采用麥克風(fēng)進行檢測顫證的技術(shù)

1、采用麥克風(fēng)的顫證檢測技術(shù)內(nèi)容提要內(nèi)容提要n一、聲音信號檢測顫振的原理一、聲音信號檢測顫振的原理n二、常用的基于聲音信號的顫振檢測技術(shù)二、常用的基于聲音信號的顫振檢測技術(shù)n三、顫振檢測技術(shù)在模擬條件下的驗證三、顫振檢測技術(shù)在模擬條件下的驗證n四、顫振檢測技術(shù)在真實情況下的驗證四、顫振檢測技術(shù)在真實情況下的驗證n五、總結(jié)五、總結(jié)一、聲音信號檢測顫振的原理一、聲音信號檢測顫振的原理nK.S.Smith發(fā)現(xiàn)加工過程中產(chǎn)生的聲壓信號與刀具的位移成正比。這使得使用麥克風(fēng)檢測非穩(wěn)態(tài)的顫振成為可能。n在穩(wěn)態(tài)切削過程中，主軸轉(zhuǎn)動（及其諧波）和齒輪傳動的頻率在信號中占支配地位。當系統(tǒng)達到非穩(wěn)態(tài)時會出現(xiàn)其他的一些頻

2、率。因此對與主軸轉(zhuǎn)動和齒輪轉(zhuǎn)動不同頻率的峰值進行檢測可以檢測顫振。n麥克風(fēng)已在商業(yè)軟件如Accord Mill和Harmonizer中得到了應(yīng)用。正在開發(fā)的有Chatterpro。處于穩(wěn)態(tài)的聲壓信號的頻譜分析處于非穩(wěn)態(tài)的聲壓信號的頻譜分析采用麥克風(fēng)檢測顫振的優(yōu)缺點采用麥克風(fēng)檢測顫振的優(yōu)缺點n優(yōu)點：麥克風(fēng)使用簡單不涉及定位問題。n缺點：周圍環(huán)境如環(huán)境噪音、聲音反射都會干擾聲音信號。二、顫振檢測技術(shù)二、顫振檢測技術(shù)nA 基于峰值的檢測方法nB 基于頻率的檢測方法nC 基于統(tǒng)計的檢測方法A 基于峰值的檢測方法基于峰值的檢測方法n常用的用兩種方法：最簡單的方法是直接將聲壓的峰值與在穩(wěn)態(tài)時測量的值進行比

3、較。但這種方法容易受到工作環(huán)境的影響。另外一種是將最高峰值與穩(wěn)態(tài)峰值的平均值和系數(shù)（610）的乘積進行比較。但決定閥值的系數(shù)難以確定。B 基于頻率的檢測方法基于頻率的檢測方法n穩(wěn)態(tài)頻譜中主要是齒輪轉(zhuǎn)動、主軸轉(zhuǎn)動的頻率及其諧波。n非穩(wěn)態(tài)的頻譜中包含了占主導(dǎo)的接近系統(tǒng)本征頻率（也被稱為顫振頻率）的信號。n使用FFT變換得到信號的頻譜，并將與穩(wěn)態(tài)頻率相關(guān)的峰值移除。剩余的信號如果占主導(dǎo)的是齒輪、主軸轉(zhuǎn)動頻率的二次諧波，那么系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)；如果站主導(dǎo)的是顫振頻率，那么系統(tǒng)處于非穩(wěn)態(tài)。C 基于統(tǒng)計的檢測方法基于統(tǒng)計的檢測方法n該方法最先由Delio提出。n其原理： 在穩(wěn)態(tài)時，刀具轉(zhuǎn)動到相同的位置其刀尖的位

4、置是相同的。而非穩(wěn)態(tài)時，刀尖的軌跡成橢圓形。 其位置方差 （其中 ） 當方差超過某一值時判定顫振發(fā)生。 同樣，這種刀尖位置方差計算的方法也適 用于聲壓。NxxmiNi)(2212NxxiNim1三、在動態(tài)仿真下進行測試三、在動態(tài)仿真下進行測試n首先運用動態(tài)仿真得到的信號對以上三種技術(shù)進行測試。n該系統(tǒng)參數(shù)如下： 零螺旋角單槽圓柱銑刀 主軸轉(zhuǎn)速恒定為3500r/min 半進入式順銑，切削深度深度為：0.1， 0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8, 2.0,3.0,4.0,5.0。 撓性工件與進給方向垂直，將模型簡化為單自 由度模型。f=100Hz,k=10KN/

5、m,=0.4%該系統(tǒng)的穩(wěn)定域曲線該系統(tǒng)的穩(wěn)定域曲線穩(wěn)態(tài)域曲線在3500RPM左右的區(qū)域該模擬系統(tǒng)的穩(wěn)定域曲線動態(tài)仿真產(chǎn)生的信號動態(tài)仿真產(chǎn)生的信號切削深度為0.1mm,系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)切削深度為1mm,系統(tǒng)處于非穩(wěn)態(tài)作為研究的信號有兩種：一種是由動態(tài)仿真產(chǎn)生的原始信號；另一種是仿真信號和白噪音（其峰值是仿真信號最大峰值的5%）的疊加。頻域分析在Matlab環(huán)境下進行FFT變換。采用漢寧窗進行加窗處理。A 基于峰值的檢測方法基于峰值的檢測方法主導(dǎo)峰的峰值隨軸向切削深度的增加而單調(diào)遞增。閥值比率為切削深度0.8mm和0.1mm時方差的比值，其值約為8。 白噪音對計算結(jié)果沒有影響。 最高峰值振幅的變化曲線

6、實線（紅色）為原始信號，虛線（藍色）為疊加信號B 基于頻率的檢測方法基于頻率的檢測方法n當處于穩(wěn)態(tài)時，主導(dǎo)頻率 齒輪轉(zhuǎn)動頻率的第二諧波 頻率。n隨著切削深度的增加，顫 震頻率所占比重越來越大， 當主導(dǎo)頻率發(fā)生變化時， 即判定系統(tǒng)處于非穩(wěn)態(tài)。n白噪音對結(jié)果無顯著影響。仿真信號的主導(dǎo)頻率C 基于統(tǒng)計的檢測方法基于統(tǒng)計的檢測方法 閥值比率為切削深度0.8mm和0.1mm時方差的比值，其值約為10。聲壓方差的變化曲線 模擬測試的總結(jié)模擬測試的總結(jié)n信號的觀測結(jié)果和顫振指標隨切削深度的變化是一致的。n確定的基于主導(dǎo)峰值檢測方法的閥值比率為8；基于統(tǒng)計的檢測方法的閥值比率為10。四、在實際條件下進行驗證四

7、、在實際條件下進行驗證構(gòu)造實驗n工件被固定在撓性結(jié)構(gòu)上，該結(jié)構(gòu)盡量接近單自由度系統(tǒng)（本征頻率120.4Hz,阻尼比率為0.38%）。n刀具為三槽圓柱形硬質(zhì)合金刀，麥克風(fēng)為Bruel & Kjaer 2236，在夾具上安裝加速度傳感器。n主軸轉(zhuǎn)速為1200RPM，切削深度范圍為0.31.5mm。A 基于峰值的檢測方法基于峰值的檢測方法在實際情況下測得的峰值隨切削深度變化的曲線n閥值定為在有噪音的環(huán)境下測量的峰值最大值的8倍，約為7.818Mv。n預(yù)測的極限切削深度在0.751mm之間。這與觀測到的當切削深度大于0.75mm時表面粗糙的極具增大相符。n對從加速度傳感器得到的信號進行分析，其結(jié)果與上述分析相同。B 基于頻率的檢測方法基于頻率的檢測方法n使用基于頻率的檢測方法的預(yù)測結(jié)果比基于峰值的檢測方法提前。在實際情況下測得的信號的主導(dǎo)頻率C 基于統(tǒng)計的檢測方法基于統(tǒng)計的檢測方法n閥值定為14 Vn預(yù)測的切削深度也在0.751mm之間方差的變化曲線410五、總結(jié)五、總結(jié)nA基于峰值的檢測方法是最