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摘　要　目的　解決刀具破損聲發(fā)射監(jiān)測中抗干擾性差和可靠性低的問題。方法　依據(jù)刀具破損的聲發(fā)射信號特征和加工過程中的主要聲發(fā)射干擾噪聲的特征，采用自適應(yīng)濾波、高低通濾波信號比較、雙閾值判別等監(jiān)測方法剔除干擾信號并準(zhǔn)確地識別刀具破損信號。結(jié)果　研制的新型監(jiān)控系統(tǒng)，以冷卻潤滑液為聲發(fā)射波的傳播媒質(zhì)，安裝、使用方便，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。結(jié)論　經(jīng)實驗證明，該系統(tǒng)具有較強的抗干擾性和較高的可靠性。
關(guān)鍵詞　刀具破損； 聲發(fā)射； 監(jiān)測； 抗干擾
分類號　TG502

Anti-Interference Technology for the Tool Breakage
with the Acoustic Emission Monitoring

Yang Dayong　　Wang Xinyi　　Xu Chunguang　　Jia Yuping
(School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing　100081)

Abstract　Aim　To solve the problem of low interference resistance and low reliability in the acoustic emission monitoring for the tool breakage. Methods　Based on the feature of tool breakage's and primary interference's acoustic emission signal during manufacturing process, the signal of tool breakage was identified with the monitoring methods such as differential amplifying, the distinguishing method with double threshold value. This monitoring and processing method was discussed. Results　The corresponding monitoring system is developed. The system uses cooling and lubricating liquid as the medium to transmit AE wave, which can be handily installed. In addition, the system has many advantages, such as small volume and compact structure. Conclusion　The experiment proved that the system has relativly high interference resistance and reliability.
Key words　tool breakage; acoustic emission; monitoring; anti-interference

部級基金資助項目作者研究了刀具破損時的聲發(fā)射信號^［1～3］，提出了一種新的抗干擾性強的監(jiān)測方法，研制了相應(yīng)的新型監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)把傳感器、前置放大器、信號處理、控制系統(tǒng)集成為一體，利用液體傳播聲發(fā)射波，可直接安裝在機床主軸旁邊。電源、線路板的布線和元器件布局都采取了抗干擾措施。同時依據(jù)電磁兼容設(shè)計原理，采取了一點接地、殼體屏蔽結(jié)構(gòu)。

1　切削加工中的干擾噪聲

在切削加工過程中，由于存在著大量的聲發(fā)射現(xiàn)象，如3個切削變形區(qū)的塑性變形與金屬間摩擦、切屑斷裂，主軸齒輪嚙合、滾動軸承振動，因此必需把它們所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號與刀具破損的聲發(fā)射信號區(qū)分開，并把刀具破損AE(acoustic emission)信號以外的噪聲去除。
　　試驗采用以冷卻潤滑液為傳播媒體的非表面接觸的聲發(fā)射傳感器，該傳感器將前置放大器(帶寬4MHz，增益60dB)集成在內(nèi)部，靈敏度高，其傳遞幅頻特性如圖1所示。圖中縱坐標(biāo)為幅度G/dB。傳感器的諧振頻率為1MHz，由圖可見，在4MHz以下的頻率范圍內(nèi)都具有較好的傳遞特性。數(shù)據(jù)采集使用最高采樣頻率5MHz的數(shù)據(jù)采集板。對刀具破損信號和主要的干擾噪聲進行采集并存儲在計算機內(nèi)，然后用信號處理軟件對其進行分析。

圖1　傳感器傳遞特性圖

實際工況下的干擾主要來自于以下兩方面：① 傳感器殼體串入的干擾信號，包括重物撞擊傳感器(如工件搬運、換刀等)，主軸齒輪嚙合，滾動軸承振動噪聲和飛屑撞擊傳感器等；② 正常切削中3個切削變形區(qū)的塑性變形、金屬間摩擦及切屑斷裂等產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。干擾噪聲功率譜(S)見圖2、圖3。

(a)重物撞擊傳感受器　　　　　　(b)飛屑撞擊傳感受器

圖2　傳感器受撞擊的干擾噪聲功率譜

圖3　機床主軸變速干擾噪聲功率譜

對重物撞擊傳感器所引起的干擾噪聲進行功率譜分析可知，噪聲能量比較大，但主要集中在低頻段，同時附帶有能量較小的高頻成分。飛屑撞擊傳感器引起的噪聲集中在低頻段，但信號能量比重物撞擊傳感器小3個數(shù)量級左右。主軸齒輪嚙合振動噪聲的功率譜分布基本與重物撞擊傳感器時相似，但信號能量要相對小兩個數(shù)量級左右。
　　由圖4可見，切屑斷裂時的干擾噪聲的頻率范圍較寬，但低頻段能量相對較大(排除傳感器諧振頻帶的影響)。為了得到正常切削(無斷屑) 時的AE信號，使用高速鋼與硬質(zhì)合金車刀以不同的切削用量車削中碳鋼，并采集所產(chǎn)生的AE信號，典型信號如圖5所示。該信號為連續(xù)不斷出現(xiàn)的小幅度信號，分析功率譜可知，其能量集中在100kHz以上的高頻段。從以上兩種情況可見，正常切削所產(chǎn)生的AE信號能量都比較小。

圖4　切屑斷裂信號功率譜

圖5　正常切削信號及其功率譜

圖6所示為刀具破損的典型AE時域信號及其功率譜圖，時域上為大幅度的脈沖信號，其持續(xù)時間為0.2～1.0ms。從大量刀具破損AE信號功率譜統(tǒng)計分析可知，0.1～2.0MHz范圍內(nèi)都有信號分布。針對上述傳感器特性，把后續(xù)處理電路中濾波器的截止頻率提高到0.3～0.4MHz，這對于提高刀具破損聲發(fā)射檢測的抗干擾性是非常有益的。從刀具破損的功率譜圖可以看出，其功率譜能量要比正常切削的功率譜能量大3個數(shù)量級左右。

圖6　刀具破損信號及其功率譜

由上述分析可知，要區(qū)分刀具破損信號與各種干擾信號，應(yīng)該從聲發(fā)射信號的頻率、幅值、持續(xù)時間等多方面進行鑒別。從頻帶上基本可以排除重物及飛屑撞擊傳感器、機床主軸變速等由傳感器殼體傳導(dǎo)來的干擾信號；從能量上可以排除正常切削和切屑斷裂所產(chǎn)生的AE信號。因此只要能鑒別聲發(fā)射信號的頻率、幅值、持續(xù)時間的長短，便可以識別刀具破損信號。

2　信號處理方法

依據(jù)上述刀具破損聲發(fā)射信號識別原理，聲發(fā)射信號處理方法如圖7所示。

圖7　聲發(fā)射信號處理框圖

由于刀具破損聲發(fā)射信號頻率高，所以用高速信號采集器才能提取到原始聲發(fā)射信號，但若對其包絡(luò)信號進行采集處理便可降低對后續(xù)識別處理電路的要求。如圖 7所示，通過檢波對信號進行幅值鑒別來識別AE信號，然后再通過脈寬鑒別AE信號持續(xù)時間，即采用幅值和脈寬的雙閾值判別法就可識別刀具破損的聲發(fā)射信號。為了消除經(jīng)傳感器殼體傳導(dǎo)的干擾，本系統(tǒng)采用了一個自適應(yīng)濾波器，使殼體傳導(dǎo)的干擾噪聲被濾除。然后信號分別進入高、低通濾波器，隨后兩路信號經(jīng)檢波放大后進行比較，同時對高通信號的包絡(luò)(即檢波)進行幅值比較。當(dāng)包絡(luò)信號達(dá)到預(yù)先設(shè)定的幅值閾值時，比較器1觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。接著進行脈寬比較，即信號進入積分器開始進行積分。只有比較器1的翻轉(zhuǎn)信號積累一定的時間，積分器的輸出才會高于預(yù)先設(shè)定的脈寬閾值，比較器2才會觸發(fā)翻轉(zhuǎn)(當(dāng)積分器輸出低于脈寬閾值時，認(rèn)為是沖擊干擾)。另外當(dāng)?shù)屯ǖ陌�絡(luò)信號大于高通的包絡(luò)信號時，比較器3觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。比較器2與比較器3的輸出信號的邏輯“非”進行邏輯“與”。即只有在比較器2觸發(fā)翻轉(zhuǎn)且高通包絡(luò)信號大于低通包絡(luò)信號時，邏輯“與”的結(jié)果才為“真”，即給出報警信號。通過后邊的邏輯“與”功能剔除了較強的低頻噪聲，同時附帶較弱的高頻干擾情況(如重物撞擊傳感器)。減少了實際應(yīng)用中的誤報。
　　由于敏感元件是浸在冷卻潤滑液中的，而乳化液都具有一定的導(dǎo)電性，所以各種強電干擾噪聲會通過它傳導(dǎo)到敏感元件；另外傳感器安裝在冷卻潤滑液撓性管的根部，聲波要借助冷卻潤滑液傳播較長的路徑才能到達(dá)傳感器。信號在傳播過程中衰減大，因此要求傳感器具有較高的靈敏度。為了消除強電的干擾，同時也為了耦合聲信號，在敏感元件表面涂上一層絕緣膠，其厚度應(yīng)為耦合介質(zhì)中聲波波長的1/4的奇數(shù)倍。實驗與實際應(yīng)用證明了上述抗干擾措施是有效的。為了降低系統(tǒng)的熱噪聲，使冷卻潤滑液管路穿過電子腔，通過降低其內(nèi)部溫度來降低電路噪聲。電壓噪聲是由器件中的熱噪聲引起的，通常用其均方值表示：U_n=2(kTR_eB)^1/2，式中玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10^-23 J^.K^-1；T為器件的熱力學(xué)溫度；B為器件的帶寬；R_e為器件輸入級的等效電阻。通過這種設(shè)計可以使電子腔溫度降低10～20℃，從而有效地降低了電路的熱噪聲。另外監(jiān)控系統(tǒng)還采用了低噪聲(V_n≤10nV^.Hz^1/2)的運算放大器組成前置放大器與主放大器，這些措施進一步降低了熱噪聲，提高了信噪比。

3　實驗與結(jié)論

在長春FMS實驗中心的MCV-O(NO.1)立式加工中心上進行了鉆頭和銑刀破損試驗，銑刀試驗共進行了22次，成功22次。鉆頭試驗結(jié)果見下表。

表　鉆頭破損監(jiān)測試驗結(jié)果