基于主軸電機電流信號的表面粗糙度檢測
電子技術應用
劉雪杰，李國富，任潞
寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211
摘要： 針對表面粗糙度不能及時檢測造成的工件浪費問題，首次提出根據主軸電機電流信號進行表面粗糙度檢測分類。通過實驗采集不同表面粗糙度加工時的主軸電機電流信號，采用小波包分解將電流信號分解成不同頻段，借助能量特征和裕度因子對不同頻段電流信號進行評估，過濾低相關性頻段，再通過隨機森林篩選特征，降低特征的冗余性。總諧波失真特征實現了積屑瘤檢測，僅依賴構建的電流信號特征工程表面粗糙度檢測準確率高達95%以上，并且檢測時間在2 s以內，基本實現了工件表面粗糙度的快速準確檢測。
中圖分類號：TP181 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234208
中文引用格式： 劉雪杰，李國富，任潞. 基于主軸電機電流信號的表面粗糙度檢測[J]. 電子技術應用，2024，50(2)：54-59.
英文引用格式： Liu Xuejie，Li Guofu，Ren Lu. Surface roughness detection based on spindle motor current signal[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(2)：54-59.
中文引用格式： 劉雪杰，李國富，任潞. 基于主軸電機電流信號的表面粗糙度檢測[J]. 電子技術應用，2024，50(2)：54-59.
英文引用格式： Liu Xuejie，Li Guofu，Ren Lu. Surface roughness detection based on spindle motor current signal[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(2)：54-59.
Surface roughness detection based on spindle motor current signal
Liu Xuejie，Li Guofu，Ren Lu
College of Mechanical Engineering and Mechanics，Ningbo University，Ningbo 315211， China
Abstract： Workpiece waste is usually caused by delayed detection of surface roughness. A rapid surface roughness detection classification based on the current signal of the spindle motor is proposed for the first time. The current signals of the spindle motor under different surface roughness processing conditions are collected through experiments, and the current signals are decomposed into different frequency bands through wavelet packet decomposition. The current signals of different frequency bands are evaluated by the energy characteristics and the margin factors, and the low correlation frequency bands are filtered. Then the features are screened through random forest to reduce the redundancy of features. The total harmonic distortion feature achieves built-up edge detection during the machining process. The workpiece surface roughness detection accuracy is as high as 95%. And the detection time is within 2 seconds. Spindle current signal analysis basically achieves fast and accurate detection of workpiece surface roughness.
Key words : spindle motor current signal；wavelet packet decomposition；random forest；the total harmonic distortion；surface roughness
引言
表面粗糙度作為工件質量的重要評價指標，直接影響工件的耐磨性、抗腐蝕性、密封性、配合程度、傳動精度[1]，因此在工件工藝設計時都會優先考慮表面粗糙度。表面粗糙度的及時檢測是十分必要的，當工件表面粗糙度不滿足設計要求時需要及時調整工藝參數避免更大的損失。表面粗糙度的檢測有多種方法，大致分為兩類，第一類是采用接觸式探針進行表面粗糙度檢測；第二類是通過傳感器采集圖像、電流信號、振動信號或聲發射信號進行分析處理，間接得到表面粗糙度值。接觸式檢測準確度很高，但是需要等待加工完成后才能進行檢測，影響加工效率[2]。圖像檢測容易受到切削液和切屑的影響，另外圖像檢測需要高性能的工業攝像機，導致圖像檢測表面粗糙度價格昂貴。振動信號通常安裝在刀具上，可能會干擾機床的加工，聲發射信號容易受到其他機床的干擾[3]，而電機電流信號是機床材料去除的動力來源，與加工過程十分密切，外界不易對機床電機電流信號造成干擾[4]，并且主軸電流信號獲取十分方便，距離較遠也能輕松獲取電流信號。使用電機電流信號進行表面粗糙度的檢測研究比較少，主要原因是電流信號與表面粗糙度存在較為復雜的對應關系。
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作者信息：
劉雪杰，李國富，任潞
寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211
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