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刀具磨損和破損綜合監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法介紹

日期:2025-06-29 10:18
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摘要:
  監(jiān)測(cè)原理監(jiān)測(cè)參量的選取監(jiān)測(cè)原理監(jiān)測(cè)原理框圖監(jiān)測(cè)刀具磨損和破損的方法很多,可分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩大類。直接測(cè)量法主要有:光學(xué)法、接觸電阻法、放射性法等。間接測(cè)量法主要有:切削力或功率測(cè)量法,刀具和工件測(cè)量法,溫度測(cè)量法,振動(dòng)分析法,AE法,電機(jī)電流或功率測(cè)量法等。
    比較現(xiàn)有的刀具磨損和破損的監(jiān)測(cè)方法,各有優(yōu)缺點(diǎn),我們選取聲發(fā)射(AE)和電機(jī)電流信號(hào)作為監(jiān)測(cè)參量。這是因?yàn)锳E信號(hào)能避開機(jī)加工中噪聲影響*嚴(yán)重的低頻區(qū),受振動(dòng)和聲頻噪聲影響小,在感興趣區(qū)信噪比較高,便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。響應(yīng)速度快,靈敏度高;但重負(fù)荷時(shí),易受干擾。而電機(jī)電流信號(hào)易于提取,能適應(yīng)所有的機(jī)加工過程,對(duì)正常的切削加工沒有影響,但易受干擾,時(shí)間響應(yīng)慢,輕負(fù)荷時(shí),靈敏度低。這樣,同時(shí)選AE和電機(jī)電流為監(jiān)測(cè)信號(hào),就能利用這2個(gè)監(jiān)測(cè)量的各自長處,互補(bǔ)不足,拓寬監(jiān)測(cè)范圍,提高監(jiān)測(cè)精度和判別成功率。
    切削過程中,當(dāng)刀具發(fā)生磨損和破損時(shí),切削力相應(yīng)發(fā)生變化,切削力的變化引起電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)電流發(fā)生相應(yīng)的變化,電流法正是通過監(jiān)測(cè)電機(jī)電流的變化,實(shí)現(xiàn)間接在線實(shí)時(shí)判斷刀具的磨損和破損。AE是材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí),以彈性波形的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。它具有幅值低,頻率范圍寬的特點(diǎn)。試驗(yàn)及頻譜分析發(fā)現(xiàn):正常切削產(chǎn)生的AE信號(hào)主要是工件材料的塑性變形,其功率譜分布,100kHz以下數(shù)值很大,100kHz以上較小。
    當(dāng)刀具磨損和破損時(shí),100kHz以上頻率成分的AE信號(hào)要比正常切削時(shí)大得多,特別是100-300kHz之間的頻率成分更大些。為此,應(yīng)通過帶通濾波器,監(jiān)測(cè)100-300kHz頻率成分AE信號(hào)的變化,對(duì)刀具磨損和破損進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用AE、電機(jī)電流信號(hào)綜合對(duì)刀具磨損和破損進(jìn)行判別的原理是:輕負(fù)荷區(qū),依靠AE包絡(luò)信號(hào),用閾值的方法進(jìn)行判別;在中負(fù)荷區(qū),這時(shí)電機(jī)電流和AE信號(hào)都起作用,用兩者結(jié)合的方法進(jìn)行判別,提高判別的成功率,具體方法是:如果AE信號(hào)超過AE閾值,則置延時(shí)常數(shù)為ds(d的數(shù)值依賴于系統(tǒng)構(gòu)成),如果在ds時(shí)間內(nèi),電流信號(hào)也超過電流信號(hào)的閾值,則判刀具極限磨損或破損。如果在ds時(shí)間內(nèi),電流信號(hào)未超過電流信號(hào)的閾值,則不報(bào)警,由延時(shí)常數(shù)繼續(xù)監(jiān)測(cè)。這種以AE為先導(dǎo),AE信號(hào)和電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行“與”的判別模式,既利用了AE信號(hào)具有實(shí)時(shí)、靈敏的特點(diǎn),又考慮了電機(jī)電流信號(hào)具有滯后的性質(zhì),具有較強(qiáng)的抗干擾能力,提高了判別成功率。在大負(fù)荷區(qū),則以電機(jī)電流信號(hào)為主,AE信號(hào)為輔進(jìn)行判別。下圖為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的線路框圖。中間一路為電網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè)線路,通過對(duì)電源的波動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),消除由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)的影響,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖中虛線部分為自動(dòng)減去首切電流線路,目的是自動(dòng)減去首切電流,以電流的變動(dòng)量為判別量,提高電流信號(hào)監(jiān)測(cè)的靈敏度。
    刀具磨損和破損監(jiān)測(cè)線路框圖
    電流信號(hào)的實(shí)際判別公式如下:I=(Ia-Ib)-F(Va-Vb)式中:I為判別電流值;F為電壓變化引起電流變化的比率,主要為消除電流、電壓硬件線路放大倍數(shù)的不一致;Va、Va分別為監(jiān)測(cè)過程中采樣的電流和電壓值;Ib、Vb則為開始切削時(shí)的電流和電壓值。實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果刀具磨損和破損的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是自動(dòng)化機(jī)加工生產(chǎn)線中一個(gè)困難而又重要的問題,雖然監(jiān)測(cè)刀具磨損和破損的方法很多,但由于實(shí)際切削過程中環(huán)境惡劣、刀具和工件的多樣性、采集數(shù)據(jù)離散性大等因素,使得實(shí)際監(jiān)測(cè)很困難。
    若采用單一的監(jiān)測(cè)方法,無論是直接法,還是間接法,由于受到諸如切屑、切削液和振動(dòng)的影響,時(shí)間響應(yīng)差和測(cè)試靈敏度的影響,材料物理性質(zhì)變化的影響,切削條件的影響等,監(jiān)測(cè)的有效性和判別成功率受到質(zhì)疑。為此,可在總結(jié)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用多參量綜合監(jiān)測(cè)法,充分利用每個(gè)監(jiān)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn),互補(bǔ)不足,拓寬了監(jiān)測(cè)范圍,提高了判別成功率。
    我們采用AE和電機(jī)電流信號(hào)2個(gè)參量進(jìn)行監(jiān)測(cè),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),證明刀具破損監(jiān)測(cè)的效果良好。在CA6410車床上的鉆孔及車削外圓實(shí)驗(yàn)在Z512-D臺(tái)鉆上的鉆孔實(shí)驗(yàn)為模擬在加工中心上鉆孔,鉆頭裝夾在車床主軸卡盤上,工件夾在刀架上,鉆孔實(shí)驗(yàn)時(shí),鉆頭旋轉(zhuǎn),工件自動(dòng)進(jìn)給,AE傳感器安裝在小刀架上。實(shí)驗(yàn)鉆削參數(shù)為:鉆頭轉(zhuǎn)速n=900-1120r/min,進(jìn)給量s=0.028-0.039mm/r、s=0.1mm/r。用直徑f2.5mm以上鉆頭鉆削23次,用直徑f25mm以下鉆頭鉆削80次,總計(jì)鉆削23+80=103次,結(jié)果誤報(bào)1次,漏報(bào)2次,判斷成功率為97%。車削外圓實(shí)驗(yàn)時(shí),在40Cr鋼和45鋼的圓棒(f800mm×600mm)試件上軸向每隔20-30mm埋入直徑f1.5mm的鉆頭,為的是在正常外圓車削實(shí)驗(yàn)過程中加速刀具的破損。實(shí)驗(yàn)車削參數(shù)為:主軸轉(zhuǎn)速n=800r/min,刀具進(jìn)給量s=0.2mm/r,切削深度ap=1-2mm。在60次破損紀(jì)錄中的判斷成功率為96.7%。工件材料為45鋼,鉆孔直徑f0.8-2.5mm。,鉆頭轉(zhuǎn)速n=480r/min,手動(dòng)進(jìn)給,鉆孔30次,誤判2次,判斷成功率為93.3%。

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