超精密磨床振動(dòng)和溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究*

林 靜 郭隱彪 韓 偉

（廈門(mén)大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建廈門(mén) 361005）

1 加工過(guò)程無(wú)線監(jiān)測(cè)概況

為提高機(jī)械加工精度，對(duì)加工系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行綜合的在線監(jiān)測(cè)是技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［1］。加工過(guò)程監(jiān)測(cè)主要是對(duì)力、振動(dòng)、溫度和電流等特征量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而判斷機(jī)床的工作狀態(tài)。其實(shí)質(zhì)目標(biāo)是了解和掌握加工系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行和加工過(guò)程，在出現(xiàn)異常時(shí)，可提供分析的依據(jù)。從監(jiān)控流程上，具體的工作可以分為信號(hào)采集、無(wú)線傳輸、信號(hào)分析3個(gè)部分。

目前，無(wú)人車(chē)間的發(fā)展理念受到企業(yè)的更多關(guān)注，因此無(wú)線監(jiān)測(cè)在環(huán)境監(jiān)控方面的研究和開(kāi)發(fā)成為一種迫切需要［2］。同時(shí)，近年來(lái)伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，加工過(guò)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。在監(jiān)控刀具磨損、切削力測(cè)量和磨削溫度測(cè)量等方面，無(wú)線監(jiān)控領(lǐng)域都有相關(guān)的研究嘗試［3］。無(wú)線監(jiān)測(cè)相對(duì)于傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)，在方便、快捷和低成本方面具備其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線監(jiān)測(cè)終端是由分布在機(jī)床上的傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成，周期性獲取振動(dòng)、溫度、電流和聲發(fā)射等特征信號(hào)［4］，采集到的各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測(cè)終端和控制中心之間進(jìn)行傳遞。最終控制中心會(huì)對(duì)這些信號(hào)做出相應(yīng)的處理，由數(shù)據(jù)處理結(jié)果反映機(jī)床的當(dāng)前工作狀態(tài)，達(dá)到實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的目的。

2 無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

開(kāi)發(fā)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由紅外測(cè)溫儀、加速度傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和下位機(jī)PC構(gòu)成。精密磨削機(jī)床的振動(dòng)信號(hào)、砂輪溫度信號(hào)分別由加速度傳感器和紅外測(cè)溫儀采集，采集得到的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路獲得轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心并針對(duì)具體信號(hào)進(jìn)行分析和處理。信號(hào)分析結(jié)果由監(jiān)測(cè)軟件顯示，基于分析結(jié)果判斷機(jī)床是否處于正常工作狀態(tài)。

振動(dòng)信號(hào)由壓電式加速度傳感器采集，針對(duì)振動(dòng)信號(hào)在磨床的分布特點(diǎn)，系統(tǒng)采取多通道采集方案，測(cè)點(diǎn)位置主要分布在工作臺(tái)、機(jī)床底部和砂輪罩殼上方3處。機(jī)床工作臺(tái)沿導(dǎo)軌的水平移動(dòng)提供加工過(guò)程X軸方向運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)現(xiàn)象比較其他地方要?jiǎng)×?，是振?dòng)監(jiān)測(cè)最關(guān)鍵位置。機(jī)床底部的測(cè)點(diǎn)設(shè)置，采集機(jī)床與地面接觸處的振動(dòng)信號(hào)，可以反映來(lái)自周邊振源的影響。砂輪豎直方向的運(yùn)動(dòng)提供機(jī)床Y軸方向移動(dòng)，磨削加工過(guò)程也是振動(dòng)較明顯的位置，所以在砂輪罩殼上方設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置。溫度信號(hào)通過(guò)紅外測(cè)溫儀采集，磨削過(guò)程砂輪與工件接觸區(qū)是熱量產(chǎn)生的主要區(qū)域，溫度采集點(diǎn)設(shè)置在這一區(qū)域能夠有效地反映機(jī)床工作過(guò)程溫度變化情況。加速度傳感器分布和紅外測(cè)溫儀的測(cè)點(diǎn)設(shè)置方案如圖2所示。

采用的壓電式加速度傳感器是江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司型號(hào)為CA－YD－186的產(chǎn)品，其輸出電壓范圍是0～6 V，相比于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入電壓過(guò)小，需要在調(diào)理電路中配備電荷放大器。傳統(tǒng)的熱電偶測(cè)溫方法破壞工件整體性，導(dǎo)致熱量的傳導(dǎo)與實(shí)體工件有差異，紅外測(cè)溫儀采用紅外成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行非接觸檢測(cè)，屬于無(wú)損測(cè)量，靈敏度高，響應(yīng)速度快，適合應(yīng)用于磨削過(guò)程快速轉(zhuǎn)動(dòng)的砂輪溫度監(jiān)測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程分兩階段在精密磨床MGK7160上進(jìn)行的，首先針對(duì)機(jī)床振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再分析溫度特征信號(hào)完成實(shí)驗(yàn)。壓電式加速度傳感器采用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司型號(hào)為CA－YD－186的產(chǎn)品，紅外測(cè)溫儀是購(gòu)買(mǎi)德國(guó)Optris公司生產(chǎn)的CTlaser LT/1M/2M/CTglass產(chǎn)品。

經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸獲得的振動(dòng)信號(hào)分析結(jié)果如圖3所示，波形圖和幅值譜分別從時(shí)域和頻域分析振動(dòng)特征信號(hào)。由振動(dòng)波形可觀察到，采集到的振動(dòng)信號(hào)維持在一個(gè)較小的振動(dòng)范圍內(nèi)變化，也沒(méi)有異常的振幅跳動(dòng)發(fā)生;幅值譜中在60～70 Hz范圍的增大是由于砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)的自身固有頻率原因，不代表機(jī)床的工作異常。

經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸獲得的溫度信號(hào)分析結(jié)果顯示如圖4所示，溫度波形圖的光滑、平穩(wěn)表明磨削過(guò)程產(chǎn)生的磨削熱沒(méi)有發(fā)生急劇升高的異常情況。當(dāng)磨削過(guò)程出現(xiàn)異常狀況，反映到磨削熱方面通常會(huì)使得砂輪溫度急劇升高，所以溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果同樣表明機(jī)床也處于正常工作狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)信號(hào)與加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)，其中包含著豐富的各類(lèi)異常狀態(tài)的信息，在磨削加工過(guò)程中，產(chǎn)生的磨削熱使磨削區(qū)的溫度急劇升高，產(chǎn)生的高溫對(duì)砂輪、工件及磨床產(chǎn)生不同程度的不良影響，所以從振動(dòng)和溫度的角度在線監(jiān)測(cè)機(jī)床加工狀態(tài)較易實(shí)現(xiàn)。本文構(gòu)建一套基于無(wú)線傳輸?shù)木苣ゴ苍诰€監(jiān)控系統(tǒng)，終端振動(dòng)傳感器和紅外測(cè)溫儀采集的信號(hào)調(diào)理后無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)控機(jī)床的工作狀態(tài)。

［1］姜晨，郭隱彪，韓春光，等.精密加工環(huán)境分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)研究［J］.廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，49（5）:631 －635.

［2］Lin Jing，Guo Yinbiao，Yang Wei，et al.A monitoring and wireless transmission system on the machining tool［J］.Advanced Materials Research，2011，189 －193:4182 －4185.

［3］Ma Lei，Melkote Shreyes N.On－line monitoring of end milling forces using a thin film based wireless sensor module［C］.Proceedings of the ASME 2010 International Manufacturing Science and Engineering Conference，October 12 －15，2010，Erie，Pennsylvania，USA.

［4］唐旎，郭隱彪，林曉輝，等.精密加工環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)研究［J］.機(jī)械制造與機(jī)床，2011（1）.

［5］涂文特，李家春，劉春偉.數(shù)控機(jī)床刀具磨損無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械，2011，32（10）.

［6］周祖德，陳幼平.現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)的監(jiān)控與故障診斷［M］.武漢:華中理工大學(xué)出版社，1999.

［7］盧文祥，杜潤(rùn)生.機(jī)械工程測(cè)試·信息·信號(hào)分析［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2003.