采用麥克風(fēng)進(jìn)行檢測顫證的技術(shù)

采用麥克風(fēng)的顫證檢測技術(shù)內(nèi)容提要一、聲音信號(hào)檢測顫振的原理二、常用的基于聲音信號(hào)的顫振檢測技術(shù)三、顫振檢測技術(shù)在模擬條件下的驗(yàn)證四、顫振檢測技術(shù)在真實(shí)情況下的驗(yàn)證五、總結(jié)一、聲音信號(hào)檢測顫振的原理K.S.Smith發(fā)現(xiàn)加工過程中產(chǎn)生的聲壓信號(hào)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。在穩(wěn)態(tài)切削過程中，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)（及其諧波）和齒輪傳動(dòng)的頻率在信號(hào)中占支配地位。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到非穩(wěn)態(tài)時(shí)會(huì)出現(xiàn)其他的一些頻率。因此對與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)不同頻率的峰值進(jìn)行檢測可以檢測顫振。麥克風(fēng)已在商業(yè)軟件如AccordMill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(hào)的頻譜分析處于非穩(wěn)態(tài)的聲壓信號(hào)的頻譜分析采用麥克風(fēng)檢測顫振的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：麥克風(fēng)使用簡單不涉及定位問題。缺點(diǎn)：周圍環(huán)境如環(huán)境噪音、聲音反射都會(huì)干擾聲音信號(hào)。二、顫振檢測技術(shù)A基于峰值的檢測方法B基于頻率的檢測方法C基于統(tǒng)計(jì)的檢測方法A基于峰值的檢測方法常用的用兩種方法：最簡單的方法是直接將聲壓的峰值與在穩(wěn)態(tài)時(shí)測量的值進(jìn)行比較。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)（6~10）的乘積進(jìn)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穩(wěn)態(tài)頻譜中主要是齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率及其諧波。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(hào)。使用FFT變換得到信號(hào)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(hào)如果占主導(dǎo)的是齒輪、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)的檢測方法該方法最先由Delio提出。其原理：

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，刀具轉(zhuǎn)動(dòng)到相同的位置其刀尖的位置是相同的。而非穩(wěn)態(tài)時(shí)，刀尖的軌跡成橢圓形。其位置方差（其中）

當(dāng)方差超過某一值時(shí)判定顫振發(fā)生。

同樣，這種刀尖位置方差計(jì)算的方法也適用于聲壓。三、在動(dòng)態(tài)仿真下進(jìn)行測試首先運(yùn)用動(dòng)態(tài)仿真得到的信號(hào)對以上三種技術(shù)進(jìn)行測試。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(jìn)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(jìn)給方向垂直，將模型簡化為單自由度模型。f=100Hz,k=10KN/m,ξ=0.4%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(dòng)態(tài)仿真產(chǎn)生的信號(hào)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(hào)有兩種：一種是由動(dòng)態(tài)仿真產(chǎn)生的原始信號(hào)；另一種是仿真信號(hào)和白噪音（其峰值是仿真信號(hào)最大峰值的5%）的疊加。頻域分析在Matlab環(huán)境下進(jìn)行FFT變換。采用漢寧窗進(jìn)行加窗處理。A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(shí)方差的比值，其值約為8。白噪音對計(jì)算結(jié)果沒有影響。最高峰值振幅的變化曲線實(shí)線（紅色）為原始信號(hào)，虛線（藍(lán)色）為疊加信號(hào)B基于頻率的檢測方法當(dāng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，主導(dǎo)頻率

齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的第二諧波

頻率。隨著切削深度的增加，顫

震頻率所占比重越來越大，

當(dāng)主導(dǎo)頻率發(fā)生變化時(shí)，

即判定系統(tǒng)處于非穩(wěn)態(tài)。白噪音對結(jié)果無顯著影響。仿真信號(hào)的主導(dǎo)頻率C基于統(tǒng)計(jì)的檢測方法閥值比率為切削深度0.8mm和0.1mm時(shí)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)信號(hào)的觀測結(jié)果和顫振指標(biāo)隨切削深度的變化是一致的。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(jì)的檢測方法的閥值比率為10。四、在實(shí)際條件下進(jìn)行驗(yàn)證構(gòu)造實(shí)驗(yàn)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%）。刀具為三槽圓柱形硬質(zhì)合金刀，麥克風(fēng)為Bruel&Kjaer2236，在夾具上安裝加速度傳感器。主軸轉(zhuǎn)速為1200RPM，切削深度范圍為0.3~1.5mm。A基于峰值的檢測方法在實(shí)際情況下測得的峰值隨切削深度變化的曲線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。預(yù)測的極限切削深度在0.75~1mm之間。這與觀測到的當(dāng)切削深度大于0.75mm時(shí)表面粗糙的極具增大相符。對從加速度傳感器得到的信號(hào)進(jìn)行分析，其結(jié)果與上述分析相同。B基于頻率的檢測方法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(shí)際情況下測得的信號(hào)的主導(dǎo)頻率C基于統(tǒng)計(jì)的檢測方法閥值定為14×V預(yù)測的切削深度也在0.75~1mm之間方差的變化曲線五、總結(jié)A基于峰值的檢測方法是最常用的檢