（機械制造及其自動化專業(yè)論文）工程陶瓷磨削力信號的研究.pdf

工程陶瓷磨削力信號的研究 摘要 對于工程陶瓷等硬脆材料，磨削是一種非常有效的加工方法，磨削力信號的研究是 工程陶瓷磨削加工中的一項重點研究課題。本文在s i 3 n 4 陶瓷和a 1 2 0 3 陶瓷磨削實驗的 基礎(chǔ)上，綜合利用了切削加工、材料學(xué)、計算機、數(shù)字信號處理、時間序列分析、數(shù)理 統(tǒng)計等多學(xué)科的知識，系統(tǒng)深入的研究了工程陶瓷磨削力信號的變化規(guī)律。 鑒于工程陶瓷磨削力信號數(shù)據(jù)量大，分析比較困難的特點，開發(fā)了磨削力信號處理 軟件，此軟件能夠快速、準(zhǔn)確地對磨削力信號進行時域頻域分析。 通過對s i n 4 和a 1 2 0 3 陶瓷磨削力信號的檢驗，分析出s i 3 n 4 和a 1 2 0 3 陶瓷的磨削力 信號是一種具有平穩(wěn)性、各態(tài)遍歷性的周期振動信號。 采用端面磨削實驗，研究了磨削用量對s i 3 n 4 和a 1 2 0 3 陶瓷磨削力、材料去除率等 的影響規(guī)律?？偨Y(jié)出磨削深度對磨削過程的影響程度要大于砂輪磨削速度和擺動速度； 小切深下陶瓷材料的去除主要是發(fā)生塑性變形，而大切深下材料除了發(fā)生塑性變形之 外，大部分發(fā)生脆性斷裂而被去除。 研究了機床剛度和磨削行程對s i 3 n 4 和a 1 2 0 3 陶瓷磨削過程的影響情況，發(fā)現(xiàn)它們 對磨削力信號的影響規(guī)律同對材料去除率的影響規(guī)律非常類似，實驗進一步發(fā)現(xiàn)了在對 陶瓷進行超精密磨削時，磨削行程次數(shù)的增加將會減小機床剛度的影響。 通過選擇不同類型的砂輪對s i 3 n 4 陶瓷進行對比磨削實驗，初步發(fā)現(xiàn)砂輪的粘結(jié)類 型、磨粒尺寸對s i 3 n 4 陶瓷磨削力信號有很大的影響，砂輪振動信號和磨削力信號之間 存在著一定程度的相關(guān)性。 關(guān)鍵詞：工程陶瓷磨削力統(tǒng)計檢驗數(shù)字信號處理時間序列分析 工程陶瓷磨削力信號的研究 a b s t r a c t t h eg r i n d i n gi so n eo ft h ep r i m a r ym e t h o d si nm a c h i n i n gc e r a m i c s ，s ot h ei n v e s t i g a t i o n s o f g r i n d i n gf o r c es i g n a lh a v eb e c o m e ac r u c i a ls u b j e c ti nm a c h i n i n gf i e l d s b a s e do nas e r i e s o fg r i n d i n ge x p e r i m e n t sa b o u ts i 3 n 4a n da 1 2 0 3 ，s o m er u l e so fg r i n d i n gf o r c es i g n a la r e i n v e s t i g a t e db yu t i i i z i n g t h em u l t i d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g ei n c u t t i n gm a c h i n i n g ，m a t e r i a l s ， c o m p u t e r , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，t i m es e r i e sa n a l y s i sa n d s t a t i s t i c s t h e s ei n v e s t i g a t i o n sa r e i nt h ep a p e ra sf o l l o w s ： t h es o f t w a r ea b o u td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi sp r o g r a m m e dt oa n a l y s i sg r i n d i n gf o r c e s i g n a le f f i c i e n t l ya n da c c u r a t e l yi nv i e wo f al a r g ea m o u n to f e x p e r i m e n t a ld a t ai ng r i n d i n g c e r a m i c s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r i n d i n gf o r c es i g n a la b o u ts i 3 n 4a n da 1 2 0 3v e r i f i e db ym e a n so f t h et h e o r i e sa n dm e t h o d so f d s pa n ds t a t i s t i c sa r ec a l m ，p e r i o d i ca n dv i b r a t e d t h er u l e so f g r i n d i n gf o r c e ，s t o c kr e m o v a l r a t es t u d i e db yc h a n g i n gg r i n d i n gp a r a m e t e r s i ng r i n d i n gs i 3 n 4a n da 1 2 0 3a r et h a tt h ei n f l u e n c e so fg r i n d i n gd e p t ha r em o r et h a nt h o s eo f w h e e lg r i n d i n gs p e e da n do s c i l l a t i o ns p e e do ng r i n d i n gp r o c e s s ，a n dt h a tt h ec h i pr e m o v a li s f i n i s h e dt h r o u g ht h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nu n d e rs m a l l e rd e p t ho fg r i n d i n g ，b u tt h ec r a c k i n g p l a y sag r e a tr o l eu n d e rl a r g e rd e p t h o f g r i n d i n g t h er e s u l t so ft h i ss t u d ya b o u tt h ei n f l u e n c eo fm a c h i n es t i f f n e s sa n dg r i n d i n gp a s so n g r i n d i n gp r o c e s si ng r i n d i n gs i 3 n 4a n da 1 2 0 3d e m o n s t r a t et h a tam a c h i n eo fl o w e rs t i f f r e s s r e s u l t si ns m a l l e rg r i n d i n gf o r c e ，al o w e rs t o c kr e m o v a l ，a n dw h e e la d o ci nc o n t r a s tt oa h i g h e rs t i f f n e s sm a c h i n e o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e s u l t so nm u l t i - p a s sg r i n d i n gi n d i c a t et h a t t h ei n f l u e n c e so f m a c h i n es t i f f n e s sd i m i n i s ha st h en u m b e r o f g r i n d i n gp a s s e si n c r e a s e s t h ei n f l u e n c e so f w h e e l s p e c i f i c a t i o n so ng r i n d i n g f o r c es i g n a la r ei n v e s t i g a t e dp r i m a r i l y t h r o u g hs e l e c t i n gd i f f e r e n tw h e e l s ，a n d t h ec o r r e l a t i o ni sf o u n db e t w e e nw h e e lv i b r a t e ds i g n a l a n dg r i n d i n gf o r c es i g n a li ng r i n d i n gs i 3 n 4 k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gc e r a m i c s ；g r i n d i n gf o r c e ；s t a t i s t i c sv e r i f i c a t i o n ；d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ；t i m es e r i e sa n a l y s i s 工程陶瓷磨削力信號的研究 1 1 引言 第一章緒論 進入2 1 世紀，伴隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)、航空航天技術(shù)、生物技術(shù)和材料科 學(xué)等高新技術(shù)的快速發(fā)展，先進制造技術(shù)也在不斷的進步和發(fā)展。先進制造技術(shù)的進展 主要表現(xiàn)在以下兩個方面：其一是向高效率、高速度和自動化無人化方向發(fā)展，這導(dǎo)致 了計算機控制( c c ) 、柔性制造系統(tǒng)( f m s ) 、計算機集成制造系統(tǒng)( c i m s ) 和無人工 廠等技術(shù)的發(fā)展。這種技術(shù)通過計算機對加工成本、加工能力的最優(yōu)設(shè)計來實現(xiàn)最小成 本和最高生產(chǎn)率，以滿足生產(chǎn)的要求。其二是追求高精度、高質(zhì)量，向超精密加工和微 細加工方向發(fā)展 1 】。 但是，對于當(dāng)前出現(xiàn)的一些新型難加工材料，由于其獨特的組織結(jié)構(gòu)特點，很難進 行高效高精加工。工程陶瓷( e n g i n e e r i n gc e r a m i c s ) 就是這種新型的工程材料。它具有 很高的強度、硬度和很強的耐腐蝕、耐高溫能力，能夠在比較苛刻的環(huán)境中使用，被譽 為“2 l 世紀代替鋼鐵的材料”。目前，工程陶瓷已成為尖端科學(xué)的重要組成部分，在航 空航天、機械、電子、軍事、化工等很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但是作為一種典型 的難加工材料，工程陶瓷高效高精加工的理論和技術(shù)還很不成熟，這限制了對其進一步 的應(yīng)用。而磨削加工是一種傳統(tǒng)的切削加工方法，在工程陶瓷的加工中仍然占有非常重 要的地位。因此，作為磨削加工中傳統(tǒng)的研究課題，磨酎力信號的研究對于工程陶瓷的 高效高精加工具有極其重要的作用。特別是當(dāng)前計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展 也為切削試驗數(shù)據(jù)的分析處理提供了更為有效的手段和更為精確的方法。 本課題以工程陶瓷的磨削試驗為基礎(chǔ)，綜合利用了切削加工、材料學(xué)、計算機、數(shù) 字信號處理、時間序列分析、數(shù)理統(tǒng)計等多學(xué)科的知識來研究工程陶瓷磨削力信號的變 化規(guī)律。 1 2 工程陶瓷材料簡介 隨著現(xiàn)代能源、空間技術(shù)的高度發(fā)展，各行各業(yè)對產(chǎn)品材料的性能提出了許多特殊 的要求，如耐高溫、抗腐蝕、耐磨損等。為此科學(xué)工作者研制出了新型的工程陶瓷材料。 這種陶瓷的化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)及性能都明顯的不同于普通陶瓷。工程陶瓷是一種新型 的硬脆材料，因其獨特的分子構(gòu)形而具有許多優(yōu)良的物理、機械性能，如高強度、高硬 度、高韌性、耐腐蝕、絕緣等等。自從8 0 年代以來，美國、日本、德國等發(fā)達國家競 相投入大量的資金和人力，來研究工程陶瓷材料的制備、加工理論、加工技術(shù)和產(chǎn)品開 發(fā)。事實上，工程陶瓷已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的重要組成部分，受到世界各國的普遍重 視。 工程陶瓷摩削力信號的研究 1 2 1 工程陶瓷的種類及應(yīng)用領(lǐng)域 根據(jù)不同種類的性能特點，工程陶瓷被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、軍事、機械、 電子、生物工程等領(lǐng)域。其中氧化物、碳化物、氮化物陶瓷是幾種應(yīng)用非常普遍、技術(shù) 相對成熟的工程陶瓷制品。氧化物陶瓷( o x i d ec e r a m i c s ) 是發(fā)展較早的陶瓷材料，主 要包括a 1 2 0 3 ，z r 0 2 ，m g o 等。碳化硅陶瓷( s i cc e r a m i c s ) 和氮化硅陶瓷( s i 3 n 4 c e r a m i c s ) 是近幾十年才發(fā)展起來的材料，但由于其具有特別優(yōu)良的性能，很快得到了開發(fā)和應(yīng)用， 至今已成為主要的工程陶瓷材料。表1 1 列出了主要的工程陶瓷類別及其應(yīng)用范圍【2 】。 表1 1 工程陶瓷主要類別及其應(yīng)用范圍 t a b 1 1m a i ns o r t sa n da p p l i c a t i o n so f e n g i n e e r i n gc e r a m i c s 類別應(yīng)用領(lǐng)域制品名稱利用特征 機械 粉碎裝置研缽粉碎機高密度高強度耐磨性 裝置 成型機械注射成型模具耐磨性尺寸穩(wěn)定性 氧化物陶瓷加工工具軸承輪葉片耐磨性尺寸穩(wěn)定性 電磁裝置i c 基板半導(dǎo)體電性能 其他刀具噴嘴裝甲板高硬度高強度耐磨性耐腐蝕 石油化工噴嘴軸承閥片泵部件耐磨耗耐熱性耐腐蝕耐高溫 微電子工業(yè)封裝材料基片高熱導(dǎo)高絕緣 碳化物陶瓷汽車工業(yè)燃燒器部件發(fā)動機低摩擦高強度 飛機宇宙火箭渦輪葉片火箭噴嘴等低慣性負荷耐熱沖擊 耐火材料業(yè)高溫窯爐板棚支架耐高溫?zé)嵝阅?機械工業(yè)切割工具高硬度 氮化物陶瓷 火箭發(fā)動機噴嘴葉片等耐熱性耐磨性高強度 汽車工業(yè)熱反應(yīng)器燃燒室耐熱性高強度 1 2 2 工程陶瓷的加工技術(shù) 工程陶瓷是一種難加工材料，其加工時表現(xiàn)出的高硬度、高脆性與其物理化學(xué)結(jié)構(gòu) 性能有關(guān)。日本學(xué)者1 1 n a s a l d l 3 】等人研究表明，陶瓷晶體的化學(xué)鍵主要由共價鍵、離子 鍵混合組成。如a h 0 3 中共價鍵和離子鍵之比為4 ：6 ，s i c 中共價鍵與離子鍵之比為9 ： l 。含離子鍵較多的材料易受溫度的影響，而共價鍵在溫度變化過程中比較穩(wěn)定，即共 價鍵材料具有低的熱膨脹率和高的熱傳導(dǎo)性。而且化學(xué)鍵具有方向性，原子堆積密度低， 原子間距離大，使陶瓷顯示出很大的脆性，成為難加工材料，特別是加工高精度、形狀 復(fù)雜的構(gòu)件，非常困難，這導(dǎo)致了精加工費用大大增加，嚴重阻礙了工程陶瓷材料的進 一步推廣應(yīng)用。顯然，陶瓷材料作為工程材料的大規(guī)模應(yīng)用，在很大程度上取決于陶瓷 零件加工技術(shù)的發(fā)展。 工程陶瓷材料的加工可根據(jù)材料的種類、工件形狀、要求的加工精度、表面粗糙度、 工程陶瓷磨削力信號的研究 加工效率和加工成本等因素來選擇不同的加工方法。表1 2 列出了常見的工程陶瓷加工 技術(shù)n 表1 2 工程陶瓷加工技術(shù)分類 t a b12m a c h i n i n gt e c h n o l o g ys o r t so f e n g i n e e r i n gc e r a m i c s 桃槭加工訝削詹削轱孔等 放電加工捌覆放電戡切害擻屯加工 徽舭 黧裟缸 樹徘竺觚抽工 礅光，等離子加工激光等離子鹿子柬加工 化學(xué)加工化學(xué)蝕赫北掌機鏈加工 復(fù)臺加工 羹蓑馨箍韶譬型荔囂絮戮髓秘虬舾電火花蔓韻正電解電 茸他加工羞性加工 1 2 3 工程陶瓷的磨削機理 工程陶瓷材料的磨削加工是目前已有加工方法中應(yīng)用最多的一種，特別適用于加工 平面及柱形工件，所選用的砂輪一般是金剛石砂輪。對于金剛石砂輪磨削工程陶瓷的磨 削機理，不同的學(xué)者有不同的解釋。 1 磨削時材料的去除是由金剛石磨粒作用于陶瓷工件瞬間產(chǎn)生的所有微觀變形和 破碎累積完成的。材料的去除方式隨著材料內(nèi)部缺陷( 如裂紋、裂縫) 的尺寸和密度以 及作用區(qū)域應(yīng)力大小的不同而不同。當(dāng)切削刃接觸工件形成的應(yīng)力場比缺陷尺寸小時， 材料主要通過塑性變形去除；當(dāng)應(yīng)力場大于缺陷尺寸時，則脆性微裂紋破碎將起主要的 作用【5 1 。 2 壓痕斷裂力學(xué)模型近似：認為材料的去除一方面是由于磨粒切入工件時，磨粒 切削刃前方的材料受到擠壓，當(dāng)壓應(yīng)力值超過陶瓷材料承受極限時，便被壓潰，形成大 片碎屑；另一方面磨粒切入工件時，由于壓應(yīng)力和摩擦熱的作用，磨粒下方的材料會產(chǎn) 生局部塑性流動，形成變形層，當(dāng)磨粒劃過后，由于應(yīng)力的消失，引起變形層從工件上 脫離，形成切屑。在材料去除的整個過程中，前刀面的壓潰去除是主要的【“。 3 切削模型近似：認為工程陶瓷材料磨削去除過程分為三個階段：彈性滑擦、塑 性去除和脆性斷裂。彈性滑擦是指切削深度很小時，工件與磨粒之間僅作彈性接觸滑動， 此時不產(chǎn)生切屑。塑性去除是指彈性變形和粘塑性流動造成少量的磨屑，形成磨削表面， 此時材料的去除絕大多數(shù)為微小破碎微粒形式。材料發(fā)生塑性變形的原因是由于磨粒切 削刃的刃口鈍圓半徑較大，外錐角較小，在接觸區(qū)容易形成較大的非彈性應(yīng)力場，避免 或減少了裂紋的產(chǎn)生和擴展。脆性斷裂是在較大的切深條件下形成切屑的主要過程，磨 粒給予工件材料施壓作用而使其產(chǎn)生裂紋，進而產(chǎn)生局部破壞形成切屑 6 】。 對工程陶瓷材料磨削機理的解釋還很多，但總的來說有一點是共同的，即塑性變形 和脆性斷裂是形成材料去除的主要原因。在工程陶瓷的磨削加工中，陶瓷材料的類別、 工程陶瓷蘑削力信號的研究 磨削用量、機床剛度、砂輪結(jié)合劑的種類、磨粒濃度及顆粒大小都是影響陶瓷工件表面 質(zhì)量及加工效率的重要原因。 1 3 工程陶瓷磨削力的研究簡介 目前研究表明，工程陶瓷的磨削機理、磨削過程與金屬及其它非金屬材料有著顯著 的不同，面這切仍處于探討階段。磨削力是反映磨削過程的基本特征問題之一，它與 工程陶瓷的磨削機理、陶瓷材料的纖維結(jié)構(gòu)及性能、磨削用量、磨削砂輪的類型及磨損 狀況、機床剛度以及磨削液的選用都有著密切的關(guān)系。同時，它也是評價材料可磨削性 優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)f l 。除此之外，由于磨削力易于控制和測量，還常常被用于自動化 監(jiān)測當(dāng)中，如通過測量磨削力以計算磨削能來檢測陶瓷磨削機理的轉(zhuǎn)變【，通過測量磨 削力監(jiān)測砂輪的磨損狀況來及時修整或更換砂輪一j 。因此，磨削力的研究對于工程陶瓷 磨削機理的分析和磨削過程的研究有著重要的理論價值和實際意義。但是在國內(nèi)，對工 程陶瓷磨削力的研究還遠遠落后于國外。 1 3 1 磨削力 磨削力信號的研究是磨削加工中一個傳統(tǒng)的研究課題，過去大多局限于靜態(tài)分量， 對動態(tài)分量的研究還很少。隨著現(xiàn)代科學(xué)對磨削力分析精度要求的不斷提高以及數(shù)字信 號處理技術(shù)和時間序列分析方法的不斷完善，動態(tài)磨削力信號的分析與處理逐漸被提上 了日程。從信號分析的角度來說，動態(tài)磨削力信號是一種隨機信號，它比較全面地反映 了磨削加工的動態(tài)過程，具有豐富的內(nèi)涵。通過對動態(tài)磨削力信號進行頻譜分析和相關(guān) 分析，可以提取到許多內(nèi)在的信息，如通過頻譜分析研究工程陶瓷的磨削機理和磨削用 量對磨削力的影響規(guī)律，通過相關(guān)分析可以研究砂輪振動對磨削力的影響情況。這樣， 可以根據(jù)不同的加工要求，可以更好的制定磨削工藝，降低磨削成本。 1 3 2 磨削力比 同磨削力一樣，磨削力比( 法向磨削力與切向磨削力的比值) 也是評價材料可磨肖 性的重要指標(biāo)。研究表明，工程陶瓷的磨削力比比較大，即法向磨削力明顯大于切向磨 削力，這說明了金剛石磨料難以切入陶瓷表面，同時也證明了陶瓷磨削過程以具有壓痕 特征的摩擦耕犁為主，切屑變形很少發(fā)生，切向抗力很小。力比的變化反映了磨削加工 的比能耗、磨粒磨損及加工質(zhì)量。 1 3 3 比磨削剛度 在陶瓷磨削中，較大的法向磨削力表明了在工件表面的法向上，磨削工藝系統(tǒng)產(chǎn)生 了較大的彈性變形，這將會嚴重影響加工精度。為此，i i n a s a k i 1 引入了“比磨削剛度” 的概念，即單位切深時的法向磨削力e 以來解釋法向磨削力對加工誤差的影響程度。 工程陶瓷磨削力信號的研究 其中a 。( 單行程磨削) 可用下式計算 墮：j 一 ( 1 1 ) 日。i + 6 。k 。k ， 上式中，d 。是名義切深，4 。是實際切深，垃是磨削寬度，女，是機床剮度，史。是比磨削 剛度。從上式可以看出，比磨削剛度反映了實際切深與加工誤差的變化情況。 1 3 4 比磨削能 比磨削能是磨削理論中的重要概念，它和切向磨削力的關(guān)系十分密切，其值可用下 面的公式計算【l o 】： 。： ! s( i - - 2 ) y ，口。6 ； 上式中，口。是實際切深，e 是切向磨削力，b ，是磨削寬度，v ，是砂輪速度，是工件 速度。在工程陶瓷的磨削過程中，磨削能主要包括兩部分：一部分是工件塑性變形產(chǎn)生 的剪切能，另一部分是磨屑形成過程中，磨粒和切屑之間的摩擦功。其中，滑擦和耕犁 部分所需的磨削能隨著磨削參數(shù)的不同而變化，切屑形成能卻基本保持穩(wěn)定。在粗加工 中，陶瓷材料主要以脆性斷裂方式去除，比能較?。涸诰庸ぶ校コ实慕档褪沟梦?變形切屑尺寸減小，導(dǎo)致更多塑性變形，比能較大，這主要是因為陶瓷材料發(fā)生塑性變 形比發(fā)生脆性變形需要消耗更多的能量川。因此，可以通過測量切向磨削力來計算比磨 削能以確定陶瓷材料的去除方式，進一步分析陶瓷的磨削機理。 1 4 數(shù)字信號處理簡介 數(shù)字信號處理( d i g i t a ls i g m lp r o c e s s i n g ，d s p ) 作為信號與信息處理的個分支學(xué) 科，起源于1 7 1 8 世紀的數(shù)學(xué)。自2 0 世紀6 0 年代以來，隨著計算機和信息學(xué)科的飛 速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展，并已形成- - f 獨立的學(xué)科體系。國際 上，一般把1 9 6 5 年快速傅立葉變換( f f t ) 的問世，作為數(shù)字信號處理這一新學(xué)科的開 端【1 2 】。 數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計算的方法對信號進行采集、 變換、綜合、估值與識別等加工處理，借以達到提取信息和便于應(yīng)用的目的。與模擬信 號處理技術(shù)相比，數(shù)字信號處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾強、設(shè)備尺寸小、 造價低、速度快等突出的優(yōu)點。此外，數(shù)字信號處理技術(shù)還具有以下特殊的功能：一是 對信號在時域、頻域以及其它變換域內(nèi)的特性進行分析，以便對信號的特性與本質(zhì)有更 為清楚的認識；二是對信號實施處理，以改善其性能。目前，數(shù)字信號處理技術(shù)在語音、 雷達、聲納、地震、圖像、通信系統(tǒng)、機械振動、遙感遙測、航空航天、故障檢測、自 工程陶瓷磨削力信號的研究 動化儀表等眾多領(lǐng)域都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的理論研究和科學(xué)實踐，數(shù) 字信號處理自身已基本形成一套較為完整的理論體系，這些理論包括信號采集( a d 技 術(shù)、采樣定理) 、離散信號分析( 時域與頻域分析、各種變換技術(shù)) 、信號處理中的快速 算法( f f t 、快速卷積與相關(guān)) 、信號估值( 各種估值理論、功率譜估計) 、濾波技術(shù)( 各 種數(shù)字濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)) 、信號建模( 最常用的有a r ，m a ，a r m a ，p r o n y 等 各種模型) 、信號處理技術(shù)的實現(xiàn)( 軟件實現(xiàn)與硬件實現(xiàn)) 等等。 切削力分析是機械加工中最常見的問題的之一。在切削試驗中有著多種不同的信 號，如切削力信號、振動信號、噪聲信號等等，研究目的不同，信號的處理方法也不一 樣。在工程陶瓷的磨削實驗中，研究磨削參數(shù)及磨削過程對磨削力的影響規(guī)律，對動態(tài) 磨削力信號進行時域、頻域分析，都要用到數(shù)字信號處理技術(shù)。另一方面，由于工程陶 瓷動態(tài)磨削力信號的復(fù)雜性與隨機性，采用時間序列分析對其進行研究也是十分必要 的。作為現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理方法之一的時間序列分析，是在2 0 世紀6 0 年代b o xj e n h n s 提 出一套比較完善的建模理論及方法之后才發(fā)展起來的，它著重研究具有隨機性的動態(tài)數(shù) 據(jù)，特別是借助于依時間變量之間的相關(guān)結(jié)構(gòu)來研究數(shù)據(jù)變換規(guī)律，即時域研究。近些 年來，時間序列分析的理論和方法日趨成熟，其內(nèi)容也極為豐富f 1 3 】。目前，還沒有學(xué)者 采用數(shù)字信號處理技術(shù)和時間序列分析方法對工程陶瓷的磨削力信號進行定性或定量 的分析研究。本論文中，將采用數(shù)字信號處理技術(shù)和時間序列分析方法對工程陶瓷動態(tài) 磨削力實驗數(shù)據(jù)進行分析與處理。 1 。5 本課題的主要研究工作 1 5 1 課題背景 本文作者通過查閱國內(nèi)外大量的研究資料發(fā)現(xiàn)，工程陶瓷磨削力的研究存在著以下 的主要問題： 1 工程陶瓷作為一種典型的硬脆材料，其磨削力信號的特性還不很明晰，在理論 和實踐中缺乏對其的檢驗。 2 目前為止，幾乎還沒有人采用數(shù)字信號處理理論和時間序列分析方法來研究工 程陶瓷動態(tài)磨削力信號，更不用說系統(tǒng)研究磨削用量、機床剛度、砂輪類型( 不同粘結(jié) 劑、不同顆粒大小) 等對工程陶瓷磨削力時間序列的影響規(guī)律。 3 人們在研究工程陶瓷磨削力的變化規(guī)律時，很少考慮到砂輪振動對工程陶瓷精 密加工的影響，目前還沒有學(xué)者對砂輪振動序列和磨削力序列的相關(guān)性進行研究。國內(nèi) 外還沒有學(xué)者研究工程陶瓷動態(tài)磨削力的時間序列模型，也不能對動態(tài)磨削力信號作出 預(yù)報與控制。 1 5 2 主要研究工作 針對當(dāng)前工程陶瓷磨削力研究中存在的問題 1 動態(tài)磨削力信號作為一種隨機振動信號 本課題從以下幾個方面展開工作： 在時域上是不確定的。通過對s i 3 n 。 工程陶瓷磨削力信號的研究 陶瓷和a i ：o ，陶瓷進行平穩(wěn)性、各態(tài)遍歷性、正態(tài)性及周期性檢驗，研究了工程陶瓷磨 削力信號的分布特點。 2 根據(jù)磨削加工實驗，從時域、頻域兩個方面研究了磨削用量、機床剛度、磨削 行程和砂輪類型對工程陶瓷靜態(tài)磨削力、動態(tài)磨削力時間序列的影響規(guī)律，進一步分析 了磨削用量、機床剛度、磨削行程和砂輪類型對陶瓷磨削加工表面質(zhì)量、加工效率的影 響情況。 3 根據(jù)工程陶瓷的磨削實驗，在不同的磨削條件下采用正交回歸統(tǒng)計分析方法建 立了s i 3 n 4 陶瓷和a 1 2 0 3 陶瓷靜態(tài)磨削力的數(shù)學(xué)模型。 4 為了深入分析砂輪振動對工程陶瓷磨削力的影響情況，選擇相同磨削條件下的 s i 3 n 。陶瓷和a 1 2 0 3 陶瓷磨削力時間序列和砂輪振動序列，并對其進行相關(guān)分析，研究了 砂輪振動對磨削力的影響情況。 5 為了便于快速、準(zhǔn)確地處理磨削加工時采集的試驗數(shù)據(jù)，采用v i s u a lc + + 6 0 開 發(fā)了磨削力數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件采用數(shù)字信號處理、時間序列分析和數(shù)理統(tǒng)計中的多 種常用算法，對磨削力信號從時域分析、頻域分析兩個方面進行了編程。 工程陶瓷磨削力信號的研究 2 1 引言 第二章磨削力信號處理的軟件設(shè)計 在現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理中，數(shù)字信號處理、時間序列分析和數(shù)理統(tǒng)計理論和方法的綜合運 用已經(jīng)起著越來越重要的作用。特別是隨著這些技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機應(yīng)用的不斷普 及，采用計算機來實現(xiàn)上述的理論和方法，將使得磨削力數(shù)據(jù)的處理更為精確和完善。 本章采用面向?qū)ο蟮膙 i s u a lc + 十6 0 開發(fā)了磨削力數(shù)據(jù)處理軟件模塊，該模塊具備了數(shù) 字信號處理、時間序列分析和統(tǒng)計檢驗的常用功能，為工程陶瓷磨削力數(shù)據(jù)的分析處理 提供了方便。 2 2 軟件模塊功能分析 2 2 1 軟件功能 作為數(shù)據(jù)處理的通用模塊，應(yīng)該具備靜態(tài)、動態(tài)信號分析處理的常用功能，這包括 以下幾個方面； 1 能夠準(zhǔn)確的選取信號樣本，形成時域分析圖。提供可視任意長度的選取信號樣 本。 2 能夠?qū)x取信號進行去奇異值、去均值、去趨勢項的可視化預(yù)處理。 3 能夠?qū)x取信號進行平穩(wěn)性、各態(tài)遍歷性、正態(tài)性和周期性檢驗，能夠分析所 選取信號的特性。 4 能夠?qū)x取信號進行譜分析( 經(jīng)典譜分析和現(xiàn)代譜分析) ，提供時序參數(shù)模型的 a r 譜和功率譜圖的比較。 5 能夠?qū)x取信號提供建模方案。 2 2 2 軟件結(jié)構(gòu) 本軟件是在w i n d o w s 環(huán)境下采用v c + + 開發(fā)的w i n 9 x 應(yīng)用程序，它具備了w i n 9 x 應(yīng)用程序的特點：消息驅(qū)動；圖形菜單用戶界面。圖2 1 是該軟件的模塊結(jié)構(gòu)圖。 工程陶瓷磨削力信號的研究 文 件 操 作 l ， 0 操 作 預(yù) 處 理 信號處理模塊 時 域 處 理 頻 域 處 理 數(shù) 學(xué) 建 模 | 圖圖國圉圖圖圜園園圈同圉圉 2 3 軟件設(shè)計方法 2 3 1 面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計 幫 助 窗 口 查 詢 操 作 隨著計算機硬件和軟件的飛速發(fā)展，計算機領(lǐng)域中的觀念和方法也日新月異。在7 0 年代，人們認為結(jié)構(gòu)化設(shè)計是最好的系統(tǒng)開發(fā)方法。然而，隨著計算機技術(shù)應(yīng)用的不斷 深入和發(fā)展，這種傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)方法已不太適應(yīng)越來越復(fù)雜、越來越龐大的軟件開發(fā)。 8 0 年代以來，面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計方法( o b j e c t - - o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ，簡稱o o p ) 引起軟件開發(fā)者的關(guān)注和重視，它克服了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化方法在建立問題系統(tǒng)模型和求解 問題時存在的缺陷，提供了更為合理、有效、自然的方法為廣大的系統(tǒng)分析和設(shè)計人員 所認識、接受、應(yīng)用和推廣。實際上，o o p 技術(shù)已成為9 0 年代以來軟件開發(fā)的主流技 術(shù) 1 4 】【1 5 】。 o o p 技術(shù)是一種按照人們對現(xiàn)實世界習(xí)慣的認識規(guī)律和思維方式來研究和模擬客 觀世界的方法。它將現(xiàn)實中的任何事物均視為“對象”( o b j e c t ) ，將對象的屬性( a t t r i b u t e ) 和屬性的方法( m e t h o d ) 封裝在一起構(gòu)成類( c l a s s ) ，對象間通過相互傳遞消息( m e s s a g e ) 來進行通訊。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法相比，o o p 技術(shù)具有以下幾個特點： 1 封裝性 把數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的代碼捆綁在一起，構(gòu)成一個類，對象封裝界面上的信息是公開 的，而內(nèi)部的信息是隱蔽的。 2 繼承性 子對象不但可以繼承父對象定義的數(shù)據(jù)成員和方法，而且還可增加自己的數(shù)據(jù)成員 工程陶瓷磨削力信號的研究 和方法。這樣一個程序系統(tǒng)的數(shù)據(jù)成員和方法只定義一次，系統(tǒng)的處理能力可以通過對 象的繼承性實現(xiàn)共享，系統(tǒng)中的類因此具有了層次結(jié)構(gòu)。同時繼承還具有多重性，即一 個派生類可以繼承多個基類，這使得派生類的實例( 對象) 具有更加靈活和完善的功能。 3 多態(tài)性 一個名字可以具有多種語義。多態(tài)性主要強調(diào)在一個類中可以使用相同函數(shù)的多個 版本，在運行時決定使用特定的版本，即相同名稱的操作方法隨著不同類型的入口參數(shù) 存取方式以及返回值的不同而具有不同的功能。 4 易維護性 對象實現(xiàn)了抽象和封裝使得其中可能出現(xiàn)的錯誤局部于自身，不會傳播，同時封裝 性使得對象代碼的可讀性較好，易于測試和修改。 5 可重用性好 o o p 技術(shù)提供了高內(nèi)聚、低耦合以及對象的高獨立性，極大的降低了開發(fā)成本，同 時提高了代碼重用性。 6 開發(fā)效率高 o o p 技術(shù)屬于增量性設(shè)計，表現(xiàn)在繼承性使得系統(tǒng)功能不斷擴充，而不影響基于其 上軟件的運行，能很好地適應(yīng)系統(tǒng)不斷發(fā)展和變化的要求。 2 3 2 軟件功能實現(xiàn) 由于面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計方法具有以上的特點，因此選擇該方法進行磨削力信號處 理的程序設(shè)計，下面列出了該軟件所使用的一些類及方法： 1 c p r e t r e a t d a t a c l a s s ( 數(shù)據(jù)預(yù)處理類) c l a s sc p r e t r e a t d a t a c l a s s f p u b l i c ： i n tp a u t a r u l e ( ) ： 用p a u t a 準(zhǔn)則去除奇異點 i n tc h a u v e n l r u l e ( ) ： 用c h a u v e n l 準(zhǔn)則去除奇異點 v o i dd e t r e n d ( ) ：去除趨勢量 i n tc a l m c h a v e r ( ) ： 平穩(wěn)性檢驗 d o u b l es t a t c h a v e r ( ) ： 正態(tài)性檢驗 v o i dp e r i o d c h a v e r ( ) ： 周期檢驗 ： 2 c f i l t e r d e s i g n c l a s s ( 數(shù)字濾波器設(shè)計類) c l a s sc f i l t e r d e s i g n c l a s s f p u b l i c ： v o i dg a i n ( ) ： 數(shù)字濾波器響應(yīng) i n t i i r d f d e s i g n ( ) ： i i rd f 設(shè)計 v o i df i r w i n d f d e s i g n ( ) ：采用窗函數(shù)法設(shè)計f i rd f 工程陶瓷磨削力信號的研究 v o i dw i e n e r d f d e s i g n ( ) ： w i e n e rd f 設(shè)計 v o i dl m s d f d e s i g n ( ) ：l m sd f 設(shè)計 d o u b l ew i n d o w c a l ( ) ：窗函數(shù) i n tl e v i n ( ) ： 用l e v s o n 方法計算t o e p i t z 方程 ； 3 c t f d a n a l y s i s c l a s s ( 時域頻域分析類) c l a s sc t f d a n a l y s i s c l a s s e m b l i c ： v o l df f t 2 ( ) ： 按時間抽選基2 f f t v o i dw e l c h p s p e c e ( ) ： 用w e l c h 平均周期圖進行譜估計 v o i db t p s p e c e ( ) ： 用b l a c k m a n t u r k e y 方法進行譜估計 v o i dy u l e w a l k e r s p e c e ( ) ：用y u l ew a l k 方法進行譜估計 v o i db u r g s p e c e ( ) ： 用b u r g 算法進行譜估計 v o i da r m a s p e c e ( ) ； 用a t r i a 模型進行譜估計 v o i dl d ( ) ： 用l d 算法計算y u l e w a l k e r 方程 f ： 4 c s t a t i c s c l a s s ( 統(tǒng)計分析類) c l a s sc s t a t i c s c l a s s p u b l i c ： v o i do r i g i n d a t a m o d e l ( ) ： 建立數(shù)學(xué)模型 v o i dc o e f f i c i e n t v e r i f y ( ) ；相關(guān)系數(shù)檢驗 v o i dt v e r i f y ( ) ：t 檢驗 ) ： 5 c d r a w c l a s s ( 畫圖類) c l a s sc d r a w c l a s s p u b l i c ： v o i dd r a w l i n e ( ) ： v o i dg e t s c a l e o f w i n ( ) ) ： 2 3 3 軟件界面設(shè)計實例 畫圖 計算窗口放大倍數(shù) 通過采用v c + + 6 0 對上述的類及方法進行編程，在、i n 9 x 操作平臺上完成軟件 對象的程序化。圖2 2 ( a ) ( b ) ( c ) 為磨削力數(shù)字信號處理軟件的界面設(shè)計實例。 工程陶瓷磨削力信號的研究 ( c ) 2 4 軟件核心算法 2 4 1 時域分析處理 ( b ) 圖2 , 2 磨削力數(shù)字信號處理軟件 界面設(shè)計實例 f i g 2 2t h ei n s t a n c e so fi n t e r f a c e d e s i g ni nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g s o f t w a r eo f 舒n d i n gf o r c e 時域的分析處理通常是指在時間域內(nèi)對數(shù)據(jù)進行的各種運算，如求平均、方差以及 數(shù)據(jù)的加窗、插入等，或者進行相關(guān)分析等操作。 1 數(shù)據(jù)的平均化處理 對輸入輸出序列進行平滑處理，可以降低隨機干擾，減少統(tǒng)計誤差，提高信噪比。 根據(jù)處理目的的不同，常用的序列平均方法有算術(shù)平均和加權(quán)平均，其原理和計算方法 如下所示。其中m 一實驗數(shù)據(jù)記錄的組數(shù)；n 一每組實驗采樣序列的點數(shù)。 工程陶瓷磨削力信號的研究 ( 1 ) 算術(shù)平均 y 2 去薈。； ( 吣”，_ 1 ) ( 2 1 ) 其遞推運算形式為： y 等：y 2 + 蔓! 絲( ?。? ，2 ，m ：”：o ，l ，n 一1 ) ( 2 - - 2 ) m ( 2 ) 頻率平滑 通常用于頻域內(nèi)對頻譜( 或功率譜) 進行平滑處理。三點平滑公式為： x ”= ( x 。一1 + x 。+ x 。+ 1 ) ( 2 3 ) 一般，對第n 點用近旁的k 個記錄值進行平滑處理的公式可記為： 一 1 掣2 x 一2 i 乙x 一 t - ( 一k i 、2 k + 13 后+ l 2 r 廣。i ；1丁k - 1 ) ( 2 - 4 ) 2 數(shù)據(jù)加窗處理 在信號處理中不可避免地要遇到數(shù)據(jù)截斷問題，數(shù)據(jù)的截斷常會引起泄漏，為數(shù)據(jù) 分析帶來誤差。為了減小這種誤差，一般在時域上對數(shù)據(jù)進行加窗處理。根據(jù)信號性質(zhì) 與處理目的的不同，可選擇不同的窗函數(shù)。較常用的窗函數(shù)有矩形窗、三角窗、h a r m i n g ( 漢寧) 窗、h a m m i n g ( 海明) 窗等，其中，矩形窗具有最窄的主瓣，但也有最大的邊 瓣峰值和最慢的衰減速度，h a r m i n g 窗和h a m m i n g 窗的主瓣稍寬，但有較小的邊瓣峰值 和較大的衰減速度。 ( 1 ) 矩形窗 w ( 肝) = 1 ，0 s s n 一1 ( 2 5 ) ( 2 ) 三角窗( 又稱b a r t l e t t 窗) w 小百2 1 1 ，一盟2 娜警 ( 2 - 6 ) ( 3 ) h a r m i n g ( 漢寧) 窗 w ( 爐o 5 - 0 5 c 。s 器 ( 4 ) h a m m i n g ( 海明) 窗 w 一o s 。地t e c o s 器 o ”n 一1 ( 2 7 ) 0 n n l ( 2 8 ) 3 相關(guān)分析 相關(guān)分析可分為自相關(guān)分析和互相關(guān)分析。自相關(guān)分析可以尋找隱藏在隨機信號中 的周期信號，或者描述同一信號在不同時刻存在的相關(guān)性?；ハ嚓P(guān)分析可以反映出兩個 工程陶瓷磨削力信號的研究 信號之間在不同時刻是否存在某種聯(lián)系或其相似程度。其離散表達式分別為： 蓋砌) = ?！? 萎i - i m x l 。b ( 聊+ ”l 叛咖寺”掣劬l j m f n - 1 i m i n 一1 ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) 2 4 2 頻域分析處理 頻域分析是另一種分析處理數(shù)據(jù)的方式，它是將時間域內(nèi)的信號通過一定的信號處 理技術(shù)( 如f f t ) 轉(zhuǎn)換到頻率域內(nèi)，然后在頻域內(nèi)再進行不同形式的處理。隨著計算機 技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，頻域分析逐漸得到了人們的重視。在頻域分析中， 數(shù)據(jù)濾波和頻譜分析是最為常見的，而快速傅立葉變換( f f t ) 是頻域分析的基礎(chǔ)【| 2 】。 1 數(shù)據(jù)濾波 ( i ) 濾波原理 濾波是數(shù)據(jù)頻域分析中最為常見的一種數(shù)據(jù)處理方法。在工程中，實際信號x ( n ) 般包括兩個成分，一個是有用信號s ( ”) ，一個是干擾信號“( n ) ，即：x 0 ) = s ( ”) + “( n ) 。 對信號濾波的目的就是削弱干擾信號，增強或保留有效信號。 如果干擾信號頻譜u ( w ) 與有效信號頻譜s ( w ) 是分離的。即當(dāng)s ( w ) 0 時， u ( w ) = 0 ，則可以設(shè)計一個頻率函數(shù)日( w ) ，把它與x ( ”) 的頻譜x ( w ) = 己廠( w ) + s ( w ) 相乘， 即可得到y(tǒng) ( w ) = x ( w ) h ( w ) = s ( w ) ，其中，日( w ) 的表達式如下。 刖= 拈囂駕 c z 州， 如果干擾信號頻譜u ( 與有效信號頻譜s ( 叻是并不完全分離的實際信號，可以根 據(jù)u ( w ) 和s ( w ) 的不同特點設(shè)計不同的頻率函數(shù)日( w ) ，達到消除干擾信號的目的。 通常所說的濾波就是指用一個頻率函數(shù)h ( w ) 與信號的x ( n ) 的頻譜x ( w ) 相乘得到 y ( w ) = x ( w ) ( w ) 的過程。而數(shù)字濾波就是使用數(shù)字計算的方法對原始信號進行過濾， 改變其頻率成分以達到增強有用信號、削弱干擾、提取需要信息的過程。處理中采用的 具體算法則稱為數(shù)字濾波器。 工程陶瓷磨削力信號的研究 ( 2 ) 數(shù)字濾波器的設(shè)計 按照數(shù)字濾波器的濾波形式可將濾波器分為：低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶 阻濾波；按照數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)函數(shù)的時間特性可分為：無限沖激響應(yīng)( i i r ) 數(shù)字 濾波器和有限沖激響應(yīng)( f i r ) 數(shù)字濾波器：同時，濾波器還分為經(jīng)典數(shù)字濾波器和現(xiàn) 代數(shù)字濾波器的設(shè)計，其中，前者主要是對干擾信號頻譜u ( w ) 與有效信號頻譜s ( w ) 分 離情況的濾波，后者主要是對干擾信號頻譜u ( 們與有效信號頻譜s f w ) 相互重疊情況的 濾波，其目的是從含有噪聲的數(shù)據(jù)記錄( 即時間序列) 中估計出信號的某些特征或信號 本身，這包括維納濾波、卡爾曼濾波和自適應(yīng)濾波等，對于濾波器的設(shè)計理論，可以參 見資料1 2 1 。 2 頻譜分析 常用的譜分析方法有幅值譜、功率譜、倒譜等形式，其中功率譜估計的應(yīng)用范圍很 廣，已經(jīng)受到各學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域的極大重視，它分為經(jīng)典譜估計和現(xiàn)代譜估計。 ( 1 ) 功率譜估計 經(jīng)典功率譜估計表示了觀測信號在頻域范圍內(nèi)的能量分布狀態(tài)，它是以快速傅立時 ( f f t ) 變換為基礎(chǔ)的，其方法主要有直接法( 又稱周期圖法) 和間接法( 又稱自相關(guān) 法或b t 法) ，對實際取樣序列x ( 療) 的經(jīng)艇譜估計計算公式如( 2 1 2 ) ( 直接法) 和( 2 1 3 ) ( 間接法) 所示，其中x ( e ”) 為取樣序列x ( n ) 的傅立葉變換，；( ，) 為取樣序列工(