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刀具磨損和破損綜合監(jiān)測的技術(shù)方法介紹
日期：2025-05-11 04:15
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摘要：
監(jiān)測原理監(jiān)測參量的選取監(jiān)測原理監(jiān)測原理框圖監(jiān)測刀具磨損和破損的方法很多，可分為直接測量法和間接測量法兩大類。直接測量法主要有：光學法、接觸電阻法、放射性法等。間接測量法主要有：切削力或功率測量法，刀具和工件測量法，溫度測量法，振動分析法，AE法，電機電流或功率測量法等。
比較現(xiàn)有的刀具磨損和破損的監(jiān)測方法，各有優(yōu)缺點，我們選取聲發(fā)射(AE)和電機電流信號作為監(jiān)測參量。這是因為AE信號能避開機加工中噪聲影響*嚴重的低頻區(qū)，受振動和聲頻噪聲影響小，在感興趣區(qū)信噪比較高，便於對信號進行處理。響應(yīng)速度快，靈敏度高；但重負荷時，易受乾擾。而電機電流信號易於提取，能適應(yīng)所有的機加工過程，對正常的切削加工冇有影響，但易受乾擾，時間響應(yīng)慢，輕負荷時，靈敏度低。這樣，同時選AE和電機電流為監(jiān)測信號，就能利用這2個監(jiān)測量的各自長處，互補不足，拓寬監(jiān)測範圍，提高監(jiān)測精度和判彆成功率。
切削過程中，當刀具發(fā)生磨損和破損時，切削力相應(yīng)發(fā)生變化，切削力的變化引起電機輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，進而導致電機電流發(fā)生相應(yīng)的變化，電流法正是通過監(jiān)測電機電流的變化，實現(xiàn)間接在線實時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，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，頻率範圍寬的特點。試驗及頻譜分析發(fā)現(xiàn)：正常切削產(chǎn)生的AE信號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。
當刀具磨損和破損時，100kHz以上頻率成分的AE信號要比正常切削時大得多，特彆是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100-300kHz頻率成分AE信號的變化，對刀具磨損和破損進行監(jiān)測。利用AE、電機電流信號綜合對刀具磨損和破損進行判彆的原理是：輕負荷區(qū)，依靠AE包絡(luò)信號，用閾值的方法進行判彆；在中負荷區(qū)，這時電機電流和AE信號都起作用，用兩者結(jié)合的方法進行判彆，提高判彆的成功率，具體方法是：如果AE信號超過AE閾值，則置延時常數(shù)為ds(d的數(shù)值依賴於係統(tǒng)構(gòu)成)，如果在ds時間內(nèi)，電流信號也超過電流信號的閾值，則判刀具極限磨損或破損。如果在ds時間內(nèi)，電流信號未超過電流信號的閾值，則不報警，由延時常數(shù)繼續(xù)監(jiān)測。這種以AE為先導，AE信號和電機電流信號進行“與”的判彆模式，既利用了AE信號具有實時、靈敏的特點，又考慮了電機電流信號具有滯後的性質(zhì)，具有較強的抗乾擾能力，提高了判彆成功率。在大負荷區(qū)，則以電機電流信號為主，AE信號為輔進行判彆。下圖為監(jiān)測係統(tǒng)的線路框圖。中間一路為電網(wǎng)電壓監(jiān)測線路，通過對電源的波動進行監(jiān)測，消除由於電網(wǎng)電壓波動對監(jiān)測的影響，提高係統(tǒng)的抗乾擾能力。圖中虛線部分為自動減去首切電流線路，目的是自動減去首切電流，以電流的變動量為判彆量，提高電流信號監(jiān)測的靈敏度。
刀具磨損和破損監(jiān)測線路框圖
電流信號的實際判彆公式如下：I=(Ia-Ib)-F(Va-Vb)式中：I為判彆電流值；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分彆為監(jiān)測過程中采樣的電流和電壓值；Ib、Vb則為開始切削時的電流和電壓值。實驗過程和結(jié)果刀具磨損和破損的在線實時監(jiān)測是自動化機加工生產(chǎn)線中一個困難而又重要的問題，雖然監(jiān)測刀具磨損和破損的方法很多，但由於實際切削過程中環(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，使得實際監(jiān)測很困難。
若采用單一的監(jiān)測方法，無論是直接法，還是間接法，由於受到諸如切屑、切削液和振動的影響，時間響應(yīng)差和測試靈敏度的影響，材料物理性質(zhì)變化的影響，切削條件的影響等，監(jiān)測的有效性和判彆成功率受到質(zhì)疑。為此，可在總結(jié)現(xiàn)有監(jiān)測法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，采用多參量綜合監(jiān)測法，充分利用每個監(jiān)測量的優(yōu)點，互補不足，拓寬了監(jiān)測範圍，提高了判彆成功率。
我們采用AE和電機電流信號2個參量進行監(jiān)測，進行了實驗，證明刀具破損監(jiān)測的效果良好。在CA6410車床上的鑽孔及車削外圓實驗在Z512-D臺鑽上的鑽孔實驗為模擬在加工中心上鑽孔，鑽頭裝夾在車床主軸卡盤上，工件夾在刀架上，鑽孔實驗時，鑽頭旋轉(zhuǎn)，工件自動進給，AE傳感器安裝在小刀架上。實驗鑽削參數(shù)為：鑽頭轉(zhuǎn)速n=900-1120r/min，進給量s=0.028-0.039mm/r、s=0.1mm/r。用直徑f2.5mm以上鑽頭鑽削23次，用直徑f25mm以下鑽頭鑽削80次，總計鑽削23+80=103次，結(jié)果誤報1次，漏報2次，判斷成功率為97%。車削外圓實驗時，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的鑽頭，為的是在正常外圓車削實驗過程中加速刀具的破損。實驗車削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=800r/min，刀具進給量s=0.2mm/r，切削深度ap=1-2mm。在60次破損紀錄中的判斷成功率為96.7%。工件材料為45鋼，鑽孔直徑f0.8-2.5mm。，鑽頭轉(zhuǎn)速n=480r/min，手動進給，鑽孔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)測方法，各有優(yōu)缺點，我們選取聲發(fā)射(AE)和電機電流信號作為監(jiān)測參量。這是因為AE信號能避開機加工中噪聲影響*嚴重的低頻區(qū)，受振動和聲頻噪聲影響小，在感興趣區(qū)信噪比較高，便於對信號進行處理。響應(yīng)速度快，靈敏度高；但重負荷時，易受乾擾。而電機電流信號易於提取，能適應(yīng)所有的機加工過程，對正常的切削加工冇有影響，但易受乾擾，時間響應(yīng)慢，輕負荷時，靈敏度低。這樣，同時選AE和電機電流為監(jiān)測信號，就能利用這2個監(jiān)測量的各自長處，互補不足，拓寬監(jiān)測範圍，提高監(jiān)測精度和判彆成功率。
切削過程中，當刀具發(fā)生磨損和破損時，切削力相應(yīng)發(fā)生變化，切削力的變化引起電機輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，進而導致電機電流發(fā)生相應(yīng)的變化，電流法正是通過監(jiān)測電機電流的變化，實現(xiàn)間接在線實時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，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，頻率範圍寬的特點。試驗及頻譜分析發(fā)現(xiàn)：正常切削產(chǎn)生的AE信號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。
當刀具磨損和破損時，100kHz以上頻率成分的AE信號要比正常切削時大得多，特彆是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100-300kHz頻率成分AE信號的變化，對刀具磨損和破損進行監(jiān)測。利用AE、電機電流信號綜合對刀具磨損和破損進行判彆的原理是：輕負荷區(qū)，依靠AE包絡(luò)信號，用閾值的方法進行判彆；在中負荷區(qū)，這時電機電流和AE信號都起作用，用兩者結(jié)合的方法進行判彆，提高判彆的成功率，具體方法是：如果AE信號超過AE閾值，則置延時常數(shù)為ds(d的數(shù)值依賴於係統(tǒng)構(gòu)成)，如果在ds時間內(nèi)，電流信號也超過電流信號的閾值，則判刀具極限磨損或破損。如果在ds時間內(nèi)，電流信號未超過電流信號的閾值，則不報警，由延時常數(shù)繼續(xù)監(jiān)測。這種以AE為先導，AE信號和電機電流信號進行“與”的判彆模式，既利用了AE信號具有實時、靈敏的特點，又考慮了電機電流信號具有滯後的性質(zhì)，具有較強的抗乾擾能力，提高了判彆成功率。在大負荷區(qū)，則以電機電流信號為主，AE信號為輔進行判彆。下圖為監(jiān)測係統(tǒng)的線路框圖。中間一路為電網(wǎng)電壓監(jiān)測線路，通過對電源的波動進行監(jiān)測，消除由於電網(wǎng)電壓波動對監(jiān)測的影響，提高係統(tǒng)的抗乾擾能力。圖中虛線部分為自動減去首切電流線路，目的是自動減去首切電流，以電流的變動量為判彆量，提高電流信號監(jiān)測的靈敏度。
刀具磨損和破損監(jiān)測線路框圖
電流信號的實際判彆公式如下：I=(Ia-Ib)-F(Va-Vb)式中：I為判彆電流值；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分彆為監(jiān)測過程中采樣的電流和電壓值；Ib、Vb則為開始切削時的電流和電壓值。實驗過程和結(jié)果刀具磨損和破損的在線實時監(jiān)測是自動化機加工生產(chǎn)線中一個困難而又重要的問題，雖然監(jiān)測刀具磨損和破損的方法很多，但由於實際切削過程中環(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，使得實際監(jiān)測很困難。
若采用單一的監(jiān)測方法，無論是直接法，還是間接法，由於受到諸如切屑、切削液和振動的影響，時間響應(yīng)差和測試靈敏度的影響，材料物理性質(zhì)變化的影響，切削條件的影響等，監(jiān)測的有效性和判彆成功率受到質(zhì)疑。為此，可在總結(jié)現(xiàn)有監(jiān)測法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，采用多參量綜合監(jiān)測法，充分利用每個監(jiān)測量的優(yōu)點，互補不足，拓寬了監(jiān)測範圍，提高了判彆成功率。
我們采用AE和電機電流信號2個參量進行監(jiān)測，進行了實驗，證明刀具破損監(jiān)測的效果良好。在CA6410車床上的鑽孔及車削外圓實驗在Z512-D臺鑽上的鑽孔實驗為模擬在加工中心上鑽孔，鑽頭裝夾在車床主軸卡盤上，工件夾在刀架上，鑽孔實驗時，鑽頭旋轉(zhuǎn)，工件自動進給，AE傳感器安裝在小刀架上。實驗鑽削參數(shù)為：鑽頭轉(zhuǎn)速n=900-1120r/min，進給量s=0.028-0.039mm/r、s=0.1mm/r。用直徑f2.5mm以上鑽頭鑽削23次，用直徑f25mm以下鑽頭鑽削80次，總計鑽削23+80=103次，結(jié)果誤報1次，漏報2次，判斷成功率為97%。車削外圓實驗時，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的鑽頭，為的是在正常外圓車削實驗過程中加速刀具的破損。實驗車削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=800r/min，刀具進給量s=0.2mm/r，切削深度ap=1-2mm。在60次破損紀錄中的判斷成功率為96.7%。工件材料為45鋼，鑽孔直徑f0.8-2.5mm。，鑽頭轉(zhuǎn)速n=480r/min，手動進給，鑽孔30次，誤判2次，判斷成功率為93.3%。
