单颗金刚石磨粒划擦陶瓷声发射信号的时频分析

摘要

磨削是工程陶瓷最主要的机械加工方式之一，由于工程陶瓷是脆硬难加工材料，为了提高陶瓷磨削质量和效率，声发射在线监测工程陶瓷磨削过程已经成为研究热点。金刚石砂轮磨削陶瓷的核心是单颗金刚石磨粒去除陶瓷材料的过程；单颗金刚石磨粒划擦陶瓷的声发射监测研究是金刚石砂轮磨削陶瓷声发射在线监测研究的重要基础。　　首先介绍了国内外声发射技术在砂轮磨削过程和单颗磨粒划擦材料过程监测的研究进展。制定了金刚石磨粒划擦部分稳定氧化锆和氧化铝陶瓷的实验方案。基于实际测量的磨粒划擦划痕尺寸，分析了磨粒划痕的实际陶瓷材料去除率。　　提出了一种基于变分模态分解(VMD)的两步拾取法来自动识别磨削接触时刻并准确拾取磨削声发射信号。并将该方法应用在单颗金刚石磨粒划擦和砂轮磨削过程的接触时刻判断中，结果表明该方法可以有效避免背景噪声对磨削声发射信号的干扰，实现磨削接触时刻的准确判断和声发射信号拾取。并采用经验小波变换(EWT)预处理单颗磨粒划擦声发射信号然后再用同步提取变换(SET)对声发射信号进行时频分析，克服了传统的时频分析方法模态混叠的问题，揭示了单颗磨粒划擦声发射信号在时频域的变化特性。　　分析了单颗磨粒划擦这两种陶瓷材料声发射信号的有效值、方差、峭度、偏度、能量熵、时域幅值以及时频分布等特征值随陶瓷材料去除率的变化；并深入研究了这两种陶瓷材料划擦声发射信号特征变化的内在原因。最后分别利用声发射信号的统计特征值和时频谱的奇异值，根据支持向量回归建立了单颗磨粒划痕尺寸预测模型，结果表明单颗磨粒划擦陶瓷的声发射信号特征值与单颗磨粒陶瓷划痕尺寸之间有良好的对应关系，这为陶瓷磨削表面成形的声发射监测打下了基础。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 磨削声发射技术应用

1.2.1 磨削接触判断

1.2.2 砂轮状态监测

1.2.3 磨削烧伤监测

1.2.4 磨削质量监测

1.3 单颗磨粒划擦过程中的声发射监测研究

1.4 本文研究内容

第 2 章 声发射检测实验方案及实验数据的测量

2.1 单颗磨粒划擦实验

2.1.1 单颗磨粒划擦实验台

2.1.2 实验方案设计

2.2 测试设备介绍

2.2.1 声发射信号的采集设备

2.2.2 划痕的处理与检测

2.3 划痕形貌及材料去除率的计算

2.3.1 单颗磨粒划擦的数学模型

2.3.2 单颗磨粒划擦实际形貌及材料去除率计算

2.4 本章小结

第 3 章 磨削接触判断与磨削 AE 信号的拾取

3.1 常用的磨削接触判断方法

3.1.1 长短时窗平均比法

3.1.2 AIC 拾取法

3.2 VMD 方法理论

3.3 基于 VMD-AIC 的两步拾取法拾取磨削 AE 信号

3.3.1 基于 VMD-AIC 两步拾取法拾取磨削 AE 信号的步骤与参数

3.3.2 应用 VMD-AIC 两步拾取法拾取单颗磨粒划擦 AE 信号实例

3.3.3 应用 VMD-AIC 两步拾取法拾取砂轮磨削 AE 信号实例

3.4 VMD-AIC 的信噪比特性分析

3.5 本章小结

第 4 章 声发射信号的时频分析

4.1 同步提取变换时频特性

4.1.1 同步提取变换的原理

4.1.2 同步提取变换的特性分析

4.2 经验小波变换的信号分解

4.2.1 EWT 的原理

4.2.2 EWT 的频带划分准则

4.2.3 基于 EWT 的 SET 时频分析步骤与效果分析

4.3 本章小结

第 5 章 单颗磨粒划擦陶瓷声发射信号特征分析

5.1 声发射信号的整体分析

5.2 声发射信号特征参数分析

5.2.1 Al2O3 划擦 AE 信号特征参数分析

5.2.2 PSZ 划擦 AE 信号特征参数分析

5.2.3 两种陶瓷材料特征参数异同分析

5.3 划擦声发射信号的时频分析

5.3.1 Al2O3 划擦 AE 信号时频分析

5.3.2 PSZ 划擦 AE 信号时频分析

5.4 磨粒划痕尺寸与声发射信号关系

5.4.1 信号特征参数的提取

5.4.2 基于 PSO 优化的 LSSVR 预测模型

5.4.3 模型预测结果分析

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致 谢