一种利用磨削力监控砂轮磨损与磨削烧伤的方法技术

本发明专利技术提供一种利用磨削力监控砂轮磨损与磨削烧伤的方法，属于机械加工过程的监测与控制技术领域。实时采集磨削力信号的离散时间序列，通过时域或频域分析，提取磨削力信号的峭度、波形指标、峰值指标、脉冲指标、幅频谱峭度、幅频谱脉冲指标、幅频谱累计概率等重要特征参数，识别砂轮的不同磨损程度，及时对磨钝砂轮进行修整；在稳态磨削阶段时，实时提取切向磨削力平均幅值或功率谱的频谱矩心，控制磨削烧伤。本发明专利技术将磨削力在线监测与实时信号处理融合，可在整个磨削加工过程中实现砂轮—工件磨削接触状态、砂轮磨损状况、磨削烧伤等的智能监测与控制，具有抗干扰能力强、操作简单、便于编程实现、智能化等众多优势。

Method for monitoring grinding wheel abrasion and grinding burn by grinding force

The invention provides a method for monitoring grinding wheel abrasion and grinding burn by grinding force, belonging to the monitoring and control technical field of the mechanical processing process. Discrete time series of real-time acquisition of grinding force signal, through the analysis of time domain or frequency domain, the extraction of grinding force signal waveform index, kurtosis, peak index, pulse index, important characteristic parameters of amplitude spectrum kurtosis, amplitude spectrum of pulse amplitude spectrum index, cumulative probability, different wear degree recognition sand wheel, timely trimming blunt grinding wheel; in the steady-state phase, spectrum centroid real-time extraction of tangential grinding force average amplitude or power spectrum, the control of grinding burn. The grinding force on-line monitoring integration and real-time signal processing, which can realize intelligent monitoring and control of grinding wheel grinding, grinding wheel wear condition, the contact state of grinding burn in the grinding process, with strong anti-interference ability, simple operation, easy programming and intelligent advantages.

【技术实现步骤摘要】
一种利用磨削力监控砂轮磨损与磨削烧伤的方法
本专利技术属于机械加工过程的监测与控制
，具体涉及一种基于磨削力信号的特征提取，进行在线实时监控砂轮磨损与磨削烧伤的新方法。
技术介绍
磨削加工过程监控是机械加工过程监控的一个重要分支，是实现磨削加工智能化和自动化、保证制造质量等热点课题的关键组成。目前，机械加工过程监控技术采用传感器、仪表等测量手段，实时检测机械加工过程中的振动、功率、温度、磨削比能、力、加工火花、声发射等相关信息。通常将传感器感知技术、信号处理技术、人工神经网络等成果融合，采用信号处理技术提取传感器检测信号的相关特征参数，然后基于人工智能网络等方式判定磨削状态或决策，从而对机械加工过程可实现监测、控制及预测。信号处理过程中可提取的特征参数种类较多，且特征提取算法各异。针对不同的机械加工系统、信号源类型、信号处理手段等，应选取的有效特征参数存在差异。譬如，声发射信号常用特征就包括峰值均方根、标准差、能量、AE振铃计数、FFT峰值等。砂轮磨损状态与磨削烧伤均直接对保证工件的加工精度、形位误差、表面完整性等都至关重要。由于磨削加工系统的不确定性和复杂性，现在砂轮磨损和磨削烧伤的在线监控实际被任用到生产实践的事例较小。“磨削即修整”，砂轮磨损识别及修整周期确定均有非常重要意义。主要可分为离线检测与在线检测。最先采用接触式探针的轮廓测量方法检测砂轮形貌，但探头摩擦磨损较快。扫描电子显微镜技术也被采用于观测砂轮形貌，近似计算砂轮表面切削刃的状态和数量，即能构造三维形貌，又能转化为等高线二维视图，是被任用于砂轮形貌离线检测中最广泛的一种方式。砂轮磨损的在线间接监测方法研究热点主要集中于基于加速度、功率、声发射技术、光学等传感器技术。砂轮磨损主要利用声发射信号检测或离线的光学检测。声发射信号源的干扰事件太多，容易受到干扰，造成分析结果不准确。离线的光学检测，需要中断生产，即费时间，更是费人力。磨削烧伤对表面完整性有严重危害性，是磨削加工过程要尽力避免发生的重点问题，主要预测手段分为三类：基于磨削热模型数值模拟方法、接触式或非接触式的在线温度直接检测方法、基于声发射、磨削火花温度、磨屑碳含量等方面的在线间接监测方法。磨削热模型数值模拟方法，根本无法反映磨削热的实际复杂传导过程。温度直接在线检测，在齿轮等实际磨削过程中应用较困难。接触式热电偶往往采用埋入的方式，对工件造成较大损伤，且测得仅是工件局部的平均温度。红外线等非接触式测温，因为受到冷却热的骤冷影响或砂轮的掩挡，也无法检测到磨削点的温度。国内外研究均表明，磨削火花温度、磨屑碳含量等间接监测方法均存在较大误差，暂且不适用于实际加工过程。磨削力是磨削加工过程一个重要表征，与声发射信号、加速度信号、功率信号等比较而言，它跟砂轮磨损程度、磨削热、砂轮与工件接触状态等事件之间有着更密切的直接联系，且它的干扰信号源较少。磨削力测量，是一种基于传感器技术的在线监测手段，与离线检测比较，具有实时性，能及时反映砂轮与工件磨削过程中较多方面的信息。此外，磨削力检测设备与技术均非常成熟，便于简单操作与实现。然而，磨削力检测暂时主要任用于基础性实验研究，极少与砂轮磨损程度、磨削烧伤之间建立可适用性的定量关系，因而在实际生产中运用非常小。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了更好实现磨削加工过程中砂轮磨损程度与磨削烧伤的监控，以便及时修整砂轮，避免磨削烧伤发生，提高工件加工表面质量。本专利技术的利用磨削力监控砂轮磨损与磨削烧伤的方法，其包括以下步骤：步骤1，实时采集磨削加工过程磨削力信号的离散时间序列，获得磨削力信号样本集X；并规定未接触状态、变切深磨削状态和稳态磨削状态以描述砂轮与工件之间的磨削状态；其中，未接触状态表征砂轮与工件之间存在间隙；变切深磨削状态表征砂轮与工件之间存在磨削深度变化，即砂轮切入工件的接触过程，或者砂轮切出工件的离开过程；稳态磨削状态表征砂轮与工件之间的磨削深度不再变化，即磨削力信号处于最大值的状态；步骤2，从所述磨削力信号样本集X中提取磨削力时域信号特征或频域信号特征，以此识别砂轮磨损程度、监控磨削烧伤状态。进一步的，所述步骤1中采用测力仪传感器，每间隔0.2s逐步连续选取200个磨削力的离散时间序列数据，组成磨削力信号样本集X；并在使用前将测力仪传感器进行清零与标定，使零位漂移量M少于2，且将测力仪传感器的采集频率设置为1000Hz。进一步的，所述步骤2中从所述磨削力信号样本集X中提取磨削力时域信号特征，识别砂轮磨损程度的具体内容包括：步骤21，提取磨削力时域信号的4个无量纲统计特征Xq、K、C、I，其中，Xq为磨削力时间序列集合X的峭度，K为磨削力时间序列集合X的波形指标、C为磨削力时间序列集合X的峰值指标，I为磨削力时间序列集合X的脉冲指标；步骤22，未接触状态、变切深磨削状态无需识别砂轮磨损程度，仅在稳态磨削状态下进行砂轮磨损程度的识别：选取步骤21所述的4个无量纲统计特征的任意一个为指标依据，开展砂轮磨损程度的分析：(1)若峭度Xq介于1～2.8，或波形指标K介于1～1.25，或峰值指标C介于1～3，或脉冲指标I介于1～3.5，则砂轮工作正常，磨削力信号呈平稳状态，无需修整；(2)若峭度Xq介于2.8～6，或波形指标K介于1.25～1.45，或峰值指标C介于3～4，或脉冲指标I介于3.5～5.5，则砂轮存在磨损，且无量纲统计特征值越大，则砂轮磨损越严重，依据工件加工精度要求决定是否修整砂轮；(3)若峭度Xq>6,或波形指标K>1.45，或峰值指标C>4，或脉冲指标I>5，则砂轮磨损程度已经达到磨钝标准，需要及时修整或更换。进一步的，所述步骤2中从所述磨削力信号样本集X中提取磨削力时域信号特征，监控砂轮磨削烧伤状态的具体内容包括：步骤21，提取切向磨削力时域信号特征AVE，且AVE为切向磨削力时间序列集合的平均幅值；步骤22，未接触状态、变切深磨削状态无需监控砂轮磨削烧伤状态，仅在稳态磨削状态下，以切向磨削力的平均幅值AVE为依据，监控磨削烧伤的发生；稳态磨削状态中，若则砂轮与工件之间工作正常；稳态磨削状态中，若则即将出现磨削烧伤状况，需中止磨削加工过程，重新选择磨削用量参数；其中磨削用量参数为：fr为径向进给量或磨削深度，单位为mm；vw为轴向进给速度或进给速度，单位为mm/min；vs为磨削速度或砂轮转速，单位为m/s；T为常数，与材料、加工系统与条件有关。进一步的，所述步骤2中从所述磨削力信号样本集X中提取磨削力频域信号特征的具体内容包括：步骤21，对所述磨削力信号样本集X进行离散傅里叶变换分析，获得幅频谱与功率谱；步骤22，提取磨削力频域信号特征FXq、FI、PF(k)、Fmid，其中FXq为幅频谱中随频率变化的幅值元素构成集合的峭度，FI为幅频谱中随频率变化的幅值元素构成集合的脉冲指标，PF(k)为幅频谱中幅值大小分布的累计概率函数，以及Fmid为功率谱的频谱矩心。效果较好的，所述步骤2中未接触状态、变切深磨削状态无需识别砂轮磨损程度，仅在稳态磨削状态中识别砂轮磨损程度，具体内容如下：,选取幅频谱的峭度FXq、脉冲指标FI、累计概率PF(k)这3个统计特征的任意一个为指标依据，开展砂轮磨损程度的分析：若本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用磨削力监控砂轮磨损与磨削烧伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，实时采集磨削加工过程磨削力信号的离散时间序列，获得磨削力信号样本集X；并规定未接触状态、变切深磨削状态和稳态磨削状态以描述砂轮与工件之间的磨削状态；其中，未接触状态表征砂轮与工件之间存在间隙；变切深磨削状态表征砂轮与工件之间存在磨削深度变化，即砂轮切入工件的接触过程，或者砂轮切出工件的离开过程；稳态磨削状态表征砂轮与工件之间的磨削深度不再变化，即磨削力信号处于最大值的状态；步骤2，从所述磨削力信号样本集X中提取磨削力时域信号特征或频域信号特征，以此识别砂轮磨损程度、监控磨削烧伤状态。

【技术特征摘要】
1.一种利用磨削力监控砂轮磨损与磨削烧伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，实时采集磨削加工过程磨削力信号的离散时间序列，获得磨削力信号样本集X；并规定未接触状态、变切深磨削状态和稳态磨削状态以描述砂轮与工件之间的磨削状态；其中，未接触状态表征砂轮与工件之间存在间隙；变切深磨削状态表征砂轮与工件之间存在磨削深度变化，即砂轮切入工件的接触过程，或者砂轮切出工件的离开过程；稳态磨削状态表征砂轮与工件之间的磨削深度不再变化，即磨削力信号处于最大值的状态；步骤2，从所述磨削力信号样本集X中提取磨削力时域信号特征或频域信号特征，以此识别砂轮磨损程度、监控磨削烧伤状态。2.如权利要求1所述的利用磨削力监控砂轮磨损与磨削烧伤的方法，其特征在于，步骤1中采用测力仪传感器，每间隔0.2s逐步连续选取200个磨削力的离散时间序列数据，组成磨削力信号样本集X；并在使用前将测力仪传感器进行清零与标定，使零位漂移量M少于2，且将测力仪传感器的采集频率设置为1000Hz。3.如权利要求1所述的利用磨削力监控砂轮磨损与磨削烧伤的方法，其特征在于，步骤2中从所述磨削力信号样本集X中提取磨削力时域信号特征，识别砂轮磨损程度的具体内容包括：步骤21，提取磨削力时域信号的4个无量纲统计特征Xq、K、C、I，其中，Xq为磨削力时间序列集合X的峭度，K为磨削力时间序列集合X的波形指标、C为磨削力时间序列集合X的峰值指标，I为磨削力时间序列集合X的脉冲指标；步骤22，未接触状态、变切深磨削状态无需识别砂轮磨损程度，仅在稳态磨削状态下进行砂轮磨损程度的识别：选取步骤21所述的4个无量纲统计特征的任意一个为指标依据，开展砂轮磨损程度的分析：(1)若峭度Xq介于1～2.8，或波形指标K介于1～1.25，或峰值指标C介于1～3，或脉冲指标I介于1～3.5，则砂轮工作正常，磨削力信号呈平稳状态，无需修整；(2)若峭度Xq介于2.8～6，或波形指标K介于1.25～1.45，或峰值指标C介于3～4，或脉冲指标I介于3.5～5.5，则砂轮存在磨损，且无量纲统计特征值越大，则砂轮磨损越严重，依据工件加工精度要求决定是否修整砂轮；(3)若峭度Xq>6,或波形指标K>1.45，或峰值指标C>4，或脉冲指标I>5，则砂轮磨损程度已经达到磨钝标准，需要及时修整或更换。4.如权利要求1所述的利用磨削力监控砂轮磨损与磨削烧伤的方法，其特征在于，步骤2中从所述磨削力信号样本集X中提取磨削力时域信号特征，监控砂轮磨削烧伤状态的具体内容包括：步骤21，提取切向磨削力时域信号特征AVE，且AVE为切向磨削力时间序列集合的平均幅值；步骤22，未接触状态、变切...

【专利技术属性】
技术研发人员：田欣利，王龙，吴志远，唐修检，龙航，杨理钧，雷蕾，杨绪啟，雷冠雄，
申请(专利权)人：中国人民解放军装甲兵工程学院，
类型：发明
国别省市：北京,11