鄧武

摘 要：機(jī)械加工工藝監(jiān)控是指在自動(dòng)或無人操作的環(huán)境下能夠正常加工的一套設(shè)施，也被稱為FMS、CIM、CAPP等。雖然機(jī)械加工工藝監(jiān)控出現(xiàn)時(shí)間不長(zhǎng)，但許多研究者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了其必要性，且其良好的效果也逐漸被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可。文章主要介紹機(jī)械加工工藝監(jiān)控的研究現(xiàn)狀，介紹監(jiān)控過程中的加工狀態(tài)的顫振、刀具磨損斷裂、積屑瘤、切屑類型和跳動(dòng)等，探討一般性診斷技術(shù)。首先分析機(jī)械加工工藝監(jiān)控所使用的傳感器，其次分析信號(hào)處理方法和決策算法。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；工藝監(jiān)控；發(fā)展

中圖分類號(hào)：TH70 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）17-0063-02

現(xiàn)如今，機(jī)械加工工藝監(jiān)控已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程中不可或缺的組成部分，已經(jīng)成為制造領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。純正的工作組常常用于機(jī)械加工工藝監(jiān)測(cè)。機(jī)械加工工藝監(jiān)測(cè)的出現(xiàn)不是偶然，它是在一定的條件背景需求下應(yīng)運(yùn)而生的。其一是工廠自動(dòng)化的需要，特別是隨著越來越多的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的普及，如CAD/CAM、CIM和FMS等。其二是市場(chǎng)上對(duì)更復(fù)雜和精密零部件的需求急劇上升，這些又導(dǎo)致了對(duì)更智能的機(jī)器工具的需求量急劇增加。

機(jī)器的智能特性是需要使用各種傳感器和決策過程中的基礎(chǔ)傳感器信息。在機(jī)械加工工藝監(jiān)控中，對(duì)不同機(jī)器智能的使用是最重要的一環(huán)。事實(shí)上，運(yùn)用機(jī)械加工工藝監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效提高切削效率，減少大約65%切削時(shí)間。本文主要從顫振條件、刀具的磨損斷裂、切屑瘤、切屑類型等方面來介紹機(jī)械加工工藝監(jiān)控。

1 傳感器的應(yīng)用

監(jiān)控的完成是通過使用具有特性功能的傳感器來監(jiān)測(cè)機(jī)械加工工藝過程中的某些量的顯著變化值。有兩種不同的方式來監(jiān)控機(jī)械加工工藝：直接法和間接法。大多數(shù)用于監(jiān)控機(jī)械加工工藝的傳感器是間接的，除了那些依靠光學(xué)傳感（視覺）。間接傳感器比直接傳感器更容易使用，但是間接傳感器相較不可靠。在眾多的研究工作中，超過85%的研究關(guān)注的是顫振、刀具磨損和利用常用的傳感器測(cè)量切削力、加速度聲發(fā)射信號(hào)。大量研究表明；用于機(jī)械加工工藝監(jiān)控的傳感器須具備以下幾點(diǎn)：應(yīng)該是易于使用、安裝和維護(hù)，且經(jīng)濟(jì)成本低；安裝后應(yīng)不影響機(jī)床的正常工作；應(yīng)不受周圍環(huán)境等條件或機(jī)械加工工藝的影響；準(zhǔn)確度應(yīng)較高，具有良好的分辨率；應(yīng)盡可能靠近加工點(diǎn)且有可靠的輸出。

2 信息處理與決策

選擇合適的信號(hào)處理和決策算法的前提是要求傳感器接收的信號(hào)準(zhǔn)確有用。在信號(hào)處理和決策算法中，已經(jīng)逐步發(fā)展了一些算法來解決這個(gè)問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法通常用于傳感器融合和決策；模糊算法也經(jīng)常用來模式識(shí)別；均值、中值等統(tǒng)計(jì)量也經(jīng)常使用，得到的是某些時(shí)刻原始信號(hào)和一些參數(shù)指標(biāo)，其后通過處理確定加工狀態(tài)的閾值。時(shí)間序列建模是另一個(gè)信號(hào)處理和特征提取的有效方法，有時(shí)甚至是用于決策算法。在實(shí)時(shí)自適應(yīng)模型中，經(jīng)常使用時(shí)間序列，快速傅里葉變換（FFT）有時(shí)可以替代時(shí)間序列。構(gòu)建關(guān)于切削力、振動(dòng)和切削動(dòng)力學(xué)分析模型，通過比較模型來預(yù)測(cè)刀具磨損。刀具磨損、破損和顫振是機(jī)械加工工藝監(jiān)控中最重要的監(jiān)測(cè)。刀具破損或顫振的自然突變現(xiàn)象及其監(jiān)控是預(yù)防的目的。

2.1 傳感器融合

在大多數(shù)的機(jī)械加工工藝監(jiān)控機(jī)上，會(huì)使用兩種以上類型的傳感器融合以期提高系統(tǒng)的可靠性，研究目的通常是研究實(shí)現(xiàn)合適的算法，通常這些研究都是不計(jì)成本的達(dá)到實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異功能的機(jī)床。多傳感器融合系統(tǒng)一般結(jié)合了兩個(gè)或三個(gè)不同的傳感器來測(cè)量切削力、加速度或聲發(fā)射信號(hào)等。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于眾多監(jiān)控、監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。作為一個(gè)“黑盒方法”，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很容易地確定一個(gè)復(fù)雜的譬如機(jī)械加工工藝過程的狀態(tài)。各種新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的發(fā)展意味著研究人員對(duì)速度、自我培訓(xùn)有一個(gè)更廣泛的選擇。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在傳感器融合方面也有很廣闊的應(yīng)用空間，如果不同傳感器的各自方式輸出調(diào)整到適當(dāng)?shù)闹?，多種傳感器可以共同作用得到綜合的結(jié)果并進(jìn)行處理，提取這些從原傳感器信號(hào)得到的與機(jī)械加工工藝特征敏感的特征的過程稱為預(yù)處理，最終可以將提取的特征送入網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸或者處理。

2.3 模式識(shí)別技術(shù)

一些研究工作者已經(jīng)開始使用模式識(shí)別技術(shù)，但是在線性判別函數(shù)算法中存在一個(gè)基本約束，即是該算法不保證其特征向量將聚集，也就是不能保證線性判別函數(shù)的收斂狀態(tài)。因此，模糊模式識(shí)別技術(shù)已逐步開始取代線性判別函數(shù)。

3 相關(guān)研究介紹

如上文所述，在機(jī)械加工工藝監(jiān)控中，刀具磨損、刀具破損、顫振、切屑類型等是影響機(jī)械加工工藝監(jiān)控的核心因素。

3.1 刀具磨損

有研究顯示，通過觀察刀具磨損和銑削操作中的聲發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)平均聲發(fā)射信號(hào)的信號(hào)值能夠很大程度上反映刀具磨損，從而能夠達(dá)到對(duì)刀具磨損的監(jiān)控，聲發(fā)射信號(hào)傳感器能夠安裝在切削油供給裝置上，這樣就能形成在端銑法中對(duì)實(shí)際的刀具磨損進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

超聲法可用于直接測(cè)量和監(jiān)控車削的刀具磨損，通過感知和監(jiān)控機(jī)床側(cè)面和主軸的能量的變化來反映機(jī)床刀具磨損量和機(jī)床的完整性。除了上述兩種刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還有一種利用切割內(nèi)調(diào)制傳遞函數(shù)的虛部動(dòng)力學(xué)為指標(biāo)的刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，時(shí)間序列法可以用來構(gòu)建一般的三維切削動(dòng)力學(xué)模型，通過利用統(tǒng)計(jì)的測(cè)量切削力來估計(jì)刀具的動(dòng)態(tài)組件的力矩，利用得到的力矩信息來估計(jì)刀具磨損。刀具的磨損和斷裂還能通過力矩變化系數(shù)和直方圖分析來進(jìn)行判斷。在機(jī)械加工工藝監(jiān)控中，一些具有高強(qiáng)度、硬度的超精密金剛石刀具的磨損和加工也能進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)常使用模糊模式識(shí)別，且其已成為一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，模糊均值聚類離散度準(zhǔn)則提出了對(duì)噪聲擾動(dòng)下的微弱切削力信號(hào)選擇其特征向量來進(jìn)行分析。

3.2 刀具破損

切削力的大小和刀具斷裂時(shí)聲發(fā)射信號(hào)是有密切聯(lián)系的，有研究顯示，切削力隨著切削條件的變化而變化，且敏感性較高，但聲發(fā)射信號(hào)的均方根值不隨切削條件敏感變化，將聲發(fā)射信號(hào)中突變信號(hào)的均方根值、峰值變化提取出作為閾值的判斷依據(jù)，可以通過判斷閾值來監(jiān)測(cè)切削工件的球墨鑄鐵等材質(zhì)的刀具，可以通過提取切削力和聲發(fā)射信號(hào)的典型統(tǒng)計(jì)矩來監(jiān)測(cè)端銑、削的刀具破損，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也能在監(jiān)控刀具破損上使用，且能實(shí)時(shí)監(jiān)控銑削刀具的破損，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是使用切削負(fù)載信號(hào)、刀具狀態(tài)向量與刀具斷裂系數(shù)來定義和識(shí)別刀具的狀態(tài)，可以識(shí)別出刀具的切削條件和切削過程中的跳動(dòng)。

3.3 顫振

一般與監(jiān)控機(jī)床車削顫振相關(guān)的表征參數(shù)是通過計(jì)算主軸轉(zhuǎn)動(dòng)加速度和切削力信號(hào)在頻域和時(shí)域內(nèi)的當(dāng)前值和過去值得到的?？梢酝ㄟ^激光傳感器測(cè)量得到位移來反映工件的加工粗糙度，運(yùn)用這一原理可以利用傳感器來監(jiān)控機(jī)械加工中的顫振，不僅能夠保證較高的精度，使用的傳感器為非接觸式，這能夠保證測(cè)量系統(tǒng)不對(duì)機(jī)床加工和刀具產(chǎn)生干涉，提高了測(cè)量顫振的可行性，同時(shí)該方法也能用于對(duì)車削操作的監(jiān)控。顫振監(jiān)控在端銑削中應(yīng)用較多，能夠?qū)Χ算姷对阢娤鬟^程中的顫振進(jìn)行監(jiān)控，它包括一個(gè)預(yù)處理和決策神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的時(shí)間序列模型。顫振監(jiān)控在磨削中應(yīng)用較少，相關(guān)研究也相對(duì)缺乏，但可以通過信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入特征來反映顫振的大小從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削顫振進(jìn)行監(jiān)控，也可以在磨削顫振監(jiān)控中利用聲發(fā)射傳感器收集到的聲發(fā)射信號(hào)作為其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸入，得到磨削顫振的信息。

3.4 切屑類型

在機(jī)械加工過程中，車削過程切屑呈連續(xù)生成是不利于工件加工粗糙度較好的表面，且連續(xù)切屑容易與刀具交纏，影響刀具的切削動(dòng)作和切削工件質(zhì)量，甚至可能引起刀具受損，因此在機(jī)械加工過程中，切屑對(duì)加工過程也起著至關(guān)重要的作用，然而有關(guān)切屑監(jiān)控的研究相對(duì)較少。一般認(rèn)為引起切削力的動(dòng)態(tài)組件的振幅最大值與切屑的形態(tài)有密切關(guān)系，這也說明了在切屑形成過程中對(duì)切屑進(jìn)行監(jiān)控的是可行的。提取切削力譜的一些特征信號(hào)值，并將其應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)五種確定的切屑和顫振進(jìn)行監(jiān)控。

4 結(jié)論和展望

要實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝的全面監(jiān)控還有較長(zhǎng)的路要走，相關(guān)研究還需進(jìn)一步提升和加強(qiáng)，當(dāng)前，研究人員已逐步將已開發(fā)的監(jiān)控技術(shù)運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中，積極的推進(jìn)機(jī)械加工工藝監(jiān)控的發(fā)展進(jìn)程。在加工機(jī)床上配備加工工藝監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)不干涉機(jī)床的正常加工，同時(shí)應(yīng)促進(jìn)加工工藝過程的完善，提高加工效率，相關(guān)的研究不但能直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)利益，還具備至關(guān)重要的附加價(jià)值。

關(guān)于機(jī)械加工工藝監(jiān)控研究方向展望，監(jiān)控系統(tǒng)成本和研究可靠性的互相協(xié)調(diào)；基于用戶友好型算法的開發(fā)，如自動(dòng)訓(xùn)練或菜單驅(qū)動(dòng)/互動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)控控制器之間的有機(jī)銜接。

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