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深孔钻削状态监测与分析

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深孔钻削状态监测与分析

发布日期:2018-07-06 作者:刘艳华 点击:

深孔钻削是在封闭状态下进行的,不能直接视察到刀具的切削情况。目前,只能凭经验,以听声音、看切屑、视察压力表和触摸钻杆振动等外观现象来断定钻削过程是否正常。深孔钻头除正常磨损外,由于所钻孔的长径比大,工艺系统刚性差,钻头易产生振动,切屑容易造成堵塞,因而常常会使深孔钻产生随机破损。由于深孔钻削过程很不稳固,十分需要一种深孔钻削监测系统,实时监测钻削过程中的状态和有关信息,并实时进行信号处理,辨认出加工过程中的异常状态,及时采用转变钻削用量或调换刀具等措施来排除异常状态,必要时予以显示报警,以避免产生事故,造成宏大经济丧失,从而可大大进步刀具耐用度,保证深孔钻削的正常进行。 


由于深孔加工工况复杂,对引起这些状态变更的物理起源还缺乏深入的懂得,目前尚无较完善的监测深孔钻削过程的方法和系统。传统的单因素监控和单因素模型分析方法存在很大的局限性,随机因素的影响太大,很难正确反响系统的真实状态。 


本文重要研究深孔钻削过程监测方案和信号分析。设计了一种多传感器的深孔钻削力和钻削振动信号采集装置,采用多信息融合技巧对深孔钻削过程中采集到的多种信号进行分析和处理,得出正确的断定样本,为钻削过程的监测和把持供给判据。 


监测方案及装置 


切削力中包含了切削过程中的大批信息,几乎所有的切削故障产生时,切削力信号均有相应的变更。但是,不同的切削加工方法所表现出的特点信号也不尽雷同,仅仅依附这种单一判据就断定刀具磨损或破损,会造成必定的误报。因此,本研究根据深孔钻削系统的特点设计了一种用于深孔钻削的多传感器测力和测振装置,具有通用性强、动态响应快和安装应用方便等优点。 

图1 多传感器测力和测振装置示意图

多传感器测力和测振装置的原理示意如图1所示:传感装置里装有应变式传感器和加速度计,连接在深孔钻床尾座上;传感装置是通用的,实用于所有不同直径的钻杆(即实用于所有不同直径的孔);包箍是紧固在钻杆上的卡箍,其作用是将钻杆上遭遇的轴向力和扭矩传递到传感装置,包箍不通用,要与钻杆配套。传感装置所采集到的深孔钻削力和振动信号,通过数据采集器传送到盘算机中分析处理,得到正确的监测成果,并可用于钻削过程的实时把持。 


实验研究 


本实验研究采集了深孔加工过程中正常与失效2种工况信号。采用各种磨损程度不同的钻头以及转变切削用量,从而获得不同实验状态的信号以及对信号的影响程度。数据采集器应用4个通道,分辨采集力、扭矩、垂直和程度方向的振动信号。 


正常钻削状态下的数据采集 


刀具初期磨损和正常磨损时刀具状态信号的变更规律; 

转变转速对刀具状态信号的变更规律; 

转变进给量对刀具状态信号的变更规律。 


快乐飞艇冠军走势图模仿故障状态下的数据采集 


快乐飞艇冠军走势图刀具急剧磨损和破损时刀具状态信号的变更规律; 

切屑堵塞时刀具状态信号的变更规律; 

导向块决裂时刀具状态信号的变更规律。 


信号分析 


由于测量信号不仅包含了反响对象工作状态的有用信息,同时也包含了大批无用的背景噪声,反响工作状态的有用信息往往吞没在无用的背景噪声中,一般很难直接创造并提取。在对力、扭矩、垂直方向振动和程度方向振动4种信号进行时域波形分析创造,原始信号在时域内差别很不明显,不能用于钻头的在线监测,为此,应当对原始信号进行处理。 


对4种信号进行频域信号分析时创造,力和扭矩信号在频域中没有明显的谱峰,也无明显的变更规律,只有刀具破损时才有特点频率,所以对力和扭矩信号利用时间序列分析。采用AR模型对其进行参数估计,得到力的时序模型的残差方程。 


振动信号在频域信号中的变更明显,经对程度方向和垂直方向的振动信号的频谱分析,见图2。 

图2 低频段振动信号功率谱分析

由上述分析可得出以下结论: 


振动信号功率谱密度在低频段频谱变更的特点是随着刀具磨损的增长,主峰幅值增长较快,然后趋向平缓,而主峰频率地位则由高频向低频方向移动。当刀具急剧磨损近破损时,程度方向主峰频率集中在400Hz左右,且涌现许多新的谱峰;垂直方向主峰频率集中在210Hz左右,也涌现许多新谱峰。这种变更,反响了刀具磨损的产生和发展,通过切削力激发起刀具-工件-机床加工系统的谐波成分,导致系统振动模态参数产生变更。多谱峰的涌现,使信号能量疏散,因此,谱峰幅值增长缓慢,而刀具与工件接触区条件恶化引起的切削阻尼增长,则使垂直振动主峰频率地位降低。 


高频段功率谱图的变更规律与低频段基础一致,但规律没有低频段突出,主峰幅值涌现在高频区的频率很小,谱峰少,这是由于切削加工系统的逼迫振源一般都在1,000Hz以内。因此,高频谱可以有效地隔离或者削弱加工系统的谐波成分。 


模式辨认 


状态分类能否成功,在很大程度上取决于特点分析和特点量的选取。深孔钻加工动态系统是随机过程,很难用某一断定性时间函数来分析。特点分析的目标就是将原始信号变换为特点量,并找出它与工况


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