Évaluation d'un trois | Roulements en plastique inc.

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16813 (2022) Citer cet article

653 accès

Détails des métriques

La surveillance en ligne des conditions de coupe est essentielle dans la fabrication intelligente, et les vibrations sont l'un des signaux les plus efficaces pour surveiller les conditions d'usinage. Généralement, les accéléromètres filaires traditionnels doivent être installés sur une plate-forme immobile ou stable, telle qu'un porte-outil ou un banc de tour, pour détecter les vibrations. De telles méthodes d'installation feraient subir aux signaux des interférences de bruit plus graves et un faible rapport signal sur bruit, ce qui réduirait la sensibilité aux informations précieuses. Par conséquent, cette étude a développé un nouveau système de détection sans fil sur rotor (ORS) à trois axes pour surveiller le processus de rotation. Le nœud de capteur d'accéléromètre du système micro électromécanique (MEMS) peut être monté sur une pièce en rotation ou un rotor de broche et est plus sensible pour détecter les vibrations de l'ensemble du système de rotor sans aucune modification du système de tour et sans interférence dans la procédure de coupe. Le processeur, l'acquisition de données et les modules Bluetooth Low Energy (BLE) 5.0+ ont été développés et débogués pour coopérer avec un accéléromètre triaxial piézoélectrique, avec une amplitude de vibration ne dépassant pas ± 16 g. Une série d'essais de tournage ont été effectués et les résultats ont été comparés à ceux des accéléromètres câblés commerciaux, ce qui a prouvé que le système ORS peut mesurer le signal de vibration du système de rotor de manière plus efficace et plus sensible que les accéléromètres câblés, démontrant ainsi la surveillance précise des paramètres d'usinage.

La coupe est l'une des technologies de fabrication les plus essentielles et les plus fondamentales1. La surveillance en ligne du processus de coupe est essentielle pour améliorer l'efficacité de la production, la qualité des produits et les performances économiques. Cependant, l'acquisition d'un signal est la première étape et la plus cruciale, et la qualité du signal acquis détermine directement la précision des processus ultérieurs. Par conséquent, le développement de capteurs de surveillance intelligents pour la surveillance en ligne du processus de coupe est devenu un enjeu important2.

Divers capteurs indirects ont été utilisés pour acquérir des informations dynamiques3,4 ; cependant, tous ces systèmes de capteurs nécessitent généralement des câbles pour la transmission des données et l'alimentation électrique, ainsi que des équipements spéciaux d'acquisition de données, limitant l'installation de systèmes de capteurs. De plus, les systèmes de capteurs commerciaux sont généralement trop coûteux pour être utilisés par les usines conventionnelles. Pour pallier ces limitations, la conception et le développement de capteurs intégrés ont récemment suscité l'intérêt de plusieurs chercheurs.

En 1997, Santochi et al.5 ont décrit un nouveau concept d'outils de coupe avec l'intégration de jauges de contrainte pour capteurs dans la tige de l'outil pour mesurer les forces dans les opérations de tournage. Goyal et al.6 ont fabriqué un système de capteur sans contact à faible coût pour détecter les signaux de vibration de roulement défectueux. Albrecht et al.7 ont présenté une méthode pour mesurer les forces de coupe à partir des déplacements des arbres de broche en rotation. De Oliveira et al.3 et Rizal et al.8 ont conçu un prototype fonctionnel d'un dynamomètre hybride monté sur un élément de détection de force nouvellement conçu. Liu a conçu et construit un dynamomètre monté sur un axe rotatif basé sur un réseau de Bragg en fibre9. Ting et al. conçu et fabriqué un capteur multi-axes en film de fluorure de polyvinylidène10.

Récemment, compte tenu des avantages des composants piézocéramiques en termes de rigidité et de sensibilité, ils ont été utilisés comme capteurs en raison de leur excellent potentiel de miniaturisation et d'intégration de capteurs pour le contrôle des vibrations et le suivi des opérations de coupe11. Qin et al.12 ont conçu un système intégré de mesure de la force de coupe pour mesurer la force axiale et le couple dans le processus de fraisage basé sur les capteurs du système micro-électromécanique piézorésistif (MEMS). Chen et al.13 ont conçu des outils de tournage innovants basés sur le film piézoélectrique. Drossel et al.14 ont présenté un concept de capteur basé sur des capteurs à film piézoélectrique montés directement sur l'outil de fraisage derrière la plaquette indexable.

Outre les dynamomètres, les signaux de vibration sont l'un des signaux les plus efficaces utilisés pour surveiller le processus d'usinage15. Cependant, les systèmes de détection intégrés pour l'acquisition de signaux de vibration ont rarement été étudiés. Xie et al.16 et Zhou17 ont développé des porte-outils de détection de vibrations sans fil intégrés pour surveiller le processus de fraisage ; cependant, le porte-outil standard doit être modifié pour installer le capteur. Chung et al.18 ont développé un système de détection d'accéléromètre MEMS sans fil à trois axes ; cependant, la fréquence d'échantillonnage n'était que de 150 Hz, ce qui ne répondait pas aux exigences du processus de broyage. Totis et al.19 et Nguyen et al.20 ont conçu un outil de tournage intelligent avec un capteur collé à la tige de l'outil pour surveiller le processus de tournage. Cependant, il suffit de mesurer l'effort de coupe et de modifier la structure de l'outil de coupe.

Au meilleur de la connaissance des auteurs, des recherches limitées ont été effectuées sur le développement de capteurs de vibrations sans fil intégrés pour surveiller le processus de coupe des tours. Par conséquent, cette étude visait à développer un nouvel accéléromètre triaxial sans fil à détection sur rotor (ORS) pour surveiller le processus de rotation, qui présentait de meilleures caractéristiques statiques et dynamiques en plus d'être plus sensible aux signaux de vibration produits par l'ensemble du système de rotor.

Les problèmes suivants ont été abordés.

Absence de systèmes de détection de vibrations sans fil pour surveiller les processus de tournage.

Problèmes de conception et de réassemblage concernant l'outil de tournage ou les tours.

Analyse insuffisante des caractéristiques dynamiques du système en fonction des signaux vibratoires.

Cette étude a développé un nouveau modèle de vibration sans fil utilisant le système ORS pour surveiller les processus de tournage et les conditions d'usinage (telles que les conditions d'usure de l'outil et l'occurrence de rupture d'insert d'outil), qui peut mesurer simultanément des signaux de vibration triaxiaux avec une plage de mesure de ± 16 g. Un accéléromètre piézoélectrique a été intégré dans le dispositif de capteur conçu monté à une extrémité de la pièce sans aucun porte-outil ni modification de la machine.

Un schéma du système ORS à trois axes est illustré à la Fig. 1. Les modules matériels comprenaient un accéléromètre à trois axes comme unité de détection, un processeur comme unité de traitement de données et un module de puce BLE comme unité d'emballage et de transmission. Une pile au lithium alimentait les circuits. Les signaux d'accélération détectés ont été transmis à l'APP ou au cloud via WIFI ou Bluetooth.

Schéma du système ORS.

ADXL345 est un accéléromètre MEMS à trois axes qui offre des techniques de conditionnement stables et des performances à faible bruit inférieures à \(290ug/\sqrt{Hz}\), ainsi qu'une faible consommation d'énergie et un faible coût. Le taux d'échantillonnage de l'ADXL345 est de 3200 Hz et la bande passante de communication est de 1 Mbps. Les autres paramètres de l'ADXL345 sont listés dans Assemblage de l'ORS.

La carte de l'unité de traitement et la batterie ont été intégrées dans une coque cylindrique, comme illustré à la Fig. 3. L'unité de détection a été montée au centre du fond de la coque cylindrique, qui a été séparée de l'unité de traitement pour réduire l'influence des vibrations sur la carte processeur et la batterie. La coque cylindrique a été fabriquée à l'aide d'une technologie d'impression 3D avec de la résine ABS pour assurer une qualité de transmission élevée du BLE 5.0. La coque avait un bouton de commutation et un port d'interface de charge et était assemblée sur la carte de connexion en fixant les boulons. Un manchon de connexion a été utilisé pour connecter le capteur à la pièce en fixant les boulons. Par conséquent, l'ensemble de l'ORS sans fil à trois axes pourrait tourner avec le système de rotor cible pour obtenir des informations de vibration en ligne.

L'unité de détection était connectée au processeur et intégrée dans une carte de circuit imprimé (PCB) séparée, comme illustré à la Fig. 2. L'accéléromètre rectangulaire MEMS n'a pas été conçu pour être au centre de la PCB.

Composants configurés du système de capteurs.

Le signal numérisé via un convertisseur numérique analogique a été transmis au processeur nRF52840, construit sur un processeur ARM® Cortex™-M4 32 bits avec une simultanéité de protocole complète telle que Bluetooth LE, Bluetooth mesh, Thread et Zigbee. Dans la configuration actuelle, les signaux numériques étaient transmis via Bluetooth LE 5.0, avec un débit en bauds du port série pouvant atteindre 1 Mbps.

L'unité de traitement de données était principalement responsable de la réception, de la sauvegarde, de l'emballage et de l'envoi du signal numérisé de l'unité de détection MEMS. Pendant ce temps, un logiciel hôte intelligent a été développé sur la base d'Arduino pour convertir les données hexadécimales en nombres décimaux. Les signaux de vibration du système à trois axes ont été extraits, une analyse de fréquence a été effectuée et le signal de vibration final dans les domaines temporel et fréquentiel de l'APP a été affiché.

Le processeur de données et les modules de transmission sans fil ont été intégrés sur un PCB double face pour réduire la taille structurelle et faciliter l'installation. Une batterie au lithium de 3,7 V a été utilisée pour alimenter l'ensemble du système. Les composants configurés de l'ORS sont illustrés à la Fig. 2 (tableau 1).

Illustration tridimensionnelle du modèle structurel : (a) structure d'assemblage et (b) aspect physique.

Le poids de l'unité de détection n'était que de 0,6 g et l'unité de traitement pesait environ 4,2 g. Le poids total de l'ORS avec la carte de connexion était de 87 g lorsque tous les composants sont assemblés dans la coque cylindrique imprimée en 3D. Le poids de l'ORS est relativement faible par rapport à celui du système de broche du tour et a été installé axialement et symétriquement sur une extrémité de la pièce à travers le manchon de connexion. Par conséquent, la conception et l'installation du capteur ont eu peu d'effet sur le déséquilibre dynamique du système de broche.

Pour étudier les sorties de l'ORS monté sur le système de rotor de broche, trois systèmes de coordonnées cartésiennes ont été définis, comme illustré à la Fig. 4. Le \(XYZ\) est la coordonnée du cadre fixe du système de rotor, qui sert de référence pour tout objet en rotation. Le \({X}_{O}{Y}_{O}{Z}_{O}\) est une coordonnée de rotation due à la vibration dynamique de déformation de flexion statique de l'arbre rotatif sous l'influence de la force de coupe, comme illustré à la Fig. 4a. Le centre de l'arbre rotatif a été déplacé vers \({O}_{0}\), et la vibration dynamique est exprimée comme \(\ddot{x}(t),\ddot{y}(t)\) dans le système de coordonnées fixe \(XYZ\). Le \(UVW\) est également une coordonnée de rotation, qui a été alignée avec les sorties positives de l'ORS pendant la rotation à une vitesse angulaire de \(\omega\). L'accéléromètre MEMS a été monté à l'extrémité de la pièce et supposé avoir une phase initiale \({\theta }_{0}\), normale à la direction \(Z\), avec sa direction V orientée radialement et sa direction U tangentiellement. De plus, il y avait un décalage de \(r\) pour l'ORS car il était installé axialement et symétriquement sur une extrémité de la pièce, alors que l'accéléromètre MEMS n'était pas conçu pour être au centre du PCB (Fig. 2).

(a) Système de rotor de broche avec l'ORS monté à une extrémité de la pièce et (b) analyse de sortie du capteur MEMS dans le système de rotor.

Comme le montre la figure 4b, l'accélération centrifuge \({a}_{c}\) ainsi que la direction radiale et l'accéléromètre tangentiel \({a}_{t}\) peuvent être détectés par l'ORS dans les directions V et U, respectivement. De plus, il est connu du principe de l'accéléromètre MEMS qu'il détecte généralement une accélération de 1,0 g dans le champ gravitationnel mais dans la direction opposée à la gravité terrestre. Cela signifie qu'il y a toujours une accélération de 1,0 g verticalement vers le haut, que le système tourne ou non. Par conséquent, les sorties de l'ORS sont :

où \({a}_{t}\) et \({a}_{c}\) peuvent être exprimés comme :

Ensuite, le format matriciel pour Eq. (1) est :

L'équation (3) révèle que les signaux mesurés consistent en une accélération, qui reflète les caractéristiques dynamiques de la rotation du système rotor en raison de l'opération d'usinage et des composantes des accélérations gravitationnelles. Ce dernier n'est pas le signal souhaité et doit être éliminé pour améliorer les signaux dynamiques du rotor appropriés pour identifier l'état de coupe21.

En supposant que le rotor tourne à une vitesse angulaire variable dans le temps \(\omega\), comme \(\omega ={\omega }_{0}+{\omega }^{^{\prime}}\), où \({\omega }_{0}\) est la vitesse angulaire constante et \({\omega }^{^{\prime}}\) est la composante fluctuante de la vitesse. Alors, les accélérations centripètes \({a}_{c}\) et tangentielles \({a}_{t}\) peuvent s'écrire :

Étant donné que la fluctuation dynamique de la vitesse angulaire d'un rotor \({\omega }^{^{\prime}}\) est significativement faible par rapport à celle de la vitesse angulaire constante \({\omega }_{0}\), le terme quadratique \(r{{\omega }^{^{\prime}}}^{2}\) est négligeable. Par conséquent, l'accélération centripète dynamique \({a}_{c}^{^{\prime}}\) peut être approchée comme :

De plus, la vitesse angulaire dynamique peut être considérée comme périodique et étendue comme une série de Fourier comme suit :

où \({A}_{n}\) et \({\varphi }_{n}\) sont respectivement l'amplitude et la phase de la nième harmonique.

Enfin, les accélérations dynamiques centripètes \({a}_{c}^{^{\prime}}\) et dynamiques tangentielles \({a}_{t}^{^{\prime}}\) peuvent être exprimées comme une combinaison de composantes harmoniques comme suit :

Dans le système de coordonnées \({X}_{O}{Y}_{O}{Z}_{O}\), le \(\omega t\) peut être exprimé comme suit :

où \({\theta }_{0}\) est la phase initiale, et la troisième composante peut être négligée par rapport aux deux premières composantes. Par la suite, la vibration dynamique variant dans le temps, comme indiqué dans l'équation. (3) peut être réorganisé comme

De l'éq. (9), les accélérations dynamiques reconstruites \(\ddot{u}\left(t\right)\) et \(\ddot{v}\left(t\right)\), \(\mathrm{respectivement},\) projetées sur les axes U et V, sont composées de deux composantes : la vibration dynamique de \(\ddot{x}\left(t\right)\) et \(\ddot{y}(t)\) liée à l'opération de coupe, et la centrifugation dynamique ugal \({a}_{c}^{^{\prime}}\) et les accélérations tangentielles \({a}_{t}^{^{\prime}}\). Lors de l'exécution d'une transformée de Fourier sur les signaux de vibration, il est nécessaire d'éliminer la projection des composantes d'accélération gravitationnelle, permettant ainsi la reconstruction d'un signal de vibration significatif d'accélération centripète dynamique \({a}_{c}^{^{\prime}}\), d'accélération tangentielle dynamique \({a}_{t}^{^{\prime}},\) et de vibration dynamique \(\ddot{x}\left(t\right)\), \(\ddot{y}(t)\) en raison à l'usinage. Les étapes de reconstruction du signal d'accélération du système rotor sont les suivantes.

Calculer et déterminer la position de la fréquence de rotation du système de rotor après la transformée de Fourier.

Soustraire 1,0 g de l'amplitude dans les domaines complexes, à la fois dans la projection de la direction X et de la direction Y à la fréquence de rotation.

Reconstruire le signal de domaine temporel à l'aide de la transformée de Fourier inverse.

Considérant que l'ensemble broche-mandrin a un effet non négligeable sur la dynamique des pièces usinées22,23, un système à plusieurs degrés de liberté composé d'une broche, d'engrenages, d'un mandrin et d'une pièce a été établi par la méthode des éléments finis (FEM), comme le montre la Fig. 5. Le groupe de roulements avant était composé de deux roulements NSK 51214 et NSK 32014 montés sur DBB. Le roulement arrière est un roulement à rouleaux cylindriques à double rangée de type NSK NN3019K. Les principaux paramètres des roulements sont présentés dans le tableau 2. La rigidité a été calculée à l'aide de la méthode théorique indiquée dans une étude précédente24 et est présentée dans le tableau 3.

Modèle d'éléments finis du système de rotor de broche.

Le tableau 4 résume les résultats modaux du système de rotor à broche. Quatre bandes de fréquences ont été observées à environ 46 Hz, 350–450 Hz, 750–900 Hz et 1000–1200 Hz.

Comme le montre la figure 5, le système de rotor de broche est à symétrie axiale et ses caractéristiques dynamiques sont supposées identiques dans les directions X et Y. \({F}_{x}\) et \({F}_{y}\) sont les projections de la force de coupe sur les axes X et Y, respectivement. La force tangentielle \({F}_{x}\) est la force de coupe principale, représentant plus de 95 % de la force de coupe résultante, et la force radiale \({F}_{y}\) représente moins de 10 %. Par conséquent, le centre du rotor de la broche présente une légère oscillation latérale dans la direction X. Les orbites dynamiques du système rotor broche présentent alors des fluctuations importantes par rapport à celle des orbites circulaires ou elliptiques standards.

L'équation dynamique correspondante du système de rotor de broche excité par la force de coupe est exprimée comme4

où \(m,\) \({\omega }_{n},\) et \(\zeta\) sont respectivement la masse équivalente, la fréquence naturelle et le taux d'amortissement du système. \(F(t)\) désigne l'effort de coupe radial instantané. \({F}_{\sigma }\left(t\right)\) est la force de coupe stochastique due au frottement ou aux incertitudes de l'usinage, qui peut exciter la résonance stochastique du système de la machine.

L'effort de coupe tangentiel \(F(t)\) peut être obtenu à l'aide de la formule empirique25 :

où \({K}_{c}\) est le coefficient lié aux matériaux de l'outil et de la pièce et aux paramètres de coupe, \(h\left(t\right)\) est l'épaisseur de coupe réelle, également appelée profondeur de coupe, \(w(t)\) est la largeur de coupe réelle et \(q\) désigne l'exposant qui peut être déterminé expérimentalement. Les paramètres de \(h\left(t\right)\) et \(w(t)\) sont liés à la fluctuation instantanée des vibrations dans le plan XOZ et peuvent être exprimés comme4 :

où les termes \({x}_{0}\) et \({z}_{0}\) sont respectivement la profondeur et la largeur de coupe d'origine. \(x(t)-x(t-\frac{2\pi }{\omega })\) désigne la fluctuation de l'épaisseur dynamique des copeaux produite par les vibrations radiales, et \(z(t)-z\left(t-\frac{2\pi }{\omega }\right)\) est la fluctuation de la largeur instantanée des copeaux produite par les vibrations axiales.

À partir des éqs. (9), (10) et (12), on sait que les variations transitoires des paramètres de coupe tels que la profondeur des coupes, la force de coupe et les orbites des axes peuvent être reflétées par la fluctuation de l'accélération détectée par l'ORS.

Pour vérifier les performances du signal de vibration acquis à partir de l'ORS dans un processus d'usinage pratique, des expériences de tournage ont été menées sur un tour horizontal universel (CZ6132A). L'ORS et le capteur d'accélération filaire traditionnel ont été utilisés pour l'acquisition de données, comme illustré à la Fig. 6. L'ORS était monté à une extrémité de la pièce, qui était placée à travers le trou d'un mandrin à trois mors, et son signal de vibration pouvait être transmis à l'APP sur un téléphone ou un autre terminal intelligent. Cependant, l'accéléromètre filaire (122A200, d'une sensibilité de 10,2 m2/s produit par YMC Piezotronics Inc) était fixé sur le porte-outil à une fréquence d'échantillonnage de 100 kHz. Les autres paramètres de coupe sont présentés dans le tableau 5.

Montage expérimental.

Comme le montre la figure 6, les signaux de vibration projetés dans les directions X, Y et Z peuvent être directement détectés par l'ORS développé. Cependant, l'accéléromètre filaire à axe unique n'a montré que la vibration dans la direction de la force de coupe radiale, et il n'a pas pu capturer la caractéristique dynamique du rotor de la broche. La pièce a été usinée de 21,9 à 10 mm. L'expérience de tournage a été réalisée en continu, avec des données expérimentales enregistrées pour chaque coupe. Il a ensuite été déplacé vers la couche suivante coupée jusqu'à ce que la pièce soit coupée à environ 10 mm.

La figure 7 montre la comparaison des signaux de vibration collectés à partir de l'ORS et de l'accéléromètre filaire dans le domaine temporel de 0,4 s lorsque la profondeur de coupe était de 0,5 mm. La figure 8 montre le même signal dans le domaine fréquentiel après reconstruction, en suivant les étapes décrites dans "Reconstruction du signal d'accélération".

Comparaison des signaux vibratoires dans le domaine temporel.

Comparaison des signaux vibratoires dans le domaine fréquentiel.

Le spectre illustré à la Fig. 8 à partir de l'ORS était principalement modulé par une fréquence de rotation de la broche de 18 Hz, qui avait une amplitude significativement plus grande que celle générée par la vibration d'usinage. A l'inverse, ce signal de couplage collecté à partir de l'accéléromètre filaire était noyé dans le bruit. Il y avait trois bandes de fréquences évidentes avec des amplitudes significativement plus grandes, ce qui montrait le phénomène de résonance excité par le signal aléatoire. Les bandes de fréquences de résonance variaient de 350 à 480 Hz, 600–700 Hz et 1000–1200 Hz, conformément aux résultats FEM. Ces vibrations d'environ 680 Hz n'ont été détectées que par l'accéléromètre filaire. Ce spectre représente la vibration transversale de la pièce à l'extrémité libre (présentée dans le tableau 4 et décrite dans "Analyse modale du système de rotor de broche") et ne peut être captée que par l'accéléromètre filaire installé sur le porte-outil à côté de l'extrémité libre de la pièce ; tandis que l'ORS est fixé sur l'extrémité de serrage et placé dans la prise du mandrin.

L'orbite de l'axe est la trajectoire de mouvement de l'axe du rotor et est généralement composée de signaux de déplacement dans deux directions à un angle de 90° l'une par rapport à l'autre. Comme décrit ci-dessus, l'ORS développé pourrait détecter l'accélération dans trois directions et tourner avec le système de rotor de sorte qu'il puisse tracer facilement la trajectoire du rotor de broche par rapport au capteur d'accélération filaire. De plus, une orbite d'axe peut refléter directement les conditions de fonctionnement d'un système de rotor et est largement utilisée pour surveiller les conditions du rotor et les diagnostics défectueux26. L'orbite du système de rotor de broche a été calculée sur la base de ce phénomène, comme le montre la Fig. 9.

Orbite des rotors de broche.

Après avoir éliminé la gravité de 1,0 g et reconstruit les données d'accélération dans le domaine temporel, comme mentionné ci-dessus, le filtre Chebyshev a été utilisé pour filtrer la fréquence de rotation après la transformée de Fourier. Les données d'accélération dans les directions X et Y ont ensuite été intégrées dans le domaine fréquentiel. Comme le montre la figure 9, la trajectoire correspondante montre un circuit non répétitif similaire au mouvement quasi-périodique.

La figure 9a(1)–(4) montre l'orbite d'une profondeur de coupe de 0,5 mm, b(1)–(4) montre l'orbite d'une profondeur de coupe de 1,0 mm et c(1)–(4) montre l'orbite d'une profondeur de coupe de 1,5 mm. Le diamètre diminue comme le montrent les figures de (1) à (4), ce qui est simulé pendant le processus de coupe. La fluctuation de la trajectoire de l'axe augmente à mesure que le diamètre de la pièce diminue. De plus, cela montre que plus la profondeur de coupe est grande, plus l'orbite est elliptique et chaotique, indiquant que les paramètres de coupe pourraient être reconnus à travers les orbites.

Pour surveiller le processus de coupe et reconnaître les différentes profondeurs de coupe, deux filtres passe-bande ont été adoptés sur la base des caractéristiques du spectre décrites dans "Comparaison des signaux de l'ORS et de l'accéléromètre filaire". Pour le signal de vibration recueilli par l'ORS, la première bande de fréquence de résonance a été réglée de 200 à 600 Hz, ce qui était cohérent avec les résultats des tests d'impact, et la deuxième bande de fréquence de résonance a été réglée de 800 à 1200 Hz. Pour les données recueillies par l'accéléromètre filaire, deux filtres passe-bande ont été réglés séparément de 400 à 800 Hz et de 7 000 à 8 500 Hz, ce qui est nettement supérieur à celui de l'ORS.

Après avoir appliqué le filtre de fréquence passe-bande, la racine carrée moyenne (RMS) a été calculée à chaque coupe. La figure 10 montre les résultats de la comparaison, qui suggèrent que différentes profondeurs de coupe peuvent être reconnues par le signal de vibration provenant de l'ORS, tous deux filtrés par les premier et deuxième filtres passe-bande à fréquence de résonance. En revanche, les données de vibration de l'accéléromètre filaire ne font pas la distinction entre les différentes profondeurs de coupe, ce qui a montré que l'ORS proposé est plus efficace malgré leurs tendances variables.

RMS sous différentes profondeurs de coupe.

La principale raison d'obtenir différentes tendances de données était les différentes positions de montage des capteurs. L'accéléromètre filaire était installé sur le porte-outil et, par conséquent, le signal de vibration était fortement affecté par l'ensemble du système de porte-outil ; cependant, l'ORS était monté sur la pièce et tournait de manière synchrone avec la broche ; ainsi, il a été affecté par le système de broche. En conclusion, en raison des différentes excitations vibratoires externes et des caractéristiques dynamiques des deux capteurs, les résultats ont montré des tendances différentes.

Ces résultats ont prouvé que le système ORS à trois axes de mesure des vibrations développé peut détecter les changements du signal de vibration sous différentes profondeurs de coupe plus efficacement et avec plus de sensibilité qu'un accéléromètre filaire.

Dans cette étude, un nouveau système de détection de vibrations sans fil à trois axes sur le rotor pour surveiller le processus de rotation a été développé. Ensuite, sur la base des sorties de l'accéléromètre ORS MEMS, nous avons reconstruit le signal de vibration en utilisant la transformée de Fourier inverse après avoir soustrait 1,0 g de l'amplitude dans les domaines complexes. De plus, généralement, nous avons mené les expériences de tournage sur un tour horizontal universel pour vérifier les performances du signal de vibration acquis à partir de l'ORS et comparer les résultats avec celui de l'accéléromètre filaire commercial. Certaines conclusions sont résumées comme suit.

Un nouveau sans fil à trois axes est développé et construit dans cette étude pour la surveillance du traitement de tournage, avec un taux d'échantillonnage de 3200 Hz qui répond aux exigences courantes de la machine de découpe.

Le système de détection peut être monté sur une extrémité de la pièce à usiner de sorte qu'il soit plus sensible aux paramètres de coupe et à l'ensemble du système de rotor sans aucune modification du système de tour ni interférence dans la procédure de coupe.

L'expérience d'usinage a montré que l'ORS développé pouvait mesurer le signal de vibration du système de rotor de manière plus efficace et plus sensible que l'accéléromètre câblé commercial.

Dans ces expériences de tournage, seules les données d'accélération dans les directions X et Y ont été analysées, mais le signal de vibration dans les trois directions de l'ORS à trois axes pourrait être appliqué dans un système d'usinage plus compliqué tel qu'une procédure de perçage. À l'avenir, des études se concentreront sur le développement et l'intégration de divers capteurs pour fabriquer des systèmes de machines pour une reconnaissance plus poussée des conditions de coupe et une surveillance des processus d'usinage.

De plus, il existe certaines limitations de l'ORS actuel, telles qu'une large bande passante de communication et une consommation d'énergie élevée. Nous explorerons le système de récupération d'énergie et l'informatique de pointe pour résoudre ces problèmes. De cette manière, le traitement des données et l'analyse des caractéristiques peuvent être effectués sur l'unité de traitement, et seuls les résultats doivent être transmis à l'APP, ce qui réduit la transmission des données, la bande passante et la consommation d'énergie et ainsi réaliser une surveillance en ligne. De plus, pour résoudre le problème de la charge de la batterie, nous avons étudié des recherches sur un prototype de méthode efficace de récupération d'énergie, qui permettrait la charge de la batterie. Le système ORS sans fil devrait être auto-alimenté à l'avenir.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de l'étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Ferrell, ER Analsys of Tool Wear and Tool Life of Cutting Tool Inserts Using Statistical Process Control Charts: A Case Study (Morehead State University, 2017).

Google Scholar

Hopkins, C. & Hosseini, A. Un examen des développements dans les domaines de la conception d'outils de coupe intelligents, de la surveillance de l'usure et de l'innovation des capteurs. IFAC-PapersOnLine 52, 352–357 (2019).

Article Google Scholar

de Oliveira, AJ, Silva, DML, da Silva, JID & de Castro Silveira, Z. Conception et montage expérimental d'un dynamomètre hybride appliqué à un quatrième axe du centre d'usinage vertical. Int. J. Adv. Fab. Technol. 110, 2155-2168 (2020).

Article Google Scholar

Li, C. et al. Surveillance de l'état de l'outil basée sur le signal de vibration d'un capteur sur le rotor dans le processus de tournage CNC. dans 17th International Conference on Condition Monitoring and Asset Management, CM 2021 2A6 (2021).

Tantussi, G., Technology, M. & Beghini, M. Un outil à capteur intégré pour la surveillance de la force de coupe. 46, 49-52 (1997).

Goyal , D. , Choudhary , A. , Pabla , BS & Dhami , SS Système de diagnostic de défauts sans contact basé sur des machines vectorielles de soutien pour les roulements . J. Intel. Fab. 31, 1275-1289 (2020).

Article Google Scholar

Albrecht, A., Park, SS, Altintas, Y. & Pritschow, G. Mesure de la force de coupe à bande passante haute fréquence dans le fraisage à l'aide de capteurs de déplacement capacitifs. Int. J.Mach. Fabrication d'outils 45, 993-1008 (2005).

Article Google Scholar

Rizal, M., Ghani, JA, Nuawi, MZ & Haron, CHC Développement et test d'un dynamomètre rotatif intégré sur porte-outil pour le processus de fraisage. Méca. Syst. Processus de signalisation. 52–53, 559–576 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Liu, M., Bing, J., Xiao, L., Yun, K. & Wan, L. Développement et test d'un dynamomètre rotatif intégré basé sur un réseau de Bragg à fibre pour la mesure de la force de coupe à quatre composants. Capteurs (Suisse). 18, (2018).

Ting, Y., Chen, HY, Chen, JH & Yu, CH,. Conception et évaluation des performances d'un capteur à couches minces multi-axes pour la mesure du processus de fraisage. Capteurs Actionneurs A Phys. 332, 113147 (2021).

Article CAS Google Scholar

Drossel, WG, Bucht, A., Pagel, K., Mäder, T. & Junker, T. Applications adaptroniques dans les machines de découpe. Procedia CIRP 46, 303–306 (2016).

Article Google Scholar

Qin, Y., Wang, D. & Yang, Y. Système intégré de mesure de la force de coupe basé sur un capteur MEMS pour surveiller le processus de fraisage. Microsystème. Technol. 26, 2095-2104 (2020).

Article Google Scholar

Chen, X., Cheng, K. & Wang, C. Conception d'un outil de tournage intelligent avec application à la mesure de la force de coupe en cours de processus en ultraprécision et micro coupe. Fab. Lett. 2, 112-117 (2014).

Article Google Scholar

Drossel, WG et al. Performance d'un nouveau capteur piézocéramique à couche épaisse pour la mesure et le contrôle des efforts de coupe lors du fraisage. CIRP Ann. 67, 45–48 (2018).

Article Google Scholar

Kuntoğlu, M. et al. Revue des systèmes indirects de surveillance de l'état des outils et des méthodes d'aide à la décision en tournage : analyse critique et tendances. Capteurs (Suisse) 21, 1–33 (2021).

Google Scholar

Xie, Z., Li1, J. & Lu, Y. Un porte-outil de détection de vibrations sans fil intégré pour la surveillance de l'état des outils de fraisage. Int. J. Adv. Fab. Technol. 174, (2017).

Zhou, C., Guo, K., Zhao, Y., Zan, Z. & Sun, J. Développement et test d'un système de porte-outil de mesure de vibration triaxial rotatif sans fil pour le processus de fraisage. Mes. J. Int. Mes. Conf. 163, 108034 (2020).

Article Google Scholar

Chung, TK et al. L'invention concerne un système de détection sans fil entraîné par un collecteur d'énergie électromagnétique amovible démontrant les processus de fraisage et la surveillance de l'usure/de la rupture des fraises. Capteurs (Suisse) 16, 1–18 (2016).

Annonces d'article Google Scholar

Totis, G. & Sortino, M. Développement d'un dynamomètre modulaire pour la mesure de l'effort de coupe triaxial en tournage. Int. J.Mach. Fabrication d'outils 51, 34-42 (2011).

Article Google Scholar

Nguyen, V., Fernandez-Zelaia, P. & Melkote, SN Caractérisation basée sur un capteur PVDF de la segmentation des copeaux lors de la coupe de l'alliage Ti-6Al-4V. CIRP Ann. Fab. Technol. Rév. 66, 73–76 (2017).

Article Google Scholar

Feng, G., Hu, N., Mones, Z. & Gu, F. Enquête sur les sorties orthogonales d'un accéléromètre MEMS sur rotor pour la surveillance de l'état du compresseur alternatif. Méca. Syst. Processus de signalisation. 76–77, 228–241 (2016).

Annonces d'article Google Scholar

Lu, K., Wang, Y., Gu, F., Pang, X. & Ball, A. Modélisation dynamique et analyse du broutage d'un système broche-pièce-poupée pour le tournage de pièces flexibles. Int. J. Adv. Fab. Technol. 104, 3007–3015 (2019).

Article Google Scholar

Lorong, P., Larue, A. & Perez Duarte, A. Étude dynamique du tournage de pièces à parois minces. Adv. Mater. Rés. 223, 591-599 (2011).

Article Google Scholar

Min, L. Calcul de la rigidité des roulements à rouleaux coniques de précharge en position axiale. Roulement 5, 5–7 (2004).

Google Scholar

Insperger, T., Barton, DAW & Stépán, G. Criticité de la bifurcation de Hopf dans le modèle de retard dépendant de l'état des processus de tournage. Int. J. Non. Linéaire. Méca. 43, 140-149 (2008).

Annonces d'article Google Scholar

Huachun, W., Jian, Z., Chunhu, X., Jiyang, Z. & Yiming, H. Algorithme d'entropie d'échantillons de séries chronologiques bidimensionnelles : applications à l'identification des caractéristiques de l'orbite de l'axe du rotor. Méca. Syst. Processus de signalisation. 147, 107123 (2021).

Article Google Scholar

Télécharger les références

Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (Grant no. 52175108), le Guangdong Science and Technology Department (No. 2020KTSCX188) et le Beijing Municipal Science & Technology Project (No. Z201100008320004).

École d'automatisation industrielle, Institut de technologie de Pékin, Zhuhai, 519088, République populaire de Chine

Chun Li et Zhejiang Zou

Centre d'ingénierie de l'efficacité et de la performance, Université de Huddersfield, Huddersfield, HD1 3DH, Royaume-Uni

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

Collège de génie mécanique, Université de technologie de Taiyuan, Shanxi, 030024, République populaire de Chine

Kaibo Lu

École de génie mécanique et électrique, Université des sciences et technologies de l'information de Pékin, Pékin, 100192, République populaire de Chine

Hongjun Wang

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

CL a conçu la structure du capteur, était responsable de l'expérience du capteur et a écrit le texte principal du manuscrit. ZZ était responsable du traitement des pièces du capteur, de l'analyse des résultats expérimentaux et de la préparation des figures. KL a assumé la responsabilité de l'intégrité du travail complet et de la décision finale de soumettre le manuscrit. WH a parrainé le développement du capteur. RC était responsable de l'examen critique et de l'interprétation des données. AB a supervisé la rédaction et l'analyse des manuscrits. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance au Zhejiang Zou.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Li, C., Zou, Z., Lu, K. et al. Évaluation des performances d'une détection sur rotor à trois axes pour la surveillance des processus d'usinage : une étude de cas. Sci Rep 12, 16813 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21415-w

Télécharger la citation

Reçu : 30 juin 2022

Accepté : 27 septembre 2022

Publié: 07 octobre 2022

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

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.