單臺(tái)機(jī)床的加工陷母，對刀具磨損和破損的監(jiān)測，憑工人的經(jīng)驗(yàn)怯录，尚能進(jìn)行正常的生產(chǎn)尿欲，而對FMS、CIMS牡呀、無人化工廠溜舷，必須解決刀具磨損與破損的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測及控制問題。因?yàn)榧皶r(shí)確定刀具磨損和破損的程度并進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制轧黑，是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度及保證產(chǎn)品質(zhì)量开摄，避免損壞機(jī)床、刀具且昭、工件的關(guān)鍵要素之一邦马。

　　監(jiān)測原理

　　監(jiān)測參量的選取

　　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囱皿。直接測量法主要有：光學(xué)法勇婴、接觸電阻法、放射性法等嘱腥。間接測量法主要有：切削力或功率測量法耕渴，刀具和工件測量法拘悦，溫度測量法，振動(dòng)分析法橱脸，AE法础米，電機(jī)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)測方法添诉，各有優(yōu)缺點(diǎn)屁桑，我們選取聲發(fā)射(AE)和電機(jī)電流信號作為監(jiān)測參量。這是因?yàn)锳E信號能避開機(jī)加工中噪聲影響最嚴(yán)重的低頻區(qū)栏赴，受振動(dòng)和聲頻噪聲影響小蘑斧，在感興趣區(qū)信噪比較高，便于對信號進(jìn)行處理卢操。響應(yīng)速度快堡喳，靈敏度高;但重負(fù)荷時(shí)，易受干擾企奔。而電機(jī)電流信號易于提取祸播，能適應(yīng)所有的機(jī)加工過程，對正常的切削加工沒有影響妖奕，但易受干擾遭唠，時(shí)間響應(yīng)慢，輕負(fù)荷時(shí)窄栓，靈敏度低颊姻。這樣，同時(shí)選AE和電機(jī)電流為監(jiān)測信號笙亿，就能利用這2個(gè)監(jiān)測量的各自長處嫩碘，互補(bǔ)不足，拓寬監(jiān)測范圍幕柬，提高監(jiān)測精度和判別成功率。

　　監(jiān)測原理

　　切削過程中症丁，當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生磨損和破損時(shí)拆内，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)生變化宠默，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)電流發(fā)生相應(yīng)的變化麸恍，電流法正是通過監(jiān)測電機(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搀矫。

　　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)抹沪，以彈性波形的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。它具有幅值低瓤球，頻率范圍寬的特點(diǎn)融欧。試驗(yàn)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敏弃，其功率譜分布，100kHz以下數(shù)值很大噪馏，100kHz以上較小麦到。當(dāng)?shù)毒吣p和破損時(shí)，100kHz以上頻率成分的AE信號要比正常切削時(shí)大得多欠肾，特別是100-300kHz之間的頻率成分更大些瓶颠。為此，應(yīng)通過帶通濾波器椭吠，監(jiān)測100-300kHz頻率成分AE信號的變化捅青，對刀具磨損和破損進(jìn)行監(jiān)測。

　　利用AE炬锦、電機(jī)電流信號綜合對刀具磨損和破損進(jìn)行判別的原理是：輕負(fù)荷區(qū)豺孤，依靠AE包絡(luò)信號，用閾值的方法進(jìn)行判別;在中負(fù)荷區(qū)纤秃，這時(shí)電機(jī)電流和AE信號都起作用竹小，用兩者結(jié)合的方法進(jìn)行判別，提高判別的成功率蝎杯，具體方法是：如果AE信號超過AE閾值傲钳，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)戒甜，電流信號也超過電流信號的閾值棺昵，則判刀具極限磨損或破損。如果在ds時(shí)間內(nèi)润申，電流信號未超過電流信號的閾值销贝，則不報(bào)警，由延時(shí)常數(shù)繼續(xù)監(jiān)測呻纹。這種以AE為先導(dǎo)堆生，AE信號和電機(jī)電流信號進(jìn)行“與”的判別模式，既利用了AE信號具有實(shí)時(shí)雷酪、靈敏的特點(diǎn)淑仆，又考慮了電機(jī)電流信號具有滯后的性質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力哥力，提高了判別成功率蔗怠。在大負(fù)荷區(qū)，則以電機(jī)電流信號為主吩跋，AE信號為輔進(jìn)行判別寞射。

　　監(jiān)測原理框圖

　　中間一路為電網(wǎng)電壓監(jiān)測線路，通過對電源的波動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測，消除由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)對監(jiān)測的影響桥温，提高系統(tǒng)的抗干擾能力引矩。圖中虛線部分為自動(dòng)減去首切電流線路，目的是自動(dòng)減去首切電流策治，以電流的變動(dòng)量為判別量脓魏，提高電流信號監(jiān)測的靈敏度。

　　電流信號的實(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肄埠，主要為消除電流妄舅、電壓硬件線路放大倍數(shù)的不一致;Va、Va分別為監(jiān)測過程中采樣的電流和電壓值;Ib搓胯、Vb則為開始切削時(shí)的電流和電壓值和绳。

　　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)測刀具磨損和破損的方法很多臂沽，但由于實(shí)際切削過程中環(huán)境惡劣挺教、刀具和工件的多樣性、采集數(shù)據(jù)離散性大等因素橡戈，使得實(shí)際監(jiān)測很困難阎肌。若采用單一的監(jiān)測方法，無論是直接法掷雪，還是間接法将遮，由于受到諸如切屑、切削液和振動(dòng)的影響肌坑，時(shí)間響應(yīng)差和測試靈敏度的影響近弟，材料物理性質(zhì)變化的影響，切削條件的影響等挺智，監(jiān)測的有效性和判別成功率受到質(zhì)疑祷愉。為此，可在總結(jié)現(xiàn)有監(jiān)測法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上赦颇，采用多參量綜合監(jiān)測法二鳄，充分利用每個(gè)監(jiān)測量的優(yōu)點(diǎn)，互補(bǔ)不足媒怯，拓寬了監(jiān)測范圍泥从，提高了判別成功率。我們采用AE和電機(jī)電流信號2個(gè)參量進(jìn)行監(jiān)測沪摄，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明刀具破損監(jiān)測的效果良好纱烘。

　　在CA6410車床上的鉆孔及車削外圓實(shí)驗(yàn)

　　為模擬在加工中心上鉆孔杨拐，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)哄陶，鉆頭旋轉(zhuǎn)萤翔，工件自動(dòng)進(jìn)給，AE傳感器安裝在小刀架上勋匙。實(shí)驗(yàn)鉆削參數(shù)為：鉆頭轉(zhuǎn)速n=900-1120r/min讼谅，進(jìn)給量s=0.028-0.039mm/r、s=0.1mm/r韭赡。用直徑f2.5mm以上鉆頭鉆削23次挟晒，用直徑f25mm以下鉆頭鉆削80次，總計(jì)鉆削23+80=103次割懊，結(jié)果誤報(bào)1次寸快，漏報(bào)2次，判斷成功率為97%烙赴。

　　車削外圓實(shí)驗(yàn)時(shí)汞阔，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斑柬。實(shí)驗(yàn)車削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=800r/min企舌，刀具進(jìn)給量s=0.2mm/r，切削深度ap=1-2mm筝野。在60次破損紀(jì)錄中的判斷成功率為96.7%晌姚。

　　在Z512-D臺(tái)鉆上的鉆孔實(shí)驗(yàn)

　　工件材料為45鋼，鉆孔直徑f0.8-2.5mm遗座。舀凛，鉆頭轉(zhuǎn)速n=480r/min，手動(dòng)進(jìn)給途蒋，鉆孔30次猛遍，誤判2次，判斷成功率為93.3%号坡。

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