專利名稱：：外圓磨削工件表面質量可視化實時監測方法
技術領域：
：本發明涉及一種精密機械加工實時監測方法，尤其是一種外圓磨削工件表面質量實時監測方法。
背景技術：
：超精密/精密磨削過程中，如何實時監測磨削過程中的工件表面質量及磨削狀況，對提高磨削質量和磨削效率將有重要意義。如果能夠實現工件表面磨削質量的實時監測，即可實現磨削工藝參數的反饋控制，從而實現磨削過程的智能控制。因此，實時監測磨削過程中的工件表面質量是精密磨削技術的關鍵技術。盡管眾多的研究者采用電機電流、磨削力、聲發射信號和加速計等對磨削狀態監測技術做了大量研究工作，但限于傳感器安裝困難、信號干擾與靈敏度等原因，至今尚缺乏在實際生產中能夠有效應用的方法。由于聲發射信號能夠避開磨削過程中低頻噪聲區域，在高頻范圍內靈敏度高受環境變化小，所以聲發射技術是近幾年磨削狀態監測被廣泛采用的一種方法。聲發射(AE)是一種材料受外力或內力作用而產生變形或斷裂時，以彈性波的形式釋放能量的現象。在外圓磨削過程中，當砂輪與工件接觸時，其接觸狀態可以通過AE信號反映出來。
發明內容本發明是要提供一種適用于外圓磨削工件表面質量可視化實時監測方法，該方法通過建立聲發射信號的均方根(RMS)與工件質量粗糙度之間的關系模型，來預測不同工藝參數下的工件表面粗糙度，并結合工件表面粗糙度數值及曲線顯示，實現磨削過程中工件表面質量的可視化，為磨床操作工人修整磨削工藝參數提供幫助，并有利于提高工件的磨削效率和磨削質量。本發明的技術方案是一種外圓磨削工件表面質量可視化實時監測方法，具體步驟是2.聲發射傳感器的安裝與數據采集為了監測磨削狀態，將聲發射傳感器安裝在外圓磨床的砂輪架或、頭架或尾架之上，聲發射信號通過數據采集系統，由計算機采集獲得，設置相應的采樣頻率；3.聲發射信號的預處理為了去除干擾信號，對所采集的聲發射信號進行濾波處理采用切畢雪夫II低通濾波器濾除磨削過程的干擾信號，濾波器截止頻率根據磨床在無磨削狀態下AE信號的頻率范圍來確定，當砂輪主軸以及工件驅動主軸轉動，而砂輪與工件無接觸時，AE所接收的信號視為干擾信號，通過其頻率成份分析，確定低通濾波器的截止頻率；4.建立聲發射信號的均方根(RMS)與工件表面的粗糙度關系模型采用正交試驗方法，進行磨削試驗在完成每一次磨削試驗后，利用粗糙度儀測量工件表面的粗糙度，將均方根值取平均值后，即獲得聲發射信號均方根值與工件表面的粗糙度的關系；5.實現磨削過程工件表面質量的可視化根據步驟3所獲得的聲發射信號的均方根(RMS)與工件表面的粗糙度關系模型，通過聲發射信號的均方根值計算獲得工件表面粗糙度值，從而實現實時顯示工件表面粗糙度變化曲線的方法或將工件表面粗糙度值用數字變化的方法同時顯示在數控系統的屏幕上。本發明的有益具效果通過該發明，可利用聲發射信號實現工件磨削質量的可視化實時監測，對指導磨床操作工人選取工藝參數提供幫助，并對提高磨削效率和磨削質量具有重要意義。圖1是聲發射傳感器安裝位置示意圖；圖2是工件表面粗糙度數值及變化曲線顯示方式示意圖。具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。本發明的外圓磨削工件表面質量可視化實時監測方法，在工件磨削過程中，砂輪與工件彈性接觸、砂輪粘接劑破裂、砂輪磨粒崩碎、砂輪磨粒與工件摩擦、工件表面裂紋等均可發射出彈性波。這些因素和工件材料、磨削條件、砂輪表面的狀態等因素都有著密切的關系。這些因素的改變必然會引起聲發射信號的幅值等方面發生變化，這就使得我們可以通過檢測聲發射信號的變化來對磨削狀態進行判別。AE信號的變化幅度與磨削力的變化幅度成正比，磨削力的變化幅度越小，AE信號的變化幅度也越小，工件表面的質量就越高。反之，磨削力的變化幅度越大，AE信號的變化幅度也越大，工件表面的質量就越差。而AE信號的變化幅度可以通過聲發射信號的均方根進行描述。因此，可以通過聲發射信號的均方根(RMS)來預測工件表面的粗糙度，并結合工件表面粗糙度數值及曲線顯示，實現磨削過程中工件表面質量的可視化。其具體的步驟如下1.聲發射傳感器的安裝與數據采集為了監測磨削狀態，聲發射傳感器4在外圓磨床上，一般可安裝在砂輪架1、頭架2與尾架3之上。考慮到檢測信號的靈敏度，本發明將聲發射傳感器4安裝在尾架3頂尖之上，如圖1所示。聲發射信號可以通過數據采集系統，由計算機采集獲得，采樣頻率可取為IOOOHz。2.聲發射信號的預處理為了去除干擾信號，需要對所采集的聲發射信號進行濾波處理。可采用切畢雪夫II低通濾波器濾除磨削過程的干擾信號，濾波器截止頻率的確定，需要根據磨床在無磨削狀態下AE信號的頻率范圍來確定，當砂輪主軸以及工件驅動主軸轉動，而砂輪與工件無接觸時，AE所接收的信號可視為干擾信號，通過其頻率成份分析，確定低通濾波器的截止頻率。3.建立聲發射信號的均方根(RMS)與工件表面的粗糙度關系模型在磨削過程中，聲發射信號的均方根反映了磨削力變化的幅度。因此，聲發射信號的均方根與工件表面的粗糙度存在一定的關系。但是，該關系還與工件材料與磨削砂輪有關。需要通過磨削實驗獲得聲發射信號的均方根(RMS)與工件表面的粗糙度的關系模型。為了從實驗中更有效地獲取相關信息，可以采用正交試驗設計方法，完成磨削試驗。設所給定的外圓磨床，砂輪轉速范圍為(Pmin，Pmax，進給速度范圍為(Vmin，Vmax),磨削量范圍為(Smin，Smax)和工件轉速范圍為(Gmin，Gmax)。根據正交試驗設計方法，可以將上述選定的各因素劃分四個水平，如表1所示。根據上述因素及水平劃分，可以選擇L16(45)正交試驗，各試驗的評價指標為工件表面粗糙度(Ra)和聲發射信號(RMS)，用該正交表安排試驗如表2所示。需要說明的是，也可以采用其它正交試驗方案，試驗次數越多，所獲取的聲發射信號均方根(RMS)與工件表面粗糙度的關系越準確。表1正交試驗因素水平表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2正交試驗設計表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>在完成表2的每一次磨削試驗時，都應同時采集聲發射信號并計算其均方根值，當聲發射信號采樣頻率取為1000Hz時，可取每100個樣本計算一個均方根值，即均方根值計算的頻率為IOHz。在完成每一次磨削試驗后，利用粗糙度儀測量工件表面的粗糙度，將均方根值取平均值后，即獲得聲發射信號均方根值與工件表面的粗糙度的關系。通過以上工作，可以獲得若干個反映聲發射信號均方根值與工件表面的粗糙度關系的點。此時，一方面可以采用曲線擬合理論，獲得聲發射信號均方根值與工件表面的粗糙度關系的曲線模型。另一方面，也可采用線性插值方法，獲得其它位置聲發射信號均方根值與工件表面粗糙度所對應的值。4.實現磨削過程工件表面質量的可視化根據步驟3所獲得的聲發射信號的均方根(RMS)與工件表面的粗糙度關系模型，可以通過聲發射信號的均方根值計算獲得工件表面粗糙度值，從而實現實時顯示工件表面粗糙度變化曲線的方法，當然也可將工件表面粗糙度值用數字變化的方法同時顯示在數控系統的屏幕上，如圖2所示。權利要求一種外圓磨削工件表面質量可視化實時監測方法，其特征在于，具體步驟是(1)聲發射傳感器的安裝與數據采集為了監測磨削狀態，將聲發射傳感器安裝在外圓磨床的砂輪架或、頭架或尾架之上，聲發射信號通過數據采集系統，由計算機采集獲得，設置相應的采樣頻率；(2)聲發射信號的預處理為了去除干擾信號，對所采集的聲發射信號進行濾波處理采用切畢雪夫Ⅱ低通濾波器濾除磨削過程的干擾信號，濾波器截止頻率根據磨床在無磨削狀態下AE信號的頻率范圍來確定，當砂輪主軸以及工件驅動主軸轉動，而砂輪與工件無接觸時，AE所接收的信號視為干擾信號，通過其頻率成份分析，確定低通濾波器的截止頻率；(3)建立聲發射信號的均方根(RMS)與工件表面的粗糙度關系模型采用正交試驗方法，進行磨削試驗在完成每一次磨削試驗后，利用粗糙度儀測量工件表面的粗糙度，將均方根值取平均值后，即獲得聲發射信號均方根值與工件表面的粗糙度的關系；(4)實現磨削過程工件表面質量的可視化根據步驟3所獲得的聲發射信號的均方根(RMS)與工件表面的粗糙度關系模型，通過聲發射信號的均方根值計算獲得工件表面粗糙度值，從而實現實時顯示工件表面粗糙度變化曲線的方法或將工件表面粗糙度值用數字變化的方法同時顯示在數控系統的屏幕上。全文摘要本發明涉及一種外圓磨削工件表面質量可視化實時監測方法，具體步驟是1.聲發射傳感器的安裝與數據采集，2.聲發射信號的預處理，3.建立聲發射信號的均方根(RMS)與工件表面的粗糙度關系模型，4.實現磨削過程工件表面質量的可視化。通過本發明，可利用聲發射信號實現工件磨削質量的可視化實時監測，對指導磨床操作工人選取工藝參數提供幫助，并對提高磨削效率和磨削質量具有重要意義。文檔編號B24B5/35GK101829951SQ20101016830公開日2010年9月15日申請日期2010年5月7日優先權日2010年5月7日發明者李郝林,遲玉倫申請人:上海理工大學