基于特征頻率組的銑削顫振識別*

張 智，劉成穎，張 潔，余路路

(1.海軍航空工程學院 a.飛行器工程系；b.外訓系，山東 煙臺 264001；2.清華大學 a.機械工程系；b.精密超精密制造裝備及控制北京市重點實驗室，北京 100084)

0 引言

由刀具與工件引起的顫振，普遍存在于銑削過程中[1]。顫振會引起工件表面質(zhì)量變差，降低刀具壽命，嚴重時導(dǎo)致刀具甚至機床的損壞[2-3]。顫振普遍存在于金屬切削中，嚴重危害機床的加工精度[4-5]。為了有效地監(jiān)測和控制振動，國內(nèi)外很多學者做過關(guān)于顫振信號的監(jiān)測、分析和診斷方面的研究。其中，顫振信號的分析方法中，最主要的是頻域和時頻域的分析，包括傅立葉變換、短時傅立葉變換和小波分析等[6-7]。分析加工過程中的顫振，實現(xiàn)在線監(jiān)測，有利于提高機床加工效率，監(jiān)控加工質(zhì)量。

銑削加工狀態(tài)可分為穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)。預(yù)測不穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)生和對不穩(wěn)定狀態(tài)的識別，是顫振在線監(jiān)測核心的功能。銑削加工的狀態(tài)變化伴隨著信號頻譜[8]和能量分布[9]的變化。本文根據(jù)切削過程的信號頻譜特征，建立基于特征頻率組的切削穩(wěn)定性自動分析和識別的方法。該方法從頻域特征的角度，避免了顫振的時域判斷方法中，人為選擇閾值的問題，針對不同機床，對顫振的識別和判斷具有更好的適應(yīng)性。

1 頻域特征分析

在銑削加工過程中，由斷續(xù)切削力和旋轉(zhuǎn)零部件的不平衡引起的強迫振動，始終存在。而強迫振動的頻率與主軸轉(zhuǎn)速相關(guān)，通常是轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率的倍頻。加工過程不穩(wěn)定引起的顫振，其頻率與主軸的動態(tài)性能相關(guān)，通常顫振發(fā)生在主軸系統(tǒng)的固有頻率附近。因此，強迫振動與顫振引起的振動信號，在頻域上存在一定的差異。

通過加速度傳感器，獲取銑削加工過程中，機床主軸的振動加速度信號，進行相關(guān)的頻域特征分析，實現(xiàn)顫振的識別與判斷。如圖1所示，分別為穩(wěn)定切削過程和不穩(wěn)定切削過程對應(yīng)的振動信號，切削轉(zhuǎn)速為8000r/min。

圖1 典型切削過程振動信號

對圖1所示兩類切削過程，截取相關(guān)切削區(qū)域信號，采用傅立葉變換，可獲得其頻譜如圖2所示。圖2的頻譜中，存在幅值較大的頻率，是信號中主要的頻率成分。兩類切削過程的主要頻率成分進行提取，如表1和表2所示。其中，f為提取的頻譜頻率，fv為轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率，且fv=133.3Hz，n∈R為最接近f的倍頻數(shù)，Δf為偏差頻率，且有Δf=|f-nfv|。

圖2 截取信號頻譜

f/Hzn倍頻nfv/HzΔf/Hz2134162133.30.7160112160011334101333.30.72667202666.70.31867141866.70.3

表2 不穩(wěn)定切削頻率提取

表1中，提取的穩(wěn)定切削頻率，與轉(zhuǎn)速頻率對應(yīng)的倍頻，只存在微小偏差，可認為穩(wěn)定切削頻率為轉(zhuǎn)速頻率的倍頻。這與強迫振動對應(yīng)的頻率為轉(zhuǎn)速頻率的特征一致，可認為該切削過程中的振動形式為強迫振動。表2中，提取的不穩(wěn)定切削頻率，與轉(zhuǎn)速頻率對應(yīng)的倍頻存在約25Hz的穩(wěn)定偏差，這與穩(wěn)定切削中提取的頻率具有顯著的區(qū)別。

對穩(wěn)定切削和不穩(wěn)定切削過程，提取的頻率具有不同的特點：穩(wěn)定切削過程，以強迫振動為主要振動形式，提取的頻率為轉(zhuǎn)速頻率的倍頻，且可定義為強迫振動特征頻率組；不穩(wěn)定切削過程，以顫振為主要振動形式，提取的頻率與轉(zhuǎn)速頻率的倍頻存在穩(wěn)定的偏差，且可定義為顫振特征頻率組。獲取的振動信號頻率特征，可作為銑削過程中顫振的識別與判斷：提取的為強迫振動特征頻率組，切削過程穩(wěn)定；提取的為顫振特征頻率組，切削過程不穩(wěn)定；若存在兩類特征頻率組，切削處于過渡過程。

2 特征頻率組提取方法

所謂特征頻率組，是指信號頻譜中存在的一類具有相似特征的頻譜。對主軸振動加速度信號的頻域特征分析，可發(fā)現(xiàn)兩類特征頻率組：以主軸轉(zhuǎn)速頻率的倍頻為頻率值的強迫振動特征頻率組，與主軸轉(zhuǎn)速頻率的倍頻存在穩(wěn)定偏差的顫振特征頻率組。通過提取信號頻譜中的特征頻率組，判斷信號的振動形式，進而確定加工過程的穩(wěn)定性，實現(xiàn)在線監(jiān)測。

基于傅立葉分析的方法，根據(jù)特征頻率組的基本特點，對加工過程中的加速度信號進行特征頻率組提取的算法流程如圖3所示。其中采樣頻率為fs，采樣點數(shù)為N，頻率分辨率Δf=fs/N。

圖3 特征頻率組提取算法流程

2.1 頻率值提取條件

在特征頻率組提取算法中，關(guān)鍵是設(shè)置合適的頻率值提取條件，以確定需要進行分組的頻率值。通常情況下，頻率值的提取只需要考慮該頻率對應(yīng)的幅值或功率的大小，通過設(shè)定幅值閾值進行提取。但不同強度不同條件下的振動信號，幅值閾值的選擇必然存在差異，單一閾值無法適應(yīng)特征頻率組自動提取的要求。另外，被分析信號進行頻譜分析時，由于分辨率，峰值頻率附近可能存在幅值較大的頻率值，理論上該頻率值與峰值頻率屬同一頻率值。

因此，在設(shè)定頻率值的提取條件時，一方面，對于頻率值相近，尤其在1～2倍的分辨率以內(nèi)的頻率，應(yīng)只保留幅值最大的頻率；另一方面，在幅值閾值的選取，采用相對閾值，即采用幅值的閾值與最大幅值的百分比，如10%或20%。

相對閾值的選擇，應(yīng)根據(jù)實際機床的狀態(tài)進行選擇，在考究和分析該機床在環(huán)境振動、強迫振動和顫振的強度情況下，頻譜的大致分布狀態(tài)進行確定。

2.2 頻差的分析

頻差是實際頻率與向下最接近實際頻率的轉(zhuǎn)速頻率的倍頻，表達式為：

(1)

(2)

3 銑削試驗

通過銑削試驗，獲取不同切削條件下的主軸振動信號，采用特征頻率組提取的方法，分析切削狀態(tài)。試驗中，采用PCB 356A16通用型三軸加速度傳感器獲取主軸加速度信號，采用SCADAS Mobile進行數(shù)據(jù)采集。采樣頻率為5120Hz。圖4所示為切削機床和數(shù)采設(shè)備。表3給出了部分試驗配置的參數(shù)。

圖4 試驗機床和采集設(shè)備

機床型號VMP-23A最高轉(zhuǎn)速10000r/min數(shù)控系統(tǒng)Fanuc 0IMF刀柄型號BT40刀具直徑12mm總長75mm懸長60mm工件材料航空鋁型號7075-T6尺寸200×100×30mm

切削過程中，保持進給速度為0.014mm/z不變，對工件進行槽銑。切削深度為0.3mm、0.4mm和0.6mm，主軸轉(zhuǎn)速從3000～8400r/min，每隔300r/min進行一次切削，共計57組試驗參數(shù)。

4 切削過程分析

提取57組試驗獲取的主軸加速度信號，采用特征頻率組提取方法，進行頻率的自動提取。提取結(jié)果如圖5所示。同樣，采用時域信號分析[10]的方法，對每組試驗獲取的信號進行切削過程的分析，可得到如圖5的結(jié)果。

圖5 穩(wěn)定性判斷

對比圖5的兩種判斷方法，可以看出，頻率提取結(jié)果為顫振特征頻率組的，切削過程不穩(wěn)定，發(fā)生了顫振；頻率提取結(jié)果為強迫振動特征頻率的，切削過程穩(wěn)定，以強迫振動為主。

從試驗的結(jié)果對比上可知，采用特征頻率組的方法，對切削過程進行分析，與時域信號的分析方法，具有同樣的結(jié)論。同時，由于時域信號的分析方法，存在閾值的選取，需要依賴經(jīng)驗，難以適應(yīng)不同機床的切削過程的自動分析。而特征頻率組的方法，對信號的頻率進行分析，使特征頻率組的提取和分析實現(xiàn)程序化，適合切削穩(wěn)定性的自動分析，有助于顫振的在線監(jiān)測。

5 結(jié)論

本文基于主軸加速度信號的頻域特征，設(shè)計了特征頻率組提取算法，實現(xiàn)對加工過程穩(wěn)定性的自動分析。通過銑削試驗，對獲取的主軸加速度信號，采用時域信號的分析方法，對切削過程進行分析，并與頻域的特征頻率組提取和識別的結(jié)果進行對比。試驗結(jié)果表明，特征頻率組的方法與時域分析方法吻合度高，能夠用于穩(wěn)定性分析，且不存在人為選取閾值，比時域分析的方法更適合用于自動分析和在線監(jiān)測中。