验研究

2．1 引言

2．2 磨削参数与AE特征关系的理论分析

2．2．1 磨削加工中的声发射来源

2．2．2 声发射与切削应变能之间的关系分析

2．3 磨削参数与AE等信号特征关系的试验研究

2．3．1 试验设备与试验参数

2．3．2 试验结果分析

2．4 金属试件表面声发射激光激发及表面热损伤试验研究

2．4．1 试验设备与试验内容

2．4．2 试验结果分析

2．5 本章小结

3 基于AE的磨削烧伤不变性特征提取方法研究

3．1 引言

3．2 精密磨削加工临界磨削烧伤温度分析

3．3 切入式平面磨削加工磨削烧伤阈值试验设计与研究

3．3．1 试验设备

3．3．2 试验内容

3．4 磨削烧伤不变性特征提取方法研究

3．4．1 磨削功率与临界烧伤温度的确定

3．4．2 基于频谱矩心的磨削烧伤不变性特征提取方法研究

3．4．3 讨论

3．5 本章小结

4 基于离散小波分解和希尔伯特—黄变换的磨削烧伤不变性特征提取方法再研究

4．1 引言

4．2 基于磨削烧伤阈值参数组合的试验开展

4．3 基于离散小波分解方法的磨削烧伤不变性特征再提取

4．4 基于希尔伯特—黄交换方法的磨削烧伤不变性特征再研究

4．4．1 希尔伯特—黄变换变换的原理

4．4．2 基于希尔伯特—黄变换的磨削烧伤声发射信号不变性特征提取

4．4．3 讨论

4．5 本章小结

5 基于AE的砂轮—工件初始接触在线检测技术和砂轮磨损监测方法研究

5．1 引言

5．2 基于经验模态分解的精密磨削砂轮—工件初始接触检测方法研究

5．2．1 基于经验模态分解的声发射信号时域滤波

5．2．2 基于能量算子的砂轮—工件初始接触判断

5．3 基于AE和离散小波分析的砂轮磨损特征提取研究

5．3．1 声发射信号与砂轮磨损特征之间的关系分析

5．3．2 试验设备与试验参数

5．3．3 基于离散小波变换的砂轮磨损特征提取

5．4 本章小结

6 基于支持向量机的磨削加工间接监测系统开发

6．1 引言

6．2 基于支持向量机的磨削烧伤识别系统

6．3 砂轮与工件初始接触检测

6．4 砂轮磨损状态的识别与砂轮修整周期的确定

6．5 本章小结

7 结论和展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间主要研究成果