Acoustic emission based drill condition monitoring during drilling of glass/phenolic polymeric composite using wavelet packet transform

DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.08.036

December 2005

Abstract

Monitoring of tool condition on the basis of sensor signals requires a selection of suitable signal processing technique and monitoring index, to assess the tool condition. In this paper, wavelet packet transform is used as a tool, to characterise the acoustic emission signals released from glass/phenolic polymeric composite during drilling. The results show that the selected monitoring indices from the wavelet packet coefficients are capable of detecting the drill condition effectively

Keywords: Acoustic emission, Tool condition monitoring, Glass/phenolic, Wavelet packet coefficient, Crest factor

دانلود مقاله انگلیسی

نظارت شرایط حفاری بر مبنای انتشار صوت (حفر كننده) در طول حفاری تركيب پلیمری فنل/شیشه با استفاده از تغییر بسته موج

چکیده
براي تشخيص و ارزيابي وضعيت ابزار به مجموعه مناسبي از سيگناله اي فني جرياني نياز بوده كه اين سيگنال حسگر مناسبي براي بازنگري و كنترل اين موقعيت ها مي‌باشد. در اين مبحث بسته موج متغير به عنوان ابزاري بوده كه از آن براي تشخيص سيگنال هاي نشر صوتي موقعيت پليمر يك شيشه مصنوعي طول حفاري استفاده مي‌شود. نتایج نشان می دهد که شاخص های نظارت انتخاب شده از ضريب بسته‌هاي موج استخراج به طور موثر قادر به تشخیص شرایط مته است.
لغات كليدي: نشر صوتي، بازنگري وضعيت ابزار، شيشه /فنول، ضريب بسته موج، فاکتور راس خاكريز

۱ مقدمه
در سالهاي اخير استفاده از (باخت) ضريب‌هاي مواد مركب در هر حوزه مهندسي به خاطر مقرون به صرفه بودن مواد پيشرفت داشته است. هر چند كه تعیين ويژگيهاي مواد مركب به خاطر وجود ۲ يا چند فاز مختلف مورد ترديد بوده و با اشكال روبه‌رو مي‌شود. حفاري يكي از فرايندهاي ماشيني است كه در مواد مركب بطور جدي دنبال مي‌شود در حاليكه اجزاي خروجي تركيب كه براي كامل كردن مجموعه نياز بوده و معمولاً نزديك به شبكه‌ها بخش توري تشكيل مي‌شوند. حفاري فرآيند پيچيده‌اي است كه خصوصاً با وجود فاكتورهاي مشخص در مواد مركب بطور تصادفي بر مجمر ابزار تاثير گذاشته و آنرا فرسوده مي‌كند. خطرات متعدد كوچكي امثال ترك خوردگي قالب بافت داخلي (ماتريكس) قالب و شكستگي الياف خارجي وجود داشته كه تمام اين خطارت شامل حفره‌ها و پرش‌هاي مواد بوده كه در طول حفاري مواد ايجاد مي‌شوند. سطح اين خطارت وابسته به وضعيت ابزار برش در طورل ماشيني كردن تنها دارد. براي جلوگيري از بروز خسارت در كار مواد به خاطر مته (حفر كننده) ناقص معمولاً قبل از اينكه عمر مفيد ابزار تمام شود تعويض مي‌شود حتي با رعايت كردن اين اصل راهي براي پيش‌بيني مته‌هاي معيوب وجود ندارد. با اين اطلاعات راهي معتبر ايجاد شده تا موقعيت وضيعيت مته‌ها را بطور اتوماتيك و متوالي كنترل شود.
در مطالعاتي گسترده با اندازه‌گيري قدرت طوق و ضربات سوراخها به طور متوالي ميزان فرسودگي ابزار مشخص مي‌شد[۱] اما در ميان آنها گسيل صوتي يكي از روش‌هاي دقيق كنترل محيط ماشيني بود. خطرات ميكروسكوپي (كوچك) توسط مكانيسم برش و تغيير موقعيت ابزراي ايجاد شده و معمولاً‌هنگامي امواج ناپايدار آلاستيك به درون مواد حركت مي‌كنند. انرژي آلاستيك و ذخيره شده‌اي را با فركانس بالا از خود خارج مي‌كنند. در اينجا گسيل (نشر) صوتي را با علامت AE نشان مي‌دهيم. كار آنها تشخيص موقعيت‌هاي ابزار خصوصاً‌در مواد مركب مي‌باشد. از اينرو كنترل و نظارت بر موقعيت ابزار در ساختمان مواد خسگرهيا AE تكميل شده و تمام آنها در مطالعات پاسخي مشابه داشتند. امواج اكوستيك (امواج صوتي) در ساختمام مواد غير ساكن بوده و معمولاً‌ دربرگيرنده همپوشانيهاي ناپايدار است. از اينرو در روشي اختصاصي و فرآيند فني بطور ويژه سيگنال‌هاي AE مشخص شد.
عمل ابزار استخراج سيگنال حسگر كار (فرايند) از سيگنال حسگر موجود در تركيبات است كه آنرا فهرست كنترل مي‌ناميم كه شخصيت ويژگي موقعيت‌ها را توضيح مي‌دهد. در جايي كه سيگنال‌ها در جريان ثابت و ساكن هستند بايد از تكنيك‌هاي متفاوتي استفاده كرد و حتي برا يتجزيه و تحليل حوزه‌هاي آماري و يا طيفي از متغيرهيا همچون متغيير FOURIWR [2] مي‌توان استفاده كرد. هر چند كه وقتي اجزاي جرياني ناپايدار داشته بادشند فركانس اجزاي پوسيده كوتاه بوده كه مثل AE استخراج مشخصه (ويژگي) تركيبات كاري مشكل بوده و اطلاعات مفيد يا متوسط بوده و يا اينكه به كلي از بين ‌رفته‌آند در حاليكه شكل سيگنالها از يك حوزه به حوزه ديگر متغيير مي‌باشد. از اينرو تلاش شده بود تا بوسيله توسعه (ترانسفورم) تغيير شكل دهنده foureir كوتاه مدت راه حلي براي اين مشكل پيدا كنند. اما اين مشكل تنها براي قدت كوتهي توسط معرفي بخش فركانس- زماني رفع شد. روش موج ذره‌اي كوچك تغيير شكل يافته (موج متغيير) از ميان چندين فركانس- زماني انتخاب شد و كي از روشهاي اميد بخش بوده كه در مهندسي دنبال مي‌شود. موج متغيير در حوزه‌هاي مهندسي و علوم مختلف خصوصاً در گفتار و تصور فرايندها كاربرد موفقي داشت. عموماً‌ كاربرد موج متغير براي دسته‌بندي سيگنالهايي كه در محيط هاي ماشيني‌حاصل شده پيشرفت كرده (در اين مورد كاربرد بسياري دارد) همچنين اين موج داراي خواص بسياري بوده كه آنرا براي كنترل موقعيت جالب مي‌سازد. (tenseleat) تنسل ات آل [۳] سيگنالهاي ورودي مشخصي را پيشنهاد داد تا موج متغير در حفاريهيا كوچك ضرر خطر ابزار را تعيين كرده قبل از اينكه شكستگي‌هاي نوك تيز در اين عمل كامل شوند. Wuetal [4] از موج متغيير براي استخراج سينگنال‌هاي تركيبي جريان تركيبي حراين محرك استفاده كرد كه در طول حفاري وضعيت ابزار ماشين‌هاي متغيير را كنترل مي‌كردند. Suzuki etd سوزوكي ات آل [۵] موج متغيير را با سيگنالهاي AE ارتباط داد كه در روش (انكسار) شكستگي الياف تركيبات تفويت شده بودند. Berger etd برگرات ال [۶] از موج‌ متغيير به عنوان ابزاري براي مطالعه شاخصه ديناميك در فرآيند برش‌ها استفاده كرد. موج متغير در نخستين مرحله از تصادم [۷] براي مشخص كردن مقادير متغيير ديناميك از بالا به پايين در حريان برش به كار برده شد. در مطالعات جديد از بسته موج متغيير براي مطالعه موقعيت مته‌ها در طول حفاري از تركيب شيشه مصنوعي استفاده مي‌شد.

۲ موج متغيير (موج ذره‌اي كوچك تغيير شكل يافته)
موجي متغيير شكل خلاصه شده‌ انرژي است كه سيگنال (علامت) (t) f مشخص شده و مي‌تواند موج متغير [۸] باشد.

(۱)eq نشان مي‌دهد كه موج متغيير مي‌تواند در سيگنال فاسد مورد بررسي قرار گيرد. سيگنال‌ها فاسد (t)f در خانواده و متغيير قرار گرفته و ضريب وزنه‌هاست. در (t) f tw ميدان نوسانات در محل داده شد ه و s فركانس مي‌باشد. در آن تابع موج مادر در موج متغيير انحرافت متعددي مثل موج متغير مضاعف و موج متغير بسته (بسته موج متغيير) وجود دارد. در اين مطالعات موج متغيير بسته (بسته موج متغيير) استفاده شده است. اين موج در تركيبات به سيگنال‌هاي متعددي تجزيه شده است بسته (t) pj بوده كه iنشانه شماره بسته و j شماره سطوح است كه در تركيبات خصوصيت تركيبات مي‌تواند ربايش آنها باشد.

بسته‌هاي موج شامل اطلاعات سيگنال (روزنه‌ها) در زمان مختلف با تجزيه و تفكيك مختلف بودند. هر بسته مطابق با تعداد ي دسته فركانس بود. تعدادي از بسته‌ها كه شامل (شاخصه) ضخصيت تركيبات سيگنال هستند به بسته‌هاي تركيبي نستب داده مي‌شود. عموماً‌بسته‌هايي كه انرژي بالاتري دارند، بسته‌هاي تركيبي ناميده مي‌شوند. در اين متن از انرژي بسته موج به عنوان معياري براي گزينش بسته‌هاي تركيبي استفاده مي‌شود.

۳ سازنده تجربي و داده acquisition
حفاري‌هاي تجربي راهنمايي كلي براي ماشين‌هاي دندانه‌وار در شكل ۱ بطور تجربي كار كرد اين مطالعات را نشان مي‌دهد در آزمايشات ورقه‌هاي پليمري شيشه مصنوعي خراج از بافت پارچه‌اي شيشه ساخته شده بود از مته hs با قطر ۵/۶ در طول آزمايشات حفاري استفاده شد. از امتحانات مقدماتي، پارمترهاي برش رضايت بخش بوده و در سرعت ۶/۳ و ۰۸/۰ نرخ تغذيه بار ي كار و موقعيت مواد تركيبي بود. در اين آزمايشات از هيچ ابزار سرماسازي استفاده نشده بود. گسيل صوتي با يك دسته كيستلر kistler گسترده علم فيزيك و الكتريك با حسگر AE (مدل ۲A 52/8) در موقعيت قطعه كار نزديك به ابزار اندازه‌گيري شد. در اندازه هاي از پيش تعيين شده تعداد حفره‌ها از موجهاي صوتي حاصل شده بوده و از ذخيره‌ عددي نوسان نما (اسبيلوسكوپ) استفاده شده و دامنه فرسودگي مته‌ها در اندازه‌گيرير دقيق و عمومي مشابه ارزيابي شده بود.
سينگلهاي موجود در AE توليد شده و براي تشخيص تركيبات شاخصه تركيبات موج تغيير بسته استخراج و استفاده شده است. در شكل ۲ نشان داده شده كه در طرح كلي همه تركيبات براي كنترل وضعيت ابزار نياز بودند.

۴ وضعيت و مباحثات
شكل (A-c) نمونه خام شكل موج از سيگنال AE در حيطه زمان براي حفره‌هاي مختلف را نشان مي‌دهد آنها نشان مي‌دادند كه با افزايش يافته است. در كنترل موقعيت ابزار سيگنالهاي AE كنترل شد و اين سيگنال شامل اطلاعات پيچيده‌اي در فرآيند برش بوده براي نگهداري اعتبار سيستم كنترل ابزار استخراج تركيباتي كه در رابطه با موقعيت ابزار شرح داده بودند لازم بود. از اينرو و سيگنالهاي AE به ۴ سطح تجزيه مي‌شدند كه هر بسته موج ۱۶ شكاف دارد.
هر بسته موج متغيير در هر نوار فركانس khz 2500 – ۷۵/۲۳۴۳ به ۲۵/۱۵۶ رسيده بود از ميان ۱۶ بسته انتخاب بسته‌ها از بسته‌هاي تركيبي لازم بوده كه دربرگيرنده اطلاعاتي مفيد است. انرژي كه در هر بسته قرار داشت از بسته‌هاي تركيبي بوده كه از فرمول زير محاسبه مي‌شود. از اين تجزيه مشاهده شد كه در تمام حفره‌ها اولين بسته بالاترين انرژي را داشته از اينرو به عنوان يك بسته تركيبي انتخاب مي‌شد.
شكل (d-f) 3 نشان مي‌داد كه قدرت (نيروي) مشابه طيفي سيگنالهاي AE موجي شكل تجزيه و شده كه در شكل (A-C)3. از اين شكلها اين برداشت مي‌شود كه با افزايش تعداد حفره‌ها، در نتايج فركانس و ميدان نوسان تغيير محسوسي ديده مي‌شود. ميزان تغييرات انرژي در طول حفاري از سي‌امين حفره نشان مي‌داد كه انرژي خارج شده از بافت داخلي ماتريكس و معايب فركانس در حدود khz 80 است. در منابع ديگر سيگنال موجود با فركانس پايين و نشانه‌هاي معيوب انرژي مثل ترك‌هاي خيلي ايزماتريكس (قالب) نشان داده شد. در يك محور فركانس khz 60 به ۸۰ ديده شده در حاليكه در (۸۰) هشتادمين حفاري (شكل ۳) اثرات سايش در دامنه مته با سطح حفره‌ حفاري وجود داشت و به موجب آن ميزان انرژي كاهش مي‌يابد.
در شكل ۴، ضريب موج بسته از ضريب بسته‌هاي تركيبي سينگالها در شكل ۳ نشان داده شد، است. از اين طرح اين طور برمي‌آيد كه بزرگي ضريب موج‌هاي بسته به تغيير موقعيت (وضعيت) ابزار حساس بوده و در طول حفاري كه ابزار تازه كار بوده برش‌ها صاف‌تر مي‌باشند از اينرو ضريب امواج اليافت بريده شده يكنواخت نشان داده مي‌شود (پس از آن تا آخر كار) در جاييكه تعداد حفره‌هاي حفاري شده افزايش مي‌يابد بزرگي ضريب امواج در تمام نقاط داده‌ها افزايش يافته و در زمان طولاني فركانس اجزا بالاتر بوده است. در اين دوره طولاني خطراتي (ضررها) مثل شكستگي (قالب) ماتريكس و ورقه ورقه شدن ابزار حتي تا مدتي بعد از شكست الياف ادامه مي‌يابد. تجزيع و تحليل سيگنالهاي منطبق شونده AE در نمونه‌هاي ناقص (معيوب) توسط گزارش شد.
تغيير در RMS ضريب امواج بسته تركيب وابسته به تعداد حفره‌ها بوده كه در تصويري نشان داده شد. با توجه به شكل تغييري واضح در ضريب موجها مشاهده شد وتغيير در موقعيت مته‌ها به خاطر اين بود كه تعداد حفره شده افزايش يافت. هر چند كه براي تشخيص موقعيت ويژه ابزار به اطلاعات گسترده نسبته‌هاي تركيبي نياز بود. از اينرو در بيشتر فرايندها روش‌هاي پذيرفته شده و دنبال مي‌شود.
همانطور كه در نوشته‌ها ديده نشد هر بسته تركيبي شامل مريضي از داده‌ها بود كه اين داده‌ها در سيگنال اصلي كاملاً‌ تعريف شده است و اغلب براي تعيين خصوصيات فهرست‌هاي بسته‌هاي تركيبي استفاده مفيدي دارند. در چندين طرح ميزان RMJ از قله به دامنه متغيير هستند و در اين مطالعات نوك خاكريز در معادله (۴) با علامت C نشان داده شد عموماً‌از مقادير آماري متفاوت مي‌باشد كه براي مطالعه موقعيت و وضعيت مته از فهرست كنترل Monitoring index استفاده شد.

تعداد نوسانات در فهرست كنترل و تعداد حفره‌هاي ابزار فرسوده در شكل ۶ نشان داده شده است از نوشته‌هاي بالا بازگاه كردن به شكل متوجه مي‌شويم كه ارزش فهرست كنترل در ۱۰ حفره تكراري افزايش يافته و عملكرد مته‌هاي فاسد نيز نشان داده است. بين ۱۰ تا ۳۰ حفره ميزان سايش دامنه مته فرسوده در اتركار با مواد بطور تصاعدي افزايش يافته است، از اينرو به انرژي پايين از آن ساطع مي‌شود. همچنين نقاصان در فهرست كنترل و فرسودگي بيشتر از mm 2/0 مي‌تواند به خاطر رطوبت سيگنال‌هاي مي‌شود (در مورد ۳۰ حفره) كه بوضوح ميزان آستانه در موقعيت مته براي حفاري پليمر شيشه – مصنوعي محدود مشاهده شد از اينرو ۶ و با استفاده از فرمول كنترل اگر c I ci+1 باشد مي‌توان موقعيت ابزار حتي ابزار فرسوده را تعيين كرد. هرچند كه نقشه كنترل مي‌تواند توسط جريان (انتقال) نشانه‌هاي تجربي و مطالعه طرح كامل شود، و در نتيجه از ضريب موج در ابزار مختلف براي توليد آستانه زنگ اخبار مي‌توان استفاده كرده كه مي‌تواند در زمان واقعي به آساني موقعيت ابزار را كنترل و بازنگري مي‌كند.

نتايج :  از مطالعات بالا اين نتايج به دست مي‌آيد.
– انرژي AE در ابزار فرسوده كاهش يافته تا جايي كه در فرآيند كار و كنترل AE بطور متوالي و به آساني انجام مي‌شود
– ضريب امواج قادر بوده تا به خاطر تغيير در وضعيت ابزار پاسخ متفاوتي از خود نشان دهند
– با استفاده از موج متغيير بسته از سيگنالهاي حسگر AE تركيبي كليدي استخراج مي‌شود.
– فهرست كنترل از ضريب امواج بسته تركيب مي‌تواند اعتبار و موقعيت ابزار را آشكار كند .