基于占能比的铣削加工颤振在线监测方法

摘要

本发明公开了一种基于占能比的铣削加工颤振在线监测方法，属于振动监测领域，涉及信号处理与状态监测两方面。本发明借助于非接触测量的声压传感器对加工过程中的声压信号进行数据采集，根据颤振发生时能量集中频段转移理论，对采集的数据进行了小波包分解，构建出了颤振发生时特征值变化趋势，基于此，设置了时域有效值和频域上占能比阈值，作为加工在线监测设定判断标准，实现了铣削加工颤振的非接触高精度在线监测。该监测方案信号来源于声压，声压传感器易于固定，信号来源方便。颤振的监测经过多重标准，考虑了时域及频域特征，在提高方案的可靠性的同时还可以提高计算效率。

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于占能比的铣削加工颤振在线监测方法，属于振动监测领域，涉及信号处理与状态监测两方面。

背景技术

随着航空发动机、压缩机等大型精密机械装置日益向高负荷、高效率和高可靠性方向发展，它们中的关键部件的加工质量被要求越来越高。高速铣削加工作为现代先进制造的基础支撑技术，是上述部件的主要加工手段之一，然而铣削加工为不连续切削，加工过程中不可避免产生振动，这就会严重影响到工件的加工质量。在产生的众多振动中，颤振振动对工件的加工质量影响最大。因此，在铣削加工中针对颤振振动进行在线监测是非常有必要的。

通过监测切削力信号、刀具的位移信号来反映出加工过程中的颤振振动是常用的铣削加工颤振监测方法，这些监测方法都是接触式测量，都需要在加工工件旁边安装专用夹具固定传感器，这就存在两个弊端，一是固定传感器的夹具距离刀具很近，很容易对加工造成干涉；二是切削力信号和刀具位移信号的测量设备体积庞大，很容易限制工件的加工尺寸。工件加工后的表面粗糙度也是衡量颤振振动的一个指标，但是粗糙度需要停机测量，这就不能实现对颤振进行在线监测。机床电流、切削功率与颤振有一定的相关性，利用机床电流、切削功率进行颤振监测具有信号检测方便、无需改变加工系统的机械结构等特点，然而，这种监测方式在颤振较严重的情况具有一定的效果，当颤振较小时监测效果很差。因此，针对铣削加工颤振的非接触高精度在线监测是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明借助于非接触测量的声压传感器采集加工过程中的声压信号，根据颤振发生时能量集中频段转移特征，对采集的信号数据进行了小波包分解，构建出了颤振发生时特征值变化趋势，基于此，设置了时域有效值和频域上占能比阈值，最终通过关心频段占能比比值判断是否颤振，实现了铣削加工颤振的非接触高精度在线监测。

本发明的技术方案：

一种基于占能比的铣削加工颤振在线监测方法，步骤如下：

步骤A.采集声压信号：利用磁座支架将声压传感器吸附于机床侧壁，采集铣削加工过程中的声压信号，存至计算机内；

步骤B.计算每圈有效值和平滑处理：将声压信号的每圈采样点数作为时域数据段，计算每圈有效值并进行平滑处理；

步骤C.与有效值阈值比较：将步骤B得到的有效值与设定的阈值R_C比较，有效值大于R_C进入步骤D，有效值小于R_C返回步骤A；

步骤D.‘db5’小波包分解：通过‘db5’小波包对满足阈值要求信号分解，分解频带带宽在1倍轴频到2倍轴频之间；

步骤E.计算占能比并与阈值比较：计算固频及其附近关心频段占能比值Sum_energy，当关心频段能量比例大于45％进入步骤E，否则返回步骤A；

Sum_energy＝Energy₂₀+Energy₂₁>

其中，Energy₂₀表示经过小波包6层分解后第20频段的占能比值，Energy₂₁表示经过小波包6层分解后是第21频段的占能比值；

步骤F.计算特征值并与阈值比较：计算步骤D中的关心频段占能比与轴频段占能比比值C_i，特征值大于25认为发生颤振，不大于25认为不发生颤振，返回到步骤A；

$C_i=\frac{{\mathrm{Sum}}_{energy}}{{\mathrm{Energy}}_1}---\left(2\right)$

其中，Energy₁表示经过小波包6层分解后是第1频段的占能比值。

本发明的有益效果：该监测方案信号来源于声压，声压传感器易于固定，信号来源方便。颤振的监测经过多重标准，考虑了时域及频域特征，在提高方案的可靠性的同时还可以提高计算效率。

附图说明

图1基于占能比的铣削加工颤振监测方案流程图。

图2为模态试验处理结果。

图3为实际加工声压信号。

图4为小波变换时频图。

图5为有效值变化趋势图。

图6为5^th秒数据功率谱。

图7为6^th秒数据功率谱。

图8为7^th秒数据功率谱。

图9为11^th秒数据功率谱。

图10为各频段占能比分布变化.(a)为第1频段；(b)为第20频段；(c)为第21频段。

图11为关心频段占能比变化趋势图。

图12为特征值变化趋势图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例

颤振频率与刀具-主轴系统特性有关，对刀具做锤击模态试验获取模态参数。选择合适的锤头，通过锤头锤击给刀具宽频激励。对输入及响应数据记录，并通过频域方法(PolyMax)处理，处理结果如图2所示。实线代表频率响应函数，也就是FRF曲线，虚线代表模态指示函数，即MIF曲线。固频处位于频响函数的极大值点，且模态指示函数值趋于零，808Hz满足这两个条件，也就是一阶固频。

一叶轮实际加工过程声压信号如图3所示，通过‘comr3-3’小波对数据全程进行时频处理，结果如图4所示。观察纵坐标，能量集中在800Hz附近，第6秒左右800Hz频段处开始变亮，也就代表着幅值大，能量的集中特性，也表明这一阶段发生轻微颤振。11-15秒颜色最亮，认为发生了严重颤振现象。

时域上以有效值的变化表示振动颤振发生过程中振动变化趋势，以每圈采样点数N_p为数据段长度分析，平滑处理，有效值的变化趋势如图5所示。在有效值增大的过程中，在第200转左右时发生突变，维持t₀时间后继续增大，t₁时间段也就是11-14秒时有效值最较大。频域上观察状态的变化过程，对数据进行分段分析，以1秒为一个数据段分析其功率谱。在有效值发生突变点前后选取数据分析，也就是第6秒前后，因此截取第5秒，第6秒和第7秒数据进行功率谱分析观察。有效值作为判断的第一个标准，经过平滑处理后可较少因数据波动带来的误差，阈值的设置应有一定的冗余性，该实验工况下设置为3。

非颤振加工工阶段，振动以强迫振动为主，激振频率应以轴频、刀齿通过频率及其倍频为主，主轴转速1800rpm对应轴频为30Hz，图6功率谱分析结果验证这一理论。在逐渐发生颤振的过程中，激振频率逐渐转移到结构的某阶固有频率上，图7可以看出轴频30Hz和800Hz附近处的幅值差距减小。2000Hz以上频段幅值较小，研究意义不大，不在关心带宽内。

第7秒数据对第181-210转，是数据中有效值增大后的平稳阶段，如图所示805Hz幅值较大于轴频30Hz处幅值，这三秒数据的功率谱分析也表明了能量转移的过程。分析振动幅值较大的第11s数据，图9功率谱峰值处804Hz，远大于轴频处幅值，此时能量集中于800Hz附近,也就验证了颤振的发生。

主轴转速1800rpm，采样频率5120Hz为例，使用db5小波进行6层分解，每段带宽40Hz。刀具一阶固频808Hz位于第21段，同时考虑到自激效应的分叉效应，主要关注第20，21段及低频段。图10反映了该加工过程中关心频段能量集中的变化，第20，21段占能比变化趋势相同，且都相反于低频段。表明能量从稳定时的低频段转移到刀具-主轴系统一阶固频处，这也验证了颤振机理。

针对这一特点，以第20，21段占能比之和以轴频所在的低频段能量之比作为特征量C₁，C₂。其中，C₁表示第21段占能比之和与第1段能量之比，C₂表示第20，21段占能比之和与第1段能量之比。特征值变化趋势如图12所示，特征值C₁和C₂有着相同的变化趋势。在非颤振加工阶段，第20频段对特征值影响不大，而在临近颤振及颤振阶段对特征值的影响急剧变大，故选取C₂作为特征值。

计算第20，21段能量所占比例之和Sum_energy，随着状态的变化，关心频段占能比趋势图如图11所示，大于45％后计算特征值C_i，从特征值变化趋势可认为特征值大于25时认为发生颤振。