数控机床刀具磨损监测方法研究

数控机床刀具磨损监测方法研究

马旭1，陈捷2

（1.南京工业大学金工实习中心，江苏南京 211800；

2.南京工业大学工业装备数字制造及控制技术重点实验室，江苏南京 210009）

摘要：数控机床刀具磨损监测对于提高数控机床利用率，减小由于刀具破损而造成的经济损失具有重要意义。文章有针对性地回顾了国内外各种刀具磨损监测方法的研究工作，详细叙述了切削力监测法、切削噪声监测法、功率监测法、声发射监测法、电流监测法以及基于多传感器监测法等六种刀具磨损监测方法。本文通过比较各种监测方法的优缺点，提出基于多传感器监测法是数控机床刀具磨损监测方法的未来发展的主要方向。

关键词：数控机床；刀具磨损；监测方法

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2009) 06－0070－04

Study of monitoring method for CNC tool wear

MA Xu，CHEN Jie

（1.Center of Metalworking Practice，Nanjing University of Technology，Nanjing 211800, China；

2.School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China）Abstract：CNC tool wear monitoring has great importance in improving the utilization of CNC machine tools and in reducing the economic lossos due to the tool breakage. This article is well targeted in reviewing several researches on the study of various tool wear monitoring method at home and abroad. Six tool wear monitoring methods are described in detail, which are the cutting force monitoring, the cutting noise monitoring, the power monitoring, the sound launch monitoring, the electric current monitoring as well as the monitoring method based on the multi-sensor monitor. Comparing with the merits and demerits of each monitoring methods, the article suggests that the monitoring method based on the multi-sensor monitor would be the main direction of the development of CNC tool wear monitoring in the future.

Key words：CNC；tool wear monitoring；Monitoring method

刀具磨损在机械加工中是一种普遍存在的现象，刀具的磨损与磨损状态直接影响着机械加工的精度、效率及经济效益，研究刀具磨损可以大大提高机械加工效率，降低加工成本，具有较大的经济效应。刀具磨损的在线监测是柔性制造系统研究工程的一个重要课题。

近年来，随着高性能CNC机床、FMS以及CIMS 的广泛应用，机械加工的效率、加工质量有了明显的提高，同时对全自动化生产也提出了更高的要求，操作人机比由原来的一对一发展到现在的一名操作人员操控多台设备的局面。这样，数控机床系统能否自动监测刀具状态，及时了解正在使用的刀具磨损情况，从而根据刀具寿命、磨损量、刀具破裂等形式的刀具故障对刀具工作状态进行监控，并在刀具磨损达到设定磨损量时报警，就显得非常重要。工业统计表明，刀具失效是引起机床故障的首要因素，由此引起的停机时间占数控机床总停机时间的1/5～1/3[1]。切削加工中，如果刀具磨损不能及时发现，将导致整个加工过程的中断，引起工件报废，甚至整个系统的停止。研究表明，数控机床配备刀具监测系统后可减少75%的故障停机时间，提高生产率10%～60%，提高机床利用率50%以上。美国Kennamtal公司的研究表明，配备刀具监控系统的数控系统，能够节约加工费用达30%[2]。因此研究开发智能监测技术，防止因刀具失效而引起的工件报废、设备损坏并保证机床无故障运行是很重要的[3]。

通常刀具磨损可以分为初期磨损、正常磨损和剧烈磨损三个阶段[4]。刀具磨损过程可用图1表示。

图1 刀具磨损过程

刀具磨损的监测方法[3]通常可以分为直接测量和间接测量两种方法。其中直接测量法有：放电电流测量法、光纤测量法、微结构镀层法、电阻测量法、射线测量法以及计算机图像处理法等。间接测量法主要是利用与加工有关的物理量，如切削力、扭矩、切斜体机、工件几何尺寸、工件表面质量、切屑形状、噪声或振动强度等，比较流行的主要有电流监测法和声发射监测法。

刀具状态监测的直接法有两个明显的缺点：一是要求停机检测，占用生产时间；二是不能检测出加工过程中出现的突然损坏，使其应用受到一定限制。所以，间接法已成为国内外学者研究的主流。

1 刀具状态间接监测方法

刀具状态的监测技术一般由传感器信号采集、信号处理及特征提取和状态识别器三部分组成。刀具状态的监测系统最基本结构如图2所示。

图2 刀具状态监控系统的基本组成部分

刀具状态监测系统中的传感器主要用于拾取切削过程中发出的各种信号，如切削力、振动、功率、声发射、电流信号等。

1.1 刀具状态的切削力监测法

广泛的研究证明[5,6]，在切削过程中，切削力、切削力矩、切削分力的比值或比值的变化率与刀具的磨损或破损有直接的内在联系，而且切削力信号可以通过普通的电阻应变仪或压电传感器方便的获得。一般的切削力随刀具磨损的增加而增加。S.Jetly

[7]

的实验结果表明：在车削过程中进给力对刀具磨

损比主切削力敏感。但R.Uehara [8]的研究认为主切

削力最能反映刀具的磨损程度。

华北电力大学的康文利[9]等人设计了基于LABVIEW 的切削力数据采集及存储系统。该系统应用程序包括三向切削力数据采集与存储、切削力波形显示与回放、实验数据统计分析（误差分析、异常数据处理等）、切削温度经验公式创建等。Y .choi

[10]

等人设计了采集X 、Y 、Z 三个方向上的切削力信

号的实验系统,来研究切削力与刀具磨损量之间的关系。

现在，众多的研究者致力于提高切削力监测的灵敏度。其一是考虑切削力的测定部位，它应尽量靠近切削区；其二是怎样选择测定三个方向的切削力；此外，还应考虑切削分力的比值或比值变化率。

1.2 刀具状态的切削噪声监测法

在切削加工过程中测得的声音信号中含有大量有关切削状态的信息，因而可以利用声音信号监测刀具的状态。A. B. Sadat [11] 等人发现刀具和工件间的摩擦噪声声级在.73~3.5 kHz 的频域内，钝刀比新刀高约15 dB 。在磨损初期噪声声级明显上升而后趋于平稳。当切削速度提高时，噪声声级下降，而刀具的悬臂增大时，噪声声级变大。L. C. Lee [12] 发现在大多数工件材料组合及工况下，4~6 kHz 频率附近存在一个切削噪声的特征频率，其声压级与刀具的磨损有很好的相关性。在急剧磨损前该声压级呈下降趋势。

1.3 刀具状态的功率监测法

当各种刀具在正常切削时候，其功率变化率是增大或者减小的，但不会发生突变。一旦刀具破损时，功率变化率远远大于正常切削时候的功率变化率。因此,实时测量切削功率,对切削功率进行微分,分析切削功率的变化率可以判别刀具是否发生破损

[13]

。南华大学的欧阳惠斌[14]介绍一种以刀具切削功

率变化率为采集信号，利用单片机进行处理与判断，实现加工过程刀具破损在线监测的系统组成和工作原理，讨论了提高刀具破损报警准确性的措施。

1.4 刀具状态的声发射监测法

声发射（Acoustic Emission ，简称AE ）刀具监测技术是近期内发展起来，被公认是一种最具潜力

后刀面磨损量/ V B

切削时间t