CN114714200B - 一种基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法，涉及超精密磨削加工技术领域，为解决现有的半球谐振子磨削工艺，难以保证工件质量的一致性且人力成本较高的问题。包括如下步骤：一、对半球谐振子加工声音进行采集，对加工声音进行处理得到其声波时历信号；二、对声波时历信号持续采样，并将声波时历信号干扰成分进行消除；三、设置采样时间，对每个采样区间内去除干扰的声波时历信号进行傅里叶变换和小波变换，根据傅里叶变换得到的频谱图和球头砂轮与半球谐振子的球面磨削声音对应的特定频率，判断球头砂轮与半球谐振子是否有磨削；根据小波变换得到时频尺度图和所述特定频率的尺度变化，实时判断球头砂轮与半球谐振子磨削时长及其磨削比例。

Description

一种基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法

技术领域

本发明涉及超精密磨削加工技术领域，具体而言，涉及一种基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法。

背景技术

半球谐振陀螺(Hemispherical resonator gyroscope，简称HRG)作为一种高精度陀螺仪，具有抗冲击、抗辐射、尺寸较小、重量轻、能耗低、可靠性高、长工作寿命等多方面优点，成功应用于国防军事、通信卫星、载人航天、天文观测、海洋工程等领域。半球谐振子作为半球谐振陀螺的核心部件，为获得低频率裂解和高品质因数，对其加工精度有着较高的要求，通常要求半球谐振子在超精密磨抛后面型精度达到亚微米级，表面粗糙度达到纳米级。

半球谐振子由熔融石英制作，其球壳内、外均有支撑杆，是一种典型的硬脆材料异形结构件。超精密磨削对于半球谐振子等这类曲面异形零件的加工发挥越来越重要的作用，针对半球谐振子的结构特点和加工工艺要求，小尺寸球头砂轮以斜轴的方式对半球谐振子进行磨削加工是一种有效的加工方式。考虑到实际加工过程中的机床主轴跳动以及半球谐振子毛坯件的制造误差，在规划球头砂轮轨迹的时候，通常需要将预设理想轨迹向远离工件方向插补30～60μm。加工时，球头砂轮轨迹每次向靠近工件方向插补1～5μm，该过程需要根据声音判断球头砂轮是否与半球谐振子完全磨削，在完全磨削的基础上，还需要对半球谐振子再进行一定深度的材料去除。目前虽已研制出加工高精度半球谐振子的超精密磨削机床，但是其智能化升级还有许多功能需要完善；分析目前工艺，判断球头砂轮是否与半球谐振子完全磨削是根据经验丰富的工程师的判断，存在以下不足：1、加工工件，需要有经验丰富的实验人员一直在现场，人力成本较高；2、该方法存在主观因素，难以保证加工后的工件质量统一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

现有的半球谐振子磨削工艺，需要有经验丰富的工程师根据声音判断砂轮与谐振子球面的接触，存在难以保证工件质量的一致性且人力成本较高的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

一种基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法，包括如下步骤：

一、对半球谐振子加工声音进行采集，对加工声音进行处理得到其声波时历信号；

二、对所述声波时历信号持续采样，并将声波时历信号干扰成分进行消除；

三、设置采样时间，对每个采样区间内去除干扰的声波时历信号进行傅里叶变换和小波变换，根据傅里叶变换得到的频谱图和球头砂轮与半球谐振子的球面磨削声音对应的特定频率，判断球头砂轮与半球谐振子是否有磨削；根据小波变换得到时频尺度图和所述特定频率的尺度变化，实时判断球头砂轮与半球谐振子磨削时长及其磨削比例。

进一步地，步骤一中，将声音传感器安装在超精密磨削机床附近，对半球谐振子加工过程的声音实时获取；采用audioread声音处理函数对半球谐振子加工声音实时处理，得到其对应的声波时历信号。

进一步地，步骤二中，利用带通滤波的方法对采集到的声波时历信号进行处理，去除干扰成分。

进一步地，步骤二中，将声波时历信号干扰成分消除的具体过程为：

声波时历信号y(t)由目标信号s(t)和干扰信号η(t)两部分组成，即y(t)＝s(t)+η(t)，引入滤波函数h(t)，令y(t)、s(t)、η(t)、h(t)的频域函数分别为y(f)、s(f)、η(f)、h(f)，滤波的作用是要实现y(f)＝[s(f)+η(f)]·h(f)＝s(f)，即可将干扰成分消除；为满足滤波要求，对滤波频域函数h(f)定义如下：

式中，f₀为预估目标频率，α为目标频率偏离系数；

h(f)经过傅里叶逆变换可以得到其时域形式：

式中，h(t)为滤波时域函数，t为时间；

进一步结合测量信号来求目标信号：

式中，s(t)为滤波后的声波时历信号；

由此可以得到指定滤波参数下的去除干扰后的声波时历信号。

进一步地，步骤三中傅里叶变换后的声波时历信号频域上的函数表达F(ω)为：

式中，s(t)为声波时历信号；t为时间，ω为频率，F(ω)为声波的频域信号。

进一步地，步骤三中，对声波时历信号s(t)进行小波变换，计算公式为：

式中，W_T(a,τ)为声波时历信号s(t)进行小波变换后得到的系数，表示时间尺度上的频率变化值，b为尺度因子，a为平移因子，ψ(t)小波变换的母函数；选取Gabor复小波函数，其定义为：

式中，σ为母小波函数的阻尼参数，ωo为角频率；

计算得到的W_T(b,a)矩阵二次方|W_T(b,a)|²称为小波功率谱，由小波功率谱矩阵可绘制时频图。

进一步地，步骤三中，对磨削比例的确定，具体为：

在磨削比例为100％时，可以进行对半球谐振子进行确定性材料去除。

进一步地，球头砂轮与半球谐振子磨削声音对应的特定频率为5123Hz和8500Hz。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

由于半球谐振子超精密磨削过程中去除材料相对较少，所以准确判断砂轮与谐振子球面接触情况，确定下一步确定性材料去除，是半球谐振子超精密磨削过程中的一项关键技术；本发明提出的基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法，一、能够在半球谐振子超精密磨削加工过程中，根据声音传感器采集到的声音信息，实时检测球头砂轮与半球谐振子磨削时长及其磨削比例，分析得到半球谐振子超精密磨削过程所处的不同阶段；二、能够准确判断球头砂轮与半球谐振子完全磨削的时刻，为下一步超精密磨削的确定性材料去除提供依据。

本发明在一定程度上避免了人为主观因素对于超精密磨削半球谐振子的影响，进一步提高了半球谐振子的质量一致性，同时降低了人力成本；本发明还具有贴近实际情况，工况涵盖面广，能够对数据实时处理等优点。

附图说明

图1是本发明实施例中超精密磨削机床的结构示意图；

图2是本发明实施例的技术路线图；

图3是本发明实施例中磨削时的加工声音的声波时历信号；

图4是本发明实施例中磨削时加工声音的声波时历信号进行傅里叶变换得到的频谱图；

图5是本发明实施例中磨削时加工声音的声波时历信号进行小波变换得到的时频尺度图；

图6是本发明实施例中未磨削时的加工声音的声波时历信号；

图7是本发明实施例中未磨削时的加工声音的声波时历信号进行傅里叶变换得到的频谱图；

图8是本发明实施例中未磨削时的加工声音的声波时历信号进行小波变换得到的时频尺度图。

附图标记说明：1-C轴转台，2-U轴连接架，3-V轴，4-工具主轴固定架，5-工具主轴，6-球头砂轮，7-水平工作台，8-工件主轴保护罩，9-半球谐振子，10-工件主轴，11-U轴保护罩，12-U轴。

具体实施方式

在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

具体实施方案一：如图1所示，半球谐振子超精密磨削机床为龙门结构的四轴三联动机床，其包含三个直线运动轴X、Y、Z轴，一个旋转转台C轴，两个精密微调直线进给轴U12、V轴3，以及一个砂轮主轴和一个工件主轴10；根据加工要求，可以自主设定砂轮主轴和工件主轴10转速。

结合图2至图8所示，一种基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法，包括如下步骤：

一、对半球谐振子加工声音进行采集，对加工声音进行处理得到其声波时历信号；

二、对所述声波时历信号持续采样，并将声波时历信号干扰成分进行消除；

三、设置采样时间，对每个采样区间内去除干扰的声波时历信号进行傅里叶变换和小波变换，根据傅里叶变换得到的频谱图和球头砂轮与半球谐振子的球面磨削声音对应的特定频率，判断球头砂轮与半球谐振子是否有磨削；根据小波变换得到时频尺度图和所述特定频率的尺度变化，实时判断球头砂轮与半球谐振子磨削时长及其磨削比例。

球头砂轮与半球谐振子球面磨削产生的声音对应的特定频率的获得方法为：在超精密磨削机床不开机的情况下，使球头砂轮与球面完全接触，手动转动连接球头砂轮的主轴，产生球头砂轮与半球谐振子球面磨削声音，对其分析获得磨削声音的特定频率。

本实施方案中得到的磨削声音对应的特定频率为5123Hz、8500Hz。

具体实施方案二：如图3和图6所示，步骤一中，将声音传感器安装在超精密磨削机床附近，对半球谐振子加工过程的声音实时获取；采用audioread声音处理函数对半球谐振子加工声音实时处理，得到其对应的声波时历信号。其它与具体实施方案一相同。

具体实施方案三：步骤二中，利用带通滤波的方法对采集到的声波时历信号进行处理，去除干扰成分。其它与具体实施方案二相同。

由于加工条件的限制，采集转换得到的声波时历信号中必然存在一些干扰，为消去信号中低频和高频的干扰成分，本文利用带通滤波的方法对原始信号进行处理，通过带通滤波，可以极大程度降低噪音的干扰。

具体实施方案四：步骤二中，将声波时历信号干扰成分消除的具体过程为：

声波时历信号y(t)由目标信号s(t)和干扰信号η(t)两部分组成，即y(t)＝s(t)+η(t)，引入滤波函数h(t)，令y(t)、s(t)、η(t)、h(t)的频域函数分别为y(f)、s(f)、η(f)、h(f)，滤波的作用是要实现y(f)＝[s(f)+η(f)]·h(f)＝s(f)，即可将干扰成分消除。为满足滤波要求，对滤波频域函数h(f)定义如下：

式中，f₀为预估目标频率，α为目标频率偏离系数；

h(f)经过傅里叶逆变换可以得到其时域形式：

式中，h(t)为滤波时域函数，t为时间。

进一步结合测量信号来求目标信号：

式中，s(t)为滤波后的声波时历信号。

由此可以得到指定滤波参数下的消除干扰后的声波时历信号。其它与具体实施方案三相同。

具体实施方案五：如图4和图7所示，步骤三中对每个采样区间内的声波时历信号进行傅里叶变换得到频谱图，频谱图出现多个峰值频率，傅里叶变换后的声波时历信号频域上的函数表达F(ω)为：

式中，s(t)为声波时历信号；t为时间，ω为频率，F(ω)为声波的频域信号。其它与具体实施方案四相同。

如图4所示，磨削时的频谱图中出现特定频率5123Hz、8500Hz，而如图7所示，未磨削时的频谱图中未出现特定频率5123Hz、8500Hz，用此方法判断球头砂轮与半球谐振子是否有磨削；本方法判断结果更加准确，可减少人为因素的误差。

具体实施方案六：如图5和图8所示，步骤三中，对声波时历信号s(t)进行小波变换，计算公式为：

式中，W_T(a,τ)为声波时历信号s(t)进行小波变换后得到的系数，表示时间尺度上的频率变化值，b为尺度因子，a为平移因子，ψ(t)小波变换的母函数，选取Gabor复小波函数，其定义为：

式中，σ为母小波函数的阻尼参数，ωo为角频率；

计算得到的W_T(b,a)矩阵二次方|W_T(b,a)|²称为为小波功率谱，由小波功率谱矩阵可绘制时频图。其它与具体实施方案五相同。

具体实施方案七：步骤三中，对磨削比例的确定，具体为：

在磨削比例为100％时，可以进行对半球谐振子进行确定性材料去除。其它与具体实施方案六相同。

根据加工要求，自主设定砂轮主轴和工件主轴转速，工件主轴转速设定为1800r/min，即周期为2s。如图5所示，选取一个周期内的时频尺度图，根据特定频率的数据变化判定特定频率的尺度，由图可知特定频率5123Hz、8500Hz出现的时长为1.33s，因此可求得在1～3s内球头砂轮与半球谐振子的磨削比例为66.5％。球头砂轮的运动轨迹每次向半球谐振子靠近一定距离，球头砂轮与半球谐振子的磨削比例会逐步增加，在磨削比例达到100％时，表示半球谐振子转动一周，球头砂轮一直与半球谐振子接触，此时可以进行对半球谐振子进行确定性材料去除，同时可以保证半球谐振子表面质量的均匀性和统一性。

如图8所示的时频尺度图可知，在1～3s内球头砂轮与半球谐振子的磨削比例为0。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法，其特征在于包括如下步骤：

一、对半球谐振子加工声音进行采集，对加工声音进行处理得到其声波时历信号；

将声音传感器安装在超精密磨削机床附近，对半球谐振子加工过程的声音实时获取；采用audioread声音处理函数对半球谐振子加工声音实时处理，得到其对应的声波时历信号；

二、对所述声波时历信号持续采样，并将声波时历信号干扰成分进行消除；

三、设置采样时间，对每个采样区间内去除干扰的声波时历信号进行傅里叶变换和小波变换，根据傅里叶变换得到的频谱图和球头砂轮与半球谐振子的球面磨削声音对应的特定频率，判断球头砂轮与半球谐振子是否有磨削；根据小波变换得到时频尺度图和所述特定频率的尺度变化，实时判断球头砂轮与半球谐振子磨削时长及其磨削比例；

傅里叶变换后的声波时历信号频域上的函数表达F(ω)为：

式中，s(t)为声波时历信号；t为时间，ω为频率，F(ω)为声波的频域信号；

对声波时历信号s(t)进行小波变换，计算公式为：

式中，W_T(a,τ)为声波时历信号s(t)进行小波变换后得到的系数，表示时间尺度上的频率变化值，b为尺度因子，a为平移因子，ψ(t)小波变换的母函数；选取Gabor复小波函数，其定义为：

式中，σ为母小波函数的阻尼参数，ω_o为角频率；

计算得到的W_T(b,a)矩阵二次方|W_T(b,a)|²称为小波功率谱，由小波功率谱矩阵可绘制时频图；

对磨削比例的确定，具体为：

在磨削比例为100％时，可以进行对半球谐振子进行确定性材料去除。

2.根据权利要求1所述的一种基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法，其特征在于步骤二中，利用带通滤波的方法对采集到的声波时历信号进行处理，去除干扰成分。

3.根据权利要求2所述的一种基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法，其特征在于步骤二中，将声波时历信号干扰成分消除的具体过程为：

声波时历信号y(t)由目标信号s(t)和干扰信号η(t)两部分组成，即y(t)＝s(t)+η(t)，引入滤波函数h(t)，令y(t)、s(t)、η(t)、h(t)的频域函数分别为y(f)、s(f)、η(f)、h(f)，滤波的作用是要实现y(f)＝[s(f)+η(f)]·h(f)＝s(f)，即可将干扰成分消除；为满足滤波要求，对滤波频域函数h(f)定义如下：

式中，f₀为预估目标频率，α为目标频率偏离系数；

h(f)经过傅里叶逆变换可以得到其时域形式：

式中，h(t)为滤波时域函数，t为时间；

进一步结合测量信号来求目标信号：

式中，s(t)为滤波后的声波时历信号；

由此可以得到指定滤波参数下的去除干扰后的声波时历信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于声波分析的半球谐振子磨削工艺优化方法，其特征在于球头砂轮与半球谐振子磨削声音对应的特定频率为5123Hz和8500Hz。

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