SE516954C2 - En metod och en apparat för att bestämma rundheten hos ett roterande arbetsstycke - Google Patents

Description

516 '954 2. arbetsstycke genom den amplitudvariation som en kontaktpunkt på arbetsstycket kommer att känna när arbetsstycket roteras ett varv. Detta kan beskrivas genom följande exempel.

Antag att ett arbetsstycke efter en avslutad operation har en maximal radievariation på ungefär 4 um och den form som visas i figur l.

Arbetsstycket mäts för att ta reda pà om kravet på en bestämd maximal ovalitet är uppfyllt. Dessa variationer kan uttryckas om en förskjutningsvariation mäts över omkretsen på arbetsstycket.

Figur 2 visar en ideal kurva där amplitudvariationen (pm), mäts över ett varv.

Signalen uppdelas normalt med Fourierteknik i dess frekvenskomponenter med motsvarande amplituder. Det är nu möjligt att uttrycka rundhetsfelet som separata lober med möjlighet att jämföra förskjutningen hos varje lob (ovalitet, tre hörn osv.) genom den uppmätta amplituden.

I exemplet ovan kan man tydligt se ovalitet med en överlagrad trehörnslob. Verkligheten är mer komplicerad än så här och olika tekniker tillämpas för att beakta mätfel och effekter av olika filtertekniker. Det är också viktigt att kompensera för karakteristik hos olika sensorer.

Vidare är akustisk emission (AE) elastiska vågor som produceras genom mikroskopisk deformation som uppstår i material när de belastas. Dessa elastiska belastningsvågor är resultatet av snabb frigörelse av spänningsenergi i ett material på grund av interna strukturella omarrangeringar. Belastningsvågorna överförs och fortplantas av materialet och/eller andra material ihopkopplade med AE-källan, vilket slutligen resulterar i en förskjutning av ytan där en sensor är monterad. Förskjutningen av ytan överförs till en elektrisk signal medelst exempelvis en 516 954 i ' .3 _ piezoelektrisk omvandlare. Den akustiska emissionssignalen genereras i deformationszonen för skärprocessen, vilket därigenom tillhandahåller en möjlighet att undersöka olika steg i processen. Frekvenserna hos signalen beror på arbetsmaterialen och belastningsförhållandena, och sträcker sig från det konventionella akustiska området till MHz.

Tidigare känd teknik visar dock ej någon teknik för att kvantifiera eller bestämma rundhetsfel med möjlighet till utvärderingar i realtid. Ett slipat arbetsstycke måste istället avlägsnas från slipmaskinen för mätning av rundhetsfelet. Detta är givetvis ej önskvärt och kostsamt.

KORT REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att övervinna problemen som beskrivits ovan och att tillhandahålla en metod och en apparat med vilken rundhet hos ett arbetsstycke kan bestämmas i realtid utan att mätningar behöver utföras på arbetsstycket efter slipningen för att bestämma rundhetsfel.

Detta syfte och andra uppnås genom en metod där den akustiska emissionssignalen används för att bestämma rundheten hos ett arbetsstycke. Skärvariationen övervakas genom sampling av den akustiska emissionssignalen. Skärvariationen svarar mot arbetsstyckets rundhet, företrädesvis i frekvensdomänen.

Genom att använda en sådan teknik är det inte nödvändigt att utföra mätningar efter slipning för att bestämma rundhetsfel hos det slipade arbetsstycket.

Användningen av metoden och apparaten medför att maskinen kan börja producera arbetsstycken av viss kvalitet, med en hög sannolikhet att vara inom toleranser innan traditionella mätningar efter slipningen har bekräftat kvaliteten hos arbetsstycket. Hög produktionsvolym kan därmed spara tid vid . , , « u» 516 954 'i uppstartningsfasen för en ny typ av arbetsstycke vid inställning av maskinverktyget, eftersom väntetid från en mätningsavdelning kan reduceras eller elimineras.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas mer i detalj med hänvisning till de bifogade ritningarna, där: Fig. 1 är ett diagram som illustrerar rundhetsfel hos ett arbetsstycke, Fig. 2 är ett diagram som illustrerar amplituden hos rundhetsfelet för arbetsstycket motsvarande fig. 1, Fig. 3 är en generell vy över ett system för att bestämma rundheten hos ett arbetsstycke, Fig. 4 är ett flödesschema som illustrerar de steg som utförs i den signalprocessor som visas i fig. 3, Fig. 5 är ett exempel på ett polàrdiagram som resultat från processen illustrerad i fig. 4, Fig. 6 illustrerar ett spektrum för polärdiagrammet enligt fig. 5.

BESKRIVNING Av FÖREDRAGNA UTFöRINGsFoRMER I fig. 3 visas en generell vy av ett system 10 för att bestämma rundheten hos ett roterande arbetsstycke 20. Systemet 10 innefattar en sensor 12, en digital signalprocessor (DSP) 14, och en dator 16. Datorn 16 är företrädesvis förbunden med något lämpligt utgångsmedel, såsom en skrivare eller en skärm (ej visat).

Sensorn 12 är belägen vid ett lämpligt ställe för att känna av akustiska emissionssignaler från ett arbetsstycke som slipas.

Läget hos den akustiska emissionssensorn 12 kommer att påverka amplituden men ej formen hos den erhållna signalen. En lämplig placering för sensorn kan vara vid spindeln för arbetsstycket.

Dessutom bör företrädesvis ett bandpassfilter användas om man 1516 954 5 _ vill ta bort vibrationer och oväsen från maskinen. Exempelvis kan ett bandpassfilter mellan 50 och 100 KHz användas.

Generellt genereras emission upp till storleksordningen för megaherz genom den plastiska deformationen vid skärprocessen för arbetsstycket. Sensorn är företrädesvis optimerad för att ge en karakteristik sä distinkt som möjligt i frekvensfönstret för hårdvaran som används för signalbehandling.

I fig. 4 visas ett flödesschema för de förfarandesteg som utförs i systemet visat i fig. 3, för att bestämma rundheten hos ett arbetsstycke. I ett steg 401 amplitudmoduleras först signalen frän sensorn och kvadratroten ur kvadratmedelvärdet för den akustiska emissionssignalen (AEmß-värdet) utvärderas i steg 403.

Processinformationen bärs därigenom av emissionsomràdet ovanför det påverkande vibrationsområdet (0-20 KHz), eftersom det höga frekvensområdet för den akustiska emissionssignalen (AE- signalen) ej påverkas av lågfrekventa vibrationer från variationer hos skàrkraften i slipzonen vid utsändning fràn maskinverktyget struktur.

Variationerna hos den skärande kraften påverkas givetvis kraftigt av vibrationstillstándet i maskinverktyget och vice versa. På detta sätt kan de vibrationer som påverkar slipzonen studeras med den akustiska emissionstekniken. I ett steg 405 bildas en envelopp för denna högfrekventa signal som analyseras som en analog RMS-signal. Den bildade AE-signalenveloppen innehåller vanligtvis användbar processinformation från 0-1000 Hz.

Den bildade analoga enveloppsignalen omvandlas från analog till digital (A/D) i ett steg 407, och matas till den digitala signalprocessorn (DSP). I steg 409 tar DSP:n ut ramar som har ett lämpligt antal sampel, och beräknar ett effektspektrum från de uttagna ramarna i ett steg 411. I en föredragen utföringsform 'S161 954 lo kan ett flertal effektspektrum beräknas, varvid ett genomsnittligt effektspektrum beräknas.

I ett steg 413 utvärderas därefter energifördelningen i frekvensdomänen. Således utföres en diskret Fouriertransformation (DFT) för den digitala signalen (AEmß), företrädesvis genom att använda en snabb Fouriertransformation (FFT).

Därefter härleds en energimatris i ett steg 415. Detta utförs i två delsteg: Först härleds ekvation (1) för det första varvet hos arbetsstycket (n=l): em,=,4-snfl2-zvj'-Û-+A1-fin(2-n-fl-b)+.n (1) För det andra och efterföljande varven (n=2,3,m), introduceras ett skift (n-l) och (1-ïfi), vilket resulterar i ekvation (2): em =A -sin(2-fi-f -t)+A,-sin(2-1r-fl-t+(n-1)-2-/z-(1-ç1/1)+..... (2) där Aj - amplitud från spectra fj - frekvens motsvarande Aj t - tid Wj - fasförskjutning m - sampelnummer n - antal varv hos arbetsstycket.

Frekvenserna (1 till j) väljs företrädesvis som de frekvenser som avviker frän brusnivån. I en föredragen utföringsform erhålles frekvenserna (1 till j) genom att använda ett lämpligt 516 954 1% 7' filter. Energin kan beräknas för varje dataposition och justeras mot varje uppsättning dataramar och antal varv som gjorts under detta tidsintervall. Därefter härleds energimatrisen emfl r ekvation (3): 911 912 9111 921 922 931 932 (3) ml m2 mn Matrisen E[m,n] representerar nu ett antal varv hos arbetsstycket (kolumner), och en upplösning för en högsta vågighetsfrekvens (rader). Genom att addera ett varv (genom att addera kolumnerna), till nästa, representeras den mest relevanta radiella skärvariationen hos slipzonen. Således adderas en till en och en_adderas till en, och så vidare.

Bildande av en vektor E genom att addera kolumnerna i matrisen E kommer att ge en uppskattning av rundheten hos arbetsstycket om denna skärform har varit den mest dominanta rakt igenom processen.

Slutligen, i ett steg 417, uppskattas ett estimat av rundheten på arbetsstycket, baserat på energimatrisen enligt ekvation (3).

Detta utföres företrädesvis genom att studera vektorn E, såsom beskrivs mer i detalj nedan i samband med figur 5 och 6.

Fig. 5 visar ett exempel där denna teknik har används. En lämplig radie på polärdiagrammet har valts, baserat pà amplitudvariationen hos vektorn Én En lämplig radie kan härledas genom: radiuspomuflo, =x*(Emax ~Emax) , i den mån kvalitativa 0 annu :uno :nun 0 n , 1 nunnan 0 . c vaunoo c annan» . o ,.aol~ . n , 1 un un u n :nu ncvu , n :nun . n »nonon u anno , a , 4 .roa 516 954 6 korrelationer för tillståndet i slipningszonen beaktas, där x är en konstant vald av användaren som radien för polärdiagrammet.

Diagrammet i fig. 5 utgör således ett estimat av arbetsstyckets form, vilket kan användas för att bestämma rundheten hos arbetsstycket istället för att vara tvungen att utföra en särskild mätning vid en separat plats.

Estimatet som erhålles på detta sätt kan användas som en ingängssignal i en sluten krets i styrsystemet och/eller visas för operatören för att kontrollera maskinen.

En ny Fouriertransformation av E kommer att ge antalet lober och deras amplituder i förhållande till varandra, där resultatet ses i fig. 6.

Det bör noteras att informationen som framtagits ur det akustiska emissionssystemet är ett analogt RMS-värde.

Förstärkningen kan varieras och därmed också amplituden för variationerna som avkànns i skärzonen. Detta ger en situation där amplituden behöver kalibreras för varje situation, medan pà grund av varierad borttagningsgrad, frekvensinnehàllet kommer att vara detsamma i signalen, oberoende av inställningarna.

Således är det endast lämpligt att utföra relativa jämförelser beträffande amplitud.

Slutligen visas i bilagan ett datorprogram skrivet i Matlab där algoritmen tillämpas för att beräkna rundhetsfelet ur ett antal ramar av en digitaliserad akustisk emissionssignal.

Metoden och apparaten som har här beskrivits uppnår fördelarna av spärning av processvariationer i realtid, varigenom det är möjligt att relatera förändringar av inställningar, verktyg, etc. till den effektiva signaländringen.

Claims (1)

1. 516- 954 V* " 5 PATENTKRAV .En metod enligt krav 1 eller 2, .En metod för att bestämma rundheten hos ett roterande arbetsstycke (20) under pågående slipning av arbetsstycket, baserat på akustisk emission som genereras i en deformationszon för slipningsoperationen, kännetecknad av följande steg: upptaga akustisk emission under slipningsprocessen, bestämma energifördelningen hos den upptagna akustiska emissionen med avseende på frekvens, härleda en energimatris baserat på den bestämda energifördelningen, varvid energimatrisen innefattar kolumner som representerar antal varv hos arbetsstycket (20) och rader som representerar akustisk emissionsfrekvens, och bestämma rundheten hos arbetsstycket (20) baserat på en vektor bildad ur den hàrledda energimatrisen och som representerar variationen hos energifördelningen. .En metod enligt krav 1, kånnetecknad av att steget att bestämma energifördelningen innefattar att utföra en diskret Fouriertransformation av den upptagna akustiska emissionen i digitalt format. kånnetecknad av att energifördelningen synkroniseras mot rotationsfrekvensen hos arbetsstycket (20). En metod enligt något av kraven 1 ~ 3, kânnetecknad av att ett genomsnittligt effektspektrum beräknas ur ett antal beräknade effektspektra för att bestämma energifördelningen. En metod enligt något av kraven 1 - 4, där energifördelningen bildas av ett effektspektrum i digitalt format, kännetecknad av att rundheten hos arbetsstycket bestäms ur en vektor E, 516 954 ID där F är den vektor som bildas genom att addera kolumnerna i den härledda energimatrisen E[m,n]: e: 1 912 em 921 922 en en E [m, n] _ em! em2 ' ' emn i vilken emn=A -sin(2-n-f ~t)+A1-sin(2~fr-fi-t-)+... för det första varvet hos arbetsstycket, och em =A -sin(2-rr-f -t)+A1-sin(2-1z'-fi-t+(n-1)-2-fr-(1-ç1/1)+..... för det andra och efterföljande varven hos arbetsstycket, där Aj - amplitud från spectra fj - frekvens motsvarande Aj t - tid wj - fasförskjutning m - sampelnummer n - antal varv hos arbetsstycket. 6.En metod enligt något av kraven 1 - 5, kännetecknad av att den uppskattning som erhålles när rundheten bestäms, används som en återkopplingssignal för att kontrollera slipningsmaskinen. 7.En apparat för att bestämma rundheten hos ett roterande arbetsstycke (20) under pågående slipning av arbetsstycket, baserat på akustisk emission som genereras i en deformationszon för slipningsoperationen, kännetecknad av att apparaten innefattar: 516 954 y¶¶W'"L“m: H - medel för att upptaga akustisk emission under slipningsprocessen, - medel för att bestämma energifördelningen hos den upptagna akustiska emissionen med avseende på frekvens, - medel för att härleda en energimatris baserat på den bestämda energifördelningen, varvid energimatrisen innefattar kolumner som representerar antal varv hos arbetsstycket (20) och rader som representerar akustisk emissionsfrekvens, och - medel för att bestämma rundheten hos arbetsstycket (20) baserat på en vektor bildad ur den härledda energimatrisen och som representerar variationen hos energifördelningen. 8.En apparat enligt krav 7, kännetecknad av att apparaten vidare innefattar medel för att utföra en diskret Fouriertransformation av den upptagna akustiska emissionen i digitalt format för att bestämma energifördelningen. 9.En apparat enligt krav 7 eller 8, kânnetecknad av att apparaten vidare innefattar medel för att synkronisera energifördelningen mot rotationsfrekvensen för arbetsstycket. 10. En apparat enligt nàgot av kraven 7 - 9, kännetecknad av att apparaten vidare innefattar medel för att beräkna ett genomsnittligt effektspektrum ur ett flertal beräknade effektspektra för att bestämma energifördelningen. ll. En apparat enligt något av kraven 7 - 10, där energifördelningen bildas av ett effektspektrum i digitalt format, kännetecknad av att apparaten vidare innefattar medel för att bestämma rundheten hos arbetsstycket ur en vektor E, där É är den vektor som bildas genom att addera kolumnerna i den härledda energimatrisen E[m,n]: 516- 954 D.. n nu oc: el" en 922 931 es: E [m, n] = eml emz . . em" i vilken em =A -sin(2-1z'-f -t)+A, -sin(2-/r-f'/-t-)+... för det första varvet hos arbetsstycket, och em” =A -sin(2-r:-f-t)+A,-sinQ-/r-fi~t+(n-1)-2-/1-(1-y/,)+..... för det andra och efterföljande varven hos arbetsstycket, där A]- - amplitud från spectra f j - frekvens motsvarande Aj t - tid z//j - fasförskjutning m - sampelnumxner n - antal varv hos arbetsstycket.