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Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16813 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Online-Überwachung der Schnittbedingungen ist in der intelligenten Fertigung unerlässlich, und Vibrationen sind eines der wirksamsten Signale zur Überwachung der Bearbeitungsbedingungen. Im Allgemeinen sollten herkömmliche kabelgebundene Beschleunigungsmesser auf einer bewegungslosen oder stabilen Plattform wie einem Werkzeughalter oder einem Drehmaschinenbett installiert werden, um Vibrationen zu erfassen. Solche Installationsmethoden würden dazu führen, dass die Signale schwerwiegenderen Rauschstörungen und einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis ausgesetzt wären, was zu einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber wertvollen Informationen führen würde. Daher wurde in dieser Studie ein neuartiges dreiachsiges drahtloses On-Rotor-Sensing-System (ORS) zur Überwachung des Drehvorgangs entwickelt. Der Beschleunigungssensorknoten des Micro Electromechanical System (MEMS) kann an einem rotierenden Werkstück oder Spindelrotor montiert werden und erkennt die Vibrationen des gesamten Rotorsystems empfindlicher, ohne dass das Drehmaschinensystem geändert und der Schneidvorgang beeinträchtigt werden muss. Der Prozessor, die Datenerfassung und die Bluetooth Low Energy (BLE) 5.0+-Module wurden für die Zusammenarbeit mit einem piezoelektrischen dreiachsigen Beschleunigungsmesser mit einer Vibrationsamplitude von nicht mehr als ± 16 g entwickelt und debuggt. Es wurde eine Reihe von Drehtests durchgeführt und die Ergebnisse mit denen kommerzieller kabelgebundener Beschleunigungsmesser verglichen. Dabei wurde bewiesen, dass das ORS-System das Vibrationssignal des Rotorsystems effektiver und empfindlicher messen kann als kabelgebundene Beschleunigungsmesser, was die genaue Überwachung der Bearbeitung demonstriert Parameter.

Das Schneiden ist eine der wesentlichsten und grundlegendsten Fertigungstechnologien1. Die Online-Überwachung des Schneidprozesses ist für die Verbesserung der Produktionseffizienz, Produktqualität und Wirtschaftlichkeit unerlässlich. Die Erfassung eines Signals ist jedoch der erste und wichtigste Schritt, und die Qualität des erfassten Signals bestimmt direkt die Genauigkeit nachfolgender Prozesse. Daher ist die Entwicklung intelligenter Überwachungssensoren zur Online-Überwachung des Schneidprozesses zu einem wichtigen Thema geworden2.

Zur Erfassung dynamischer Informationen wurden verschiedene indirekte Sensoren eingesetzt3,4; Allerdings erfordern alle diese Sensorsysteme im Allgemeinen Kabel zur Datenübertragung und Stromversorgung sowie spezielle Datenerfassungsgeräte, was die Installation von Sensorsystemen begrenzt. Darüber hinaus sind kommerzielle Sensorsysteme für den Einsatz in herkömmlichen Fabriken meist zu teuer. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben der Entwurf und die Entwicklung integrierter Sensoren in letzter Zeit das Interesse mehrerer Forscher geweckt.

Im Jahr 1997 beschrieben Santochi et al.5 ein neues Konzept für Schneidwerkzeuge mit der Integration von Dehnungsmessstreifen für Sensoren im Werkzeugschaft, um die Kräfte bei Drehvorgängen zu messen. Goyal et al.6 stellten ein kostengünstiges berührungsloses Sensorsystem zur Erfassung fehlerhafter Lagervibrationssignale her. Albrecht et al.7 präsentierten eine Methode zur Messung der Schnittkräfte aus den Verschiebungen rotierender Spindelwellen. De Oliveira et al.3 und Rizal et al.8 entwarfen einen funktionalen Prototyp eines Hybrid-Dynamometers, der auf einem neu entwickelten Kraftsensorelement montiert war. Liu entwarf und konstruierte ein Dynamometer, das auf einer rotierenden Spindel montiert war und auf einem Faser-Bragg-Gitter9 basiert. Ting et al. entwarf und fertigte einen mehrachsigen Sensor aus Polyvinylidenfluoridfolie10.

Angesichts der Vorteile piezokeramischer Komponenten in Bezug auf Steifigkeit und Empfindlichkeit werden sie in jüngster Zeit aufgrund ihres hervorragenden Potenzials bei der Miniaturisierung und Integration von Sensoren zur Vibrationskontrolle und Überwachung von Schneidvorgängen als Sensoren eingesetzt11. Qin et al.12 entwickelten ein integriertes Schnittkraftmesssystem zur Messung der Axialkraft und des Drehmoments im Fräsprozess auf Basis der Sensoren des piezoresistiven mikroelektromechanischen Systems (MEMS). Chen et al.13 entwickelten innovative Drehwerkzeuge auf Basis des piezoelektrischen Films. Drossel et al.14 stellten ein Sensorkonzept vor, das auf piezoelektrischen Foliensensoren basiert, die direkt am Fräswerkzeug hinter der Wendeschneidplatte angebracht sind.

Vibrationssignale gehören neben Dynamometern zu den wirksamsten Signalen zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses15. Integrierte Sensorsysteme zur Schwingungssignalerfassung wurden jedoch selten untersucht. Xie et al.16 und Zhou17 entwickelten integrierte drahtlose Vibrationssensor-Werkzeughalter zur Überwachung des Fräsprozesses; Für den Einbau des Sensors sollte jedoch der Standard-Werkzeughalter modifiziert werden. Chung et al.18 entwickelten ein drahtloses drei-einachsiges MEMS-Beschleunigungsmesser-Sensorsystem; Die Abtastfrequenz betrug jedoch nur 150 Hz, was den Anforderungen des Mahlprozesses nicht entsprach. Totis et al.19 und Nguyen et al.20 entwickelten ein intelligentes Drehwerkzeug mit einem am Werkzeugschaft festgeklebten Sensor zur Überwachung des Drehvorgangs. Es ist jedoch lediglich erforderlich, die Schnittkraft zu messen und die Struktur des Schneidwerkzeugs zu modifizieren.

Nach bestem Wissen der Autoren wurden nur begrenzte Forschungsarbeiten zur Entwicklung integrierter drahtloser Vibrationssensoren zur Überwachung des Schneidprozesses von Drehmaschinen durchgeführt. Daher zielte diese Studie darauf ab, einen neuartigen dreiachsigen drahtlosen On-Rotor-Sensing (ORS)-Beschleunigungsmesser zur Überwachung des Drehvorgangs zu entwickeln, der bessere statische und dynamische Eigenschaften aufweist und darüber hinaus empfindlicher auf die vom gesamten Rotorsystem erzeugten Vibrationssignale reagiert .

Die folgenden Probleme wurden behoben.

Keine drahtlosen Vibrationssensorsysteme zur Überwachung der Drehvorgänge.

Probleme bei der Neukonstruktion und Neumontage von Drehwerkzeugen oder Drehmaschinen.

Unzureichende Analyse der dynamischen Eigenschaften des Systems anhand der Schwingungssignale.

Diese Studie entwickelte ein neuartiges drahtloses Vibrationsmodell unter Verwendung des ORS-Systems zur Überwachung der Drehprozesse und Bearbeitungsbedingungen (z. B. Werkzeugverschleißbedingungen und Auftreten von Werkzeugeinsatzbrüchen), das gleichzeitig triaxiale Vibrationssignale mit einem Messbereich von ± 16 g messen kann. Ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser wurde ohne Werkzeughalter oder Maschinenmodifikationen in die entworfene Sensorvorrichtung integriert, die an einem Ende des Werkstücks montiert wurde.

Ein Schema des dreiachsigen ORS-Systems ist in Abb. 1 dargestellt. Zu den Hardwaremodulen gehörten ein dreiachsiger Beschleunigungsmesser als Sensoreinheit, ein Prozessor als Datenverarbeitungseinheit und ein BLE-Chipmodul als Pack- und Übertragungseinheit. Eine Lithiumbatterie versorgte die Schaltkreise mit Strom. Die erfassten Beschleunigungssignale wurden über WLAN oder Bluetooth an die APP oder Cloud übertragen.

Schematische Darstellung des ORS-Systems.

ADXL345 ist ein dreiachsiger MEMS-Beschleunigungsmesser, der stabile Gehäusetechniken und eine geringe Rauschleistung von weniger als \(290ug/\sqrt{Hz}\) sowie einen geringen Stromverbrauch und geringe Kosten bietet. Die Abtastrate von ADXL345 beträgt 3200 Hz und die Kommunikationsbandbreite beträgt 1 Mbit/s. Die anderen Parameter von ADXL345 sind im Abschnitt Zusammenbau des ORS aufgeführt.

Die Platine der Verarbeitungseinheit und die Batterie wurden in ein zylindrisches Gehäuse integriert, wie in Abb. 3 dargestellt. Die Sensoreinheit wurde in der Mitte des Bodens des zylindrischen Gehäuses montiert, das von der Verarbeitungseinheit getrennt war, um den Einfluss von Vibrationen auf das Gehäuse zu verringern Prozessorplatine und Akku. Die zylindrische Hülle wurde mithilfe einer 3D-Drucktechnologie mit ABS-Harz hergestellt, um eine hohe Übertragungsqualität von BLE 5.0 zu gewährleisten. Das Gehäuse verfügte über einen Schaltknopf und einen Ladeschnittstellenanschluss und wurde durch Anziehen der Schrauben auf der Anschlussplatine montiert. Zur Verbindung des Sensors mit dem Werkstück wurde eine Verbindungshülse durch Anziehen der Bolzen verwendet. Folglich könnte sich das gesamte drahtlose dreiachsige ORS zusammen mit dem Zielrotorsystem drehen, um Online-Schwingungsinformationen zu erhalten.

Die Sensoreinheit wurde mit dem Prozessor verbunden und in eine separate Leiterplatte (PCB) integriert, wie in Abb. 2 dargestellt. Der rechteckige MEMS-Beschleunigungsmesser wurde nicht für die Platzierung in der Mitte der Leiterplatte konzipiert.

Konfigurierte Komponenten des Sensorsystems.

Das digitalisierte Signal wurde über einen Analog-Digital-Wandler an den nRF52840-Prozessor übertragen, der auf einer 32-Bit-ARM®-Cortex™-M4-CPU mit vollständiger Protokoll-Parallelität wie Bluetooth LE, Bluetooth Mesh, Thread und Zigbee basiert. In der vorliegenden Konfiguration wurden die digitalen Signale über Bluetooth LE 5.0 mit einer Baudrate der seriellen Schnittstelle von bis zu 1 Mbit/s übertragen.

Die Datenverarbeitungseinheit war in erster Linie für den Empfang, die Speicherung, die Verpackung und das Senden des digitalisierten Signals von der MEMS-Sensoreinheit verantwortlich. Mittlerweile wurde auf Basis von Arduino eine intelligente Host-Software entwickelt, um hexadezimale Daten in dezimale Zahlen umzuwandeln. Die Schwingungssignale des Dreiachsensystems wurden extrahiert, eine Frequenzanalyse durchgeführt und das endgültige Schwingungssignal sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich in der APP angezeigt.

Um die Baugröße zu reduzieren und die Installation zu erleichtern, wurden die Datenprozessor- und Funkübertragungsmodule auf einer doppelseitigen Leiterplatte integriert. Für die Stromversorgung des gesamten Systems wurde ein 3,7-V-Lithium-Akku verwendet. Die konfigurierten Komponenten des ORS sind in Abb. 2 (Tabelle 1) dargestellt.

Dreidimensionale Darstellung des Strukturmodells: (a) Baugruppenstruktur und (b) physisches Erscheinungsbild.

Das Gewicht der Sensoreinheit betrug nur 0,6 g und die Verarbeitungseinheit wog etwa 4,2 g. Das Gesamtgewicht des ORS zusammen mit der Verbindungsplatine betrug 87 g, wenn alle Komponenten in der 3D-gedruckten zylindrischen Hülle zusammengebaut sind. Das Gewicht des ORS ist im Vergleich zum Spindelsystem der Drehmaschine relativ gering und wurde durch die Verbindungshülse axial und symmetrisch an einem Ende des Werkstücks installiert. Daher hatten Design und Installation des Sensors nur geringe Auswirkungen auf die dynamische Unwucht des Spindelsystems.

Um die Ausgänge des am Spindelrotorsystem montierten ORS zu untersuchen, wurden drei kartesische Koordinatensysteme definiert, wie in Abb. 4 dargestellt. Das \(XYZ\) ist die Koordinate des stationären Rahmens des Rotorsystems, das als fungiert Referenz für jedes rotierende Objekt. Das \({X}_{O}{Y}_{O}{Z}_{O}\) ist eine rotierende Koordinate aufgrund der statischen Biegeverformung und der dynamischen Vibration der rotierenden Welle unter dem Einfluss der Schnittkraft. wie in Abb. 4a dargestellt. Der Mittelpunkt der rotierenden Welle wurde nach \({O}_{0}\) verschoben und die dynamische Schwingung wird ausgedrückt als \(\ddot{x}(t),\ddot{y}(t)\) in das feste Koordinatensystem \(XYZ\). Das \(UVW\) ist ebenfalls eine rotierende Koordinate, die während der Rotation mit einer Winkelgeschwindigkeit von \(\omega\) auf die positiven Ausgänge des ORS ausgerichtet wurde. Der MEMS-Beschleunigungsmesser wurde am Ende des Werkstücks montiert und es wurde angenommen, dass er eine Anfangsphase \({\theta }_{0}\) normal zur \(Z\)-Richtung hat, wobei seine V-Richtung radial und U ausgerichtet ist -Richtung tangential. Darüber hinaus gab es einen Versatz von \(r\) für den ORS, da er axial und symmetrisch an einem Ende des Werkstücks installiert wurde, während der MEMS-Beschleunigungsmesser nicht für die Platzierung in der Mitte der Leiterplatte ausgelegt war (Abb. 2).

(a) Spindelrotorsystem mit dem an einem Ende des Werkstücks montierten ORS und (b) Ausgabeanalyse des MEMS-Sensors im Rotorsystem.

Wie in Abb. 4b gezeigt, konnten sowohl die Zentrifugalbeschleunigung \({a}_{c}\) als auch die radiale Richtung und der Tangentialbeschleunigungsmesser \({a}_{t}\) vom ORS im erfasst werden V- bzw. U-Richtung. Darüber hinaus ist aus dem Prinzip des MEMS-Beschleunigungsmessers bekannt, dass er im Schwerefeld im Allgemeinen eine Beschleunigung von 1,0 g erfasst, jedoch in entgegengesetzter Richtung zur Erdanziehungskraft. Dies bedeutet, dass immer eine Beschleunigung von 1,0 g vertikal nach oben auftritt, unabhängig davon, ob das System rotiert. Daher sind die Ergebnisse des ORS:

wobei \({a}_{t}\) und \({a}_{c}\) ausgedrückt werden können als:

Dann ist das Matrixformat für Gl. (1) ist:

Gleichung (3) zeigt, dass die gemessenen Signale aus Beschleunigungen bestehen, die die dynamischen Eigenschaften der Rotation des Rotorsystems aufgrund des Bearbeitungsvorgangs und Komponenten der Erdbeschleunigungen widerspiegeln. Letzteres ist nicht das gewünschte Signal und sollte eliminiert werden, um die richtigen Rotordynamiksignale zur Identifizierung des Schneidstatus zu verbessern21.

Unter der Annahme, dass sich der Rotor mit einer zeitlich variierenden Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) dreht, gilt als \(\omega ={\omega }_{0}+{\omega }^{^{\prime}}\), wobei \({\omega }_{0}\) ist die stetige Winkelgeschwindigkeit und \({\omega }^{^{\prime}}\) ist die schwankende Komponente der Geschwindigkeit. Dann können die zentripetalen \({a}_{c}\) und tangentialen Beschleunigungen \({a}_{t}\) wie folgt geschrieben werden:

Denn die dynamische Schwankung der Winkelgeschwindigkeit eines Rotors \({\omega }^{^{\prime}}\) ist im Vergleich zu der der stationären Winkelgeschwindigkeit \({\omega }_{0}\) deutlich kleiner , der quadratische Term \(r{{\omega }^{^{\prime}}}^{2}\) ist vernachlässigbar. Folglich kann die dynamische Zentripetalbeschleunigung \({a}_{c}^{^{\prime}}\) angenähert werden als:

Darüber hinaus kann die dynamische Winkelgeschwindigkeit als periodisch betrachtet und wie folgt als Fourier-Reihe entwickelt werden:

wobei \({A}_{n}\) und \({\varphi }_{n}\) die Amplitude bzw. Phase der n-ten Harmonischen sind.

Schließlich können die dynamischen zentripetalen \({a}_{c}^{^{\prime}}\) und dynamischen Tangentialbeschleunigungen \({a}_{t}^{^{\prime}}\) ausgedrückt werden als Kombination harmonischer Komponenten wie folgt:

Im \({X}_{O}{Y}_{O}{Z}_{O}\)-Koordinatensystem kann \(\omega t\) wie folgt ausgedrückt werden:

wobei \({\theta }_{0}\) die Anfangsphase ist und die dritte Komponente im Vergleich zu den ersten beiden Komponenten vernachlässigt werden kann. Anschließend wird die zeitlich veränderliche dynamische Schwingung, wie in Gl. (3) kann wie folgt neu angeordnet werden

Aus Gl. (9), die rekonstruierte dynamische Beschleunigung \(\ddot{u}\left(t\right)\) und \(\ddot{v}\left(t\right)\), \(\mathrm{jeweils}, \), projiziert auf die U-Achse und die V-Achse, bestehen aus zwei Komponenten: der dynamischen Schwingung von \(\ddot{x}\left(t\right)\) und \(\ddot{y}(t) \) im Zusammenhang mit dem Schneidvorgang und den dynamischen Zentrifugalbeschleunigungen \({a}_{c}^{^{\prime}}\) und Tangentialbeschleunigungen \({a}_{t}^{^{\prime} }\). Bei der Durchführung einer Fourier-Transformation der Vibrationssignale ist es notwendig, die Projektion von Gravitationsbeschleunigungskomponenten zu eliminieren, um so die Rekonstruktion eines aussagekräftigen Vibrationssignals der dynamischen Zentripetalbeschleunigung \({a}_{c}^{^{\prime) zu ermöglichen }}\), dynamische Tangentialbeschleunigung \({a}_{t}^{^{\prime}},\) und dynamische Vibration \(\ddot{x}\left(t\right)\), \( \ddot{y}(t)\) aufgrund der Bearbeitung. Die Schritte zur Rekonstruktion des Beschleunigungssignals des Rotorsystems sind wie folgt.

Berechnen und bestimmen Sie die Lage der Rotationsfrequenz des Rotorsystems nach der Fourier-Transformation.

Subtrahieren Sie 1,0 g von der Amplitude in den komplexen Domänen, sowohl in der Projektion der X-Richtung als auch der Y-Richtung bei der Rotationsfrequenz.

Rekonstruieren Sie das Zeitbereichssignal mithilfe der inversen Fourier-Transformation.

Da die Spindel-Spannfutter-Anordnung einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Dynamik der bearbeiteten Werkstücke hat22,23, wurde mithilfe der Finite-Elemente-Methode ein System mit mehreren Freiheitsgraden bestehend aus Spindel, Zahnrädern, Spannfutter und Werkstück erstellt (FEM), wie in Abb. 5 dargestellt. Die vordere Lagergruppe bestand aus zwei DBB-montierten NSK 51214- und NSK 32014-Lagern. Das hintere Lager ist ein zweireihiges Zylinderrollenlager vom Typ NSK NN3019K. Die Hauptparameter der Lager sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Steifigkeit wurde mithilfe der theoretischen Methode berechnet, die in einer früheren Studie24 angegeben wurde, und ist in Tabelle 3 dargestellt.

Finite-Elemente-Modell des Spindelrotorsystems.

Tabelle 4 fasst die modalen Ergebnisse des Spindelrotorsystems zusammen. Es wurden vier Frequenzbänder bei etwa 46 Hz, 350–450 Hz, 750–900 Hz und 1000–1200 Hz beobachtet.

Wie in Abb. 5 dargestellt, ist das Spindelrotorsystem axialsymmetrisch und seine dynamischen Eigenschaften werden in X- und Y-Richtung als identisch angenommen. \({F}_{x}\) und \({F}_{y}\) sind die Projektionen der Schnittkraft auf die X- bzw. Y-Achse. Die Tangentialkraft \({F}_{x}\) ist die primäre Schnittkraft und macht mehr als 95 % der resultierenden Schnittkraft aus, während die Radialkraft \({F}_{y}\) weniger ausmacht als 10 %. Dadurch weist die Mitte des Spindelrotors eine leichte seitliche Auslenkung in X-Richtung auf. Die dynamischen Bahnen des Spindelrotorsystems weisen dann deutliche Schwankungen im Vergleich zu den üblichen Kreis- oder Ellipsenbahnen auf.

Die entsprechende dynamische Gleichung des durch die Schnittkraft angeregten Spindelrotorsystems wird ausgedrückt als4

wobei \(m,\) \({\omega }_{n},\) und \(\zeta\) die äquivalente Masse, Eigenfrequenz bzw. das Dämpfungsverhältnis des Systems sind. \(F(t)\) bezeichnet die momentane radiale Schnittkraft. \({F}_{\sigma }\left(t\right)\) ist die stochastische Schnittkraft aufgrund der Reibung oder Unsicherheiten bei der Bearbeitung, die die stochastische Resonanz des Maschinensystems anregen kann.

Die tangentiale Schnittkraft \(F(t)\) kann mit der empirischen Formel25 ermittelt werden:

wobei \({K}_{c}\) der Koeffizient ist, der sich auf die Materialien des Werkzeugs und des Werkstücks sowie auf die Schnittparameter bezieht, \(h\left(t\right)\) die tatsächliche Schnittdicke, auch bekannt als Schnitttiefe, \(w(t)\) ist die tatsächliche Schnittbreite und \(q\) bezeichnet den Exponenten, der experimentell ermittelt werden kann. Die Parameter von \(h\left(t\right)\) und \(w(t)\) hängen mit der momentanen Schwingungsschwankung in der XOZ-Ebene zusammen und können ausgedrückt werden als4:

wobei die Terme \({x}_{0}\) und \({z}_{0}\) die ursprüngliche Schnitttiefe bzw. Schnittbreite sind. \(x(t)-x(t-\frac{2\pi }{\omega })\) bezeichnet die Schwankung der dynamischen Spandicke, die durch radiale Vibrationen erzeugt wird, und \(z(t)-z\left( t-\frac{2\pi }{\omega }\right)\) ist die Schwankung der momentanen Spanbreite, die durch axiale Vibrationen erzeugt wird.

Aus Gl. (9), (10) und (12) ist bekannt, dass vorübergehende Schwankungen der Schnittparameter wie Schnitttiefe, Schnittkraft und Achsenbahnen durch die vom ORS erfassten Beschleunigungsschwankungen widergespiegelt werden können.

Um die Leistung des vom ORS erfassten Vibrationssignals in einem praktischen Bearbeitungsprozess zu überprüfen, wurden Drehexperimente auf einer universellen Horizontaldrehmaschine (CZ6132A) durchgeführt. Für die Datenerfassung wurden sowohl der ORS als auch der herkömmliche kabelgebundene Beschleunigungssensor verwendet, wie in Abb. 6 dargestellt. Der ORS wurde an einem Ende des Werkstücks montiert, das durch das Loch eines Dreibackenfutters gesteckt wurde, und sein Vibrationssignal konnte übertragen werden an die APP auf einem Telefon oder einem anderen intelligenten Endgerät übertragen werden. Der kabelgebundene Beschleunigungsmesser (122A200, mit einer Empfindlichkeit von 10,2 m2/s, hergestellt von YMC Piezotronics Inc.) wurde jedoch mit einer Abtastrate von 100 kHz am Werkzeughalter befestigt. Die weiteren Schnittparameter sind in Tabelle 5 dargestellt.

Versuchsaufbau.

Wie in Abb. 6 dargestellt, können die in X-, Y- und Z-Richtung projizierten Vibrationssignale direkt vom entwickelten ORS erfasst werden. Der einachsige kabelgebundene Beschleunigungsmesser zeigte jedoch nur die Vibration in Richtung der radialen Schnittkraft und konnte die dynamischen Eigenschaften des Spindelrotors nicht erfassen. Das Werkstück wurde von 21,9 auf 10 mm bearbeitet. Das Drehexperiment wurde kontinuierlich durchgeführt, wobei für jeden Schnitt experimentelle Daten aufgezeichnet wurden. Anschließend wurde mit dem nächsten Schichtschnitt fortgefahren, bis das Werkstück auf ca. 10 mm geschnitten war.

Abbildung 7 zeigt den Vergleich der Vibrationssignale, die vom ORS und dem kabelgebundenen Beschleunigungsmesser im Zeitbereich von 0,4 s bei einer Schnitttiefe von 0,5 mm erfasst wurden. Abbildung 8 zeigt das gleiche Signal im Frequenzbereich nach der Rekonstruktion, wobei die unter „Rekonstruktion des Beschleunigungssignals“ beschriebenen Schritte befolgt wurden.

Vergleich von Schwingungssignalen im Zeitbereich.

Vergleich von Schwingungssignalen im Frequenzbereich.

Das in Abb. 8 dargestellte Spektrum des ORS wurde hauptsächlich durch eine Spindelrotationsfrequenz von 18 Hz moduliert, die eine deutlich größere Amplitude aufwies als die durch die Bearbeitungsvibration erzeugte. Umgekehrt ging diese vom kabelgebundenen Beschleunigungsmesser gesammelte Signalkopplung im Rauschen unter. Es gab drei offensichtliche Frequenzbänder mit deutlich größeren Amplituden, die das durch das Zufallssignal angeregte Resonanzphänomen zeigten. Die Resonanzfrequenzbänder lagen im Bereich von 350 bis 480 Hz, 600–700 Hz und 1000–1200 Hz, was mit den FEM-Ergebnissen übereinstimmt. Diese Vibrationen von etwa 680 Hz wurden nur vom kabelgebundenen Beschleunigungsmesser erfasst. Dieses Spektrum stellt die Querschwingung des Werkstücks am freien Ende dar (dargestellt in Tabelle 4 und beschrieben in „Modalanalyse des Spindelrotorsystems“) und konnte nur durch den kabelgebundenen Beschleunigungsmesser erfasst werden, der am Werkzeughalter neben dem freien Ende installiert ist das Werkstück; wohingegen das ORS am Spannende befestigt und in den Spannfutterhalter eingesetzt wird.

Die Achsbahn ist die Bewegungsbahn der Rotorachse und setzt sich üblicherweise aus Wegsignalen in zwei Richtungen zusammen, die im Winkel von 90° zueinander stehen. Wie oben beschrieben, konnte das entwickelte ORS die Beschleunigung in drei Richtungen erfassen und sich mit dem Rotorsystem drehen, sodass es im Vergleich zum kabelgebundenen Beschleunigungssensor die Spindelrotorbahn problemlos zeichnen konnte. Darüber hinaus kann eine Achsenbahn die Betriebsbedingungen eines Rotorsystems direkt widerspiegeln und wird häufig zur Überwachung des Rotorzustands und zur Fehlerdiagnose verwendet26. Basierend auf diesem Phänomen wurde die Umlaufbahn des Spindelrotorsystems berechnet, wie in Abb. 9 dargestellt.

Umlaufbahn der Spindelrotoren.

Nach Eliminierung der Schwerkraft von 1,0 g und Rekonstruktion der Beschleunigungsdaten im Zeitbereich, wie oben erwähnt, wurde der Chebyshev-Filter verwendet, um die Rotationsfrequenz nach der Fourier-Transformation zu filtern. Die Beschleunigungsdaten in X- und Y-Richtung wurden dann in den Frequenzbereich integriert. Wie in Abb. 9 dargestellt, zeigt die entsprechende Trajektorie einen sich nicht wiederholenden Kreislauf ähnlich der quasiperiodischen Bewegung.

Abbildung 9a(1)–(4) zeigt die Umlaufbahn der Schnitttiefe von 0,5 mm, b(1)–(4) zeigt die Umlaufbahn der Schnitttiefe von 1,0 mm und c(1)–(4) zeigt die Umlaufbahn der Schnitttiefe von 1,5 mm. Der Durchmesser verringert sich wie in den Abbildungen (1) bis (4) dargestellt, was während des Schneidvorgangs simuliert wird. Die Schwankung der Achsbahn nimmt mit abnehmendem Werkstückdurchmesser zu. Darüber hinaus zeigt sich, dass die Umlaufbahn umso elliptischer und chaotischer ist, je größer die Schnitttiefe ist, was darauf hindeutet, dass die Schnittparameter anhand der Umlaufbahnen erkannt werden konnten.

Um den Schneidvorgang zu überwachen und die unterschiedlichen Schnitttiefen zu erkennen, wurden zwei Bandpassfilter verwendet, die auf den im Abschnitt „Vergleich der Signale von ORS und kabelgebundenem Beschleunigungsmesser“ beschriebenen Spektrumseigenschaften basieren. Für das vom ORS gesammelte Vibrationssignal wurde das erste Resonanzfrequenzband auf 200 bis 600 Hz eingestellt, was mit den Ergebnissen des Aufpralltests übereinstimmte, und das zweite Resonanzfrequenzband wurde auf 800 bis 1200 Hz eingestellt. Für die vom kabelgebundenen Beschleunigungsmesser erfassten Daten wurden zwei Bandpassfilter separat von 400 bis 800 Hz und 7000–8500 Hz eingestellt, was deutlich größer ist als beim ORS.

Nach Anwendung des Bandpass-Frequenzfilters wurde bei jedem Schnitt der quadratische Mittelwert (RMS) berechnet. Abbildung 10 zeigt die Vergleichsergebnisse, die darauf hindeuten, dass unterschiedliche Schnitttiefen anhand des Vibrationssignals des ORS erkannt werden können, das beide durch den ersten und zweiten Resonanzfrequenz-Bandpassfilter gefiltert wird. Im Gegensatz dazu unterscheiden die Vibrationsdaten des kabelgebundenen Beschleunigungsmessers nicht zwischen verschiedenen Schnitttiefen, was zeigt, dass das vorgeschlagene ORS trotz unterschiedlicher Trends effektiver ist.

RMS bei verschiedenen Schnitttiefen.

Der Hauptgrund für die unterschiedlichen Datentrends waren die unterschiedlichen Montagepositionen der Sensoren. Der kabelgebundene Beschleunigungsmesser war am Werkzeughalter installiert und daher wurde das Vibrationssignal stark vom gesamten Werkzeughaltersystem beeinflusst; Allerdings war das ORS am Werkstück montiert und drehte sich synchron mit der Spindel; Daher wurde es vom Spindelsystem beeinflusst. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse aufgrund der unterschiedlichen externen Vibrationsanregungen und dynamischen Eigenschaften der beiden Sensoren unterschiedliche Trends zeigten.

Diese Ergebnisse bewiesen, dass das entwickelte dreiachsige ORS-System zur Vibrationsmessung Änderungen im Vibrationssignal bei unterschiedlichen Schnitttiefen effektiver und empfindlicher erkennen kann als ein kabelgebundener Beschleunigungsmesser.

In dieser Studie wurde ein neuartiges dreiachsiges drahtloses On-Rotor-Vibrationssensorsystem zur Überwachung des Drehvorgangs entwickelt. Basierend auf den Ergebnissen des ORS MEMS-Beschleunigungsmessers rekonstruierten wir dann das Vibrationssignal mithilfe der inversen Fourier-Transformation, nachdem wir 1,0 g von der Amplitude in den komplexen Bereichen abgezogen hatten. Darüber hinaus führten wir die Drehexperimente im Allgemeinen auf einer universellen horizontalen Drehmaschine durch, um die Leistung des vom ORS erfassten Vibrationssignals zu überprüfen und die Ergebnisse mit denen des handelsüblichen kabelgebundenen Beschleunigungsmessers zu vergleichen. Einige Schlussfolgerungen werden wie folgt zusammengefasst.

In dieser Studie wird ein neuartiges dreiachsiges drahtloses Gerät zur Überwachung der Drehbearbeitung mit einer Abtastrate von 3200 Hz entwickelt und konstruiert, das den allgemeinen Anforderungen von Schneidmaschinen entspricht.

Das Sensorsystem kann an einem Ende des Werkstücks montiert werden, sodass es empfindlicher auf die Schneidparameter und das gesamte Rotorsystem reagiert, ohne dass Änderungen am Drehmaschinensystem oder Eingriffe in den Schneidvorgang erforderlich sind.

Das Bearbeitungsexperiment zeigte, dass das entwickelte ORS das Vibrationssignal des Rotorsystems effektiver und empfindlicher messen konnte als der kommerzielle kabelgebundene Beschleunigungsmesser.

In diesen Drehexperimenten wurden nur die Beschleunigungsdaten in X- und Y-Richtung analysiert, aber das Vibrationssignal in den drei Richtungen des dreiachsigen ORS konnte in komplizierteren Bearbeitungssystemen wie Bohrverfahren angewendet werden. Zukünftig liegt der Schwerpunkt der Studien auf der Entwicklung und Integration verschiedener Sensoren zur Herstellung von Maschinensystemen zur weiteren Schnittzustandserkennung und Bearbeitungsprozessüberwachung.

Darüber hinaus gibt es einige Einschränkungen des aktuellen ORS, wie z. B. eine große Kommunikationsbandbreite und einen hohen Stromverbrauch. Wir werden uns im weiteren Verlauf mit Energy-Harvesting-Systemen und Edge-Computing befassen, um diese Probleme anzugehen. Auf diese Weise können Datenverarbeitung und Merkmalsanalyse auf der Verarbeitungseinheit durchgeführt werden, und nur die Ergebnisse müssen an die APP übertragen werden, was die Datenübertragung, die Bandbreite und den Energieverbrauch reduziert und so eine Online-Überwachung ermöglicht. Um das Problem der Batterieladung zu lösen, haben wir außerdem einige Untersuchungen zu einem effektiven Prototyp einer Energiegewinnungsmethode untersucht, die das Laden der Batterie ermöglichen würde. Es wird erwartet, dass das drahtlose ORS-System in Zukunft autark ist.

Die während der Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant-Nr. 52175108), dem Guangdong Science and Technology Department (Nr. 2020KTSCX188) und dem Beijing Municipal Science & Technology Project (Nr. Z201100008320004) unterstützt.

School of Industrial Automation, Beijing Institute of Technology, Zhuhai, 519088, Volksrepublik China

Chun Li & Zhejiang Zou

Zentrum für Effizienz- und Leistungstechnik, Universität Huddersfield, Huddersfield, HD1 3DH, Großbritannien

Chun Li, Zhejiang Zou, Robert Cattley und Andrew D. Ball

Hochschule für Maschinenbau, Technische Universität Taiyuan, Shanxi, 030024, Volksrepublik China

Kaibo Lu

Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik, Universität für Informationswissenschaft und Technologie Peking, Peking, 100192, Volksrepublik China

Hongjun Wang

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CL entwarf die Sensorstruktur, war für das Sensorexperiment verantwortlich und verfasste den Haupttext des Manuskripts. ZZ war für die Bearbeitung der Sensorteile, die Analyse der Versuchsergebnisse und die Erstellung von Abbildungen verantwortlich. KL übernahm die Verantwortung für die Integrität der gesamten Arbeit und die endgültige Entscheidung, das Manuskript einzureichen. WH hat die Entwicklung des Sensors gesponsert. RC war für die kritische Prüfung und Interpretation der Daten verantwortlich. AB überwachte das Verfassen und Analysieren von Manuskripten. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Zhejiang Zou.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Li, C., Zou, Z., Lu, K. et al. Bewertung der Leistung einer dreiachsigen On-Rotor-Sensorik zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses: eine Fallstudie. Sci Rep 12, 16813 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21415-w

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Eingegangen: 30. Juni 2022

Angenommen: 27. September 2022

Veröffentlicht: 07. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21415-w

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