基于振動監測數控加工過程的研究型實驗設計

張培培， 王科盛， 何倩鴻

(電子科技大學 機械電子工程學院， 四川 成都 611731)

在制造類課程的實驗環節，目前作為常見的制造方法——數控加工成為了主要的實驗載體。由于數控加工操作相對比較專業，涉及的內容較多，因此準備工作較長，實驗內容都比較集中在觀摩上[1]。數控加工是一個極其復雜的過程，其學術研究價值非常之大，目前與此相關的學術研究成果非常多[2-6]，但是將數控加工相關學術研究成果開設成制造類課程的實驗環節相對較少[7]。在數控加工中，材料、力學、溫度、振動、噪音、磨損以及表面質量，都是彼此耦合相互關聯的，比如快速的刀具磨損嚴重影響了加工效率和表面質量，這些特征的變化也反映了數控加工過程的變化，也就意味著在研究過程中可以通過尋找相互之間的匹配關系，從而監測數控加工過程。本文將利用便于采集的振動信號來監測數控加工過程。另外，振動信號處理是極其具有研究性的內容，信號處理的方法也在不斷地更新突破。因此，在此實驗中，數據的處理和分析作為鍛煉學生自主創新能力的主要部分。此外，獲得什么樣的信號與工況有關，工況(切削用量)的設計是此實驗另外一個研究點。此內容可以很好地鍛煉學生的統籌規劃能力、掌握新知識能力和在新知識基礎上的創新能力。

1 振動反映數控加工過程基本原理

描述數控加工過程的表征很多，比如刀具的磨損增加、振動的逐增、表面質量逐漸變差、切屑形狀變化等[ 8-10]。本文將用表面質量(表面粗糙度)的變化來描述數控加工過程，闡述振動如何反映和影響表面質量的變化。

切削過程中的振動分為自由振動(機床外界沖擊力，傳動系統中非周期性沖擊以及材料性能不均引起的沖擊)、強迫振動(空轉時存在的振動和切削中交變力產生的振動)、自激振動(摩擦降低、切削力下降等)[ 11]。

加工表面質量是指零件加工后的表面層狀態，它是精加工零件關鍵、必要的技術要求。影響表面質量的因素很多，切削用量、刀具幾何參數、切削過程中的振動、刀具磨損等，這些因素還存在耦合關系[12]。

因此可以看出，這些因素相互作用，以振動形式呈現在加工工藝系統中，這會使切削力發生波動，也使切削層參數發生變化。刀具和工件之間產生相對位置變化致使刀具偏離理想位置，導致在工件上發生“欠切”或“過切”，最終在加工表面留下凸凹不平的形貌。所以振動可以反映加工過程中表面質量的變化[2]。因此，實驗主要利用振動來分析、監測數控切削加工過程(表面質量)。

2 實驗內容和流程

2.1 實驗設備

本實驗所采用的加工設備為南京第二機床廠制造的XH714數控加工中心，本實驗采用的振動信號采集、處理裝置是由東華測試自主開發的DHDAS軟件平臺。此軟件平臺主要包括振動信號采集裝置及處理軟件(見圖1)和振動加速度傳感器(見圖2)2部分。圖2為安裝在工作臺上的振動傳感器。表面質量采用表面粗糙度測量儀(型號為DLSURF DR160，見圖3)來測量，表面粗糙度Ra測量范圍在0.005～160 μm之間。

圖1 振動信號采集裝置及處理軟件

圖2 振動加速度傳感器

圖3 表面粗糙度測量儀

2.2 實驗內容

基于振動反映切削加工過程基本原理的分析，此實驗內容包含4部分，見圖4。

圖4 實驗內容

(1) 切削用量設置。在實驗實施前，由于切削用量的大小對振動和表面質量有影響，所以如何設置涵蓋了很多實驗設計的問題。如果讓學生自行發揮進行設置，可以很好地鍛煉學生統籌規劃和優化選擇能力，也很好地體現了實驗的研究性質這一要求。

(2) 實驗實施。在切削用量設置確定后，需要在機床上實施切削加工，同時采集振動和表面質量數據。此過程讓學生更加直觀地了解和掌握數控加工過程中振動對數控加工過程(表面質量)的影響和相互作用。

(3) 后期數據處理。在數據處理部分，由于信號處理方法和表面質量數據處理方法的迅速發展，不能只停留在最原始和最基礎的方法上來讓學生驗證已經成熟的結論，所以在方法上不限制學生，學生自由選擇或改進方法。此部分再次體現了實驗的研究性質，也能很好地鍛煉學生的科研思維和創新思維。

(4) 結果分析總結。在數據處理完后，由于第(3)部分內容沒有固定的方法，所以處理的結果不同，得出的結論自然也不同。從不同的角度看同一結果，得出的結論也會不同。所以在結果分析部分同樣沒有固定答案，學生根據自己的理解和判斷，得出自己的結論。此部分同樣也是屬于研究探索內容。

4部分內容有3部分都有學生自由發揮空間，讓學生自行探索研究，充分體現了實驗的研究型特點。

2.3 實驗流程

基于上述實驗內容，此實驗流程按照4個實驗內容順序分別進行詳細闡述。

2.3.1 切削用量設置

首先了解機床的基本參數和運動范圍，然后學生查閱、調研目前常用的實驗方案設計，基于實驗條件和數據要求，比較常用方案、確定選擇依據，最終確定實驗方案。學生可以基于振動和加工切削的特性，對現有的方案進行改進，比較改進后與改進前的方法。此過程需要確定比較的基準。切削用量設置中選擇依據的確定和方案的改進都具有研究性質，具體流程見圖5，其中研究性質的內容用點劃線框出。

圖5 切削用量設置的流程

2.3.2 實驗實施

首先根據上一內容設置的切削用量設置機床參數，然后調試機床，將切削用量值輸入機床運行代碼中，用表面粗糙度測量儀測量初始的表面質量。啟動機床，開始切削，同時采集振動信號。一個加工面結束，停機，用表面粗糙度測量儀測量表面質量，并記錄數據。繼續加工，采集振動信號，一個加工面結束，停機，用表面粗糙度測量儀測量表面質量，并記錄數據。同樣，重復上述步驟(圖6中i+1次)，直到滿足終止條件的要求。此實驗一般用切削次數作為終止條件。當切削次數滿足要求時，實驗結束，整理儲存收集振動和表面質量的數據。整理儲存的數據為下一個內容(后期數據處理)作準備，此部分的具體流程見圖6，因為都是具體操作，所以沒有設置研究性質內容。

圖6 實驗實施的流程

2.3.3 后期數據處理

實驗數據獲得后需要分成2條線路來分析。第一條為振動信號處理。首先學生需要查閱現有的信號處理方法，并針對加工過程這一隨時間變化(時變)的特點，選擇適合數控加工振動信號的處理方法，并需要給出選擇的依據。然后對選擇的方法的優缺點進行分析。在分析實際數據時如果存在現有方法不能解決的問題，需要針對具體問題對現有方法進行改進。第二條為表面質量數據處理，流程與上相同。此過程包含了選擇、判斷和改進，這些是很好的研究性質內容。最后，在獲得振動結果和表面質量結果后，需要建立兩者之間的匹配關系，此關系可以為振動監測數控加工過程提供很好的理論依據。建立匹配關系是科學研究中代理模型的重要的內容，所以此部分內容也是具有研究性質的。后期數據處理的具體流程見圖7，其中研究性質的內容用點劃線框出。

圖7 后期數據處理的流程

2.3.4 結果分析總結

在結果分析部分，由于數據處理的方法不同，所得結果也會不同。從結果推導結論時，由于出發點和角度不同，結論也不同。從不同角度和出發點分析同一結果，得出的結論也不盡相同。同樣，單個結果總結如此，同時考慮多個結果耦合情況，分析的結果更是具有多樣性。圖8很好地顯示了此過程的多樣性。從角度1看結果1，可以總結出不同的結論。從角度i同時考慮2個結果或者多個結果，同樣結論也是不同的。因此，此部分的研究性質就顯得更為突出，也是鍛煉學生學術思維很好的過程。

圖8 結果分析總結的流程

3 實驗實施和考核

在實驗實施方面，由于實驗研究探索性較強，所以實驗在時間上以1學期為期限，根據學生自己的時間自由安排。選擇實驗的對象為對數控加工和信號處理感興趣的學生，主要面向高年級本科生和研究生一年級學生。根據實驗內容，6人一組，其中，切削用量設置1人、實驗實施現場收集數據2人(此過程因為研究性質不強，所以一般是本科生來完成此部分內容)、數據處理和分析總結3人(振動信號處理1人、表面質量數據處理1人、分析兩者匹配關系1人)。

在考核方面，由于此實驗是研究探索型，不是驗證性實驗，沒有標準答案，所以考核標準放在研究內容部分。考核評價的具體要求是學生需要提交一份標準的實驗報告或撰寫一篇學術論文。實驗報告需要按照學術論文的要求寫。基于報告的撰寫認真程度、文獻查閱廣度、現有方法的掌握情況、改進創新的程度以及論文是否被期刊或會議接受為判斷依據，進行打分和給出最后的實驗成績。

4 結語

此實驗是屬于基于科研項目搭建制造類研究型實驗平臺的一部分，設計的目的是為了彌補制造類課程實驗環節缺乏的問題。將制造類中經典的數控加工這一過程引入，同時把數控加工過程含有的較多學術研究點融入到實驗中，形成了基于振動監測數控加工過程的研究型實驗。此實驗4個內容中有3個內容都設計了研究性質的環節，不設置標準答案，學生充分自由發揮。通過此實驗，可以很好地培養學生查閱文獻、學術研究、創新思維和創新的能力。

References)

[1] 張培培，王科盛，何倩鴻.基于科研項目搭建制造類研究型實驗平臺[J].實驗技術與管理，2017，34(6)：161-164.

[2] 鄭鵬.機床加工過程振動特性及對加工表面質量影響的研究[D].武漢:華中科技大學， 2012.

[3] Kersting P， Biermann D. Modeling techniques for simulating workpiece defections in NC milling[J].Journal of Manufacturing Science and Technology， 2014， 7(1):48-54.

[4] Zhang P P， Guo Y， Wang B. Novel Tool Wear Monitoring Method in Milling Difficult-to-Machine Materials Using Cutting Chip Formation[C]//Journal of Physics: Conference Series (JPCS). Kitakyushu，Japan:12th International Conference on Damage Assessment of Structures， 2017.

[5] Guo Y， Zhang P P， Wang B.Dynamic Reliability Analysis of Cutting Tool for Milling Difficult to Machine Materials Ti-6Al-4V[C]//Chengdu， China:Prognostics and System Health Management Conference (PHM-2016 Chengdu).2016.

[6] Zhu K， Zhang Y. Modeling of the instantaneous milling force per tooth with tool run-out effect in high speed ball-end milling[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2017， 118/119(8):37-48.

[7] 茍向鋒，楊晉，陳德道，等.開放式綜合性數控加工實驗的設計與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30(3):137-139，144.

[8] Bhuiyan M S H，Choudhury I A， Dahari M. Monitoring the tool wear， surface roughness and chip formation occurrences using multiple sensors in turning[J].Journal of Manufacturing Systems，2014，33(4):476-487.

[9] Sun Y，Sun J，Li J，et al. Modeling of cutting force under the tool flank wear effect in end milling Ti6Al4V with solid carbide tool[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，69(9-12):2545-2553.

[10] Dutta S， Pal S K， Sen R. Progressive tool flank wear monitoring by applying discrete wavelettransform on turning surface images[J].Measurement， 2016，77(1):388-401.

[11] 吳雅.機床切削系統的顫振及其控制[M].北京:科學出版社，1993.

[12] 陳日曜.金屬切削原理[M].北京:機械工業出版社，1992.