CN110614538A - 基于单点监测加速度的薄壁件加工加速度场构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单点监测加速度的薄壁件加工加速度场构建方法，用于解决现有方法实用性差的技术问题。技术方案是在薄壁件加工时仅使用一个加速度传感器，将其粘贴在薄壁件轴对称位置，利用监测得到的加速度信号通过反算算法得到任一加工位置处的加速度大小，从而构建整个薄壁件加工区域的加速度场，通过对加速度场数据分析，实现对加工时振动的表征。该方法使用的加速度传感器封装性较好，受切削液冲击影响小，利用加工时监测的加速度信号构建整个加工过程的加速度场以实现对加工振动的表征，同时模型考虑了工件各阶模态的影响，实用性好。

Description

基于单点监测加速度的薄壁件加工加速度场构建方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁件加工加速度场构建方法，特别涉及一种OPC安全网关数据包过滤方法。

背景技术

高端行业的发展，促使工业中关键零部件(航空、航天、模具产业)性能和寿命的提高，应用智能制造工艺已经成为一个趋势。在这一方面，实现智能加工的关键因素之一就是过程监测，它需要为整个过程提供及时、可靠和详细的信息。机械加工作为一种减材制造方法，通过刀具与工件的相互作用最终得到所设计的零件形状。然而，由于刀具和工件之间周期性力的作用，必然使加工过程中发生振动引起工件的位移，从而影响加工表面质量，严重时还会加速刀具磨损，影响机床、夹具和刀具寿命，因此对于加工过程中的振动监测显得尤为重要。

薄壁件作为一种结构性零部件具有质量轻、韧性强、节约材料等优点而被广泛应用在航空航天、汽车工业、仪器仪表、石油电力等领域。但是薄壁件刚度弱、强度差，在加工过程很容易发生振动使工件产生变形、加快刀具磨损、增大零件的形位误差、降低加工质量。同时薄壁零件在加工时的材料去除率高，容易伴随产生强时变性、非线性等问题，无法保证整个加工工艺系统的稳定性，从而发生难以预料的颤振等现象。

针对于薄壁件的振动监测，现阶段主要利用各种传感器实时获取与振动相关的信号并进行在线信息处理，这些信号主要包括切削力、振动、声发射、声、功耗等，其中振动信号分为位移、速度和加速度。声发射、声信号的采集设备为声发射传感器和麦克风，但其信号监测容易受到环境的影响。振动监测为相应的位移、加速度传感器，但是监测过程受传感器安装位置影响较大，且现有的研究将一点监测到的信号代表整个加工过程中的振动强度，而这明显与振动能量衰减相违背。切削力的监测主要以测力台为主，但是该方法对力的采集设备具有较高的要求，且对于需要特殊装夹的零件，测力仪因无法满足装夹而受到限制，在实际应用中存在很大的局限性。文献“基于PVDF薄膜传感器的薄壁件铣削振动在线监测与分析，Journal Of Mechanical Engineering,vol.54,pp.116-123,2018,No.17”公开了一种利用PVDF薄膜传感器监测加工过程中振动的方法。文献公开的方法将传感器固定安装在工件自由端表面，当切削过程需要冷却时，切削液会对传感器的内置电极和整个封装模块产生冲击甚至破坏，且该方法在模型建立过程中只考虑了一阶模态的影响，未对更高阶模态进行分析，因此其构建的加工过程位移准确度较低。同时对于加速度场的构建，工程中主要在地震、海洋等领域研究较多，在加工时构建加工过程中加速度场还尚未有人提出。因此有必要通过构建工件加工过程中的加速度场实现对加工时的振动表征。

发明内容

为了克服现有方法实用性差的不足，本发明提供一种基于单点监测加速度的薄壁件加工加速度场构建方法。该方法在薄壁件加工时仅使用一个加速度传感器，将其粘贴在薄壁件轴对称位置，利用监测得到的加速度信号通过反算算法得到任一加工位置处的加速度大小，从而构建整个薄壁件加工区域的加速度场，通过对加速度场数据分析，实现对加工时振动的表征。该方法使用的加速度传感器封装性较好，受切削液冲击影响小，利用加工时监测的加速度信号构建整个加工过程的加速度场以实现对加工振动的表征，同时模型考虑了工件各阶模态的影响，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于单点监测加速度的薄壁件加工加速度场构建方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、将待加工薄壁件安装在测力台上，用夹具固定，其中，薄壁件满足宽厚比大于10。

步骤二、将加速度传感器粘贴在薄壁件待加工面另一侧的轴对称位置，并将加速度传感器、测力台与数据采集器、功率放大器连接同时进行采集信号校准。连接完毕后，当薄壁件不受力时，采集到的力信号与加速度信号为两条直线；当用力捶敲击工件时，采集信号随敲击力进行波动，此时说明系统连接正常，则进行数据采集。否则重新检查传感器与数据采集器的连接状态，直至监测到信号为随力锤敲击不断变化为止。

步骤三、通过模态敲击实验得到薄壁件和夹具的频率响应函数及固有频率。

步骤四、对薄壁件进行铣削试切，得到稳定切削状态下采集到的信号。稳定的标志为监测到的力信号峰谷值保持不变。

步骤五、对采集到的加速度信号每隔一个刀具旋转周期提取一个峰值，将加速度传感器粘贴处作为长度零点，得到不同峰值所在的橫坐标位置，此时得到有限个不同位置峰值的散点。采用二次函数对散点拟合，得到加速度随距离变化的函数a＝f(l)，进而得到反算加速度系数A。

式中，a_max为散点拟合曲线中的最大值，f(l)为稳定切削下加速度峰值拟合函数。

刀具旋转周期的定义为T：

式中，S为主轴转速。

步骤六、关闭测力台及功率放大器，对薄壁件进行铣削加工。加速度传感器粘贴位置保持不变，采集得到铣削过程中加速度随位置的信号a(l)，则任一加工位置处的加速度大小为：

式中，a^′为任意加工位置处的加速度，A为反算加速度系数，a(l)为采集的加速度信号，a_max为散点拟合曲线中的最大值，f(l)为稳定切削下加速度峰值拟合函数。

步骤七、完成整个薄壁件铣削过程，通过步骤六中的计算方法，得到所有加工位置的加速度大小，进而得到整个薄壁件加工过程的加速度场。通过对加速度场的分析，得到加工时的异常振动。

本发明的有益效果是：该方法在薄壁件加工时仅使用一个加速度传感器，将其粘贴在薄壁件轴对称位置，利用监测得到的加速度信号通过反算算法得到任一加工位置处的加速度大小，从而构建整个薄壁件加工区域的加速度场，通过对加速度场数据分析，实现对加工时振动的表征。该方法使用的加速度传感器封装性较好，受切削液冲击影响小，利用加工时监测的加速度信号构建整个加工过程的加速度场以实现对加工振动的表征，同时模型考虑了工件各阶模态的影响，实用性好。

具体的，1.本发明采用加速度传感器成本低，避免了高昂的生产费用，安装方便，且加速度传感器质量小，对工件的固有频率影响小，因此对加工时的颤振影响较小。同时加速度传感器受冷却液影响较小，监测性较强。

2.本发明方法从监测得到的数据本身出发，对数据的特征进行分析，建立了反算加速度模型，其中包含了强迫振动、颤振、工件各阶模态的影响，准确度较高。

3.本发明方法能够得到薄壁件加工过程中任一位置的加速度。通过构建加工时的加速度场，对整个加速度场进行时域分析，当加速度场中出现异常波动时，可以直接判断为此阶段发生了颤振，从而调整加工参数；当加速度场中数值变化不大，无明显波动时，可对加速度场数据进行频域和时频域分析，判断颤振的发生与否，从而及时调整加工工艺，避免因继续进行不稳定切削对工件表面质量产生影响。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于单点监测加速度的薄壁件加工加速度场构建方法的流程图。

图2是本发明方法中薄壁件铣削装置示意图。

图3是本发明方法中薄壁件铣削加工示意图。

图4是本发明方法中薄壁件第一行铣削加工加速度场分布图。

图中，1-计算机，2-数据采集器，3-功率放大器，4-主轴，5-加速度传感器，6-薄壁件，7-夹具，8-测力台，9-机床工作台。

具体实施方式

参照图1-4。本发明基于单点监测加速度的薄壁件加工加速度场构建方法具体步骤如下：

步骤1、将待加工薄壁件6安装在工作尺寸大于薄壁件6的测力台8上。

本实验中待加工薄壁件6尺寸为100mm×100mm×8mm的TC21钛合金，小于测力台8工作台面，可直接进行安装。该工件的宽厚比为12.5，满足薄壁件6要求，因此可直接进行下一步。

步骤2、加速度传感器5的安装与校准。

将加速度传感器5粘贴在待加工薄壁件6加工面另一侧的轴对称位置，并将加速度传感器5连接至数据采集器2，同时测力台8连接功率放大器3。连接完成后进行信号采集校准。当在工件不受力时，采集到的力信号与加速度信号为两条直线；当用力捶敲击工件时，采集信号随敲击力进行波动，此时说明系统连接正常，可进行数据采集。否则应重新检查加速度传感器5与数据采集器2的连接状态，直至监测到信号为随力锤敲击不断变化为止。

步骤3、模态敲击实验。

用力捶敲击薄壁件6，得到薄壁件6和夹具7的固有频率及频率响应函数，为后续信号分析提供实验基础。对信号进行频域分析，当频谱中存在薄壁件6固有频率或者在固有频率频带附近存在其他明显的频带时，说明在加工过程中出现了颤振。

在本实验中，薄壁件6的一阶固有频率为800Hz，二阶固有频率为1777Hz。

步骤4、薄壁件6铣削试切。

选择不同加工参数进行铣削试切，得到稳定加工状态下采集的信号。通过试切，稳定加工参数为主轴4转速900r/min，进给速度180mm/min，轴向切深2mm，径向切深0.1mm，顺铣。加工时采用的刀具直径为12mm的两刃硬质合金立铣刀。

步骤5、反算加速度系数的求解。

对稳定切削状态下采集到的加速度信号每隔一个刀具旋转周期提取一个峰值，将加速度传感器5粘贴处作为长度零点，得到不同峰值所在的橫坐标位置，此时得到有限个不同位置峰值的散点。采用二次函数对散点拟合，得到加速度随距离变化的函数a＝f(l)，进而得到反算加速度系数A：

式中a_max为散点拟合曲线中的最大值，f(l)为稳定切削下加速度峰值拟合函数。

上述刀具旋转周期的定义为T：

式中S为主轴转速，由于稳定切削时主轴转速为900r/min，因此刀具旋转周期为1/15s。

步骤6、反算加速度求解。

关闭测力台8与功率放大器3，对薄壁件6进行第一行铣削加工。保持加速度传感器位置不变，得到铣削过程中加速度随距离变化的信号a(l)，则任一加工位置处的加速度大小为：

式中，a^′为任意加工位置处的加速度，A为反算加速度系数，a(l)为采集的加速度信号，a_max为散点拟合曲线中的最大值，f(l)为稳定切削下加速度峰值拟合函数。

步骤7、完成铣削加工，构建薄壁件加工加速度场并分析。

完成整个薄壁件铣削加工，由步骤6得到所有加工位置的加速度大小，进而构建整个薄壁件加工过程的加速度场。对加速度场进行分析，其中时域分析主要包括信号的幅值、平均值、方差等，反映加工时的振动状态；频域及时频分析主要为快速傅里叶变换和小波变换，包括信号的频段分布及其随时间的变化。其中快速傅里叶变换能够得到信号的频谱分布，小波变换能够实现在高频处时间细分，低频处频率细分，得到信号频谱分布随时间的变化。

从图4可以看出，在时域中薄壁件第一行铣削加工加速度场分布数据可以分为三部分，且中间和右边数据波动较大，因此可以判断第一行铣削时发生了颤振。实际加工是得到的表面形貌同样具有明显的振纹，与时域信号特征相符，验证了加工中存在颤振现象。

本发明能够构建薄壁件加工过程的加速度场，得到任一加工位置的加速度大小，通过对加速度场进行时域的异常点分析及频域和时频域变换，可以判断加工过程是否稳定及是否发生颤振。同时由于本发明专利采用的加速度传感器质量轻、体积小、成本低、安装方便、受冷却液影响小，同时模型考虑了工件各阶模态的影响，模型的准确度较高，因此对实际加工生产具有重要意义。

Claims (1)

1.一种基于单点监测加速度的薄壁件加工加速度场构建方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将待加工薄壁件安装在测力台上，用夹具固定，其中，薄壁件满足宽厚比大于10；

步骤二、将加速度传感器粘贴在薄壁件待加工面另一侧的轴对称位置，并将加速度传感器、测力台与数据采集器、功率放大器连接同时进行采集信号校准；连接完毕后，当薄壁件不受力时，采集到的力信号与加速度信号为两条直线；当用力捶敲击工件时，采集信号随敲击力进行波动，此时说明系统连接正常，则进行数据采集；否则重新检查传感器与数据采集器的连接状态，直至监测到信号为随力锤敲击不断变化为止；

步骤三、通过模态敲击实验得到薄壁件和夹具的频率响应函数及固有频率；

步骤四、对薄壁件进行铣削试切，得到稳定切削状态下采集到的信号；稳定的标志为监测到的力信号峰谷值保持不变；

步骤五、对采集到的加速度信号每隔一个刀具旋转周期提取一个峰值，将加速度传感器粘贴处作为长度零点，得到不同峰值所在的橫坐标位置，此时得到有限个不同位置峰值的散点；采用二次函数对散点拟合，得到加速度随距离变化的函数a＝f(l)，进而得到反算加速度系数A；

式中，a_max为散点拟合曲线中的最大值，f(l)为稳定切削下加速度峰值拟合函数；

刀具旋转周期的定义为T：

式中，S为主轴转速；

步骤六、关闭测力台及功率放大器，对薄壁件进行铣削加工；加速度传感器粘贴位置保持不变，采集得到铣削过程中加速度随位置的信号a(l)，则任一加工位置处的加速度大小为：

式中，a′为任意加工位置处的加速度，A为反算加速度系数，a(l)为采集的加速度信号，a_max为散点拟合曲线中的最大值，f(l)为稳定切削下加速度峰值拟合函数；

步骤七、完成整个薄壁件铣削过程，通过步骤六中的计算方法，得到所有加工位置的加速度大小，进而得到整个薄壁件加工过程的加速度场；通过对加速度场的分析，得到加工时的异常振动。