刀具磨損在線監(jiān)測技術(shù)研究的探討

1、.刀具磨損在線監(jiān)測技術(shù)研究的探討-工程論文刀具磨損在線監(jiān)測技術(shù)研究的探討 賈娜 JIA Na；馬雪亭 MA Xue-ting（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）（Mechanical and Electrical Engineering College of Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）摘要： 本文對近幾年刀具磨損在線技術(shù)的研究進(jìn)行探討，得出間接測量方法較直接測量方法靈活，但直接測量方法敏感性更強(qiáng)。 Abstract: This paper discusses the research of the tool

2、 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.關(guān)鍵詞： 刀具磨損；監(jiān)測信號；間接測量Key words: tool wear；check signature；indirect mea

3、surement中圖分類號：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）34-0057-02基金項目：黑龍江省青年科學(xué)基金項目資助（QC06C002）。作者簡介：賈娜（1975-），女，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為機(jī)械設(shè)計、木質(zhì)材料加工、木材加工刀具；馬雪亭（1990-），男，山東濱州人，研究生，研究方向為現(xiàn)代林業(yè)與木工機(jī)械設(shè)計及理論。1 間接測量刀具磨損的研究1.1 建立聲發(fā)射信號與刀具磨損狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性 聲發(fā)射信號來自于切削區(qū)域，受外界影響較小，且具有準(zhǔn)確度高、靈敏性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，適合刀具破損的監(jiān)控。利用聲發(fā)射信號反映刀具磨損情況是近幾

4、年發(fā)展起來的潛力技術(shù)之一，聲發(fā)射源在刀具對工件進(jìn)行切削的過程中比較豐富，信號容易獲取，并且聲音傳感器易于在刀具上進(jìn)行安裝，對加工生產(chǎn)過程不會造成影響。但檢測信號會受到機(jī)床故障、切屑纏繞工件、切屑斷開、刀具崩刃等因素的影響。胡江林采用理論分析和現(xiàn)場試驗的方法進(jìn)行可行性分析和驗證，為利用AE技術(shù)研究刀具磨損提供了可行性依據(jù)。1.2 建立切削過程中的切削力、扭矩等力信號與刀具磨損狀態(tài)的相關(guān)性 隨著刀具磨損程度的不斷增加，力信號的形態(tài)及頻率也會隨之改變。因此，檢測人員在進(jìn)行刀具磨損檢測時，必須積極建立力信號與磨損狀態(tài)之間的聯(lián)系。在現(xiàn)有的技術(shù)下，為了得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，技術(shù)人員需要對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝。范

5、依航為了研究鈦合金Ti6Al4V切削過程中的切削力特性，采用硬質(zhì)合金涂層和無涂層刀具進(jìn)行了外圓干車削試驗，將切削力動態(tài)分量分形維數(shù)建立與刀具磨損的聯(lián)系，用于刀具磨損狀態(tài)監(jiān)控。1.3 建立電機(jī)功率電流等電信號與刀具磨損的相關(guān)性 當(dāng)各種刀具在正常切削時候，功率或電流等電信號變化較平穩(wěn)無突變，一旦刀具破損時，切削力會發(fā)生改變，從而引起電信號的大幅度變化，變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常切削時的值。檢測人員可根據(jù)這一特點建立電信號與刀具磨損之間的關(guān)系，以避免外界因素干擾。檢測裝置的安裝程序簡易，但是大型設(shè)備的應(yīng)用相互之間會產(chǎn)生干擾信號，使電信號不穩(wěn)，所以在實驗室里測得的信號相對于工廠要精確的多。王永新利用金屬切削機(jī)

6、床主軸的功率信號監(jiān)控刀具破損和折斷情況，為刀具管理提供依據(jù)。1.4 建立振動信號與刀具磨損狀態(tài)的相關(guān)性 在刀具加工工件過程中會產(chǎn)生大量的振動信號，通常初期刀具磨損較小，振動信號不明顯，當(dāng)磨損到一定程度，振動信號加劇。因此，檢測人員可以積極利用這一特點建立檢測模型模型，研究振動信號與刀具磨損狀態(tài)之間的聯(lián)系。但這種方法不適用于大型車間，在大型車間內(nèi)易受到周圍設(shè)備的干擾，可靠性降低，因此同樣較適合在實驗室環(huán)境中研究。王細(xì)洋采用小波包方法對振動信號進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)第一、二層細(xì)節(jié)信號的標(biāo)準(zhǔn)差隨著刀具磨損的加劇而增大，將其作為特征參數(shù)用于銑削過程監(jiān)控。1.5 建立關(guān)鍵尺寸誤差與刀具磨損的相關(guān)性 當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入磨

7、損階段，關(guān)鍵尺寸的誤差會有所變化，根據(jù)誤差的不同可以反映出刀具磨損狀況，但是單純通過關(guān)鍵尺寸誤差來研究刀具磨損意義不大，主要是用于根據(jù)誤差范圍結(jié)合相關(guān)的程序進(jìn)行刀具補(bǔ)償。馬廉潔設(shè)計了刀具磨損檢測控制系統(tǒng)，修改刀具參數(shù)，進(jìn)行刀具補(bǔ)償，并成功進(jìn)行了仿真。他通過數(shù)控車床切削試驗驗證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和高效性。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，刀具磨損檢測控制系統(tǒng)不僅能夠及時換刀具，還能及時補(bǔ)償誤差，使加工工件的精度得以提高。1.6 建立噪聲信號與刀具磨損狀態(tài)的相關(guān)性 隨著刀具加工工件時磨損程度的加劇，噪聲信號的波譜特征也發(fā)生了明顯的改變,由此便可以根據(jù)噪聲信號來反映刀具磨損狀態(tài)。羅杰用聲學(xué)傳感器拾取機(jī)床刀具從新刀到刀具

8、完全破損的全生命周期在加工時所發(fā)出的聲音信號，建立加工參數(shù)和磨損狀態(tài)改變與聲信號之間的聯(lián)系，以此來監(jiān)測刀具磨損狀況。但切削噪聲監(jiān)測法目前實際使用的監(jiān)控系統(tǒng)還很少，僅適合于實驗室的研究。其中一個重要原因就是車間的環(huán)境噪聲通常在90dB左右，嚴(yán)重影響獲取信號的可靠性，使得這種監(jiān)測方法難以在實際的加工車間實行。1.7 建立多信號與刀具磨損狀態(tài)的相關(guān)性 單一信號提供的特征往往是不完全的，由此產(chǎn)生了多傳感器監(jiān)測法。它是將檢測獲取的信息合理組合，共同反映刀具的磨損狀態(tài)，這樣能極大地提高檢測的準(zhǔn)確度。但與此同時，多傳感器檢測法的檢測成本較高，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。因此，多傳感器獲取信號的全面性和成本價格的合

9、理性之間的矛盾是這個方法需要解決的主要問題。2 直接測量刀具磨損狀態(tài)的研究2.1 光學(xué)監(jiān)測法 光學(xué)監(jiān)測法是一種利用光學(xué)傳感原理獲取刀具切削圖形，進(jìn)而完成刀具磨損檢測的方法。但受加工路徑、加工方法以及加工周期的影響，光學(xué)檢測法的檢測結(jié)果容易出現(xiàn)一定程度的偏差。Lanzetta, M利用工業(yè)攝像機(jī)（CCD）實現(xiàn)了多個刀面同時監(jiān)測的方法，有效提高了其準(zhǔn)確度。2.2 放射性元素監(jiān)測法 所謂放射性元素監(jiān)測法，就是指通過在刀具的后刀面涂上一層放射線元素，進(jìn)而利用放射線檢測裝置將進(jìn)行檢測，以判斷刀具是否達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法。但這種檢測方法無法進(jìn)行實時監(jiān)控，且污染性較大。劉彬通過在刀具上涂覆放射元素的方式，

10、有效避開了切削與冷卻液的干擾，提升了檢測效率。2.3 直接接觸監(jiān)測法 接觸探測傳感器由Renishaw 于1974年發(fā)明。在金屬切削過程中，每次完成一個加工周期，就把刀具停到傳感器固定位置，使傳感器與刀具后刀面相接觸，根據(jù)加工前后刀具磨損的變化情況獲得當(dāng)前的磨損狀態(tài)。但這種方法的精確度有待提高，且傳感器的價格昂貴。德國Malto公司已經(jīng)用這個方法成功應(yīng)用與刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)測。3 小結(jié)當(dāng)前，刀具磨損的在線監(jiān)測技術(shù)仍處于不斷發(fā)展中，每項監(jiān)測技術(shù)都取得了一定的成就。但由于實際生產(chǎn)中存在的各種限制因素，無論哪種監(jiān)測技術(shù)都有其不足之處。整體而言，刀具在線監(jiān)測技術(shù)還不成熟，若真正用于實際生產(chǎn)還有一段距離。

11、隨著現(xiàn)代自動化技術(shù)以及敏捷制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展成熟，刀具狀態(tài)監(jiān)控越來越受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，并逐漸成為研究的焦點。本文主要研究了刀具磨損在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以期為今后的相關(guān)研究提供合理化參考。參考文獻(xiàn)：1姜增輝，王琳琳，石莉，吳月穎.硬質(zhì)合金刀具切削Ti6Al4V的磨損機(jī)理及特征J.機(jī)械工程學(xué)報，2014，01：178-184.2鄭建明，李言，黃玉美.刀具磨損切削力功率譜特征多分辨分析J.機(jī)床與液壓，2002，04：189-191.3席劍輝，林琳.聲發(fā)射熵分析刀具磨損故障預(yù)測研究J.機(jī)械設(shè)計與制造，2014，05：109-112.4胡江林，張少文，李亮.基于聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測刀具磨損的研究J.工具技術(shù)，2012，03：67-69.5周友行，田茂.鉆削聲發(fā)射信號高階譜研究及應(yīng)用J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，03：387-390.6馬旭，陳捷.數(shù)控機(jī)床刀具磨損監(jiān)測方法研究J.機(jī)械，2009，06：70-73.7范依航，鄭敏利，楊樹財，程明明.基于刀具磨損和切屑形成