林 靜 郭隱彪 韓 偉

（廈門大學物理與機電工程學院，福建廈門 361005）

1 加工過程無線監(jiān)測概況

為提高機械加工精度，對加工系統(tǒng)的狀態(tài)進行綜合的在線監(jiān)測是技術(shù)發(fā)展趨勢［1］。加工過程監(jiān)測主要是對力、振動、溫度和電流等特征量進行監(jiān)測，從而判斷機床的工作狀態(tài)。其實質(zhì)目標是了解和掌握加工系統(tǒng)在運行過程中的狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)備運行和加工過程，在出現(xiàn)異常時，可提供分析的依據(jù)。從監(jiān)控流程上，具體的工作可以分為信號采集、無線傳輸、信號分析3個部分。

目前，無人車間的發(fā)展理念受到企業(yè)的更多關(guān)注，因此無線監(jiān)測在環(huán)境監(jiān)控方面的研究和開發(fā)成為一種迫切需要［2］。同時，近年來伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，加工過程無線監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)越來越受到研究者的關(guān)注。在監(jiān)控刀具磨損、切削力測量和磨削溫度測量等方面，無線監(jiān)控領(lǐng)域都有相關(guān)的研究嘗試［3］。無線監(jiān)測相對于傳統(tǒng)的有線監(jiān)測，在方便、快捷和低成本方面具備其獨特的優(yōu)勢。無線監(jiān)測終端是由分布在機床上的傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成，周期性獲取振動、溫度、電流和聲發(fā)射等特征信號［4］，采集到的各類數(shù)據(jù)信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測終端和控制中心之間進行傳遞。最終控制中心會對這些信號做出相應的處理，由數(shù)據(jù)處理結(jié)果反映機床的當前工作狀態(tài)，達到實時在線監(jiān)控的目的。

2 無線監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

開發(fā)的無線監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由紅外測溫儀、加速度傳感器、無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和下位機PC構(gòu)成。精密磨削機床的振動信號、砂輪溫度信號分別由加速度傳感器和紅外測溫儀采集，采集得到的模擬信號，經(jīng)過調(diào)理電路獲得轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心并針對具體信號進行分析和處理。信號分析結(jié)果由監(jiān)測軟件顯示，基于分析結(jié)果判斷機床是否處于正常工作狀態(tài)。

振動信號由壓電式加速度傳感器采集，針對振動信號在磨床的分布特點，系統(tǒng)采取多通道采集方案，測點位置主要分布在工作臺、機床底部和砂輪罩殼上方3處。機床工作臺沿導軌的水平移動提供加工過程X軸方向運動，振動現(xiàn)象比較其他地方要劇烈，是振動監(jiān)測最關(guān)鍵位置。機床底部的測點設(shè)置，采集機床與地面接觸處的振動信號，可以反映來自周邊振源的影響。砂輪豎直方向的運動提供機床Y軸方向移動，磨削加工過程也是振動較明顯的位置，所以在砂輪罩殼上方設(shè)置一個測點位置。溫度信號通過紅外測溫儀采集，磨削過程砂輪與工件接觸區(qū)是熱量產(chǎn)生的主要區(qū)域，溫度采集點設(shè)置在這一區(qū)域能夠有效地反映機床工作過程溫度變化情況。加速度傳感器分布和紅外測溫儀的測點設(shè)置方案如圖2所示。

采用的壓電式加速度傳感器是江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司型號為CA－YD－186的產(chǎn)品，其輸出電壓范圍是0～6 V，相比于無線數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入電壓過小，需要在調(diào)理電路中配備電荷放大器。傳統(tǒng)的熱電偶測溫方法破壞工件整體性，導致熱量的傳導與實體工件有差異，紅外測溫儀采用紅外成像檢測技術(shù)對正在運行的設(shè)備進行非接觸檢測，屬于無損測量，靈敏度高，響應速度快，適合應用于磨削過程快速轉(zhuǎn)動的砂輪溫度監(jiān)測。

3 實驗結(jié)果

實驗過程分兩階段在精密磨床MGK7160上進行的，首先針對機床振動情況進行監(jiān)測，再分析溫度特征信號完成實驗。壓電式加速度傳感器采用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司型號為CA－YD－186的產(chǎn)品，紅外測溫儀是購買德國Optris公司生產(chǎn)的CTlaser LT/1M/2M/CTglass產(chǎn)品。

經(jīng)過無線傳輸獲得的振動信號分析結(jié)果如圖3所示，波形圖和幅值譜分別從時域和頻域分析振動特征信號。由振動波形可觀察到，采集到的振動信號維持在一個較小的振動范圍內(nèi)變化，也沒有異常的振幅跳動發(fā)生;幅值譜中在60～70 Hz范圍的增大是由于砂輪轉(zhuǎn)動的自身固有頻率原因，不代表機床的工作異常。

經(jīng)過無線傳輸獲得的溫度信號分析結(jié)果顯示如圖4所示，溫度波形圖的光滑、平穩(wěn)表明磨削過程產(chǎn)生的磨削熱沒有發(fā)生急劇升高的異常情況。當磨削過程出現(xiàn)異常狀況，反映到磨削熱方面通常會使得砂輪溫度急劇升高，所以溫度監(jiān)測結(jié)果同樣表明機床也處于正常工作狀態(tài)。

4 結(jié)語

振動信號與加工系統(tǒng)的動態(tài)特性密切相關(guān)，其中包含著豐富的各類異常狀態(tài)的信息，在磨削加工過程中，產(chǎn)生的磨削熱使磨削區(qū)的溫度急劇升高，產(chǎn)生的高溫對砂輪、工件及磨床產(chǎn)生不同程度的不良影響，所以從振動和溫度的角度在線監(jiān)測機床加工狀態(tài)較易實現(xiàn)。本文構(gòu)建一套基于無線傳輸?shù)木苣ゴ苍诰€監(jiān)控系統(tǒng)，終端振動傳感器和紅外測溫儀采集的信號調(diào)理后無線傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，進行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和處理。實驗結(jié)果證明該無線監(jiān)測系統(tǒng)可以實時、有效地監(jiān)控機床的工作狀態(tài)。

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［2］Lin Jing，Guo Yinbiao，Yang Wei，et al.A monitoring and wireless transmission system on the machining tool［J］.Advanced Materials Research，2011，189 －193:4182 －4185.

［3］Ma Lei，Melkote Shreyes N.On－line monitoring of end milling forces using a thin film based wireless sensor module［C］.Proceedings of the ASME 2010 International Manufacturing Science and Engineering Conference，October 12 －15，2010，Erie，Pennsylvania，USA.

［4］唐旎，郭隱彪，林曉輝，等.精密加工環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)研究［J］.機械制造與機床，2011（1）.

［5］涂文特，李家春，劉春偉.數(shù)控機床刀具磨損無線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.煤礦機械，2011，32（10）.

［6］周祖德，陳幼平.現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)的監(jiān)控與故障診斷［M］.武漢:華中理工大學出版社，1999.

［7］盧文祥，杜潤生.機械工程測試·信息·信號分析［M］.武漢:華中科技大學出版社，2003.