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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%。
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%。
