刀具监测新

接触
电阻变化、开光 量磁力线变化
电阻片、印刷电阻 简便，守切削温度、 电路，开光电路， 切削力和切削变化 磁间隙传感器 影响；不能实时监 视；尚待解决可靠 性问题
传感参数 切削力
传感原理
切削力变化量 切削分力比率 主电动机，主轴或 进给系统转矩 主电动机或进给电 动机功率消耗 切削过程振动及其 变化
转矩
间 接 法
功率 振动
超声波
噪声
接收主动发射超声 波的反射波
切削区环境噪声探 测分析 AE信号特征分析
ห้องสมุดไป่ตู้
超声波换能器与接 收器
拾音器
声发射（AE） 刀具破损时发射的
声发射传感器
灵敏、实用、使用方便、成 本适中，是最游戏王的刀具 破损探测方法，小量供应市 场，有较广泛的工业应用潜 力
2.2 刀具磨损的监测方法
• 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。
• 2.3 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的新型监测技术 之一，是指当材料受外力或内力作用而产生变形断裂时， 以弹性波的形式释放能量的现象。 • 在金属的切削过程中，存在着很多声发射源，如三个切削 区材料的弹性变形，工件与刀具之间的摩擦，切屑的折断， 刀具的破损等。当刀具发生磨损和破损时，所发出的声发 射信号将发生变化。声发射信号是一种高频表面波，在传 播过程中衰减很快。一般采用压电传感器拾取信号并尽量 靠近切削区。AE 检测是声学无损检测的重要方法，当材 料的内部结构发生变化，如滑移变形，裂纹扩展等时才能 引起能量释放，才能发声，因此AE 监测是一种动态无损 监测方法。
• 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。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%。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。
传感器 应变片，动态应变 仪，力传感器 应变片，电流表等 功率传感器 加速度计，振动传 感器
主要特征
灵敏，但动态应变仪难装于 机床上；简便，有商品供应， 识别的主要障碍是阀值的确 定 成本低，易使用，已实用， 对大钻头破损（折断）探测 有效，灵敏度不高 成本低，易使用，灵敏度不 高，有商品供应 灵敏，有应用前途和工业使 用潜力 可实现转矩限制，但受切削 振动变化的影响，处于研究 阶段 尚处于研究阶段
• 目前，在声发射监测中所采用的特征量有均方根值（RMS） 能量分析，振铃计数，幅值分布和频谱分析等T.Blum等研 究了切削条件的变化对声发射信号的RMS、计数率等的影 响，发现声发射信号的RMS 值随刀具后刀面磨损程度的加 剧而增加，并且随切削用量的加大而增加；计数率与切削 速度和进给量成线性增加关系，而总的声发射事件发生率 随进给量的增加而减少。
• 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。刀具磨损过程可用图1 表 示。
2 刀具监测方法 • 刀具破损和磨损的监测方法通常都可以分为直接测量法和 间测量法两种方法。 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。
纲要
刀具监测的现状及意义 刀具监测的方法 各种刀具监测方法的比较 刀具监控方法的发展趋势
1 刀具监控的现状和意义 • 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。刀具磨损的监测是柔性制造系统研究工 程的一个重要课题。
• 上海交通大学的赵曙伟等发现刀具破损时声发射信号能量 主要集中在340 kHz 左右，持续时间短（0.4～0.6 ms）， 能量大，并且能量幅值依破损面积的大小而相应变化。研 究结果表明，表征刀具磨损的声发射信号特征量受切削参 数的影响很大，因此如何区分由刀具磨削和切削参数变化 而引起的特征量的变化十分重要。
3 各种监测方法比较
• 由于切削过程的复杂性，影响切削力的因素很多，所以较 难建立精确而完善的切削力模型；即使建立了较完善的切 削力模型，切削用量的改变引起的切削分力的变化很难与 由刀具破损或磨损引起的切削分力的变化区分开；另外， 在安装测力装臵时需要改装机床结构，使调整和维修很不 方便，不利于该方法在生产实际中推广。 • 而切削噪声监测法目前实际使用的监控系统还很少。其中 一个重要原因就是采用声音检测法难以在实际的加工车间 实行，因为车间的环境噪声通常在90 dB 左右，此外信号 的实时处理技术以及特征提取方法尚有待进一步研究。
• 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。
• 2.1 刀具破损的监测方法 传感参数 传感原理 传感器 主要特征
直 接 法
光反射、折射、 光学图 傅氏传递函数变 换、TV摄像 像
光敏、激光、光纤、可提供直观图像， 光学传感器，电荷 结果叫精确，受切 耦合器件（CCD） 削条件影响，不易 或摄像管 实现实时监视，正 在进行使用化开发