刀具磨损在线监测技术研究的探讨 (1)

刀具磨损在线监测技术研究的探讨-工程论文

刀具磨损在线监测技术研究的探讨

贾娜JIA Na；马雪亭MA Xue-ting

（东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040）

（Mechanical and Electrical Engineering College of Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

摘要：本文对近几年刀具磨损在线技术的研究进行探讨，得出间接测量方法较直接测量方法灵活，但直接测量方法敏感性更强。

Abstract: This paper discusses the research of the tool wear on-line monitoring technology. It is concluded that the method of the indirect measurement is more flexible than the direct measurement, and the method of the direct measurement is more sensitive than the indirect measurement.

关键词：刀具磨损；监测信号；间接测量

Key words: tool wear；check signature；indirect measurement

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0057-02

基金项目：黑龙江省青年科学基金项目资助（QC06C002）。

作者简介：贾娜（1975-），女，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，硕士研究生导师，研究方向为机械设计、木质材料加工、木材加工刀具；马雪亭（1990-），男，山东滨州人，研究生，研究方向为现代林业与木工机械设计及理论。

1 间接测量刀具磨损的研究

1.1 建立声发射信号与刀具磨损状态的关联性声发射信号来自于切削区域，受外界影响较小，且具有准确度高、灵敏性好、响应速度快等优势，适合刀具破损的监控。利用声发射信号反映刀具磨损情况是近几年发展起来的潜力技术之一，声发射源在刀具对工件进行切削的过程中比较丰富，信号容易获取，并且声音传感器易于在刀具上进行安装，对加工生产过程不会造成影响。但检测信号会受到机床故障、切屑缠绕工件、切屑断开、刀具崩刃等因素的影响。胡江林采用理论分析和现场试验的方法进行可行性分析和验证，为利用AE技术研究刀具磨损提供了可行性依据。

1.2 建立切削过程中的切削力、扭矩等力信号与刀具磨损状态的相关性随着刀具磨损程度的不断增加，力信号的形态及频率也会随之改变。因此，检测人员在进行刀具磨损检测时，必须积极建立力信号与磨损状态之间的联系。在现有的技术下，为了得到准确的测量结果，技术人员需要对机床结构进行改装。

范依航为了研究钛合金Ti6Al4V切削过程中的切削力特性，采用硬质合金涂层和无涂层刀具进行了外圆干车削试验，将切削力动态分量分形维数建立与刀具磨损的联系，用于刀具磨损状态监控。

1.3 建立电机功率电流等电信号与刀具磨损的相关性当各种刀具在正常切削时候，功率或电流等电信号变化较平稳无突变，一旦刀具破损时，切削力会发生改变，从而引起电信号的大幅度变化，变化率远远大于正常切削时的值。检测人员可根据这一特点建立电信号与刀具磨损之间的关系，以避免外界因素干扰。检测装置的安装程序简易，但是大型设备的应用相互之间会产生干扰信号，使电信号不稳，所以在实验室里测得的信号相对于工厂要精确的多。

王永新利用金属切削机床主轴的功率信号监控刀具破损和折断情况，为刀具管

理提供依据。

1.4 建立振动信号与刀具磨损状态的相关性在刀具加工工件过程中会产生大量的振动信号，通常初期刀具磨损较小，振动信号不明显，当磨损到一定程度，振动信号加剧。因此，检测人员可以积极利用这一特点建立检测模型模型，研究振动信号与刀具磨损状态之间的联系。但这种方法不适用于大型车间，在大型车间内易受到周围设备的干扰，可靠性降低，因此同样较适合在实验室环境中研究。王细洋采用小波包方法对振动信号进行处理，发现第一、二层细节信号的标准差随着刀具磨损的加剧而增大，将其作为特征参数用于铣削过程监控。

1.5 建立关键尺寸误差与刀具磨损的相关性当刀具进入磨损阶段，关键尺寸的误差会有所变化，根据误差的不同可以反映出刀具磨损状况，但是单纯通过关键尺寸误差来研究刀具磨损意义不大，主要是用于根据误差范围结合相关的程序进行刀具补偿。马廉洁设计了刀具磨损检测控制系统，修改刀具参数，进行刀具补偿，并成功进行了仿真。他通过数控车床切削试验验证了该系统的准确性和高效性。与传统设备相比，刀具磨损检测控制系统不仅能够及时换刀具，还能及时补偿误差，使加工工件的精度得以提高。

1.6 建立噪声信号与刀具磨损状态的相关性随着刀具加工工件时磨损程度的加剧，噪声信号的波谱特征也发生了明显的改变,由此便可以根据噪声信号来反映刀具磨损状态。罗杰用声学传感器拾取机床刀具从新刀到刀具完全破损的全生命周期在加工时所发出的声音信号，建立加工参数和磨损状态改变与声信号之间的联系，以此来监测刀具磨损状况。

但切削噪声监测法目前实际使用的监控系统还很少，仅适合于实验室的研究。其中一个重要原因就是车间的环境噪声通常在90dB左右，严重影响获取信号的

可靠性，使得这种监测方法难以在实际的加工车间实行。

1.7 建立多信号与刀具磨损状态的相关性单一信号提供的特征往往是不完全的，由此产生了多传感器监测法。它是将检测获取的信息合理组合，共同反映刀具的磨损状态，这样能极大地提高检测的准确度。但与此同时，多传感器检测法的检测成本较高，增加了企业的生产成本。因此，多传感器获取信号的全面性和成本价格的合理性之间的矛盾是这个方法需要解决的主要问题。

2 直接测量刀具磨损状态的研究

2.1 光学监测法光学监测法是一种利用光学传感原理获取刀具切削图形，进而完成刀具磨损检测的方法。但受加工路径、加工方法以及加工周期的影响，光学检测法的检测结果容易出现一定程度的偏差。Lanzetta, M利用工业摄像机（CCD）实现了多个刀面同时监测的方法，有效提高了其准确度。

2.2 放射性元素监测法所谓放射性元素监测法，就是指通过在刀具的后刀面涂上一层放射线元素，进而利用放射线检测装置将进行检测，以判断刀具是否达到磨钝标准的检测方法。但这种检测方法无法进行实时监控，且污染性较大。刘彬通过在刀具上涂覆放射元素的方式，有效避开了切削与冷却液的干扰，提升了检测效率。

2.3 直接接触监测法接触探测传感器由Renishaw 于1974年发明。在金属切削过程中，每次完成一个加工周期，就把刀具停到传感器固定位置，使传感器与刀具后刀面相接触，根据加工前后刀具磨损的变化情况获得当前的磨损状态。但这种方法的精确度有待提高，且传感器的价格昂贵。德国Malto公司已经用这个方法成功应用与刀具磨损状态的监测。

3 小结