張安康，吳玉厚，趙德宏，高強

沈陽建筑大學機械工程學院

1 引言

石材類浮雕是典型的復雜異型制品，其加工材料有花崗巖、大理石和砂巖等。通常采用釬焊金剛石刀具對浮雕表面進行粗加工和精加工，而其加工過程中刀具的損壞影響浮雕的加工效率與加工精度，因此刀具狀態(tài)是影響浮雕加工質(zhì)量的主要因素之一[1]。

據(jù)統(tǒng)計，生產(chǎn)過程中超過75%的設(shè)備故障是由于嚴重的刀具磨損或其他故障引起的[2]。Zhang C.等[3]從經(jīng)濟角度提出，約3%至12%的生產(chǎn)成本與刀具狀態(tài)及其更換有關(guān)，這也是石材加工過程中最常見且不可避免的問題之一。同時，其材料損耗和停機時間也造成了大量的經(jīng)濟損失，因此研究金剛石刀具故障監(jiān)測至關(guān)重要。

傳統(tǒng)金剛石刀具狀態(tài)監(jiān)測一般由工人根據(jù)加工聲音和加工石材表面質(zhì)量來判斷。石材加工行業(yè)噪聲大，據(jù)統(tǒng)計，監(jiān)測企業(yè)噪聲強度中位數(shù)為91.0dB[4]，不同機床加工噪音相互影響，難以提取到有效表征刀具狀態(tài)的特征值，需要工人不時觸摸加工的石材表面并判斷質(zhì)量，過程危險且無法對刀具狀態(tài)進行實時監(jiān)測。為了對加工過程中的刀具進行監(jiān)測，Zhang X.Y.等[5]基于多個傳感器對銑削過程中的刀具狀態(tài)進行了在線監(jiān)測，并通過加工實例驗證了開發(fā)系統(tǒng)的有效性。史堯臣等[6]基于聲發(fā)射和振動信號對鉆削鉆頭狀態(tài)進行監(jiān)測，利用時域、頻域分析和小波分解處理采集的信號，實現(xiàn)了鉆頭的故障診斷。

近年來，對于刀具狀態(tài)監(jiān)測研究絡(luò)繹不絕，Siddhpura A.等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在工具狀況監(jiān)測系統(tǒng)(TCMS)中，基于振動的研究占已發(fā)表論文的20%以上，但是對于浮雕加工中的釬焊金剛石刀具故障監(jiān)測研究幾乎沒有。本文基于振動信號進行金剛石刀具故障診斷試驗，在石材加工裝備上分別對不同狀態(tài)下的刀具進行銑削對比試驗，通過監(jiān)測銑削過程中的振動信號進行時域和小波分析，對比分析了故障刀具對振動信號的影響，為金剛石刀具狀態(tài)監(jiān)測提供了技術(shù)創(chuàng)新參考。

2 試驗研究

2.1 試驗設(shè)備

建立金剛石刀具振動信號采集試驗臺。該采集裝置由數(shù)控加工裝置和振動信號監(jiān)測裝置兩部分組成，加工裝置為HTM50200異型石材車銑加工中心，監(jiān)測裝置為EMX-4250動態(tài)信號采集系統(tǒng)。采用加速度傳感器(IEPE)采集信號，型號為AC102，靈敏度為100mV/g，量程為±80g，頻率響應范圍為0.5～15000Hz，A/D轉(zhuǎn)換精度為24Bit。加速度傳感器通過膠黏劑安裝在主軸上，Y軸為進給方向，安裝位置如圖1所示。

圖1 刀具銑削加工振動采集試驗臺

試驗中，刀具尺寸均為8mm×4mm×60mm(刀柄直徑×球頭直徑×總長)的釬焊金剛石錐度球頭刀，形貌如圖2所示。工件為長1600mm，寬700mm，厚40mm的米黃大理石，密度為2.73g/cm3，抗壓強度為132.8MPa，抗彎強度為11.5MPa。

圖2 釬焊金剛石錐度球頭刀

2.2 刀具故障類型判斷

在實際加工過程中，隨著刀具磨損的不斷進行，不同學者歸納出了金剛石顆粒不同的磨損形態(tài)，綜合下來主要可分為完整、磨平、微破碎、宏觀破碎和脫落五大類[8]。金剛石顆粒不斷脫落直至刀頭金剛石顆粒完全脫落，最后刀具損壞。如圖3所示，通過超景深三維顯微鏡對不同磨損狀態(tài)下的金剛石刀具進行觀察。

(a)金剛石顆粒完整

由于石材的物理性能、機床與夾具和不同工藝條件對刀具振動都有影響，對于不同磨損狀態(tài)下的金剛石刀具難以提取有效的特征值。而在實際加工過程中，刀具刀頭金剛石顆粒完全脫落直至徹底損壞時，由于金剛石刀具基體與石材發(fā)生摩擦，振動信號中可以提取到有效的特征值，故對刀具的狀態(tài)判斷分為磨損刀具和損壞刀具兩種，其狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 刀具狀態(tài)

2.3 對比試驗

為了提取有效表征刀具狀態(tài)的特征值，對不同磨損狀態(tài)下的刀具和損壞刀具進行對比試驗。由于完整和磨平的金剛石顆粒、微破碎和宏觀破碎的金剛石顆粒大都相互夾雜著，故將完整和磨平作為一組，微破碎和宏觀破碎作為一組，共進行完好、損傷、脫落和刀具損壞四組試驗。

在實際加工過程中，各工藝參數(shù)(轉(zhuǎn)速、切削深度、進給速度)對刀具的振動影響較為明顯，為確保提取特征值的有效性，每組試驗包括9個試驗，用正交法采集不同切削要素的振動信號[9]，采樣頻率設(shè)為12800Hz，其試驗參數(shù)分別見表1和表2。

表1 三因素三水平參數(shù)

表2 試驗參數(shù)

3 試驗結(jié)果分析

如圖5所示，在大理石板塊上分別用不同的參數(shù)組合進行銑槽，在整個試驗過程中共穩(wěn)定采集了5組共45條數(shù)據(jù)樣本，每條樣本都包含空轉(zhuǎn)信號和加工信號。

圖5 板材銑槽直觀圖

3.1 刀具狀態(tài)對振動信號的影響

由于Z方向和X方向未提取到有效特征值，因此本文處理數(shù)據(jù)均為進給方向(Y軸)的振動信號。

電壓V與加速度g為線性關(guān)系，為了計算方便，信號處理數(shù)據(jù)均為電壓V，采集的信號值與加速度的換算為

g=V/sen

(1)

式中，g為加速度值；V為采集的信號電壓；sen為加速度計靈敏度。

不同磨損刀具的振動信號時域如圖6所示，由對比可以看到，刀具在開始加工以及結(jié)束加工瞬間，信號幅值大幅上升。忽略初始加工和結(jié)束加工階段，分別截取3s空轉(zhuǎn)信號與加工信號，求得刀具空轉(zhuǎn)階段與加工階段振動信號RMS值(有效值見表3)。

圖6 不同磨損刀具的振動信號時域

表3 刀具不同階段下振動信號RMS值

通過對比可以看到，不同磨損狀態(tài)下的刀具加工信號RMS值大于空轉(zhuǎn)信號，刀具損壞的加工信號小于空轉(zhuǎn)信號，這是由于加工階段，刀具表面金剛石顆粒與石材發(fā)生銑削，而損壞刀具則是刀具刀頭金剛石顆粒完全脫落，刀具基體與石材發(fā)生磨削。

由于小波分解能夠更為直觀地分析振動信號在不同頻段的能量分布，為了分析刀具狀態(tài)對頻帶能量分布的影響，選取db10小波[10]，對振動信號進行6層多尺度分解，不同刀具狀態(tài)的頻帶能量分布如圖7所示。

由圖7可知，刀具振動信號的能量主要集中在1500～2500Hz頻帶范圍內(nèi)。在圖7a～圖7c中，磨損刀具加工信號在1500～2500Hz頻帶的總能量大于空轉(zhuǎn)信號，在1700～1900Hz頻段加工信號接近或大于空轉(zhuǎn)信號；在圖7d中，損壞刀具在1700～1900Hz頻段加工信號明顯小于空轉(zhuǎn)信號；在圖7e中，直觀展示了不同狀態(tài)下刀具加工階段頻帶能量，可以看到，在1700～1900Hz頻段范圍內(nèi)，由于刀頭金剛石顆粒完全脫落，損壞刀具頻帶能量大幅度低于磨損刀具。為了準確辨別刀具狀態(tài)，選擇振動信號中1700～1900Hz頻帶能量作為表征刀具故診斷特征值。

(a)完好刀具

3.2 不同工藝參數(shù)對于特征值的影響

根據(jù)圖7不同刀具狀態(tài)下的頻帶能量分布，選擇振動信號中1700～1900Hz頻帶能量作為表征刀具故診斷特征值。為獲得不同工藝參數(shù)對于特征值的影響，對采集的完好刀具加工信號截取3s進行特征值提取，每隔1s提取一次特征值，其特征值的平均值如表4所示。根據(jù)表4進行指標求和ki和極差處理，結(jié)果如表5所示。

表4 刀具振動信號特征值

表5 特征值指標求和ki和極差處理

根據(jù)表5可以看到，轉(zhuǎn)速是影響特征值的主要因素，切削深度和進給速度是影響特征值的次要因素，因此，對于特征值的影響因素排序為轉(zhuǎn)速>切削深度>進給速度。在實際加工過程中，一般在程序初始階段設(shè)定轉(zhuǎn)速后整個加工過程中都不會改變，故刀具故障診斷可以根據(jù)轉(zhuǎn)速進行劃分，不同的轉(zhuǎn)速對應著不同的特征值范圍。

3.3 刀具的故障診斷

根據(jù)轉(zhuǎn)速劃分不同的刀具故障診斷特征值范圍。為確定特征值范圍，對采集的完好、損傷、脫落和刀具損壞四組下不同工藝參數(shù)進行小波分析，每隔1s提取一次特征值，任意選擇損壞刀具組中一個試驗值進行直觀展示，如圖8所示。不同狀態(tài)刀具下不同工藝參數(shù)的信號特征值范圍見表6，其中完好、損傷及脫落三組特征值范圍包含了空轉(zhuǎn)階段與加工階段。

圖8 刀具加工過程中特征值的變化規(guī)律

表6 不同狀態(tài)刀具時的不同工藝參數(shù)信號特征值

如圖8所示，可以清晰地看到損壞刀具1700～1900Hz頻帶能量在整個加工過程中變化規(guī)律，1700～1900Hz頻帶能量在空轉(zhuǎn)階段上下波動，當開始加工石材時，1700～1900Hz頻帶能量快速下降后在加工階段變化較平穩(wěn)，并在加工結(jié)束后頻帶能量迅速增加。為確定刀具故障，可設(shè)定一個基準值，頻帶能量低于基準值則刀具損壞。

結(jié)合表6可知，轉(zhuǎn)速5000r/min時磨損刀具特征值范圍為1.0065～2.4715，損壞刀具加工階段特征值范圍為0.6969～0.8535；轉(zhuǎn)速6000r/min時磨損刀具特征值范圍為1.7257～5.0654，損壞刀具加工階段特征值范圍為1.2790～1.6306；轉(zhuǎn)速7000r/min時磨損刀具特征值范圍為1.6727～4.1155，損壞刀具加工階段特征值范圍為1.1746～1.3905。

在選定工藝參數(shù)范圍內(nèi)，為確保固定轉(zhuǎn)速下不同工藝參數(shù)時刀具的故障診斷，轉(zhuǎn)速為5000r/min，6000r/min和7000r/min時的刀具故障診斷基準值分別為0.8，1.6和1.4，當頻帶能量低于基準值時刀具損壞。

4 結(jié)語

分別應用完好、損傷、脫落和損壞刀具對石材進行了振動銑削對比試驗，通過試驗分析了不同狀態(tài)刀具對于振動信號的影響規(guī)律。

(1)根據(jù)不同刀具狀態(tài)下的頻帶能量分布，選擇振動信號中1700～1900Hz頻帶能量作為表征刀具故診斷特征值。

(2)通過分析不同工藝參數(shù)對特征值的影響發(fā)現(xiàn)，刀具轉(zhuǎn)速是影響特征值的主要因素，故刀具故障診斷根據(jù)轉(zhuǎn)速進行劃分，不同的轉(zhuǎn)速對應不同的特征值范圍。

(3)根據(jù)不同狀態(tài)刀具時的不同工藝參數(shù)信號特征值范圍，刀具的故障診斷結(jié)果為：當轉(zhuǎn)速為5000r/min時，刀具損壞時的特征值<0.8；當轉(zhuǎn)速為6000r/min時，刀具損壞時的特征值<1.6；當轉(zhuǎn)速為7000r/min時，刀具損壞時的特征值<1.4。