孔鉆削是在封閉狀態(tài)下進行的，不能直接觀察到刀具的切削情況。目前隧膏，只能憑經(jīng)驗，以聽聲音嚷那、看切屑胞枕、觀察壓力表和觸摸鉆桿振動等外觀現(xiàn)象來判斷鉆削過程是否正常。深孔鉆頭除正常磨損外魏宽，由于所鉆孔的長徑比大腐泻，工藝系統(tǒng)剛性差，鉆頭易產(chǎn)生振動队询，切屑容易造成堵塞派桩，因而常常會使深孔鉆發(fā)生隨機破損。由于深孔鉆削過程很不穩(wěn)定蚌斩，十分需要一種深孔鉆削監(jiān)測系統(tǒng)铆惑，實時監(jiān)測鉆削過程中的狀態(tài)和有關(guān)信息，并實時進行信號處理送膳，識別出加工過程中的異常狀態(tài)员魏，及時采取改變鉆削用量或更換刀具等措施來排除異常狀態(tài)，必要時予以顯示報警穆烹，以避免發(fā)生事故乌换，造成巨大經(jīng)濟損失，從而可大大提高刀具耐用度败何，保證深孔鉆削的正常進行祖销。

　　由于深孔加工工況復雜，對引起這些狀態(tài)變化的物理來源還缺乏深入的了解惹你，目前尚無較完善的監(jiān)測深孔鉆削過程的方法和系統(tǒng)夕荆。傳統(tǒng)的單因素監(jiān)控和單因素模型分析方法存在很大的局限性哈滥，隨機因素的影響太大，很難正確反映系統(tǒng)的真實狀況添毒。

　　本文主要研究深孔鉆削過程監(jiān)測方案和信號分析喷总。設計了一種多傳感器的深孔鉆削力和鉆削振動信號采集裝置，采用多信息融合技術(shù)對深孔鉆削過程中采集到的多種信號進行分析和處理植西，得出準確的判斷樣本柳卒，為鉆削過程的監(jiān)測和控制提供判據(jù)。

　　切削力中包含了切削過程中的大量信息宫屠，幾乎所有的切削故障發(fā)生時列疗，切削力信號均有相應的變化。但是浪蹂，不同的切削加工方式所表現(xiàn)出的特征信號也不盡相同抵栈，僅僅依靠這種單一判據(jù)就判斷刀具磨損或破損，會造成一定的誤報坤次。因此古劲，本研究根據(jù)深孔鉆削系統(tǒng)的特點設計了一種用于深孔鉆削的多傳感器測力和測振裝置，具有通用性強缰猴、動態(tài)響應快和安裝使用方便等優(yōu)點产艾。

　　多傳感器測力和測振裝置的原理示意如圖1所示：傳感裝置里裝有應變式傳感器和加速度計，連接在深孔鉆床尾座上滑绒；傳感裝置是通用的闷堡，適用于所有不同直徑的鉆桿(即適用于所有不同直徑的孔)；包箍是緊固在鉆桿上的卡箍疑故，其作用是將鉆桿上承受的軸向力和扭矩傳遞到傳感裝置杠览，包箍不通用，要與鉆桿配套锤塘。傳感裝置所采集到的深孔鉆削力和振動信號妨舟，通過數(shù)據(jù)采集器傳送到計算機中分析處理，得到正確的監(jiān)測結(jié)果伦够，并可用于鉆削過程的實時控制邦叶。

　　實驗研究

　　本實驗研究采集了深孔加工過程中正常與失效2種工況信號。采用各種磨損程度不同的鉆頭以及改變切削用量绅厘，從而獲得不同實驗狀態(tài)的信號以及對信號的影響程度尺笼。數(shù)據(jù)采集器使用4個通道，分別采集力缤纽、扭矩林下、垂直和水平方向的振動信號。

　　正常鉆削狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集

　　刀具初期磨損和正常磨損時刀具狀態(tài)信號的變化規(guī)律讨绝；改變轉(zhuǎn)速對刀具狀態(tài)信號的變化規(guī)律腋芜；改變進給量對刀具狀態(tài)信號的變化規(guī)律再副。

　　模擬故障狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集

　　刀具急劇磨損和破損時刀具狀態(tài)信號的變化規(guī)律；切屑堵塞時刀具狀態(tài)信號的變化規(guī)律花炭；導向塊破裂時刀具狀態(tài)信號的變化規(guī)律躬拢。

　　信號分析

　　由于測量信號不僅包含了反映對象工作狀態(tài)的有用信息，同時也包含了大量無用的背景噪聲见间，反映工作狀態(tài)的有用信息往往淹沒在無用的背景噪聲中聊闯，一般很難直接發(fā)現(xiàn)并提取。在對力米诉、扭矩菱蔬、垂直方向振動和水平方向振動4種信號進行時域波形分析發(fā)現(xiàn)，原始信號在時域內(nèi)區(qū)別很不明顯史侣，不能用于鉆頭的在線監(jiān)測拴泌，為此，應該對原始信號進行處理抵窒。

　　對4種信號進行頻域信號分析時發(fā)現(xiàn)弛针，力和扭矩信號在頻域中沒有明顯的譜峰叠骑，也無明顯的變化規(guī)律李皇，只有刀具破損時才有特征頻率，所以對力和扭矩信號應用時間序列分析宙枷。采用AR模型對其進行參數(shù)估計掉房，得到力的時序模型的殘差方程。

　　由上述分析可得出以下結(jié)論：

　　振動信號功率譜密度在低頻段頻譜變化的特點是隨著刀具磨損的增加昏个，主峰幅值增加較快蟋扩，然后趨向平緩，而主峰頻率位置則由高頻向低頻方向移動乃屈。當?shù)毒呒眲∧p近破損時南翻，水平方向主峰頻率集中在400Hz左右，且出現(xiàn)許多新的譜峰兼英；垂直方向主峰頻率集中在210Hz左右绵布，也出現(xiàn)許多新譜峰。這種變化喳牌，反映了刀具磨損的產(chǎn)生和發(fā)展肪禾，通過切削力激發(fā)起刀具-工件-機床加工系統(tǒng)的諧波成分，導致系統(tǒng)振動模態(tài)參數(shù)發(fā)生變化玲院。多譜峰的出現(xiàn)袁羔，使信號能量分散，因此淡早，譜峰幅值增加緩慢挠疲，而刀具與工件接觸區(qū)條件惡化引起的切削阻尼增加耳标，則使垂直振動主峰頻率位置降低。

　　高頻段功率譜圖的變化規(guī)律與低頻段基本一致邑跪，但規(guī)律沒有低頻段突出麻捻，主峰幅值出現(xiàn)在高頻區(qū)的頻率很小，譜峰少呀袱，這是由于切削加工系統(tǒng)的強迫振源一般都在1,000Hz以內(nèi)贸毕。因此，高頻譜可以有效地隔離或者削弱加工系統(tǒng)的諧波成分夜赵。

　　模式識別

　　狀態(tài)分類能否成功明棍，在很大程度上取決于特征分析和特征量的選取。深孔加工動態(tài)系統(tǒng)是隨機過程寇僧，很難用某一確定性時間函數(shù)來分析摊腋。特征分析的目的就是將原始信號變換為特征量，并找出它與工況的關(guān)系嘁傀。這種特征量很多兴蒸，但要反映工況狀態(tài)規(guī)律、敏感性和在模式空間中的聚類型细办，可分性并不相同间歌，需要在特征分析的基礎上選擇規(guī)律性好、敏感性強的特征量作為模式向量认施，使其具有較好的可分性鹅址。

　　本實驗研究在分析了振動、軸向力和扭矩信號分別在時域多蜕、頻域的特點妨谦，在采用時序模型、功率譜及自相關(guān)譜等的基礎上嘀回，選擇水平振動的特征譜峰和力的時序模型的殘差方差作為模式向量显而，采用感知器算法獲得加權(quán)向量w=(-4,540，131,090蜜裸，300)T楷芝。因此，得到分類函數(shù)：

　　通過上述分類函數(shù)我們確定了刀具的加工狀態(tài)烘俱，如表1檢驗樣本所示均天。經(jīng)多次試驗，正確率達90%以上绘辈。

　　結(jié)語

　　實驗證明恢着，所設計的深孔鉆削多傳感器測力和測振裝置，安裝簡單财破，運行可靠掰派，組合信號具有互補性从诲，提高了監(jiān)測的準確性適用于深孔鉆削過程中對鉆削刀具的狀態(tài)進行監(jiān)測。

　　振動信號在頻域中有反映刀具磨損狀態(tài)的顯著特征靡羡。在不同的鉆削條件和鉆削用量下系洛。其功率譜變化不一樣。但變化趨勢一致略步。

　　選擇水平振動主峰幅值和力的殘差方差作為特征向量描扯。構(gòu)成模式向量√吮。可以全面反映深孔加工系統(tǒng)運行的狀態(tài)绽诚。

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