刀具磨损监测方法综述

刀具磨损监测方法综述

一、刀具磨损状态监测的意义及研究现状

1、刀具状态监测的意义

加工过程中刀具的磨损将造成工件的精度及粗糙度变差，甚至造成工件的报废、昂贵设备的损伤、机床停机等故障，直接影响着机械加工的精度、效率及经济效益。据统计生产工程中75%以上的设备故障是由于刀具失效引起的，因此对刀具状态进行在线监测显得尤为重要。随着生产自动化程度的提高，特别是柔性制造系统(FMS)技术的出现，人们越来越重视对加工过程的在线监测。

2、国内外研究现状及成果

随着新方法、新理论、新技术的不断应用，国内外学者在信号选取、信号分析、特征提取和状态诊断等方面进行了广泛而深入的研究。多年来，国内外学者在刀具监控方面作了大量的工作，并在检测方法、监控参数的选择、信号处理及识别领域取得了显著成果，有些监控系统已经用于生产。日本、美国、德国及瑞典等国家处于领先地位，并拥有一批成果及专利。国内的多所大学及研究单位也对刀具监控系统进行了一定的研究工作，且有一批产品问世。80年代以前，刀具实时监控仪的研究多以单传感参数刀具磨损监视仪为主，典型的传感参数是声发射、切削力、主轴功率和红外图像等，典型的监控仪有：日本的EMT-IO00，CHIP-55AZ，美国的ATMA，KTA和Cincinnati的功率监视系统，丹麦的HZK系统及中国的DJ-101，DZJ-101和TM-8000等。80年代后期，美国率先研究多传感参数融合的车刀磨损监测系统，利用人工神经网络(ANN)进行多传感参数特征信号并行输入的融合识别。清华大学在深入研究ANN，GMDH等融合识别基础上开展了声发射和切削振动两种传感信号多特征参数并行输入的:“主-从”融合识别车刀与立铣刀磨损及车刀、立铣刀、钻头、丝锥破/折损综合监控仪的研究开发和适用化研究，开发了TM-9000 型刀具磨/破损监控仪。哈尔滨工业大学、西北工业大学及上海交通大学都有相应的刀具状态监控系统。

二、国内外刀具状态监测方法概述

刀具状态检测方法可分为直接测量法和间接测量法。

1.直接测量法

直接测量法能够识别刀刃外观、表面质量或几何形状的变化，一般只能在不切削时进行，它有两个明显的缺点：一是要求停机检测；二是不能检测出加工过程中出现的刀具突然破损。国内外采用的刀具磨损量的直接测量法有：电阻测量法、刀具工件间距测量法、光学测量法、放电电流测量法、射线测量法、微结构镀层法及计算机图像处理法。

（1）电阻测量法

该方法利用待测切削刃与传感器接触产生的电信号脉冲，来测量待测刀具的实际磨损状态。该方法的优点在于传感器价格低廉，缺点是传感器的选材必须十分注意，既要有良好的可切削性，又要对刀具寿命无明显的影响，而且工作不太可靠，因为切屑和刀具上的积屑可能引起传感器接触部分短路，从而影响精度。

（2）刀具工件间距测量法

切削过程中随着刀具的磨损，刀具与工件间的距离减小，此距离可用电子千分尺、超声波测量仪、气动测量仪、电感位移传感器等进行测量。但是这种方法的灵敏度易受工件表面温度、表面品质、冷却液及工件尺寸等因素的影响，使其应用收到一定限制。

（3）光学测量法

光学测量法的原理是磨损区比未磨损区有更强的光反射能力，刀具磨损越大，刀刃反光面积就越大，传感器检测的光通量就越大。由于热应力引起的变形及切削力引起的刀具位移都影响检测结果，所以该方法所测得的结果并非真实的磨损量，而是包含了上述因素在内的一个相对值，此法在刀具直径较大时效果较好。

（4）放电电流测量法

将切削力刀具与传感器之间加上高压电，在测量回路中流过的（弧光放电）电流大小就取决于刀刃的几何形状（即刀尖到放电电极间的距离）。该方法的优点是可以进行在线检测，检测崩齿、断刀等刀具几何尺寸的变化，但不能精确地测量刀刃的几何尺寸。

（5）射线测量法

将有放射性的物质掺入刀具材料内，当刀具磨损时，放射性的物质微粒就会随切屑一起通过一个预先设计好的射线测量器。射线测量器中所测得的量是同刀具磨损密切相关的，射线剂量的大小就反映了刀具磨损量的大小。该法的最大弱点是放射性物质对环境的污染大，对人体健康非常不利。此外，尽管此法可以测量刀具的磨损量，并不能准确地测定刀具切削刃的状态。因此，该法仅适用于某些特殊场合，不宜广泛采用。

（6）微结构镀层法

将微结构导电镀层同刀具的耐磨保护层结合在一起。微结构导电镀层的电阻随着刀具磨损状态的变化而变化，磨损量越大，电阻就越小。当刀具出现崩齿、折断及过度磨损现象时，电阻趋于零。该方法的优点是检测电路简单，检测精度高，可以实现在线检测。缺点是对微结构导电镀层的要求很高：要具有良好的耐

磨性、耐高温性和抗冲击性能。

（7）计算机图像处理法

计算机图像处理法是一种快捷、无接触、无磨损的检测方法，它可以精确地检测每个刀刃上不同形式的磨损状态。这种检测系统通常由CCD摄像机、光源和计算机构成。但由于光学设备对环境的要求很高，而实际生产中刀具的工作环境非常恶劣（如冷却介质、切屑等），故该方法目前仅适用于实验室自动检测。2.间接测量法

间接测量法利用刀具磨损或将要破损时的状态对不同的工作参数的影响效果，测量反映刀具磨损、破损的各种影响程度的参量，能在刀具切削时进行检测，不影响切削加工过程，其不足之处在于检测到的各种过程信号中含有大量的干扰因素。尽管如此，随着信号分析处理技术、模式识别技术的发展，这一方法己成为一种主流方法，并取得了很好的效果。国内外采用的刀具磨损的间接测量法有：切削力测量法、机械功率测量法、声发射、热电压测量法、振动信号及多信息融合检测。

（1）声发射信号测量法

声发射技术用于监测刀具的磨、破损是近年来声发射在无损检测领域方面新开辟的一个应用领域。其原理是当固体材料在发生变形、断裂和相变时会引起应变能的迅速释放，声发射就是随之产生的弹性应力波。当刀具破损时可检测到幅值较高的AE信号。声发射刀具监控技术被公认是一种最具潜力的新型监控技术，进入80年代以来，国内外致力于开发和应用该技术，已获得较大成果。早在1977年Iwatak和Moriwaki提出了用声发射技术对刀具磨损进行在线检测。在此基础上，Moriwaki提出了声发射刀具破损检测方法。Kannatey-Asibu和Dornfeld 从理论上研究了声发射信号的频谱特征，并结合模式识别方法实现了对刀具破损的在线监测。我国声发射监测技术研究尽管起步较晚，但发展迅速。黄惟公采用包络分析法求取刀具磨损中声发射信号的包络线，用时序模型的参数作为特征值，通过神经网络对刀具磨损方程进行辨识，实验证明效果良好；李晓利对镗削过程中的典型AE信号进行FFT分析，通过在频域里AE信号幅值的变化反映刀具磨损状态；袁哲俊对切削过程中的声发射信号进行小波包分解，获取信号各频段的能量分布，以此作为信号特征，并建立基于模糊推理的快速神经网络模型识别刀具磨损状态。由日本Murakami Giken公司研制的chip-55A型刀具破损监控仪采用声发射监控技术，实施对加工过程中刀具状态的监控，该产品与其公司

生产的数控铣床配套使用，效果良好。

（2）切削力信号测量法