0405150杨林基于加工中心机床切削力信号在线监测设计.doc

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1、1 前言1.1 选题背景与意义1.1.1国内外研究现状随着计算机技术、电工电子技术、数控技术等各种技术的发展，制造技术正朝着精密化、集成化、网络化、全球化、虚拟化、智能化的方向发展。由于现代削加工过程正在向高速切削、强力切削、精密以及超精密加工方向发展以及数控机床、加工中心等先进设备的广泛应用,因此迫切需要新型、可靠、实用的切削过程在线监测系统。加工过程中切削力的测量系统就应该满足以下要求：实时性好，能够对切削力进行实时在线测量；测量范围大、高精度以及高分辨率；能够对复杂多变的切削力信号进行各种处理与分析。刀具磨损是引起加工误差的主要原因之一，尤其是在自动化生产的精密加工中，刀具磨损产生的加工

2、误差是不容忽视的问题。一直以来，国内外的专家和学者大都通过在线检测刀具的磨损状态来采取相应的措施（误差补偿、更换刀具等）来减少和避免由于刀具磨损产生的加工误差2。 华东交通大学的郭厚焜等人就针对铣削加工过程中刀具磨损的状态进行了研究和分析，提出了以后刀面磨损作为主要参数的加工误差计算方法。图1.1 后刀面磨损图1.1是铣削过程中后刀面的磨损情况。通过对铣削过程中刀具的磨损情况分析得出对于以主切削刃承担主要切削任务的铣削加工，后刀面的磨损是导致加工误差的主要因素。最终，其通过一系列的分析、实验得出了后刀面磨损与加工误差的数学关系式。因此，可以通过此结论来确定何时换刀，从而提高生产质量。近几年来，

3、很多学者研究利用神经网络来对端面铣削时刀具磨损进行在线实时监测。即采用网络技术来识别刀具磨损状况，将切削力和进给速度等其他已知的参数的平均值输入到网络中，通过一系列的研究和分析得出这些参数与刀具磨损情况的关系。随着切削加工技术的发展，切削力的测量技术将朝着以下几方面进行发展：（1）应用微电子和集成电路技术，使数据采集系统集成化，提高数据采集的速度与精度；（2）开发新型弹性元件。优化弹性元件的结构和应变片的布片方案，提高应变式测力仪的固有频率，有效解决应变式测力仪的刚度和灵敏度之间的矛盾问题，降低各向力之间的耦合程度；（3）完善数据分析处理的功能，例如将虚拟仪器技术引入切削力测试系统，以便对测量

4、数据进行多种操作和数据库处理；建立专家系统，通过对测试数据进行分析和处理，从而对刀具磨损、切削颤振等情况做出预报并提出相应的治理措施3。1.1.2选题目的及意义 在机械加工过程中，为了使加工更好地完成，对加工过程进行在线监测和实时控制是很有必要的，这就要求监控系统具有很好的实时性，能对变化做出快速的反应。刀具作为切削过程的直接执行者,在切削加工过程中不可避免地存在磨损和破损等现象。如果不对磨钝的刀具采取措施,将可能导致工件的报废,甚至有可能损坏机床。在传统的机械加工过程中,可以通过辨别切屑及加工过程中的噪声来判断刀具的磨损、破损状态。但是,随着自动化程度的日益提高,由人工判别刀具状态已经成为阻

5、碍加工自动化发展的主要因素。因此对机床切削力信号的在线监测系统的研究更加有深远的意义，它将会为制造业揭开崭新的一页。1.2 设计内容1.2.1设计内容研究 本课题是研究利用计算机采集数据和信息，对加工过程中刀具受力实现在线实时监测。本课题是以加工中心机床切削力在线状态检测系统为基础，它主要包括切削力信号的采集、实时监控和后续处理与分析。信号采集是利用压电式传感器测得信号并送入计算机，通过对信号进行实时采集并动态显示信号，从而监控整个加工过程。信号处理是将采集来的信号进行后续处理与分析，它包括显示、滤波、相关分析、谱分析等，通过对信号进行时域和频域分析，可以得出信号的特征。本课题的主要工作：一是

6、从整体对系统进行分析，设计出方案;二是根据具体的对象，对监测系统进行构建，并使它有一定的通用性;三是对系统进行测试，并进行分析。具体的工作是:1.从整体上对监测系统进行分析，了解每个部分的组成及功能。2.对加工中心切削力信号在线监测系统进行硬件设计，介绍各控制部分和测量部分的原理和应用，并对其硬件部件进行选择定型。3.了解压电式测力仪的工作原理，信号的采集原理和方法；了解数据采集板的构成，熟悉信号转换的原理。4.了解系统功能，完成软件设计。(1)切削力信号的采集利用现有的台湾研华公司的MP-04A视频采集卡作为数据采集板，对信号进行采集和转换，计算机接口软件实现了采集、显示和存储的功能，具有实

7、时、快速的特点;(2)切削力信号的处理与分析将采集的数据进行显示、滤波、相关分析、谱分析等，在时域和频域同时分析信号，以便进行监控。(3)调试程序并与实际结合。在不同的切削用量或切削条件下对系统进行调试，以便体统能够精确的对数据进行采集、处理和分析。5.系统的整体测试及实验。首先，对软件系统本身做标定和检测，其次，对压电测力仪进行静态标定后，然后联机成为切削力实验系统，监测采集的切削力信号，从而得到实际的验证。6.系统的完善。经过多次实验对硬件和软件系统进行运行、校验，观察其运行效果并对其不足之处进行改进。1.2.2研究结果预期 通过对本课题的研究设计，能够实现加工中心机床切削力信号的在线实时

8、监测，该系统利用压电测力仪测得信号，而后进行放大、补偿、A/D转换，再利用计算机进行采集、处理和分析。与传统的机械加工过程中人工判别刀具状态相比，该在线监测系统通过对切削力信号进行在线实时监测从而能够非常精确的判别刀具状态。因此能够提高生产质量、生产效率以及机械生产加工的自动化程度。 2系统的设计2.1系统的工作原理本课题的主要研究目的是对切削力信号进行采集，并进行后续的数据处理与分析，为机床加工过程中刀具的磨损情况以及何时换刀提供一定的理论依据。由于该系统的监测对象是加工过程中机床的切削力信号，因此系统必须对其进行在线实时监测。为了使该系统可以在各种数控机床上安全运行，故系统的整体示意图如图

9、2.1所示：压电式传感器电荷放大器数据采集板计算机（内有数据处理软件）件）图2.1 系统整体示意图系统的实体外观如图2.2所示：图2.2 系统实体外观图本文中切削力信号的采集是利用压电式传感器测得信号并通过电荷放大器将微弱的电荷信号放大成电压信号，然后通过数据采集板将模拟信号转换成数字信号，最后将信号输入计算机，在计算机上利用软件DEWESoft对信号进行实时采集并动态显示，从而可以监测整个加工过程。经过对信号进行时域和频域分析，从而得出信号特征，最后获得正确的动态切削力信号。由系统的示意图可以很容易的看出该监测系统的工作原理：压电式传感器将难以直观表达的物理信号转换成易于测量的模拟信号。此时

10、得到的模拟信号是非常微弱的电荷信号，由于信号的强度仍不能使计算机对其进行处理，因此就将采集到的模拟信号进行放大、滤波等处理。然后将处理过的信号进行A/D转换后输入到计算机，最后计算机通过软件对信号进行监测、控制和分析。通过一系列的实验验证与调试，最终可实现通过对切削力信号的监测实时判别刀具状态以及刀具磨损情况。2.2系统部件的选取2.2.1传感器的选用随着测试、控制与信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素受到了普遍重视。传感器作为测试与控制的首要环节，能把被测物理量直接转换为和其有确定对应关系模拟信号，以满足对信息的传输、记录、显示、分析、处理以及控制等要求4。其性能直接影响整

11、个监测系统，对测量精度至关重要。因此，该系统的传感器的选择就非常重要。传感器的选用原则有：（1）灵敏度：一般来说，传感器的灵敏度越高越好，因为若灵敏度越高，就意味着传感器所能感知变化量就会越小。但当灵敏度过高又很容易受其他信号的干扰。因此，往往要求传感器的信噪比越大越好，既要求传感器的本身噪声小，且不易从外界引入干扰。（2）响应特性：传感器的响应特性必须满足不失真的测量条件且响应时间越短越好。（3）线性范围：线性范围越宽，就表明传感器的工作量程越大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。（4）可靠性：为了保证传感器在应用中具有高的可靠性，必须选用设计、制造良好，使用条件适宜的传感器

12、。（5）精确度：传感器的精度表示传感器的输出与被测量真值一致的程度。（6）测量方法：传感器在实际条件下的工作方式，工作方式不同对传感器的要求就不同5。传感器有多种类型，作者根据传感器的选用原则综合考虑了各种传感器的优点以及实验条件，在该系统中选用压电式传感器。它是一种可逆性换能器，既可以将机械能转换成电能，又可以将电能转换成机械能。这种性能使它广泛用于压力、应力加速度测量，也被用于超声波发射与接收装置。 X y + + + + + + + + + + 图2.3 压电效应原理图压电式传感器是利用压电效应来进行测量的。某些介电物质，在沿一定方向对其施加压力或拉力使它变形后，在它的表面上就会产生电荷

13、，而当外力去掉时，其又回到不带的电状态，这种现象就称为压电效应6。如图2.3所示，当在X方向上对压电晶体施加一压力时，在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷Q。电荷Q的大小可表示为： (2.1)式中d为X轴方向受压时的压电系数，它能够表征压电材料的性能，但是同一材料在不同的受力和变形方式下其值也不同。 反过来，如果在压电晶体上垂直于X轴平面上加上电场，会使晶片产生机械变形；如果加交流电压，则切片沿电极方向有伸缩而产生机械振动，这种现象就称为“逆电压效应”或“电致伸缩效应”7。压电式传感器的传感元件是压电材料，压电材料有压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜等。压电传感器的工作原理就是利用这些压电材料的压电

14、效应。如图2.4所示，当对压电材料施加一压力时，其就会将机械能转换为电能，当将其置于电场中，压电材料就会产生机械振动，即将电能转化为机械能8。机械能电能正压电效应逆压电效应图2.4 压电效应在自然界中大多数晶体都具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。石英晶体的突出优点是具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。与其它传感器相比，石英力传感器具有动态特性好、静态特性好、使用性能好、稳定性好等优点。而且石英晶体的输出具有较大的线性范围与较好的响应特性等特点9。由于切削力是动态的信号，所以在本系统中我们选用石英晶体作为敏感元

15、件。最后通过对多种石英压电式传感器性能进行比较，作者最终选用了实验室现有的奇石乐公司的Kistler9257B型测力仪。该测力仪在受到外力作用后，其内部的四组压电传感器将会产生8组力信号，这8个力信号将分别以8个通道进入电荷放大器。该测力仪的特点如下：（1）刚性好，高固有频率；（2）测量范围宽；（3）线性度高且范围宽，较小的滞后性；（4）各通道间的干扰很小；（5）操作简单：按一个按钮（复位键）测量；（6）结构简单，寿命长；Kistler9257B型测力仪的实体外观如下图所示：图2.5 Kistler9257B型测力仪 图2.6 测力仪受力时传感器产生力矩示意图 如图2.6所示，当测力仪受到外力

16、作用时，其内部四组压电传感器就会产生8组（X方向的X1和X2，Y方向的Y1和Y2,Z方向的Z1、Z2、Z3、Z4）切削力信号。由此我们可以依据公式得出X、Y、Z向的合力与力矩：F=F+FF=F+FF=F+F+F+FM=b（F+F-F-F）M=a（- F+F+F-F）M=b（- F+F）+a（F-F）其中a和b是功率常数，对于9257B型测力仪来说，a和b的理论值分别为a=30mm,b=57.5mm。2.2.2信号放大器的选用传感器所产生的电信号一般非常弱。因此，我们需要通过电荷放大器对其进行放大。理想的电荷放大器是一个具有极大电容Cf负反馈的高增益运算放大器。其由电荷变换级、调试级、高通滤波器

17、、低通滤波器、末级功放、电源等几部分组成10。电荷变换级的作用是将电荷转换成与其成正比的电压信号，将高输出阻抗转换为低输出阻抗。其采用高输入阻抗、低噪声、低漂移宽带精密运算放大器。反馈电容Cf有有101pF、102pF、103pF、104pF四档。低通滤波器为二阶巴特沃斯有源滤波器，其特点是元件少，通带平坦，调节方便，可以非常有效的消除高频干扰信号对有用信号的影响。高通滤波器为二阶无源高通滤波器，其可以非常有效地抑制低频干扰信号对有用信号的影响11。放大器的原理图如下所示：图2.7 信号放大器原理图当放大器开环增益 A 、输入电阻 Ri和反馈电阻 Rf 相当大时，在计算时，可以将输入电阻 Ri

18、 和反馈电阻 Rf 忽略不计，放大器的输出电压 U0正比于输入电荷 Q设 C 为总电容，则有 U0 = -AUa = -AQ / C。根据密勒定理，反馈电容 Cf 折算到放大器输入端的等效电容为（1 + A）Cf，则有： （2.2）当 A 足够大时，则（1 + A）Cf（Ca + Cc + Ci），上式变为： （2.3）由此可见，电荷放大器的输出电压仅与反馈电容和输入电荷有关，电缆电容以及其他因素的影响可忽略不计，但需满足两个条件：（Ca + Cc + Ci）（1 + A）Cf；增益A,但电缆也不能太长，否则会降低信噪比，使低频特性变差12。根据市场导向和对各种信号放大器的性能进行对比，作者最

19、终决定采用Dewetron公司生产的电荷放大器。Dewetron公司是世界著名的设计和生产便携式数据采集系统的专业厂家，其便携式数据采集分析系统享誉世界。其一贯以精密的测量仪器、产品质量可靠和优异的性价比而著称，且目前已经成为信号处理和基于开放IPC平台的测试仪器主要生产厂商。基于Dewetron公司仪器的诸多优点和对实验条件的研究，最终决定采用其公司的 DAQPad-CHARGE-B型电荷放大器。其实体外观如下图所示：图2.8 DAQPad-CHARGE-B型电荷放大器2.2.3数据采集板的选择数据采集就是将获取的信息通过传感器转换为电信号，并通过信号采样、量化、编程以及传输等步骤，最后将信

20、号送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。数据采集系统是计算机获取信息的主要途径13。驱动程序 Buffer DAQ板卡 A/D Buffer（FIFO）硬件LabVIEW程序 信号 A?显示外触发图2.9 数据采集系统结构图2.9表示了数据采集系统的结构，在采集数据之前，程序将对采集板初始化，采集板上和内存中的Buffer是数据采集与存储的中间环节。在计算机测试系统中，由于压电式传感器、信号放大器输出的信号是模拟信号，而计算机所能识别的信号是数字信号，因此在计算机和传感测试电路之间，就需要用A/D转换器来实现信息的转换和传递，进而实现监测系统对信号的控制。A/D转换器是数据采集系统的核心

21、，承担着将模拟信号转化为适合于计算机数字处理的二进制代码的任务。A/D转换器的主要功能有：（1）抽样：将模拟信号在时间上离散化，使其成为抽样信号；（2）量化：将抽样信号的幅度离散化，使其成为数字信号；（3）编码：将数字信号表示成计算机所能接受的形式14。A/D转换器的主要技术指标有：（1）分辨率：分辨率是与最低二进位的模拟量值相应的。它是A/D转换器能够区分的模拟量的最小变化值。因为能够分辨的模拟量值取决于二进制位数，因此，通常用位数表示分辨率，如8为、12位等。（2）转换时间：A/D转换时间指的是从转换命令开始到转换结束，得到稳定的数字输出量的时间。（3）量化误差：A/D转换是将连续的模拟量

22、转换成离散的数字量，对一定范围连续变化的模拟量只能反映同一个数字量。A/D转换器总存在1/2LSB的量化误差，这个误差是量化过程不可避免的。（4）精度：精度是指量化误差和附加误差之和。A/D转换器除了量化误差外，还有其他因素造成的误差，如非线性误差，我们将这种附加误差的总和称为总不可调误差，实际上就是A/D调整到最精确情况下还存在的附加误差15。考虑到研制周期、质量、可靠性等诸多因素，作者采用了现有的数据采集板台湾研华公司的MP-04A视频采集卡。它采用超强Philips 7130芯片。Philips 7130芯片是一个9 bit ADC,相对于8 bit ADC BT878芯片来说，不管是图

23、像质量，还是颜色的饱和度方面都强很多。MP-04A视频采集卡画质清晰、功能完善（硬件具有画面缩放功能）、兼容性好、性价比高，其具有CPU占用率低、多路实时显示等特点。MP-04A视频采集卡是专门针对系统开发商开发出的多路视频PCI总线视频卡，可采集彩色/黑白信号。其支持四路实时输入，且各通道同时工作互不干扰，可稳定接收来自各视频源的信号，其最高分辨率可达到768576。实体外观如下图所示：图2.10 数据采集卡视频采集卡的A/D转换工作原理如下图所示：ADCPGA 通道0 IN+ : : : :PGAADC : : : 通道3 IN+BUFFERCONTRAL 外触发 总线图2.11 视频采集

24、卡中A/D转换工作原理MP-04A视频采集卡的接口为1394火线接口，其主要特点有：（1）支持9位的视频A/D转换。（2）可实时采集彩色/黑白视频信号。（3）板载采样保持器。（4）支持软件字符图形叠加功能。（5）支持Overlay多路同时预览，CPU占用率极低。（6）硬件完成输入图像比例缩放。（7）可采集单场、单帧、间隔几帧、连续相邻帧的图像。 （8）具有三种触发功能。内部触发，外部触发，软件触发。（9）支持实时抓图。（10）支持任意块视频数据读取。（11）软编码: 可选帧率1-30帧/秒；提供动态AVI图像捕获；可将动态图像捕获为JPG或BMP静态图像存盘。2.2.4 系统软件的选择系统的应

25、用软件是根据系统的功能要求来进行选择的，应可靠地实现系统的各种功能。机床切削力在线监测系统对软件的性能要求如下：（1）工作可靠、稳定性好。系统在发生故障或输入数据不合理时，应有较强的抗干扰能力和排除故障的能力，以免系统产生错误或遭到破坏。（2）具有实时数据录入功能。即软件必须能够实时的反映信号的变化，以便于操作者作出相应的措施。（3）具有滤波功能。在信号采集过程中，不可避免的会有其它干扰信号，这就使采集的数据不够准确。因此，必须要求软件能够降噪、滤波、去除不需要的成分，最终得到有效的数据。（4）数据处理功能。将信号的时域描述通过数学处理变换为频域描述的方法称为频谱分析，人们通常用的数学处理变换

26、是傅里叶变换。对于数字信号，我们一般都采用离散傅里叶变换进行频谱分析，而快速傅里叶转换则是离散傅里叶转换提高运算速度的一种快速算法。它对于计算机程序实现频谱分析起着重大作用。因为分析信号的频率结构是确定信号性质的最有效途径，频域分析正是要研究信号是由哪些频率成分组成。这就是软件具有的数据变换功能。（5）图形、数据的输出。能够更加直观的分析数据16。综合以上所述，该系统所选用的是现有的Dewetron公司所研发的DEWEsoft数据采集分析系统软件。具体型号为：DEWESoft-6-LT1，该软件的主要性能有： 简单易用，任意测量值的工程单位可进行转换，图形化友好界面； 数据存储时可加入事件标注

27、，文字注释及声音提示； 可同时显示 12 通道FFT 曲线； 光标可显示幅值和频率； 可在线计算最大值、频率、有效值； 多种窗函数可选（汉宁、平顶、海宁、矩形、指数等）； 指数、峰值、线性平均功能； 同一窗口可显示多达 4 条测试曲线； 可同时显示四个曲线显示窗口，每个窗口可显示 4 通道测试曲线； 鼠标拖动 ZOOM 功能； 多种数据文件输出格式：EXCEL、FLEXPRO、I-DEAS、MATLAB、MEScope、CADA-PC； 可进行FFT 分析，谱线数高达32K； 可进行传递函数测试；可方便进行锤击模态试验； 轨迹图； 可进行1/3，1/6，1/12，1/24 倍频程分析； 具有示

28、波器功能； 具有X/Y 记录仪功能； 具有图象信号处理功能。由数据采集软件DEWESoft-6-LT1的以上性能可知，其功能完全满足于机床切削力在线监测系统的要求。2.3系统的总体设计2.3.1系统的组成系统由 9257B 石英压电式测力仪、1689B5 连接电缆、带加法器的5045A分线盒，信号输出电缆和DEWETRON 数据采集分析系统(内置12 bit，采样率为1.25MsA/D 板，内置8 个准静态信号调理电荷模块DAQP-CHARGE-B，还可以内置其它8个信号调理模块，如电桥模块、频率模块、电压模块、温度模块等来完成其需要测试的项目) 。系统构成如下图所示：DEWETRON 数据采

29、集分析系统带加法器的5045A分线盒，信号输出电缆1689B5连接电缆9257B测力仪图2.12 系统构成图2.3.2系统的特点使用 9257B 型测力仪，配DEWETRON 的通用型数据采集分析系统，其显著的特点是该系统不仅可完成切削力的采集分析工作，还可完成其它测量工作(振动、噪声、转速、温度、应力、应变等)，是一个灵活方便的通用数据采集测量系统。但该系统需要配备计算机。由于采用通用型数据采集分析软件，所以不仅可进行切削力的采集分析，也可完成各种测量分析处理工作。2.4本章小结（1）介绍了系统的工作原理以及各个部件的选择。（2）介绍了信号的获取及转换，并分别介绍了压力传感器的结构、特点和原

30、理，以及电荷放大器和数据采集板的基本原理。（3）介绍了系统的数据分析软件的性能。3数据采集模块和数据分析模块软件是该监测系统的关键。要实现监测系统的对切削力信号的在线实时监测功能，最终还要落实到整个系统的功能以及对数据的分析。在上一节主要讨论了系统的组成及各个部件的功能，在这章作者将对数据采集模块和数据分析模块进行介绍。3.1数据采集模块3.1.1数据采集模块的流程数据采集的核心部分是视频采集卡，视频采集卡将采集到的信号输入电脑并显示到监控部分。数据采集模块的流程图如下所示：初始化采集板和参数设置基地址、增益、采样时间、采样频率选择采集方向获取零点开始采集显示存储结束图3.1 数据采集流程图在

31、实际情况中，若要实时监控加工过程中的切削力信号，就要考虑到应在计算机屏幕上实时、动态的显示信号的波形。由于采集、显示都需要时间，当频率过高时，数据的采集和显示就不能同步，就无法实时显示采集信号的波形。考虑到这个问题，本文介绍两种采集方案：一个是低频数据采集，另一个是高频数据采集。所以在采集数据时一定要注意频率问题，否则就可能引起失真。低频数据采集是为了实时监控采集数据的波形，使采集数据和显示波形同步，并且不失真。低频数据采集中的设备驱动部分直接对硬件进行操作，读取端口地址并获得采样数据，监控部分负责在计算机屏幕上实时、动态的反映这一过程（动态显示波形）。通过监控部分，用户可以在采样前对采样进行

32、多种设置（采样时间、采样频率、采样幅度等）；采样中用户可以随时暂停采样、终止采样和重新采样，并且在重新采样时给出警告，提醒用户将所采集的数据文件更名。采集来数据的存储格式应有一定的要求，这是为了方便数据处理模块的分析和处理17。当频率过高时，数据的采集和显示就不能同步，无法实时采集波形。考虑到这个问题，就要采集完数据再进行显示，虽然无法实时监控波形，但是可以采集到准确的数据，之后我们可以直接读取这些数据进行分析。考虑到该系统的对切削力信号进行在线实时监测的要求，作者选用第一种数据采集方案。3.2数据分析模块3.2.1时域分析数据处理与分析模块是对采样数据进行后续处理，包括时域分析和频域分析。时

33、域分析包括时域波形显示、滤波、相关分析；频域分析包括傅里叶变换和功率谱分析。通过对信号的分析我们可以了解信号的特征及状态。（1）时域波形显示。动态显示信号波形在数据采集模块中已经介绍过，这样我们就可以看到所采集信号的时域波形，监测到它的趋势。（2）滤波。传感器将所采集的信号经过A/D转换输入到计算机过程中，经常混有一些随机干扰，所以对采集来的信号要滤掉随机干扰信号，从而增强有效信号，以保证整个监测系统的准确性18。3.2.2频域分析频域分析是将采集来的信号进行处理，进而辨别切削力信号的一般特性。信号分析是多种多样的，如果信号随着时间连续变化，也就是在监测过程中的连续时间范围内信号函数有定义，就

34、称为连续时间信号。若信号函数仅在固定的离散时刻有定义，则称为离散时间函数19。我们一般在时间域和频率域分析和处理信号，信号的时域分析就是描述信号随时间变化的波形，频域分析反映了信号幅度随频率变化的特性。往往在时域中是不清楚的、难以掌握的内容，转换到频域中却变得非常容易理解。对于不同的信号，分析方法大致相同：周期信号、非周期信号、离散信号、模拟信号都是有规律可寻的，首先都是要求进行傅里叶变换20。傅里叶分析分别包括连续信号和离散信号的傅里叶变换和傅里叶级数，对不同的信号进行傅里叶分析，从而可以得到它们的频谱特性。不同信号的频谱主要取决于信号在时域的两个不同特性，即时间变量是连续的还是离散的；是周

35、期的还是非周期的，经过系统分析我们可以得出以下结论：（1）周期信号具有离散频谱；（2）非周期信号具有连续频谱；（3）连续时间信号的频谱是非周期的；（4）离散时间信号的频谱是周期的；3.3本章小结（1）介绍了数据采集模块，给出了数据采集流程图。（2）介绍了数据分析模块的构成，论述了时域分析和频域分析的理论部分。4系统的实验及结果分析以上章节论述了整个监测系统，至此，实验数据采集之前的各项准备已经完毕。为了验证该监测系统的实用性和可靠性，我们接下来将会进行一系列实验。4.1实验目的在大多数的切削加工过程中，刀具的磨损区往往被工件、其他刀具或切屑覆盖，很难直接测量刀具的磨损值。因此刀具磨损的测量，更

36、多是采用间接测量方式进行21。影响刀具寿命的主要因素有：切削速度、进给量、背吃刀量。其中切削速度对刀具寿命的影响最大，其次是进给量，背吃刀量的影响最小。因此我们在实验中，利用机床切削力信号在线监测系统通过改变切削用量对切削力进行在线监测。通过监测刀具磨损来获得不同情况下的切削力值，来研究刀具磨损时切削力的信号特征。通过对实验数据的采集和分析，实现对机床切削力信号的在线监测，以便在加工过程中选择刀具以及何时换刀提供理论依据。最终，在实际的加工过程中，根据所测得的切削力信号来决定何时换刀，减少因刀具破损而报废的工件数量，从而可提高生产效率。4.2实验设备及条件4.2.1实验设备（1）Kistler

37、 9257B型测力仪 一台（2）DAQPad-CHARGE-B型电荷放大器 一台（3）MP-04A视频采集卡 一个（4）计算机 一台（5）数控加工中心 一台（6）铝板 一块4.2.2实验条件表4.1 实验条件工件铣床刀具铝板YCM-V116B立式加工中心YT15刀片硬度228238HB材料：硬质合金4.3实验原理将工件固定在Kistler 9257B型测力仪上，其内部装有四组压电式传感器，当有切削力作用在其上时，就会产生8组力信号，这8个力信号将分别以8个通道进入电荷放大器。DAQPad-CHARGE-B型电荷放大器对信号进行放大，然后将放大的信号输入到带有视频采集卡的计算机中，通过视频采集卡

38、对信号进行处理，最后通过数据处理软件DEWESoft-6-LT1对信号进行监测、控制与分析。4.4实验步骤一准备工作：对工件进行钻孔，用于工件的固定。（1）打开机床电源；（2）旋起急停按钮；（3）按Z、X、Y顺序返回原点：按下回原点快速键ZX，Y+，X+，使刀具快速回到机床原点；（4）平口钳的找正；（5）放置工件：将铝板放入平口钳中并加紧。（6）选择刀具：根据加工要求选择刀具，在本文中选择的刀具是直径50mm的平底铣刀。但需将钻头换掉，以免测量时碰到测力仪，对其造成损伤；（7）对刀，设置G54-G59：先快速移至接近点，然后摇动手轮，待刚好切到时，记录下此时机床的位置。分别得四个数据：X方向：

39、-680.22与-493.21。Y方向：-248.67与-383.24。由此便可得到工件的坐标偏置量，存入G54。（8）孔的加工：按以下程序22对铝板进行孔的加工O0001G92 X0. Y0. Z25.M06 T11; G90 S500 M03;G99 G81 X37.5 Y30. Z-12. R2. F20. ;X37.5 Y-30. ;X-37.5 Y-30. ;X-37.5 Y30.G00 X0. Y0. Z25. M05;M02二实验过程（1）将加工后的工件固定在测力仪上，并将整个监测系统连接好；（2）进行找正、对刀等设置；（3）编辑程序，并将程序输入；由于本实验的程序较多，且又大体

40、相似，变动不大，因此用一例来作为分析。O0009 ;G28 G91 Z0. ;M06 T12 ;M03 S600 ;G59 G90 G40 G49 G80 ;G00 X28. Y25.5. ;Z100. ;G00 Z10. ;G83 X28. Y25.5. Z-19. R2. Q2. F20 ;X53. Y-30. ;X55.5 Y-30. ;X28. Y30. ;G80 ;G00 Z300. ;M05 ;M30 ;（4）按输入的程序对工件进行铣削实验；（5）记录实验数据：打开计算机，运行数据采集软件DEWESoft-6-LT1采集数据。4.5实验数据的处理与分析4.5.1变参量的选择实验过程

41、中，我们在不同的切削条件下进行铣削，影响切削力的因素很多，如工件材料、切削用量、刀具材料、刀具磨损、刀具几何参数等均对切削力有影响。本实验主要是针对切削用量对切削力的影响来进行研究。4.5.2切削用量的选择铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。我们从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量或侧吃刀量，然后选择进给速度，最后来确定切削速度。（1）背吃刀量或侧吃刀量：背吃刀量为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸。端铣时，为切削层深度。而圆周铣时，为被加工表面的宽度，侧吃刀量是垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸。圆周铣时，为切削层深度，而端铣时，为被加工表面的宽度。端铣

42、背吃刀量和圆周铣侧吃刀量的选取主要由对表面质量的要求和加工余量来决定。圆周铣与端铣的示意图如下所示：图4.1 圆周铣与端铣时铣刀的铣削用量（2）进给速度Vf：进给速度Vf是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。进给速度是数控铣床加工切削用量的重要参数。其计算公式为：Vf=fzZn 。由此可见进给速度的确定是由每齿进给量fZ、铣刀齿数Z及铣刀转速决定的。每齿进给量fz的选用主要取决于刀具材料和工件材料的机械性能、工件表面的粗糙度等因素。当工件材料的硬度和强度较高，工件表面粗糙度的要求较高，工件刚性较差或刀具强度较低，fz一般取的比较小。（3）切削速度VC：铣削的切削速度VC与刀具的耐用度、

43、背吃刀量、每齿进给量、侧吃刀量以及铣刀的齿数成反比，但与铣刀的直径成正比。因此，为了提高刀具的耐用度允许使用较小的切削速度，但是，加大铣刀的直径可以改善散热条件，从而可以提高切削速度，进而提高生产率。 因此，作者选择通过改变背吃刀量、进给量和主轴转速来测量切削力信号，研究切削用量对切削力的影响。进而对实验数据进行分析，研究刀具磨损时切削力的信号特征。4.5.3 实验数据的时域分析由于本次实验选择的是铣刀，所以力的变化主要发生在X、Y方向上，因此对X、Y方向上的切削力信号进行分析。下面的切削力信号中有三个峰值，是因为铣刀的三个齿，其中第一个齿受力最大。（1） 切削力随背吃刀量ap的变化实验条件：主轴转速 s=600r/min，进给量f=150，改变背吃刀量ap图4.2 背吃刀量ap=1 mm由图可知：此时X方向的峰值大约为1500N，Y方向的峰值大约为1520N。图4.3 背吃刀量ap=2 mm由图可知：此时X方向的峰值大约为3000N，Y方向的峰值大约为3000N。图4.4 背吃刀量ap=3 mm由图可知：此时X方向的峰值大约为4500N，Y方向的峰值大约为4600N。由以上三图可知：随着背吃刀量的增加，切削力有倍增的趋势。在实际的切削过程中，当背吃刀量增加时，切削力增加明