专利名称：一种声发射刀具监视(控)方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及切削过程刀具破损与异常磨损的监视(控)方法与装置。
切削过程刀具的在线实时监视(控)是现代制造系统和重型机械制造中保障设备与工件安全，提高产品质量与发挥设备效能、减轻劳动强度、实现无人化与柔性化自动加工的关键技术之一。
根据声学原理发展起来的声发射(AE-AcousticEmission)刀具破损与磨损在线自动检测与实时识别判断，是目前刀具在线监视(控)技术领域中一种先进而有前途的监视技术。虽然，从七十年代中后期以来，不少国家都在AE刀具监视领域进行研究与开发工作。但正如R.L.Kegg在“On-linemachineandprocessdiagnostics”<ArnalsoforeCIRP>(1984)一文中指出，现阶段尚未确定实用的机床与刀具监视技术。国外少数厂(公司)虽有AE刀具监视仪或装置出售，但缺乏明确的工作精度与可靠稳定性指标，尚难以满足自动化加工和贵重工件加工对监视技术的要求。国外主要采用一、两项AE信号指标-“振铃记数”、“包络检波幅值”作为刀具工况识别参数，经予置固定门槛判断报警，因而它们难于对具有非平稳性、非周期性、模糊性的AE信号作出高精度的辨识判断。中国发明专利，申请号86104652，利用模糊判断查询表完成多通路、多层次获取的AE信号的微电脑实时识别系统技术单元装置的研究与开发，达到了较高的工作精度。但按照柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)与计算机集成制造系统(CIM)对自动加工机床的实用化刀具监视技术要求，该申请专利尚有以下不足之处(1)工作精度还不够高，即要提高报警成功率、降低误报率;(2)报警响应时间还较长;(3)抗瞬态强干扰能力较差。
本发明的目的是研究响应时间短、工作精度高，抗瞬态强干扰能力强的便于与数控(NC)系统交联的AE刀具监视(控)技术。
由于切削加工系统(机床-刀具-工件-夹具)组成介质与介面效应的复杂性、且切削过程是在一定能耗维持下的非平衡态时变动力学过程，形成了AE刀具监视技术如下的基本特征1.切削过程中AE声源多，刀具与工件，切屑与刀具前刀面时变的磨擦和刀具前后刀面的磨损效应，切屑形成(挤压，滑移)、变形、断裂与缠绕等均有AE波发出与代表刀具工况的特征AE波混同在一起。同时这些AE波具有时变特性，如由于刀片材料组织结构，制作或刃磨质量和使用条件与方法的差异，会使刀具在切削过程中发出的代表其工况特征的AE信号的幅值与频率在一定范围内变动。因此AE刀具监视系统的输入信号是低信噪比的。
2.被监视对象机型多、运动副、介质与介面组成复杂，AE传感器探测到的AE波不仅是低信噪比的，而且是屡经透射(传播)、反射、折射，已严重衰减、畸变和波形变换(频散)的。按这种AE波响应输出的AE信号对刀具工况进行辨识判断时，往往在工况划分中存在中介过渡性，而形成划分上的不确定性，即模糊性。
3.来自环境、电源、被监视机床系统和监视(控)仪自身，伴随切削过程出现的多种机械、电、磁、声、气、液等强噪声，如现场高强噪声、电网电压与电流的涨落、气液系统泄漏噪声、环境电气开合、各种机械运动的振动和冲击等。频率耦合的瞬态强干扰常常使特征AE信号被淹没或混淆，造成仪器装置低工作精度高误报率，有时使其难于在现场发挥其功能。
4.AE传感器常常受具体机型、运动部件、工件、物料传输和冷却润滑等条件的影响而难于按装在最佳探测位置上。
综上所述，上述诸因素的存在，难于用常规数学或概率统计原理准确地表达其辨识数学模型。
本发明的构成是以“振铃记数”，“事件记数”和“一、二次包络检波的波峰最大值”、“一次包络检波的波延续时间”和“一次包络检波的波形变化率”作为识别指标体系(二次包络检波即对一次包络检波后的信号再进行第二次包络检波)，又根据专家知识与经验建立的模糊识别判断规则集合程序固化于微电脑中的专家知识库作为判断系统，和对电路硬件和电源实施多级硬件滤波与软件数字滤波及剔除抑制来达到提高响应速度、提高工作精度和加强抗干扰能力。
本发明的基本工作原理如下AE传感器采集声发射信号，对该信号进行处理后得到振铃记数，事件记数，一、二次包络检波波峰最大幅值，一次包络检波波延续时间、一次包络检波波形变化率等六个参数。同时根据专家知识与经验建立的模糊识别判断规则对该六个参数的数值进行模糊分级统计，按记分函数法分别给出每一级的分数值，然后按依据各参数对刀具破损影响的程度按下式表达的规则进行判断、求解出结论D.
If[]＊[]＊[]＊……[]，thenD，式中[]为运算对象即“振铃记数”，“一、二次包络检波波峰最大幅值”，“事件记数”，“一次包络检波波延续时间”，“一次包络检波波形变化率”等参数的分值。
＊为逻辑关系，如“与”“非”“或”等。当运算结果D大于某一定值时，系统即报警。
结合
本发明的实施例(AE车削监视仪)如下图1是AE车削监视仪的系统框图。
该仪器由声发射(AE)信号检测与处理单元(Ⅰ)，微电脑接口电路(Ⅱ)，模糊识别判断规则程序固化其中的微电脑系统(Ⅲ)，报警输出与交联接口电路(Ⅳ)和高性能的瞬态抗干扰稳压电源(Ⅴ)等五部分组成。各组成单元分述如下[1]～[13]是AE信号检测与处理单元，其中[1]为传感器，采用点接触式宽带AE传感器，也可用谐振式宽带AE传感器，如日制AE900，其频率特性为100KHZ～1MHZ(≤±10dB);[2]为前置放大器，频率特性为10KHZ～2MHZ(±3dB)，增益为20～40dB，可变，其输入换算噪音≤4.5μvrms的通用型AE前放;[3]为高通滤波器，其截止频率为100KHZ，电路原理如附图3示，其衰减斜度为18～24dB/OCT的市售商品;[4]为主放大器;[5]为带通滤波器，其增益为10～40dB，截止频率为100K～1MHZ，可调，其衰减斜度为24～48dB/OCT;[6]为一次包络检波电路;[7]为振铃记数电路，其门槛可变(0～1.5V);[8]为事件计数电路;[9]为二次包络检波电路;[10]为波形特征分析电路，提取包络检波后的波形峰值、波延续时间和波形曲线的变化率;[11]为高频脉冲形成电路;[12]为低频脉冲形成电路;[13]为适应切削条件和外界干扰变化的自适应信号处理电路。图4为[4]～[13]的电路原理图。
是由A/D，D/A和CTC及逻辑开关电路组成的接口电路单元。
与[16]是微电脑实时识别判断系统，其中[15]是通用型微型计算机;[16]是根据专家知识和经验建立的模糊判断识别规则集合程序固化于微电脑中的专家知识库。即事先将六个参数分级确定分值，如将“振铃记数”的数值分为1～6级，其每级对应分值为0～18，“一次包络检波波峰最大幅值电平”分为1～5级，其对应分值为0～15分，“二次包络检波波峰最大值电平”为1～3级，其对应分值为0～5分，“事件记数”的数值分为1～10级，其对应分值为0～12分，“一次包络检波波延续时间”的数值分为1～3级，其对应的分值为0～12分，“一次包络检波波形变化率”的数值分为1～16级，其对应分值为0～18分，将该六个参数的分值相加，当其总值(λ)达到或超过某一定值λo时，系统即发出报警，当λ＜λo时则重新采样，进入第二个循环。λo值可选取λo＝25-60。
与[18]是交联接口与报警输出电路，其中[17]为多对微继电器交联接口和经光电隔离的RS-232串行接口或PIO并行接口，其功能是与现有NC装置进行交联(包括远距离传输交联);[18]是报警显示电路，当微电脑实时判断报警信号发出后，它与交联接口[17]同时工作，通过蜂鸣器与报警显示灯直接发出报警信号。
是手动可变门槛(阀)值的门槛电路，它可按照一次包络检波波峰最大幅值是否超过予置的门槛值来决定是否发出脉冲信号来开动警报单元电路。其门槛值可在0.1～5V间调整。
是多级低通滤波抗干扰电源，其基本电路如图2所示。其电容电感量按现场干扰实际状态确定。
图5是软件系统框图。
为了避免设备起动时产生的干扰信号，导致发出误报警，所以在软件系统中设置“采样延迟时间”，在设备起动后，延迟一定时间(0～20毫秒)，待其稳定工作后再开始采样。
“识别判断报警”即将所采集的六个参数按一定规则进行计算后求得总积分，再以此总分值与专家知识库中的予置报警数值相比较，决定是否报警。
为了提高报警成功率，减少误报率，在按专家知识库判断其总分已达报警数值后，采用剔除抑制技术，即再增加一个波形特征判断，即将积分总值已超过专家知识库中予置的这一组参数中的某些参数与以后第二次采集的参数进行比较，主要比较一次包络检波的波延时间，一次包络检波的波峰最大幅值及一次包络检波的波形变化率。如一次包络检波的波延时间，一次包络的波峰最大幅值及一次包络检波的波形变化率都较第二次采样所得的该三个参数值大则发出报警。(即“与”的关系)。如第二次采样的各该参数大于或等于原来的数值则不报警，重新开始采样监测。
为了进行这一对比，在按专家知识库判断的总分值已超过报警值后的第二次采样时间可以适当延长(如延长20ms)。
本发明的AE车削监视仪由于采用了多参数作为识别信号和专家知识库的判断规则提高了报警成功率，采用了上述固化于微电脑中的专家知识库，从而提高了报警速度，从一般的几百毫秒，减少到几毫秒。采用了多级低通、高通、带通滤波，软件数字滤波及剔除抑制技术，提高了抗干扰能力，降低误报率。
如下图1为AE车削监视仪的系统框图。
图2为多级低通滤波电路原理图。
图3为高通滤波器电路原理图。
图4为[4]～[13]的电路原理图。
图5为专家知识库判断系统软件系统框图。
权利要求
1.一种声发射(AE)刀具监视方法，其特征是用“振铃记数”，“事件记数”，“一、二次包络检波波峰最大幅值”，“一次包络检波波延续时间”，“一次包络检波波形变化率”作为综合识别指标。
2.一种由声发射(AE)信号检测，微电脑接口电路，报警输出与交联接口电路所组成的声发射(AE)刀具监视仪，其特征是用根据专家知识与经验建立的模糊识别判断规则集合程序固化于微电脑中的专家知识库，作为判断系统，和对电路硬件和电源实施多级硬件滤波与软件数字滤波及剔除抑制技术。
全文摘要
本发明为一种智能化的声发射(AE)车削监视法与监视仪，利用切削过程刀具异常所发出的声发射(AE)信号进行在线实时刀具监视。本发明之特点在于从AE信号中提取振铃记数、一次与二次包络检波幅值及它们的波形特征等多参数信息，并以程序固化在微电脑中的专家辨识判断程序的输入，实现高工作精度、响应快的实时刀具监视(控)。同时，对电路实施硬、软件滤波以保证在现场瞬态强干扰下的工作可靠稳定性。
文档编号B23Q17/09GK1039549SQ89100419
公开日1990年2月14日 申请日期1989年1月27日 优先权日1989年1月27日
发明者张伯鹏, 罗振壁, 徐家球, 张跃军 申请人:清华大学