罗明超胡仲翔林允森
摘要介绍基于虚拟仪器软件平台，声发射(AE)监刚系统对起源于磨削加工过程中，砂轮对工件的磨削和修整砂轮接触时超高频率信号进行监测。建立磨削加工过程中的声发射(AE)信号与机床及砂轮磨钝之间的非线性关系，根据磨削加工过程中的AE信号变化，实现在线控制关键的磨削参数、消除空程、自动反馈碰撞状况及砂轮修整监测。
一、引言
随着自动化制造技术的发展，传统的机械制造系统已逐步被先进的柔性制造(FMS)、计算机集成制造(CLMS)和智能制造(IMS)所代替。为了提高效率，保证加工质量，防止生产加工中出现重大事故，上述先进制造系统要求必须配备相应的实时性和可靠性都很高的监控系统目前，声发射(AcousticEmissions)技术已成功地用于无损检测。由于声发射不受机床振动影响，并包含直接来自磨削点有关磨削现象的丰富信息，因此近几年来声发射信号作为磨削加工中一个特征日益受到了人们的重视。
在磨削加工中，砂轮的磨损状态是砂轮磨削性能好坏的重要指标之一，它影响着磨削加工效率和加工质量。然而，影响磨削过程的因素较多，如磨削过程中砂轮的磨损、对刀精度等，仅靠操作者来获得较好的磨削效果难度较大，迫切需要找到一种对磨削加工进行在线监测的方法。1984年以来，声发射技术被引入磨削研究领域，利用它来消除空程、监测磨削质量（主要包括磨削裂纹和磨削烧伤）、磨削过程（包括砂轮磨损、砂轮与工件接触等）以及砂轮参数的测定（砂轮修整质量参数和砂轮硬度等），并取得了令人满意的效果。
目前，磨削加工正朝自动化、智能化方向发展。但是，众多的影响因素为数学模型的建立造成了极大的困难，致使依赖于数学模型的自动化控制方法无能为力。为此本文提出了利用虚拟仪器技术对磨削加工中的声发射信号进行控制的方法。即在每种加工条件下，以各阶段声发射信号幅值增量之和△T来建立砂轮钝化程度和砂轮破裂和破损之间的非线性关系。声发射信号能够提供磨削加工各方面信息，利用它可以实现对加工过程的状态进行多方面监测，并能为磨削加工智能化控制提供多种特征信息，使系统具有较好的特征辨识能力，提高控制质量。
二、系统实现方案和结构框架
1．总体方案设计
磨削加工声发射监测系统以PC机为核心，包括AE传感器、放大器和滤波器等组成的调理电路、数据采集板及各种接口电路等硬件，如图1所示。其工作过程如下。
图1磨削加工声发射监测系统
(1)信号的采集。安装在磨床主轴上的声发射传感器，将探测到的磨削加工过程中所产生的高频率信号转换成电信号，经过放大器和滤波器传给数据采集卡，由计算机接收和处理。
(2)信号的分析与控制。计算机把接收来自数据采集板的信号，通过以虚拟仪器技术为平台的磨削加工声发射监测软件系统，对声发射信号进行分析与处理；通过与同样频率的已知背景程度作比较，就可自动并迅速地了解磨床上产生高频率声音的主要特征信息，如磨床砂轮与修整器或工件的最初接触；砂轮与这些部分的不正常或剧烈接触（撞击）；以及与修整器部件的接触。
(3)结果输出。可以通过CNC通道及控制面板的主屏幕来显示。依据该系统的控制环节，对各种情况的声发射信号特征产生相应的开关信号，然后转换成继电器输出，通过编程方式消除空程时间，防止部件撞击，准确控制砂轮修整实现磨削智能化。
本系统在设计上充分运用了虚拟仪器技术，采用标准的模块化硬件，以计算机为平台，构建了具有处理各种情况下的声发射信号能力的高精度磨削加工声发射监测系统。这些标准化、模块化的功能块，能够直接插在计算机的扩展槽内，其软件也使用模块化的可重用代码。虚拟仪器充分利用了计算机的资源（处理器、存储器、显示器等）及插件卡功能（定时、A/D,D/A变换器、调整缓存、数2050字10电路等），通过支持软件来完成数据采集、过程通信、数据分析处理及仪器界面设计等功能。
2．系统软件设计
系统软件分为几个层次，包括硬件驱动程序、应用程序、界面程序。硬件驱动程序主要是用来初始化虚拟仪器，设置特定的参数和工作方式，使硬件保持在正常的工作状态。应用程序主要用来对输入计算机的数据进行分析和处理，就是通过编制应用程序来定义虚拟仪器的功能。界面程序用来提供虚拟仪器与用户的接口，用于显示监测的结果等。同时，用户还可以通过界面上的开关和按钮，用键盘或鼠标实现对虚拟仪器的操作。
基于虚拟仪器技术的磨削加工监测系统软件的特点，就是利用现有的PC计算机，通过应用程序将计算机和功能化模块硬件结合起来。用户通过友好的图形界面操作这台计算机，就像是在操作一台自己设计的测试仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。系统软件结构见图2。
图2磨削加工监测系统软件结构
三、软件功能的实现
1．信号分析处理
磨削加工监测软件首先完成对加工过程中的实时状态监测与运行信息的采集、存储和处理，并利用相应的信号分析技术，如快速傅立叶变换（FFT）、小波变换（Wavelet）和包络分析（Enveloping）等进行故障信号识别，从而达到对磨削加工运行状态监控和故障预警的目的。虚拟仪器系统中的信号分析（如谱分析、小波分析、人工神经网络和模式识别以及相关分析等）、滤波器（包括低通、带通、高通滤波器）、信号实时在线显示以及仪器操纵面板等均由IabVIEW7.0软件实现。其中，在分析过程中，复杂的数学计算则由】IabVIEW调用Matlab函数库完成。
2．系统软件功能
实验证明，在磨削过程中，当砂轮表面状态为变化因素时，声发射信号的幅值和砂轮表面的状态有很好对应关系。当声发射信号幅值增大到一定的程度，就可认为砂轮已经钝化。因此通过设定合适的阂值，作为控制砂轮钝化的条件，可用来检测砂轮的钝化。但是在实际加工中，加工条件，尤其加工参数是经常变化的，使得声发射信号也随之发生变化，使得通过检测声发射信号的实测幅值大小来判断砂轮钝化不大可能。为此采用了基于虚拟仪器技术平台进行磨削加工声发射信号的处理，设定合适的阂值，通过监测声发射信号幅值变化监测磨削加工状态。采用不同磨削条件下（不同的磨削对象和磨削参数）产生的声发射信号幅值增量之和△T，作为监测砂轮钝化程度的信号源（图3）。AE信号幅值增量之和△T=△T1十△T2十△T3…十△Tn；其中，△T1，△T2，△Tn分别为不同磨削条件产生的AE信号幅值增量。把△T与设定阂值相比较，如果超过阂值，则表示砂轮已经钝化，需要进行修整。
图3不同磨削条件产生的声发射信号幅值变化
将上述信号进行小波分析，获取信号的能量分布，以此作为信号特征来识别砂轮状态；砂轮状态的识别采用BP神经网络，它能建立磨削加工过程中的空程信号、正常磨削信号、碰撞信号等AE信号特征与砂轮状态的非线性关系。
该系统具有以下的功能：
(1)信息采集与数据传输功能。系统在驱动程序的基础上可实时多通道采集环境参数，并与下位机进行实时串口通信，接收监测仪器采集的信息。
(2)信号分析处理功能。利用虚拟仪器的内部函数进行信号的分析与处理，对声发射信号进行数字滤波、异常信号剔除、数据分析等处理功能。
(3)信号控制功能。应用程序通过对数据进行处理和分析，建立监测系统的数据库。控制模块将处理后的各种信号产生相应的开关量信号，然后转换成数控磨床上继电器输出。从而完成对在线监测磨削加工过程的自动控制。
(4)信息输出功能。系统可方便地与外界交换信息，测试结果和数据输出迅速、直观、准确。如监测数据的动态显示、声光报警、历史数据的图形显示、报表打印、硬拷贝等。
四、结束语
运用虚拟仪器技术开发的监测系统，硬件大大减少，测试功能完全由软件来实现，加快了测试进程。该系统能自动完成砂轮状态的在线监测和修整，实现了砂轮修整的智能化、自动化。磨削过程中的声发射信号含有丰富的信息，监测声发射信号源的信号特征的获取及相应信号的处理方法仍是在线监测磨削加工的难点。
参考文献
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