基于EMD精密球研磨過程振動信號分析研究

趙文宏，謝良江，陳　澤，安　平

(浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室,浙江 杭州 310014)

基于EMD精密球研磨過程振動信號分析研究

趙文宏，謝良江，陳澤，安平

(浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室,浙江 杭州 310014)

摘要：精密球在研磨過程中產生的振動，會影響球體的表面質量,為了了解精密球研磨過程中的振動，引入經驗模式分解(Empirical mode decomposition,EMD)方法,對精密球研磨過程中產生的振動信號進行分析研究.以D-800 Ballpoli球體研磨機為實驗對象，系統把采集到的復雜振動信號轉化成簡單電信號，對信號進行EMD分析處理，實驗研究在不同的研磨壓力、研磨速度以及研磨液質量分數的情況下，發現研磨過程中的振幅發生變化，研磨壓力、研磨速度以及研磨液質量分數是研磨振動的影響因素.隨著研磨時間加長，研磨振動幅度越來越小.在相同實驗條件下，該方法較傅里葉波形分析方法更加直觀方便。

關鍵詞：精密球加工；振動信號；經驗模式分解；振動幅度

Study on vibration analysis of ball polish based on

emperical mode decomposition

ZHAO Wenhong, XIE Liangjiang, CHEN Ze, AN Ping

(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Ministry

of Education, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The vibration caused by precision balls lapping will have a great influence on ball accuracy and surface quality. It is important to introduce empirical mode decomposition (EMD) to analyze the vibration caused during lapping process. The vibration signal of D-800 ballpoli was analyzed by EMD through transforming to electronica signal. The result also shows vibration amplitude is changed in different lapping pressure, lapping speed and lapping fluid. Lapping pressure, lapping speed and lapping fluid are vibration influencing factors. With the increasing of lapping time, the vibration amplitudes will become smaller. EMD is more effective and intuition than Fast Fourier Transform Algorithm with the same experiment conditions。

Keywords:precision ball lapping; vibration signal; empirical mode decomposition; vibration amplitude

研磨球在磨球機中的運動是由研磨球環繞軸中心的公轉和自轉產生，同時球與球之間的撞擊，磨盤對球的壓力，設備的缺陷等都會導致振動[1].振動是超精密球體加工中一個主要的不可避免的阻力.研磨振動是影響球體表面質量的一個因數[2-3]，因此研究研磨過程中振動，對提高被研磨球的表面質量有幫助.目前，現有的振動分析方法有很多，主要有FFT、ARMA、Cohen類分布、STFT、小波變換及自適應時頻分析等.筆者將經驗模式分解方法(Empirical mode decomposition,EMD)引入到超精密球體加工領域.EMD是一種研究非平穩數據序列的方法，這種信號處理方法首先由美國宇航局的Huang.N.E等于1998年提出[4].EMD方法是一種典型的自適應分析方法，該方法把信號本身作為基函數，比FFT等利用外界函數作為基函數的分析方法誤差小，精確度高.目前，自適應時頻分析方法，使用領域正在逐漸變多[5-8]。

以D-800 Ballpoli雙自轉磨球機為實驗對象，利用EMD振動信號處理方法，實現了對振動信號的監測和分析，該方法和FFT分析方法對比，驗證了該方法的優點.研究了磨球機振動與磨盤轉速、研磨液、加載壓力的關系以及振動對球體粗糙度的影響。

1磨球機振動信號采集原理及硬件組成

振動檢測采用電測法，電測法測振動量是通過慣性傳感器得到.把傳感器與振動物體相連接，振動物體振動時，慣性傳感器傳出一個電信號，通過電信號得到振動量的大小.圖1是D-800 Ballpoli結構示意圖.振動檢測傳感器安裝在圖中11上加壓盤，靠近被研磨球體。

1—床身；2—動力部分；3—外軸套；4—立柱；5—橫梁；6—渦輪蝸桿加壓機構；7—絲杠；8—上壓力傳感器；9—加壓彈簧；10—下壓力傳感器；11—上加壓盤；12—內盤；13—外盤；14—軸承圖1　D-800 Ballpoli結構示意圖Fig.1　D-800 Ballpoli structure diagram

振動信號被傳感器采集后，通過信號放大電路被單片機識別，筆者采用了兩級單電源交流信號放大電路.電路前一級是同相放大電路，后一級為反相放大電路.經過放大電路處理的信號是一個模擬信號，通過AD轉換，信號變為可識別數字信號并進行分析.本系統選用壓電式加速度傳感器AD100T傳感器，實驗過程中上研磨盤不動，檢測裝置相對上研磨盤保持靜止，下研磨盤轉動，被檢測球體經過檢測裝置的頻率不超過1 000 Hz，而加速度傳感器AD100T的檢測頻率最高達到15 000 Hz,可以在較短時間內完成對研磨球的振動檢測，因此該傳感器可以保證振動監測的可靠性.安裝位置如圖2所示.加速度傳送來的信號然后通過XK343信號調理器，阿爾泰USB2812數據采集卡.從信號檢測點檢測到信號后，通過信號采集電路，把振動信號轉化為簡單電信號，再傳到上位機上進行EMD分析處理，結果以圖表形式顯示在顯示屏上[9-13]。

圖2　振動檢測頭檢測位置示意圖Fig.2　Vibration detection location diagram

2振動信號的EMD分析

經驗模態分解的主要內容：先根據信號自身的時間特征分解成多個固有模態函數(Intrinsic mode function，IMF)，再對得到的Hilbert變換進行處理，得到信號的瞬時頻率和振幅，從而得到時頻譜.最后對每個譜進行Hilbert邊際譜的計算,通過邊際譜看出概率意義上幅值在整個數據跨度上的積累幅值.在表1的實驗條件與加工參數條件下，進行實驗。

表1　實驗條件與加工參數

圖3　原始信號及其IMF圖Fig.3　Original signal and IMF chart

檢測到的振動信號原始圖形，并對其進行EMD分解，得到IMF如圖3所示，圖形橫坐標為時間，傳感器的采樣頻率是1 000 Hz，縱坐標是信號幅值，單位是mm.固有模式函數是為了獲取多分量信號真正的頻率時變特征，將多分量信號分解為單分量信號，方便獲取信號瞬時頻率.圖4(a)是原始信號的邊際譜圖，圖4(b，c)是研磨一段時間后的邊際譜圖。

測量研磨過程中的任意20顆球，得到前面16 h的球徑平均差走勢，如圖5所示。

圖4　實驗信號邊際譜三個時間階段圖Fig.4　Marginal spectrum of three stages

圖5　球徑平均差走勢圖Fig.5　Average deviation of sphere diameter

瞬時頻率表示信號交變快慢的物理量，任一瞬時頻率都有一定的能量，將所有時刻的某個頻率的能量值加起來就是信號中該頻率的總能量，也就是邊際線的高度.邊際線反應了在某個頻率點振動幅度的大小，如圖4(a)所示邊際譜，表示研磨過程中振動最大的是球體在50,150,250,700 Hz的振動幅度最大，排除交流電信號的干擾因素[14]，剩下150，250，700 Hz三個主要振動頻率，在圖4中，以250 Hz振動頻率為例，圖4(a)圖的振動幅度0.1 mm，圖4(b)圖的振動幅度是0.08 mm，圖4(c)圖的振動幅度是0.03 mm.說明隨著研磨時間的增加，研磨振動在不斷減小。

分別對導致振動的其中三個振動影響因素：研磨壓力、研磨速度和研磨液的質量分數進行實驗[15]，并對這三個要素進行實驗驗證。

圖6(a)所示是原始實驗條件邊際譜，原始實驗條件是平均加載到每球的壓力是10 N，10%的研磨液質量分數，研磨轉速為10 r/min。

圖6(b)中平均加載到每球的研磨壓力增加到20 N，10%的研磨液質量分數，研磨轉速為10 r/min。

圖6(c)中平均加載到每球的壓力是10 N，10%的研磨液質量分數，研磨盤轉速減小到10 r/min。

圖6(d)中平均加載到每球的壓力是10 N，研磨液質量分數增加到30%，研磨轉速為10 r/min。

圖6　實驗信號邊際譜不同條件對比圖Fig.6　Marginal spectrum of different conditions

以轉速分析為例，隨著轉速的減小，邊際譜中250 Hz區域峰值減小，說明隨著轉速的下降，由研磨盤轉速帶來的振動在減小.轉速對250 Hz的振動頻率影響較大.根據文獻記載和實驗驗證，研磨壓力、研磨速度、研磨液的質量分數是影響磨球振動的三個影響因素[16]。

以研磨速度為例，與FFT分析方法進行比較，每球10 N的研磨壓力，10%的研磨液質量分數，研磨轉速分別為30，10 r/min，研磨振動邊際譜如圖7(a，b)所示.利用FFT方法分析振動，假設研磨速度對振動產生影響，圖7(c，d)是不同研磨盤轉速的FFT功率譜圖.4個實驗有相同的每球10 N的研磨壓力，10%的研磨液質量分數，不同的研磨轉速分別是30，10 r/min。

圖7　EMD邊際譜圖和FFT功率譜圖比較Fig.7　EMD marginal spectrum and FFT power spectrum

隨著轉速的減小，邊際譜中250 Hz區域峰值減小，說明隨著轉速的下降，由研磨盤轉速帶來的振動在減小；利用FFT方法分析振動，在假設基礎上，通過單一變量多次實驗，雖然也能得到振動隨著轉速減小而減小，但是沒有邊際譜圖形象直觀。

綜合文獻和實驗驗證，研磨壓力、研磨速度和研磨液的質量分數是磨球機振動產生的三個影響因素.基于EMD的精密球研磨過程中振動信號監測與分析方法能正確反應研磨中產生的振動，符合振動監測的要求。

3結論

提出了基于EMD的精密球研磨過程中振動信號監測與分析技術，并對該技術中的理論分析、硬件設計與軟件設計進行了研究.在D-800Ballpoli雙自轉磨球機上進行實驗，實驗證明，該系統具有良好特性，實驗信號邊際譜很好地表現精密球研磨過程中振動信號的變化.結合文獻記載，研磨壓力、磨盤的研磨速度以及研磨液的質量分數是振動產生的三個影響因素.隨著研磨時間的增加，振動幅值越來越小.相對于傳統的FFT頻譜分析法需要在假設的基礎上多次實驗比較得到振動影響因素的方法，這種方法直觀有效，符合振動監測的要求，對降低研磨振動，提高精密球的研磨效果有很大幫助.通過對磨球機的狀態監控可以有效的對球體的加工情況進行了解，改進精密球的加工工藝。

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(責任編輯：陳石平)

中圖分類號：G356.6

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)02-0175-05

作者簡介：趙文宏(1969—)，男，浙江浦江人，教授級高級工程師，主要從事超精密加工設備的控制系統的設計，E-mail：916666039@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375455)

收稿日期：2014-11-10