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上海交通大学工程硬士学位论文 刀具破损声发射监控系统的研制 摘要 本文主要讲述了一种刀具破损声发射监测系统的开发研制过程以及其功能 构成和性能分析。 论文首先介绍了当今世界上机械制造工业的发展方向，提出了对刀具加工过 程进行实时监测的重要性，通过对刀具加工过程监测技术和声发射技术的发展历 程分析，得出将声发射技术应用于刀具状态监测是可行并且有效的。 其次，本文描述了系统结构，确立了以声发射传感器、数字存储示波器、工 业控制计算机和监控软件为基本构成的实验及监控系统构成，通过对实验数据分 析得出刀具破损的声发射信号特征波形，运用虚拟仪器技术和c + + 编程语言完成 系统功能，详细介绍了刀具状态声发射信号的数字处理方法及应用软件的编制过 程。 最后，本文分析了该刀具破损声发射监测系统的性能，通过现场实际应用实 验得出系统的误报率和漏报率，总结了系统的应用情况和优缺点，对系统的改进 和推广提出意见。 本文论述的研究课题其思想一方面要研制出一套系统，即刀具破损声发射监 测系统，该系统在加工过程中出现破损情况下能够对刀具的破损状态及时准确地 发出警报，以提醒操作工刀具已经损坏，及时换刀；另一方面又要考虑到追踪当 前国际先进技术，对刀具加工状态作定性分析，为将来技术上的发展和产品的推 广应用作准备。 关键词：刀具破损，声发射传感器，虚拟仪器，数据采集，数字信号处理，c 语 言编程 上海交通大学工程硕士学位论文 t h ed e v e l o p m e n to ft o o l sb r e a k a g em o n i t o r i n gs y s t e m u s i n ga c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a i n l ye x p o u n d e dt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o da n dt h ep r o c e s so f d e v e l o p m e n tf o rat y p i c a lt o o l sb r e a k a g em o n i t o r i n gs y s t e mu s i n ga c o u s t i ce m i s s i o n t e c h n o l o g y i tc a m ef r o mt h et o o l sb r e a k a g ei s s u e si nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft o d a y sm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gw a s i n t r o d u c e d i tc o n c l u d e dt h a tt h eo n 1 i n em o n i t o r i n gt ot o o l sw o r k i n gp r o c e s si sv e r y i m p o r t a n t f r o mt h ed e v e l o p m e n to ft h et o o l sw o r k i n gp r o c e s sm o n i t o r i n ga n dt h e a c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g y , t h ea u t h o rp o i n t e do u tt h a ti ti sp r a c t i c a b l ea n de f f e c t i v e t om o n i t o rt o o l sw o r k i n gp r o c e s so n - l i n eb yu s i n ga c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g y s e c o n d l y , t h ea r t i c l ed e s c r i b e dt h ec o n s t r u c t i o no f t h es y s t e m ac o n s t r u c t i o n c o m p o s e do fa c o u s t i ce m i s s i o ns e n s o r 、d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e 、i n d u s t r i a l c o m p u t e ra n dm o n i t o r i n gs o f t w a r e t h r o u g ha n a l y z i n gt h et y p i c a lw a v e f o r mo f t o o l s b r e a k a g ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l s ，w ec a ng e tt h es p e c i f i cv a l u e st od i s t i n g u i s ht h e v a l i dt o o l sb r e a k a g ea c o u s t i ce m i s s i o ni n f o r m a t i o n a l s o ，t h ea u t h o rd e s c r i b e dt h e d i g i t a lp r o c e s s i n gm e t h o da n dt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ep r o g r a m m i n gi nd e t a i l s a tl a s t t h ea r t i c l ea n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h ee r r o ra n dt h e o m i s s i o na l a r mt i m e so ft h es y s t e mc a l lb ep r e d i c t e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e r i to ft h e s y s t e m i nt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e dt h ea d v a n t a g ea n dt h e d i s a d v a n t a g eo ft h es y s t e m , a n dg a v eh i so p i n i o n st ot h ei m p r o v e m e n ta n de x p a n s i o n o f t h e s y s t e mt oo t h e r s t h ei s s u eo f t h i sa r t i c l ed i s c u s s e di n d u d e dt w om a i no b j e c t so n ei st od e v e l o p a l lp r o f i t a b l em o n i t o r i n gs y s t e mo ft o o l sb r e a k a g e ，t h eo t h e ri st op u r s u et h em o s t a d v a n c e dt e c h n o l o g yi nt h er e l e v a n tf i e l d sa n dp r e p a r ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e w o d d k e y w o r d s ：t o o l sb r e a k a g e ，a o o u s t i ee m i s s i o ns e n s o r , v m u a li n s l n l m e n t 8 ，d a t aa c q u i s i t i o n , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g , cp r o g r a m m i n g 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在互年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 幻板绎 日期：j 州霹歹月，占日 指导教师签名： 关獬 日期：) 卯) ，年r 月7 日 上海交通大学上海父逋大宇 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 协掘鲜 日期：如2 年j 月，占日 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题产生的背景 1 1 1 企业概述 第一章绪论 胜利石油管理局总机械厂是胜利油田大型综合性机械制造厂，位于山东省的 东北部、黄河入海1 9 - - 角洲腹地，始建于一九六四年，从事机械制造与修理已有 三十多年的历史，拥有固定资产原值2 亿元，是全国机械行业的重点企业之一。 曾多次荣获山东省和中国石油天然气总公司质量管理奖、国家一级计量企业称 号，其检验、测试手段完善，产品质量稳定，服务优质，多年来在用户中享有很 好的信誉。我厂于1 9 9 6 年1 0 月通过i s o9 0 0 l ：1 9 9 4 国际标准质量体系认证， 抽油机、抽油泵、油管等产品取得美国石油学会a p i 认证，在国际市场上享有较 高的声誉。 1 1 2 课题产生的依据 随着现代科学技术的发展和社会经济、文化水平的提高，机械加工工业得到 迅猛发展，机械制造技术水平也不断提高，大量的高新技术在加工系统中得到应 用，使加工过程的自动化和智能化得到长足的进步，而我厂的加工方式仍然以传 统的、简单的、形体概念上的机械制造技术为主，这极大地制约了我厂的发展， 也使我厂的产品在将来的市场竞争中处于劣势。为使我厂能够长期生存，就必须 发展以智能的，柔性的、全息概念上的制造技术为主的柔性) m - r 技术。柔性自动 化已经成为当代机械制造技术发展的主流，从n c 机床、m c 、f m c 到f m s ，从f m s 到c i m s ，从加工到装配，从辅助作业到生产管理的柔性自动化、集成化，柔性制 造技术正不断地冲击着传统的刚性生产方式，使机械工业出现新的活力，生产管 理观念迅速更新。因此，对一个机械制造工厂来说，仅仅提高制造过程的效率是 远远不够的，要真正使企业在市场中取得优势，就必须从产品设计开始，包括工 艺过程设计、生产计划和调度，以及经营管理等都采用计算机辅助手段以实现不 同程度的自动化。这就是以机器智能化和脑力劳动计算机自动化为主要标志的计 算机集成制造系统( c i m s ) ，这将是2 l 世纪合理化生产的主要模式之一。柔性制 造系统具有明显的经济效益，这在很大程度上归功于它具备高度自动化的加工手 段，甚至有无人加工的可能性，从而大大提高了时间利用率以至扩展了时间利用 范围( 如达8 7 6 0 小时年，即全年三班工作量) 。 我厂从1 9 9 3 年开始开发油管产品，现己形成普通、加厚、高钢级等三个系列， 年产量3 0 0 0 0 吨油管的生产能力，成为我厂赖以生存的主打产品。油管是油田原 油开采的重要器械，仅胜利油田每年油管的需求量就有5 0 0 0 0 吨左右，一些高品 质油管仍然依赖进口，对于我们厂来说，油管不仅仅是现在，而且在未来的几年 内仍是我厂发展的重点，因此我厂油管产品的技术含量高低和产品加工质量好 坏，将直接关系到我厂的命运。油管的作用是悬挂抽油泵，并将抽油泵抽出的原 油输出到地面，因此，要求油管既要承受相当大的轴向负荷，又要具有可靠的密 封性，以便在井内液柱的作用下不会发生泄露。以深度为2 0 0 0 米的油井为例， 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 油井工作时，油管内压力高达2 0 m p a ，油管的轴向负荷高达2 5 0 k n 。一根油管的 长度为9 6 米，根据下泵深度不同，每口油井所用的油管根数也不同，一般需要 几百根。这些油管经常需要反复拆卸。a p is p e cs t d5 b 套管、油管和管线管 螺纹的加工、测量和检验规范规定，油管的连接螺纹应能经受4 次机紧和卸下 操作而不损伤。因此，接口管螺纹的加工质量是油管产品整体质量中关键的关键。 目前，造成油管失效的一个重要原因是内外螺纹粘结，从而导致内外螺纹破坏， 这种现象在油管产品的现场使用中经常出现，有时油管拆卸一到两次就发生。该 类问题占我厂出现问题油管中的7 0 。另外，如果在油井作业时油管内外螺纹发 生粘结，就会影响油管柱的密封性，导致重新作业，浪费大量的作业费，同时影 响了原油生产，其间接损失巨大。为此，油管螺纹扣的加工质量急待提高。我厂 现今用于油管螺纹的加工设备为q k l 3 1 2 型数控管子车床，所用刀具是外螺纹成 型梳刀，加工过程没有自动监控设备，只能是操作者凭经验或者是靠后续检验工 序判断刀具的使用状况，这样很难保证产品的高质量，为了保证产品质量，提高 我厂的加工技术水平，因此厂里提出了研制适合于我厂油管加工过程中的刀具状 态监测系统的要求。 1 2 完成本课题的意义 刀具切削过程是一个十分复杂的过程，过程状态直接影响工件的加工质量， 包括机床、切削刀具、工件和其它切削条件等以及操作者的技术水平等主观因素。 在现代机械加工中，由于广泛采用计算机数控技术，c n c 数控机床一般精度较高， 故障率较低，所用夹具较少，一般能保证较高的工序能力指数和机械能力指数， 加工状态相对稳定，对加工质量影响较小，在加工程序编制正确的前提下，工件 精度完全由机床精度保证，操作者的主观因素对工件质量几乎无影响。而刀具状 态对加工质量的影响则存在于整个切削过程中，特别是刀具失效( 包括破损和磨 损) 是加工过程中必然产生的故障状态，刀具磨损状况直接影响工件的加工精度 和表面粗糙度，刀具破损则不仅影响工件质量，严重时甚至会影响整个加工系统 的正常运行，造成不可估量的经济损失。再者产品加工费用中刀具费用占很大比 例，在缺乏刀具实时监测装置的系统中，往往采用寿命管理的方法来防止刀具的 磨损和破损，但因刀具寿命的随机性，其寿命极限估计往往过于保守，以至于大 部分刀具未能充分利用，在无人化加工系统中，这意味着换刀次数和刀具费用的 提高，造成巨大的浪费。 随着市场经济的发展，效益成为企业的生命线，市场则是衡量企业能力的准 绳。产品要想赢得市场，质量是关键。先进的制造加工技术则是产品高质量的必 要保证。油管是我们胜利石油管理局总机械厂的主导产品，年产值占我厂总产值 的一半以上，提高油管加工的自动化水平和油管产品的质量，必然会给我厂带来 可观的经济效益。现今我厂年产各种油管3 0 0 0 0 多吨，折合约三十万根左右，六 十万次螺纹加工，几乎每个星期都有刀具破损情况的发生，由于加工环境因素和 操作人员疏忽等原因，刀具出现破损而得不到及时处理，造成返工或者使工件报 废，每年因此而产生的直接经济损失都在1 0 万元左右，更有甚者刀具破损有可 能会损毁刀杆，机床或者是酿成人身事故，这将会带来不可估量的损失。 本课题的研制成功具有深远的意义和广泛的市场价值，首先大大提高了油管 加工的自动化水平，减少了操作工人的劳动强度；其次提高了产品质量，减少事 2 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 故的发生，带来直接的经济效益；最重要的一点就是积累了经验，从理论和实践 两方面提高了我厂生产的科学技术水平，为我厂将来的发展作出贡献。 1 3 本课题的内容及任务 本课题的具体任务是研制一套实用的刀具破损在线监测系统，对我厂油管螺 纹加工中最为关键的、对产品质量影响最大的螺纹梳刀的加工状态进行实时监 控，并进行相应的实验，取得刀具加工状态数据，要求监测系统具有实时性、工 作稳定性、适应性、快速响应性、经济性、易于操作、调整和维护修理等性能， 以及较低的误报率和漏报率。 随着科学技术的进步i 刀具加工状态监测手段越来越多，也越来越先进，本 课题从生产实际出发，着重于解决实际问题，同时又要兼顾技术的通用性、先进 性和将来的发展。因此，其内容一方面要研制出一套系统，即刀具破损的在线监 测系统，该系统在加工过程中出现破损情况下能够对刀具的破损状态及时准确地 发出警报，以提醒操作工刀具已经损坏，及时换刀；另一方面又要考虑到追踪当 前国际先进技术，对刀具加工状态作定性分析，为将来技术上的发展和产品的推 广应用作准备。 课题中的难点在于信号的实时采集和数据处理上，由于计算机的计算速度有 限，同时高速数据采集中所得到的大量的数据的传输需要一定的时间，使得系统 的实时性指标受到影响，为此，需要选择高性能、大缓冲区的数据采集设备，还 要利用信号处理中的快速算法，精简运算步骤，才能使系统的实用成为可能。 具体研制内容有： l 、提出组成系统方案，确定系统结构； 2 、精选系统组件，包括声发射传感器、前置放大器、数据采集器、计算机 等，综合考虑系统的性价比； 3 、组成实验系统及软件，完成对刀具加工各个状态的声发射特征信号的提 取； 4 、编制系统管理软件，确定系统阈值及数据处理方法； 5 、系统现场调试，完善系统功能； 6 、系统性能分析及现场功能测试； 7 、系统改进方案。 上海交通大学= r 程硕士学位论文 第二章相关技术的国内外发展状况 第二章相关技术的国内外发展状况 2 1 制造业自动化 现代机械制造技术的发展由于信息技术的引入而摆脱了传统机加工理念的 束缚，它不仅仅只是一些简单的物理动作，而是以信息流为主的自动的、无人化 的动态系统，然而这是要建立在稳固的基础功能和可靠的状态监测之上的。现代 制造技术的发展主要体现在以下三个方面阱j ： 1 、制造技术不断提高。据报道，在1 9 5 0 年一1 9 8 0 年的三十年间，普通机械加 工的精度已提高了一倍，达到5i n ，精密加工的精度提高了近两个数量级， 而超精密加工则进入了纳米时代，2 0 0 0 年纳米技术已经成为妇孺皆知的话 题； ， 2 、非传统加工越来越普遍。由于机械产品性能、结构优化的需要，加上各种新 材料的发展，现代机械产品中，复杂异形零件的数且越来越多，非传统材料 的应用也越来越广泛，传统加工方法( 车、铣、刨、磨等) 已不能适应需要， 因此出现大量的新方法、新工艺，除电解、电火花加工外，又相继出现了激 光、超声波、电子束、等离子束、水喷射等许多原理不同、方法各异的非传 统加工方法； 3 、传统机械加工向高速度、高效率、自动化方向发展，特别是向数控化、柔性 化和集成化方向发展。由于科学技术的进步和新刀具材料科学的发展，机械 加工中的切削速度有大大提高的趋势。五十年代普遍采用的是高速钢刀具， 切削速度只有3 0 - - 4 0 r e r a i n ；现在广泛采用的硬质合金刀具和超硬材料涂层 刀具，车削和铣削速度可达5 0 0 m r a i n 以上；陶瓷刀具可达8 0 0 - - - 1 0 0 0 m m i n ； 中等规格车床的主轴转速最高转速过去只有1 2 0 0 - - - 1 6 0 0 r p m ，现在则已达到 3 0 0 0 - - - 5 0 0 0 r p m ，加工中心机床则达1 0 0 0 0 r p m 以上；工作台快移速度达到 1 0 0 m m i n ，自动换刀速度一般为2 - - 5 s ，最快达到0 5 s 。 机械制造技术的另一个重要发展方向是提高自动化程度。加工过程自动化大 致经历了以下三个阶段： 1 、单机自动化，从机械或凸轮控制的自动机床演变到计算机数控( c n c ) 机床； 2 、刚性自动化，以汽车、拖拉机等大批量生产的自动线为代表； 3 、柔性自动化，以中、小批量生产的柔性制造技术，如柔性制造单元( f m c ) 、 柔性制造系统( f m s ) 和独立制造岛为典型代表。 随着“数字化”概念的不断深入和加强，传统的模拟式的生产管理方式也逐 渐被淘汰，而代之以机器智能化和脑力劳动计算机自动化为主要标志的计算机集 成制造系统( c i m s ) ，这也是现今合理化生产的主要模式之一。 2 2 声发射技术 声发射( a e ) 方法是近些年来发展起来的最有前途的刀具状态监测方法之 一，由于它监测的是刀具磨损和破损时产生的高频弹性应力波信号1 6 j ，避开了加 工过程中振动和音频噪声污染严重的低频区，在所感兴趣的频率范围内灵敏度较 高，抗干扰能力强，因而，在刀具切削状态的监测中得到广泛应用。 声发射是指物体在形变或受外界作用时，因迅速释放( 弹性) 能量而产生瞬 态应力波的一种物理现象【3 1 。与超声、涡流等其它常规无损检测方法相比，声发 射具有能动态监测且覆盖面大的优势。虽然它是近几十年，特别是上世纪5 0 年 4 上海交通大学工程硕上学位论文 第二章相关技术的国内外发展状况 代后才迅速发展起来的一种无损检测方法，但人们对声发射这一现象的了解却由 来已久。 5 0 年代初，德国人k a i s e r 对金属材料的声发射现象进行了详尽研究并发现 了后来以其名字命名的声发射不可逆效应恺撒效应。这一效应在工业上得到 广泛应用，成为用声发射技术监测结构完好性的依据。6 0 年代中期，美国人 d u n e g a n 等把声发射的测试频率范围移到超声频段( 数十到数百千赫) 。这一“简 单的移动”大大削弱了背景噪声的影响，为声发射的实际应用打下了良好的基 础。直到7 0 年代，声发射技术经历了一段蓬勃发展的阶段。在此期间，声发射 波传播理论研究及声发射传感器的校正理论和实验技术方面都取得了很大进展。 这些无疑都为声发射技术的发展奠定了良好的基础。 我国于上世纪7 0 年代开始研究和应用声发射，希望利用声发射预报和测量 裂纹扩展的开裂点，当时正是我国断裂力学发展的高峰。自从声发射学会成立后 的2 0 年来，我国声发射技术在研究和应用的深度和广度上都有了较大地发展。 从研究范围看，已从最初的仅限于压力容器、金属疲劳和断裂力学应用等，发展 到目前的金属材料、复合材料、岩石、工业制造过程监测及磁声发射等领域。在 一些基本理论的研究上，如声发射波的传播、波形分析、声发射传感器校准等方 面也取得了长足进步。在前沿研究领域，如神经网络分析和声发射信号模式识别 方面也有较迅速的发展。近几年，我国基本每两年举办一次全国性声发射会议， 推动了我国声发射技术的发展。国际上一些重要学术会议，如世界无损检测会议 ( w c n d t ) 国际声发射技术研讨会、日本声发射研讨会和亚太地区无损检测会 议等都有我国声发射工作者的学术报告和论文。此外，还经常邀请国外声发射专 家来我国作学术报告和进行技术交流。 鉴于8 0 年代前人们在声发射信号处理方面的能力限制，以及对声发射源性 质和声发射波产生后到达传感器过程中的传输特性等的认识缺少应有的深度，在 实验结果的重复性和可靠性等方面存在不少问题。8 0 年代初，声发射技术曾陷 入低谷。8 0 年代末9 0 年代初，由于计算机和信号处理技术的迅速发展，声发射 技术又一次处于稳步发展阶段。1 9 8 9 年的全国第四届声发射会议就已指出“我 国声发射技术的研究、应用和仪器研制队伍不断扩大，技术水平不断提高，表明 我国声发射技术发展已经走出低谷，向新的高峰攀登”。 时至今日，声发射技术已变得日趋成熟，其应用范围已覆盖航空、航天、铁 路、汽车、加工业、建筑、石化和电力等几乎所有领域。随着无损检测技术的飞 速发展，声发射技术在无损检测领域中的地位不断提高，在某些场合，如大型油 罐的在役测试，声发射技术已成为唯一可行的检测手段。预计，随着新一代全数 字化声发射仪器和功能强大的信号处理软件的问世，尤其是人们对声发射源和声 信号传播理论更深层次的认识，声发射技术在未来1 0 年内将经历一个新的往更 高层次发展的阶段，并获得更广泛的应用。 2 3 数据采集及声发射信号的提取 数据采集是系统检测和控制的根本，它相对于系统来说就好比是人的眼睛、 耳朵、鼻子和舌头，以及皮肤等感觉器官，它们把来自于外界的信息转换成为人 的大脑所能认知和处理的数据，大脑通过它们传送来的信息进行处理、判断，然 后作出命令。毋庸置疑，数据采集的重要性是显而易见的。 广义上的数据采集系统包括传感器和a d 转换器，它是数字技术的产物， 随着数字技术的不断更新，数据采集技术也在飞速发展。传感器的多样化，使得 上海交通大学工程硕士学位论文第一二章相关技术的国内外发展状况 自然界中几乎所有的信号都能被人类所采集利用，长度、重量、温度、压力、以 至于光信号、电磁波、宇宙射线等等。人们正是利用这样那样的传感器，再经过 刖d 转换器把自然界的信息量化，继而对数据进行存储分析并处理，人类也正是 应用这个途径认识了世界，改造了世晃，最终发展到现在的“数字地球”理论。 声发射检测的仪器研究始于上世纪5 0 年代末、6 0 年代初，近4 0 年来，声 发射仪器的设计、构造与性能都发生了巨大的变化。推动这种变化的原因主要来 自三个方面1 4 】：1 、声发射基础研究的深入和现场、实验数据的大量积累；2 、与 声发射技术相关的学科特别是计算机、控制与信息科学、集成电路与数字处理技 术的迅速发展：3 、日益扩大的应用领域对声发射仪器不断提出新的要求。然而， 声发射仪器的发展离不开换能器，正是传感器的性能从根本上决定了声发射检测 系统的信噪比、动态范围和信息量。 声发射通常是作为一种随机现象来研究的，对它的描述、特征提取和仪器组 成也是从相似的领域( 例如地震、核电子学等) 借用过来的。目前采用的主要特 征参数有事件发生时间或时差、前沿( 上升) 时间、( 振铃) 计数、事件或撞击、 幅度、能量、有效值或对数有效值电平和持续时间( 事件长度) 等。另外，还提 出过一些新的参数，如幅度分布的厚度、时差识别的能量矩、频谱分析的高阶交 叉等，但除去一些特殊场合以外，它们并未被仪器发展的潮流所普遍接受。尽管 如此，这些参数仍有许多的细化和深入。 传统模拟仪器的数据采集思路是突出采集有用信号，而这往往只是主观上的 意愿，实际上很难做到这点，因此这种方法对干扰噪声特别敏感，也造成了传 统仪器使用上的局限性。早期的声发射系统采用了通道闭锁的方法，这同传统的 空间滤波方法具有非常的相似之处。这种做法以牺牲大量有用信息的高昂代价来 换取信号处理上的简化。研究表明，建立在上述设计思想基础上的检测系统，信 息丢失十分严重。 当今传感器的最新设计思路是尽可能地忠实于现实，把所有可能采集到的信 息，不管是有用信息，还是干扰噪声都统统采集上来，然后让计算机去分析、处 理、作结论。这样可以充分发挥应用先进的数学处理方法和数字处理技术以及当 前计算机高速的计算能力的优势。新一代声发射检测系统的设计者认为，采集、 记录声发射信号是第一位的，宁可混入噪声，也不能为排除噪声而丢失本征声发 射信息。系统的实时性主要表现在高速的数据采集、快速的数据分析和紧急情况 处理。对搜集到的全部声发射信号，可以应用近代先进的数据处理手段，通过快 速计算方法软件来进行分析和判断。 2 4 数字信号处理一 简单地说，数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 是利用计算机或 专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等 加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的【“。数字信号处理技术及设备具 有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是 模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。 众所周知，几乎所有的工程技术领域都要涉及到信号问题。这些信号包括电 的、磁的、机械的、热的、声的、光的及生物体的等等各个方面。如何在较强的 背景噪声下提取出真j 下的信号或信号的特征并将其应用于工程实际是信号处理 技术要完成的任务。因此可以说，信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域。 自6 0 年代以来，随着计算机和信息学科的飞速发展，数字信号处理技术应运而 6 上海交通大学1 二程硕士学位论文 第二章相关技术的国内外发展状况 生并迅速发展，现已形成- - i 1 独立的学科体系。近2 0 多年来，数字信号处理是 紧紧围绕着理论、实现及应用三个方面迅速发展起来的，它以众多的学科为理论 基础，其成果又渗透到众多的学科，成为理论与实践并重、在高新技术领域中占 有重要地位的新兴学科。 数字信号处理在理论上所涉及范围极其广泛，在数学领域中，微积分、概率 统计、随机过程、高等代数、数值分析、近世代数、复变函数等等都是它的基本 工具，网络理论、信号与系统等均是它的理论基础。在学科发展上，数字信号处 理又和最优控制、通信理论、故障诊断等紧密相连，近年来又成为人工智能、模 式识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一，其算法的实现( 无论是硬件还是 软件) 又和计算机学科及微电子技术密不可分。因此可以说，数字信号处理是把 经典的理论体系( 如数学、系统) 作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系 列新兴学科的理论基础。 在国际上，一般把1 9 6 5 年快速傅立叶变换( f f t ) 的问世，作为数字信号 处理这一新学科的开端。在这3 0 余年的发展中，数字信号处理自身已基本上形 成一套较为完整的理论体系。这些理论主要包括： 1 、信号的采集( a d 技术、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等) ： 2 、离散信号的分析( 时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等) ； 3 、离散系统分析( 系统的描述、系统的单位抽样响应、转移函数及频率特性等) ； 4 、信号处理中的快速算法( 快速傅立叶变换、快速卷积与相关等) ； 5 、信号的估值( 各种估值理论、相关函数与功率谱估计等) ； 6 、滤波技术( 各种数字滤波器的设计与实现) ； 7 、信号的建模( 最常用的有a r 、m a 、a r m a 、p r o n y 等各种模型) ； 8 、信号处理中的特殊算法( 如抽取、插值、奇异值分解、反卷积、信号重建等) ； 9 、信号处理技术的实现( 软件实现与硬件实现) ； 1 0 、信号处理技术的应用。 由上述1 0 个方面可以看出，信号处理的理论和算法是密不可分的。把一个 好的信号处理理论用于工程实际，需要辅以相应的算法以达到高速、高效及简单 易行的目的。例如，f f t 算法的提出使d f t 理论得以推广，l e v i n e o n 算法的提 出使t o e p l i t z 矩阵的求解变得很容易，从而使参数模型谱估计技术得到广泛应用。 这样的例子在信号处理中还可以举出很多。 数字信号处理中所涉及的信号包括确定性信号、平稳随机信号、时变信号、一维 及多维信号、单通道及多通道信号。所涉及的系统也包括一维系统、二维系统、 多通道系统，对每一类特定的信号与系统，上述理论的各个方面又有不同的内容。 伴随着通信技术、电子技术及计算机的飞速发展，数字信号处理的理论也在不断 地丰富和完善，各种新算法、新理论正在不断地被提出，可以预计，在今后的十 年中，数字信号处理的理论将获得更快地发展。 数字信号处理的实现，大体上有如下几种方法： 1 、在通用的计算机上用软件来实现。软件可以由使用者自己编写，也可以使用 现成的。自i e e e d s pc o m m 于1 9 7 9 年推出第一个信号处理软件包以来，国 外的研究机构、公司也在推出不同语言、不同用途的信号处理软件包。这种 方法随着计算机性能的飞速提高和虚拟仪器的发展，越来越得到人们的重视， 应用前景十分广阔； 2 、用单片机来实现。目前单片机的发展速度很快，其功能也很强。依靠单片机 的硬件环境配以信号处理软件可用于工程实际，如数字控制、医疗仪器等； 7 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章相关技术的国内外发展状况 3 、利用专门用于信号处理的d s p 芯片来实现。d s p 芯片较之单片机有着更为突 出的优点，如内部带有乘法、累加器，采用流水线工作方式及并行结构，多 总线、速度快，配有适于信号处理的指令等，d s p 芯片的问世及飞速发展， 为信号处理技术应用于工程实际提供了一种行之有效的途径； 4 、利用特殊用途的d s p 芯片来实现。现在国际上已推出专门用于f f t 、f i r 滤 波、卷积、相关等专用芯片，其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使 用者给出输入数据，可在输出端直接得到结果。 数字信号处理一经问世，便吸引了很多学科的研究者，并把它应用于自己的 研究领域。可以说，数字信号处理是应用最快、成效最为显著的新学科之一。在 语音、雷达、声纳、地震、图像、通信系统、系统控制、生物医学工程、机械振 动、遥感遥测、地质勘探、航空航天、电力系统、故障检测、自动化仪器等众多 领域都获得了极其广泛的应用，它有效地推动了众多工程技术领域的技术改造和 学科发展。近年来，随着多媒体技术和信息技术的发展，d s p 芯片已在家电、电 话、磁盘机等设备中广泛应用。毫不夸张地说，只要你使用计算机( 通用机、专 用机、单板机、单片机或是一个简单的c p u ) 和数据打交道，就必然要应用数 字信号处理技术。 2 5 虚拟仪器 计算机和通信技术正改变着人类的生存空间。“数字地球”概念的提出告知 人们要充分利用数字信息，促进社会进步和发展。信息时代离不开数据采集传输 和处理。数字化仪表不断替代模拟化仪表。 虚拟仪器( v i ) 是随着计算机技术、现代测量技术发展起来的新型高科技产 品，代表着当今仪器发展的新方向。本课题的设计思路也正是要设计一个应用于 刀具切削过程中状态监测的虚拟仪器。虚拟仪器的概念是由美国国家仪器 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司首先提出，是对传统仪器概念的重大突破。其概念 可具体描述为“虚拟仪器是利用现有的p c 计算机、加上特殊设计的仪器硬件和 专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新 型仪器”。虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能和想象力的空间，用户 ( 而不是仪器厂家) 可以根据自己的需求设计自己的仪器系统，从而满足多种多 样的应用需求，可广泛应用于科研、生产、军工的测量和控制系统。 一般的传统仪器基本上都是由三大功能块组成：信号的采集与控制、信号的 分析与处理、结果的表达与输出。由于这些功能块全是以硬件( 或固化的软件) 的形式存在的，从而决定了传统仪器只能由仪器厂家来定义、制造，而用户无法 改变。而且传统仪器一般都是独立使用、手动操作，对于较为复杂、测试参数较 多的场合，使用起来就很不方便，其局限性非常明显。而虚拟仪器则克服了传统 仪器的这些缺点，它把仪器的三大功能块全部放到计算机上来实现，在计算机上 插数据采集卡，用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号的分析与处理， 以各种形式输出检测结果。总之，虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义、 用户无法改变的模式，它利用计算机丰富的软硬件资源大大突破了传统仪器在数 据的处理、表达、传送、显示和储存等方面的限制，有极好的性能价格比。具体 比较见表1 1 2 5 】： 8 上海交通大学工程硕士学位论文第二章相关技术的国内外发展状况 表2 1 虚拟仪器同传统仪器的比较 t 出i e2 1v i r t u a li n s t r u m e n t sc o n t r a s tt op r e v e n t i a li n s t r u m e n t s 项目 传统仪器 虚拟仪器 仪器定义厂家用户 功能设定功能特定，与其它设备连接受到面向应用的系统结构，可方便的 限制 与网络、外设以及其它应用设备 连接 中心环节硬件软件 开放性封闭式系统、功能固定，不能更基于计算机技术的开放灵活的功 改能模块 性能价格 低高、可重复使用 比 技术更新慢( 周期卜1 0 年)快( 周期1 _ 年) 丌发维护开发维护费用高软件结构节省费用 虚拟仪器具有很多优点，其主要性能特点主要有以下六点： 1 、具有更好的测量精度和可重复性嵌入式数据处理器可以建立一些特定功 能的数据模型，如f f t 和数据滤波器，这不再需要随时间可能发生漂移并需 要定期标定的分立式模拟硬件了； 2 、测量速度快一- 钡0 量输入信号的几个性能参数( 如电压、频率、上升时间) 只 需要一个量化的数据块，要测量的信号参数就能被数据处理器计算出来。这 种将多种测量结合在一起的办法缩短了测试时间。而在传统的机架层迭式系 统中，必须把信号连接到每一台仪器上以便测量各个参数，这样测量值就受 电缆长度、阻抗、仪器校准和修正因子的差异的影响： 3 、减少开关和电缆一由于所有信号具有一个公用的量化通道，故允许各种测量 使用同一校准和修正因予，这样复杂的开关矩阵和信号电缆就能减少，信号 不必切换到多个仪器上； 4 、缩短系统组建时间所有通用模块支持相同的公用硬件平台。各软件驱动程 序或仪器处理程序不必单独产生。当测试系统要增加一个新的测量功能时， 只需增加软件来执行新的功能或增加一个通用模块来扩展系统的测量范围， 因而系统的组建时日j 短； 5 、用户定义测量功能一由于仪器功能可由用户级产生，故它不再是固定在硬件 中而不可改变的，当需要时可加入新的测量功能而不再购买一台新的仪器； 6 、可扩展性强一为提高测试系统的性能，可以方便的加入一个通用模块或更换 一个模块，而不是购买一套全新的系统。 2 6 刀具状态监控的发展及现状 随着f m s 、c i m s 的日益广泛使用，机械加工正朝着自动化、无人化方向迅 速发展，加工过程中刀具的状态监测以成为制约切削加工发展的重要因素。因此， 切削过程的实时监控变得越来越重要，动态监控已成为确保加工系统安全正常运 行，保证产品加工质量的必备手段。 刀具状态实时监控属于机械监测与故障分析诊断的一个分技术，它研究的是 刀具运行状态的变化在诊断信号中的反映，从而识别刀具状态的变化。刀具状态 的监控一般分为两大类方法：直接法和间接法。直接法是通过直接测量刀刃的形 9 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章相关技术的国内外发展状况 状、尺寸位置等参数来识别刀具的状态；间接法是通过检测与刀具切削状态相关 的参量来识别刀具切削状态。 迄今为止，在刀具失效监控方面人们已提出了数十种监测方法，依据其工作 原理、被监测信号及使用的传感器等方面的不同，大致分类如表2 _ 2 【2 2 所示： 表2 2 刀具失效监测方法 1 h b l e2 2m e t h o d st om o n i t o rt h ef a i lo f t o o l s 检测监控技术对象工作原理 接触触发式探头探头的测杆碰到刀刃后，产生偏转并发信号，经控制 器确定当前坐标。 直接近式传感器测量传感器与刀刃间的间隙。 接光学技术利用磨损棱面反射的光线或c c d 摄像，再经图像处 法 理和模式识别。 电阻法测刀具工件间接触电阻，反映磨损面变化。 放射技术刀具注入同位素，测切屑中的放射性。 刀架工件的位移刀具磨损引起刀具与工件i 日j 的相对位移。 工件尺寸的变化刀具磨损引起工件尺寸的变化。 工件表面粗糙度刀具磨损引起工件表面粗糙度增大。 日j 切削温度切削温度上升与刀具磨损存在相关性。 接 切削力 切削力反映刀具切削性能的恶化程度，如测主切削 法 力、测进给分力、测分力比值及其微分值等。 电机负载原理同切削力，检测功率、扭矩或电流。 动态特性切削声音、刀具振动和动态力与刀具磨损有联系。 声发射切削中塑性应变能释放所产生的弹性应力波即声发 射信号，刀具磨损、特别是破损会引起声发射某些参 数的显著变化。 这些方案中的大多数尚处于实验室研究阶段，目前相对较为成熟的是切削力 扭矩法、主轴功率电流法、c c d 图像识别法和声发射法。声发射方法是近些年 来发展起来的最有前途的监测方法之一，由于它监测的是刀具磨损和破损时产生 的高频弹性应力波信号，避开了加工过程中振动和音频噪声污染严重的低频区， 在所感兴趣的频率范围内灵敏度较高，抗干扰能力强，因而在刀具切削状态的监 测中得到应用潜力最大。 1 9 7 7 年日本岩田一明和森胁俊道第一次将声发射技术应用于切削过程的刀 具监控，之后各国相继开展了刀具声发射监控的研究。1 9 8 1 年至今国内外在这 方面已经申请了一百多项专利。1 9 8 4 年日本大阪机工( o k k ) 公司首次推出了 商品化的c c m 1 型声发射刀具监视仪，接着美国b e n d i x 公司又推出了检测刀具 破损的声发射监控器，此外，美国d u n e g a n e n d e v c o 公司也有产品供应。 在我国，声发射技术的研究工作是从七十年代开始的，八十年代初，声发射 法刀具监控的研究工作也开展起来，八十年代后期即出现商品化刀具监测仪。在 1 9 9 0 年中国机床博览会上，清华大学推出了系列声发射切削过程监视仪，成都 工具所和西北工大等单位也展出了一些刀具监视仪样机。9 3 年北京国际机床博 览会上清华大学又推出t m 8 0 0 0 系列声发射刀具监控仪。同期，上海交通大学 也推出了a e 1 型刀具破损声发射监控仪。 到现在为止，刀具失效声发射监控仪的发展大致可分为三代，第一代声发射 监控仪大多以模拟器件为主，如c c m 1 ，其原理图见图2 - l t 2 2 j ，功能单一，稳定 1 0 上海交通大学工程硕士学位