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使用一種新 的光譜分析方法對 刀具進(jìn)行故障檢測 文摘 :本文給出了基于動態(tài)力在頻域和時頻域的銑削刀具故障監(jiān)控調(diào)查。一個新的數(shù)據(jù)分析技術(shù) ,探求希爾伯特 用于分析這個過程 頻域和時頻域。這種技術(shù)與韋爾奇功率譜的方法傳統(tǒng)基于傅里葉變換 (頻率域的方法很相似。這種方法也包括 非線性和非平穩(wěn)性的切削過程 。 這種方法旨在跟蹤主要峰的頻率和時間頻率域 (主要工具的出現(xiàn)打破指示器是新的頻率 刀具故障 。希爾伯特 分析技術(shù)涵蓋了物理性質(zhì)的切削過程。切割過程 中并不像對待理論的過程 ,這是顯而易見的的震蕩 頻率在基本頻率的刀具。刀具的發(fā)展是顯而易見的結(jié)果了。 關(guān)鍵詞 :刀具故障、光 譜分析、銑削過程監(jiān)控 ,探求希爾伯特 數(shù)控機(jī)床不能檢測刀具在網(wǎng)上的方式。因?yàn)橐粋€破碎的工具可能會繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 而沒被檢測到 產(chǎn)品質(zhì)量也會降低。降低材料成本 ,防止切割工具損壞 ,檢測技術(shù)的一種無人駕駛、在線刀具破損檢測系統(tǒng)是很重要的 。 刀具磨損監(jiān)測被廣泛研究通過許多不同的方法。主要有兩 種方法利用傳感技術(shù)檢測 。刀具破損 :一種是直接法 ,措施和評估的體積變化的工具 ,另一種是間接法 ,測量切削參 數(shù)的操作過程 。 在切削過程中斷和在冷卻劑液體存在一個刀具的條件下。直接過程的缺點(diǎn)是明顯的 。 傅里葉變換 (其改性短時間。傅里葉變換研究日益廣泛 ，為了檢測銑刀刀具磨損或刀具破損。 該方法的缺限導(dǎo)致了 由于切割 過程的 性質(zhì) ，假設(shè) 處理過的數(shù)據(jù)嚴(yán)格線性和平穩(wěn)是不可能的 。 另一個缺點(diǎn)是英國《金融時報》諧波作為一個多個基本頻率 ,這使得它很難識別真正的頻率。傅里葉變換演示只局限于頻域。 研究刀具可能方向是磨損過程，刀具提供了小波變換打破 ,但假設(shè)的線性數(shù)據(jù)對小波變換使得它難以可靠分析動態(tài)切削力信號在監(jiān)控切削過程。 探求希爾 伯特 新方法提出了用于時間序列分析。 這個 方法克服了的非線性 和非平穩(wěn)性的時間序列數(shù)據(jù)集的不足 。 這種方法 成功的應(yīng)用于許多時域分析中 :結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 ,振動、演講、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用 ,等等。 希爾伯特 括兩個基本步驟 :信號分解用于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸? (它實(shí)際上是一個二元濾波器組 ,和瞬時頻率計算。 工具磨損通常由一系列的過程引起的。刀具磨損會逐漸發(fā)生并導(dǎo)致嚴(yán)重的故障?？赡馨l(fā)生的逐漸磨損附著力、耐磨、或擴(kuò)散 ,它可能會出現(xiàn)在兩個方面 :在一個工具的正面或在它側(cè)面。工具面與 芯片接觸的地方產(chǎn)生的碎屑。側(cè)面磨損 ,另一方面 ,通常歸因于工具和工件材料之間的摩擦。一般來說 ,增加切削速度，加快在接觸區(qū)溫度的升高 ,從而大大減少了工具的的壽命。 銑削切削過程是指定的密集接觸工具和刀具工件 ,并會導(dǎo)致刀具磨損和刀具破損。上述過程適用于改變刀具的幾何工具。切牙歸納出切削力的波動部分作為一個受迫振動的結(jié)果。變更 (刀具磨損或工具打破 )切削幾何可以觀察到光譜分析。 物理本質(zhì)的銑刀刀具磨損會 忽略以下這部分研究。 黃變換理論的分析方法 上面給出的使用傳統(tǒng)的方法例如傅里葉和小波變換是有局限性的 。最近的研究[5,6]帶來了一種新方法 對于非線性和非平穩(wěn)數(shù)據(jù)。 這個 表示在頻率和時頻域利用其它轉(zhuǎn)換。重要的是在切割過程中可能歸因于特定時間。 用 (法 ,任何復(fù)雜的數(shù)據(jù)集可以分解到一個有限的和經(jīng)常小數(shù)量的組件 :一個收集的固有模態(tài)函數(shù) ( 了避免模式中的各個組件之間的混合 ,白噪音的給定的值被添加到研究信號 (這個過程被 稱為 。 根據(jù)定義 ,被規(guī)定為對稱歸零 [5,6]。 (a)識別極小值和極大值 ; (b)連接局部最小值和最大值使用 樣條 ; (c)找到 (上部和底部信封識別的意思。 這個的意思是指定 (1) 在第二個篩選過程中 ,然后 (2) 這個篩選過程可以重復(fù) 直到 是 h1(k?1) ? 后它被指定為 一個 檢查如果 下條件必須滿足 (5、6): (a)數(shù)量的極值和零交叉是小于等于 1的 ; (b)平均值上 (和極大值聯(lián)系在一起 )和 較低 (和 最小值 聯(lián)系在一起 )是在每一點(diǎn)上的零。 第一個 s?種差異被稱為殘余 現(xiàn)在視為新的信號和接受同樣的篩選過程。分解過程最后停止當(dāng)殘余 有任何更多的 解 原始信號到 1然后通過 (3) 另一個步驟是將希爾伯特變換進(jìn)行分解。每個組件都有其希爾伯特變換 (4) 圖 1通過使用各種方法分析切削力信號 :(a)原始數(shù)據(jù)集 ;(b)傅里葉變換的信號 ;(c)小波變換 ;(d)用希爾伯特變換 ,分析信號定義為 (5) 其中 (6) 并且 (7) 在這里 ,a(t)是瞬時振幅和 θ (t)相函數(shù)和瞬時頻率 (8) 在表面上的希爾伯特變換每個元素 ,原始數(shù)據(jù)可以表示為真正的部分 (9) 希爾伯特譜定義后 ,邊際光譜可以被定義為： (10) 邊際譜提供了一個每個頻率值衡量的總振幅 (或能量 )的。這個光譜代表累積 振幅在整個數(shù)據(jù)跨度在 概率上的意義。 所有細(xì)節(jié)參考文獻(xiàn) [5]和 [6] 傅里葉變換、小波和 號對應(yīng)的切削力 (a))。切割條件對應(yīng)于測試 1表 1給 出 ; 測試 1在 表 1中給出 ； 一個低碳的鋼是考慮切削力仿真 。 常量的切削力仿真采用參考 [8]。 陳述的比較 (圖 1(b)、 (c),(d))是給定的時頻域 ,對比結(jié)果真實(shí)信號 (圖 1(a))在頻率域 比較 。 圖 1(b)顯示了 在 時頻表示使用傅里葉變換 (圖 1(b))為一個非線性但弱平穩(wěn)信號。圖 1(b)顯示了基本頻率約 132赫茲和三個諧波作為多個的基本頻率。諧波的存在是典型的非對稱信號。這種情況下 ， 它沒有任何物理意義。傅里葉變換的頻率值是與常數(shù)在整個時間跨度覆蓋范圍的集 和 。作為傅里葉定義的頻率不是一個時間的函數(shù) ,它可以很容易地看 到 ,頻率內(nèi)容 自身 有意義的只有數(shù)據(jù)線性和平穩(wěn)。這就是為什么一個刀具 的 故障利用傅里葉變換通過增加功率密度 [3],而不是頻率變化進(jìn)行研究了 。 連續(xù) 的小 波變換 (圖 1(c))和 (圖 1(a))應(yīng)用到相同的數(shù)據(jù)集。 小 波是非常有用的對于數(shù)據(jù) 的 比較和形象處理。 該表示方法通 常 是轉(zhuǎn)向規(guī)模。規(guī)模的頻率和位移時間成正比。小波變換的局部性質(zhì) 是 允許在一個頻率的變化被檢測到，因此它是有用的非平穩(wěn)數(shù)據(jù)。小波分析的最嚴(yán)重的缺點(diǎn)又是由不確定性原理的限制（產(chǎn)品的頻率分辨率， △ ω ，和時間跨度的頻率值的定義， △ T，不得低于 1 / 2）是局部的和一個小波不能包含太多的波；然而有良好的頻率分辨率，小基波也將包含許多波的 [ 7 ]。 圖 1（ c）具有非常明顯的峰，頻率對應(yīng)的理論頻率 為 132 赫茲。圖 1（ d）顯示的 計算結(jié)果使用 時間線的連續(xù)頻率明顯。計算時頻域是基于方程的過程（ 1）至（ 10）；然而瞬時頻率可以 利用 希爾伯特變換計算，過零點(diǎn)，或正交參考 [ 7 ]。瞬時頻率計算的概念允許的頻率是在距離不 是 計算兩峰之間， 而是 在一個高峰，如果數(shù)據(jù)密度足夠高。振蕩（圖 1（ d）） 是 描述的頻率在一個峰的變化。 用于在測試工件材料為 045 碳 鋼的 C = 的名義材料組成， ， P = 最大， S = 最大（重量 %）。刀具選擇銑刀類型 是 高速鋼（ 含鈷高速鋼）， 制造一個直徑 為 12 四個 出屑槽 。在連續(xù)的 一個 五軸銑床中心進(jìn)行試驗(yàn)，通過 穿梁 制造，具有 20000 r/大主軸轉(zhuǎn)速，以 代號為 760控制系統(tǒng)。數(shù)控編程是在 行干切削。 實(shí)驗(yàn)是在表 1中給出的兩個不同的切削條件下進(jìn)行的。每個試驗(yàn)重復(fù)至少四次。 對 切割裝置沖擊試驗(yàn)的固有頻率進(jìn)行 自然頻率 振動。通過對工件在各個方向的沖擊錘測定 自然頻率（ X， Y， Z）和工具的固有頻率也進(jìn)行了測量。在所有情況下的頻率高于 軸壓電測力計 基斯特勒 9257 振動是由數(shù)據(jù)采集單元（ ω ）。數(shù)據(jù)采集單元被連接到 線控制卡的 用 驗(yàn)切削裝置如圖 2所示。 所有信號被記錄加載。一些信號從不同的位置上采集 。刀具齒頻率應(yīng)該使 用以下公式計算 (11) ω 是主軸轉(zhuǎn)速以 r/ 圖 2實(shí)驗(yàn)切割設(shè)置 圖 3段切削力數(shù)據(jù)集 —— 損 壞刀具工具、時間域 圖 4段切削力數(shù)據(jù)集 —— 未 損壞的 刀工具 ,時間域 圖 5(a)希爾伯特譜的 未損壞的刀具工具。 (b)希爾伯特譜的損壞刀具工具。 圖 6分解信號受損刀工具 ,最高能源組件 圖 3顯示了一個部分 損壞的刀具與圖 4 在時間域的對比 的數(shù)據(jù) 集 ,刀具沒有什 么損壞。這個 結(jié)果對應(yīng)于切削條件測試 1,表 1中給出。振幅的變化在每一個第四峰對應(yīng)于刀具破損 (圖 3)。速度的軸是 ω =1985 r / 因此每個牙齒的頻率是 :f= 33程 (11))。這個循環(huán)被標(biāo)記為圖 3。標(biāo)記的時期 (大致對應(yīng)到循環(huán)的一個周期計算 (方程 (11))，但是 ,并不代表所有數(shù)據(jù)集 ;大部分時間信號不是很穩(wěn)定 ,工具破壞估計可能因此不可能的。 傅里葉變換的缺點(diǎn)的提交 的數(shù)據(jù)集 (見 是明顯的。時間域表示不顯示所有的數(shù)據(jù)集的內(nèi)容。因此更好的給出了頻域和時頻域的數(shù)據(jù)。 圖 5(a)顯示了損傷刀具的希爾伯特譜。這部論文的方法 (示在基本頻率的振蕩強(qiáng)迫振動 ,這是 132赫茲。這個瞬時頻率可以通過使用希爾伯特 — 黃變換計算。這個輕微的振蕩更好的描述切削過程。切割過程中通過使用希爾伯特 — 黃變換不是像對待理論的過程。 結(jié)果的徑向力 Fr(的介紹。 圖 5(b)顯示了希爾伯特 譜的受損刀工具。用刀具的損壞來模擬磨牙齒的三角形狀。瞬時頻率的變化是很明顯的。低頻率的漂移顯示高的瞬時波動頻率刀具損壞。 最明顯的指示器的刀具破裂處是外觀大約 32赫茲的新頻率 。在圖 3中 這個頻率實(shí) 際上對應(yīng)著差距 (由于刀具工具故障 )在被損壞的刀具的時間域中。 差距被標(biāo)記在圖 3中是一個灰色的長方形。 這個 程 (1)(3))允許頻率分離 ,就像一個帶通濾波器。 優(yōu)勢是濾波器不需要使用。 這兩個重要的組件的分解信號的損壞刀具如圖 6所示。這些頻率對應(yīng)于在希爾伯特光譜中的最高的能量 (圖 5(b))。 這 時頻域數(shù)據(jù)表示的優(yōu)勢 是非常明確地。 傅里葉變換 和 希爾伯特 — 黃變換（ 間的差別是顯而易見的： 結(jié)果可以看出在時間頻率域或在高頻率分辨率 ,是不可能使用傅里葉變換 的。 圖 7邊際譜 :比較新的和 圖 8邊際譜 :比較新的和 損壞的刀具工具 ,測試 損 壞的刀具工具 ,測試 2 圖 9韋爾奇功率譜和邊際譜的未損壞 的刀具工具 (估計的動態(tài)力 ),測試 圖 7顯示了希爾伯特邊際譜 ,它類似于功率譜的傅里葉變換 對應(yīng)于圖 5(a)和 5(b),但是圖中所示是頻率功率譜 該工具故障表示更高的能量在希爾伯特邊際譜 32也是是刀具磨損造成的 變化的刀齒成不同的幾何形狀使信號轉(zhuǎn)向低頻率。 新方法被用于不同的切割條件 ,測試 2(表 1),以確認(rèn)的可重復(fù)性。結(jié)果 (圖 8)對應(yīng)上面的結(jié)果 :一個轉(zhuǎn)變成低的峰值跟蹤頻率和新頻率出現(xiàn)刀具故障的結(jié)果。 圖 9顯示了希爾伯特邊際譜和傅里葉變換的比較。這個優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的 :希爾伯特邊際譜沒有任何諧波 和輕微的振蕩在基本頻率呈現(xiàn)切割過程中更可靠。 4. 結(jié)論 1. 證明用本文方法來檢測刀具故障的正確性 . 他的頻率在希爾伯特譜 (頻域 )以及在希爾伯特邊際譜 (頻域 ) 它允許其他 現(xiàn)象在切削過程中被分析。 5. 通過使用傅里葉變換 過程更好的描述切割性質(zhì)，也提出了一個比較的傳統(tǒng)方法 作者要感謝來自國立中央大學(xué)電火花加工實(shí)驗(yàn)室的燕教授的幫助，感謝對來自捷克技術(shù)大學(xué)布拉格 ,馬丁的感謝以及他對小波變換的評論 參考文獻(xiàn) 1 M. 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