0 引言

　　刀具磨損和破損的在線實(shí)時監(jiān)測是自動化加工生產(chǎn)線中一個困難而又重要的問題，它是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和無人化、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、減少設(shè)備故障的重要手段。但由于實(shí)際切削過程中環(huán)境惡劣、刀具和工件多樣性、采集數(shù)據(jù)離散性大等因素，使得實(shí)際監(jiān)測存在很大的困難。監(jiān)測刀具磨損和破損的方法目前很多，大致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(xué)法、接觸電阻法、放射性法等。間接測量法主要有溫度測量法、振動分析法、聲發(fā)射(AE)法、主電機(jī)功率或電流監(jiān)測法等。本文主要討論AE監(jiān)測法在刀具磨損與破損監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 切削過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象及刀具監(jiān)控原理

　　在數(shù)控機(jī)床的切削過程中，工件在切削力的作用下會產(chǎn)生剪切斷面，這樣便會在刀具的前刀面和后刀面產(chǎn)生摩擦磨損，于是就產(chǎn)生切削力，從而產(chǎn)生振動噪聲，在剪切斷面與刀具前刀面產(chǎn)生聲發(fā)射波。與此同時，切削力的大部分轉(zhuǎn)變成切削過程的熱量，這部分熱量再通過工藝系統(tǒng)傳遞給刀具，于是刀具產(chǎn)生高溫等物理現(xiàn)象。上述這些不正常現(xiàn)象，將使被加工工件的尺寸及表面粗糙度都發(fā)生變化，為了縮小這種變化對工件加工精度的影響，就需要對刀具的切削狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測。

　　刀具磨損量可以通過適當(dāng)?shù)臋z測方式測得，如測量刀具與切屑接觸長度的變化及刀具和被切削材料接觸長度的變化都可直接測出刀具的磨損量。

　　刀具在破裂時會產(chǎn)生一種彈性波，這種彈性波是以固體在產(chǎn)生塑性變形和破裂時釋放出的能量轉(zhuǎn)換成聲波的形式傳播出來的。可以通過在刀具主軸內(nèi)部裝一聲發(fā)射傳感器，將刀具破損時產(chǎn)生的特有聲波電壓信號拾取下來，作為刀具狀態(tài)的監(jiān)測信號。

　　此外，反映刀具狀態(tài)的切削力(扭矩)、主電機(jī)功率、電流、切削振動噪聲等參數(shù)也都可以通過安裝在機(jī)床上的相應(yīng)傳感器測得。將這種傳感信號作為檢測監(jiān)視系統(tǒng)的輸入信號，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，然后輸人信號處理單元進(jìn)行預(yù)處理和特征量提取，形成表征刀具工況的低維特征量結(jié)合，作為識別決策單元的輸入集，最后輸出診斷決策信息。

2 數(shù)控機(jī)床切削過程中聲發(fā)射(AE)信號的產(chǎn)生

　　物體在狀態(tài)改變時自動發(fā)出聲音的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。如材料或構(gòu)件受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時，就以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能量，這是一種聲物理現(xiàn)象。在金屬切削過程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號的信號源有工件的斷裂、工件與刀具的磨損、切削變形、刀具的破損及工件的塑性變形等，因此，在切削過程中產(chǎn)生非常豐富的聲發(fā)射信號。AE信號可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種。突發(fā)型AE信號是在表面開裂時產(chǎn)生的，其信號幅值較大，各聲發(fā)射事件之間間隔較長，如刀具的異常磨損、破損時釋放的彈性波能量轉(zhuǎn)換成聲音傳播，主要發(fā)出非周期的AE信號。連續(xù)型聲發(fā)射信號幅值較低，事件發(fā)生的頻率較高，以致難以分為單獨(dú)事件，如由固體材料的彈塑性變形和正常切削發(fā)出的AE信號等。

　　由于AE信號提供了工件、刀具等狀態(tài)變化的有關(guān)信息，所以可以根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波來判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷程度。AE信號的監(jiān)測是一種動態(tài)無損監(jiān)測技術(shù)，聲發(fā)射源往往就是材料破損的位置。

3 刀具磨損、破損的聲發(fā)射監(jiān)測

　　3.1 刀具磨損、破損的AE信號監(jiān)測系統(tǒng)

　  3.1.1 AE傳感器

　　由于刀具破損的AE信號頻率分布范圍很窄，因此可選諧振式窄帶傳感器。對于一般數(shù)控車削加工來說，可以直接安裝在車刀刀桿的后端部，但對于銑削、鉆削和加工中心來說，就不能安裝在刀具上了，這時，必須解決AE信號的傳播問題，即必須將AE信號從動態(tài)旋轉(zhuǎn)刀具上過渡到靜止的傳感器上。實(shí)驗(yàn)表明，磁流體作為AE信號的傳導(dǎo)介質(zhì)，用于檢測刀具旋轉(zhuǎn)及自動換刀的加工中心上刀具破損時的AE信號是最理想的。

　　3.1.2前置放大器、濾波器和檢波器

　　從AE傳感器來的AE信號是很微弱的電信號，其幅值約幾微伏至幾十微伏，應(yīng)進(jìn)行前置放大，并用帶通濾波器選取需要的AE信號，濾掉干擾信號，通帶范圍約為80kHz-300kHz。包絡(luò)檢波電路的作用是將AE信號的頻率降下來得到一個低頻的AE包絡(luò)信號，以適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)時間，進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理。A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率根據(jù)檢波后的AE信號頻率來定，一般采樣周期為10us。

　　3.1.3環(huán)境電參數(shù)監(jiān)測

　　對機(jī)床周圍電網(wǎng)及機(jī)床電機(jī)信號進(jìn)行監(jiān)測，輔助判別刀具不工作時產(chǎn)生的AE信號的來源，并將此AE信號區(qū)別出來，對減少誤判有重要意義。

　　3.1.4 計(jì)算機(jī)

　　計(jì)算機(jī)是監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，選擇工業(yè)控制機(jī)或單片機(jī)。在計(jì)算機(jī)中配有與數(shù)控機(jī)床交互的通訊接口，可以得到數(shù)控機(jī)床加工程序使用的刀具狀態(tài)信息。

　　3.2刀具磨損、破損監(jiān)控過程及結(jié)果

　　在刀具監(jiān)控儀與數(shù)控機(jī)床連通后，將刀具參數(shù)存入刀具數(shù)據(jù)庫中，將加工用量及其他相應(yīng)信息存人加工過程隨機(jī)數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控儀根據(jù)該信息選擇放大倍數(shù)和閥值。

　　在監(jiān)控工作階段，系統(tǒng)根據(jù)上述選擇的放大倍數(shù)和閥值，控制并調(diào)節(jié)AE信號的大小，將閥值與計(jì)算機(jī)采樣值進(jìn)行比較并判斷刀具狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)刀具異常時，將記錄下來的AE信號波形及刀具數(shù)據(jù)等信息顯示在顯示器上，并輸出報警信號及控制信號。

4 結(jié)論

　　本文闡述的刀具磨損與破損的聲發(fā)射檢測法可用于普通車、銑、鉆床，也可用于數(shù)控車床及加工中心。實(shí)驗(yàn)表明：車刀破損報警成功率大于95％，銑刀破損報警成功率大于90％，鉆頭磨損報警成功率大于95％，破損報警響應(yīng)時間為3ms。