刀具磨損監(jiān)測方法綜述

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上刀具磨損監(jiān)測方法綜述一、刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測的意義及研究現(xiàn)狀1、刀具狀態(tài)監(jiān)測的意義 加工過程中刀具的磨損將造成工件的精度及粗糙度變差，甚至造成工件的報廢、昂貴設備的損傷、機床停機等故障，直接影響著機械加工的精度、效率及經濟效益。據統(tǒng)計生產工程中75%以上的設備故障是由于刀具失效引起的，因此對刀具狀態(tài)進行在線監(jiān)測顯得尤為重要。隨著生產自動化程度的提高，特別是柔性制造系統(tǒng)(FMS)技術的出現(xiàn)，人們越來越重視對加工過程的在線監(jiān)測。2、國內外研究現(xiàn)狀及成果隨著新方法、新理論、新技術的不斷應用，國內外學者在信號選取、信號分析、特征提取和狀態(tài)診斷等方面進行了廣泛而深入的研究。多年來，

2、國內外學者在刀具監(jiān)控方面作了大量的工作，并在檢測方法、監(jiān)控參數的選擇、信號處理及識別領域取得了顯著成果，有些監(jiān)控系統(tǒng)已經用于生產。日本、美國、德國及瑞典等國家處于領先地位，并擁有一批成果及專利。國內的多所大學及研究單位也對刀具監(jiān)控系統(tǒng)進行了一定的研究工作，且有一批產品問世。80年代以前，刀具實時監(jiān)控儀的研究多以單傳感參數刀具磨損監(jiān)視儀為主，典型的傳感參數是聲發(fā)射、切削力、主軸功率和紅外圖像等，典型的監(jiān)控儀有：日本的EMT-IO00，CHIP-55AZ，美國的ATMA，KTA和Cincinnati的功率監(jiān)視系統(tǒng)，丹麥的HZK系統(tǒng)及中國的DJ-101，DZJ-101和TM-8000等。80年代后期

3、，美國率先研究多傳感參數融合的車刀磨損監(jiān)測系統(tǒng)，利用人工神經網絡(ANN)進行多傳感參數特征信號并行輸入的融合識別。清華大學在深入研究ANN，GMDH等融合識別基礎上開展了聲發(fā)射和切削振動兩種傳感信號多特征參數并行輸入的:“主-從”融合識別車刀與立銑刀磨損及車刀、立銑刀、鉆頭、絲錐破/折損綜合監(jiān)控儀的研究開發(fā)和適用化研究，開發(fā)了TM-9000 型刀具磨/破損監(jiān)控儀。哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學及上海交通大學都有相應的刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。二、國內外刀具狀態(tài)監(jiān)測方法概述刀具狀態(tài)檢測方法可分為直接測量法和間接測量法。1.直接測量法直接測量法能夠識別刀刃外觀、表面質量或幾何形狀的變化，一般只能在不切削時

4、進行，它有兩個明顯的缺點：一是要求停機檢測；二是不能檢測出加工過程中出現(xiàn)的刀具突然破損。國內外采用的刀具磨損量的直接測量法有：電阻測量法、刀具工件間距測量法、光學測量法、放電電流測量法、射線測量法、微結構鍍層法及計算機圖像處理法。（1） 電阻測量法該方法利用待測切削刃與傳感器接觸產生的電信號脈沖，來測量待測刀具的實際磨損狀態(tài)。該方法的優(yōu)點在于傳感器價格低廉，缺點是傳感器的選材必須十分注意，既要有良好的可切削性，又要對刀具壽命無明顯的影響，而且工作不太可靠，因為切屑和刀具上的積屑可能引起傳感器接觸部分短路，從而影響精度。（2） 刀具工件間距測量法切削過程中隨著刀具的磨損，刀具與工件間的距離減小，

5、此距離可用電子千分尺、超聲波測量儀、氣動測量儀、電感位移傳感器等進行測量。但是這種方法的靈敏度易受工件表面溫度、表面品質、冷卻液及工件尺寸等因素的影響，使其應用收到一定限制。（3） 光學測量法 光學測量法的原理是磨損區(qū)比未磨損區(qū)有更強的光反射能力，刀具磨損越大，刀刃反光面積就越大，傳感器檢測的光通量就越大。由于熱應力引起的變形及切削力引起的刀具位移都影響檢測結果，所以該方法所測得的結果并非真實的磨損量，而是包含了上述因素在內的一個相對值，此法在刀具直徑較大時效果較好。（4）放電電流測量法將切削力刀具與傳感器之間加上高壓電，在測量回路中流過的（弧光放電）電流大小就取決于刀刃的幾何形狀（即刀尖到放

6、電電極間的距離）。該方法的優(yōu)點是可以進行在線檢測，檢測崩齒、斷刀等刀具幾何尺寸的變化，但不能精確地測量刀刃的幾何尺寸。（5） 射線測量法將有放射性的物質摻入刀具材料內，當刀具磨損時，放射性的物質微粒就會隨切屑一起通過一個預先設計好的射線測量器。射線測量器中所測得的量是同刀具磨損密切相關的，射線劑量的大小就反映了刀具磨損量的大小。該法的最大弱點是放射性物質對環(huán)境的污染大，對人體健康非常不利。此外，盡管此法可以測量刀具的磨損量，并不能準確地測定刀具切削刃的狀態(tài)。因此，該法僅適用于某些特殊場合，不宜廣泛采用。（6） 微結構鍍層法將微結構導電鍍層同刀具的耐磨保護層結合在一起。微結構導電鍍層的電阻隨著刀

7、具磨損狀態(tài)的變化而變化，磨損量越大，電阻就越小。當刀具出現(xiàn)崩齒、折斷及過度磨損現(xiàn)象時，電阻趨于零。該方法的優(yōu)點是檢測電路簡單，檢測精度高，可以實現(xiàn)在線檢測。缺點是對微結構導電鍍層的要求很高：要具有良好的耐磨性、耐高溫性和抗沖擊性能。（7） 計算機圖像處理法計算機圖像處理法是一種快捷、無接觸、無磨損的檢測方法，它可以精確地檢測每個刀刃上不同形式的磨損狀態(tài)。這種檢測系統(tǒng)通常由CCD攝像機、光源和計算機構成。但由于光學設備對環(huán)境的要求很高，而實際生產中刀具的工作環(huán)境非常惡劣（如冷卻介質、切屑等），故該方法目前僅適用于實驗室自動檢測。2.間接測量法間接測量法利用刀具磨損或將要破損時的狀態(tài)對不同的工作參

8、數的影響效果，測量反映刀具磨損、破損的各種影響程度的參量，能在刀具切削時進行檢測，不影響切削加工過程，其不足之處在于檢測到的各種過程信號中含有大量的干擾因素。盡管如此，隨著信號分析處理技術、模式識別技術的發(fā)展，這一方法己成為一種主流方法，并取得了很好的效果。國內外采用的刀具磨損的間接測量法有：切削力測量法、機械功率測量法、聲發(fā)射、熱電壓測量法、振動信號及多信息融合檢測。 （1）聲發(fā)射信號測量法聲發(fā)射技術用于監(jiān)測刀具的磨、破損是近年來聲發(fā)射在無損檢測領域方面新開辟的一個應用領域。其原理是當固體材料在發(fā)生變形、斷裂和相變時會引起應變能的迅速釋放，聲發(fā)射就是隨之產生的彈性應力波。當刀具破損時可檢測到

9、幅值較高的AE信號。聲發(fā)射刀具監(jiān)控技術被公認是一種最具潛力的新型監(jiān)控技術，進入80年代以來，國內外致力于開發(fā)和應用該技術，已獲得較大成果。早在1977年Iwatak和Moriwaki提出了用聲發(fā)射技術對刀具磨損進行在線檢測。在此基礎上，Moriwaki提出了聲發(fā)射刀具破損檢測方法。Kannatey-Asibu和Dornfeld從理論上研究了聲發(fā)射信號的頻譜特征，并結合模式識別方法實現(xiàn)了對刀具破損的在線監(jiān)測。我國聲發(fā)射監(jiān)測技術研究盡管起步較晚，但發(fā)展迅速。黃惟公采用包絡分析法求取刀具磨損中聲發(fā)射信號的包絡線，用時序模型的參數作為特征值，通過神經網絡對刀具磨損方程進行辨識，實驗證明效果良好；李曉利

10、對鏜削過程中的典型AE信號進行FFT分析，通過在頻域里AE信號幅值的變化反映刀具磨損狀態(tài)；袁哲俊對切削過程中的聲發(fā)射信號進行小波包分解，獲取信號各頻段的能量分布，以此作為信號特征，并建立基于模糊推理的快速神經網絡模型識別刀具磨損狀態(tài)。由日本Murakami Giken公司研制的chip-55A型刀具破損監(jiān)控儀采用聲發(fā)射監(jiān)控技術，實施對加工過程中刀具狀態(tài)的監(jiān)控，該產品與其公司生產的數控銑床配套使用，效果良好。 （2）切削力信號測量法切削力變化是切削過程中與刀具磨、破損狀態(tài)最為密切相關的一種物理現(xiàn)象。采用切削力作為檢測信號，具有拾取容易，反應迅速、靈敏等優(yōu)點，是在線方法中研究較多、很有希望突破的一

11、種方法，所以是加工中心和FMS中測量刀具破損的常用方法?；谇邢髁Φ谋O(jiān)測方法，采用的監(jiān)測數據主要有切削分力，切削分力比，動態(tài)切削力的頻譜和相關函數等。當刀具破損時，切削力變化敏感。當刀具破損較小時，刀具切削刃不鋒利，使切削力增強:當產生崩刃或斷刀時，切削深度減少或沒有，使切削力劇減。在監(jiān)測切削力時，在X,Y,Z三個方向上同時對Fx,Fy,Fz三個分力進行測量，依靠裝在每個電機上的伺服放大器測量出進給電機和主軸電機的電流變化，并把電流變化傳給力閥，在顯示器上讀出被測量的力，從而判斷刀具是否破損。1977年，日本東京電機大學的村幸辰從理論和實驗兩方面深入研究了不同加工條件和刀具磨損狀態(tài)下各切削力的

12、變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在一定條件下切削分力比是一個能靈敏反映刀具磨損變化的特征量，據此他提出了切削力比監(jiān)測法；1984年，Lan和Dornfeld的研究表明，切向力和進給力對刀具破損具有較高的敏感性；Shiraishi等通過對加工過程的測量、檢測和控制技術的對比研究指出刀具失效的力監(jiān)測法是最有潛力的方法，有著廣闊的工業(yè)應用前景，扭矩監(jiān)測和切削力法一樣具有相同的研究價值；成剛虎采用了頻段均方值法通過切削力監(jiān)測刀具的磨損狀態(tài)；萬軍利用切削力模型和最小二乘法實現(xiàn)模型自動跟蹤加工過程特性變化，從而獲取刀具磨損量。在切削力監(jiān)控技術方面具有代表性的成果是瑞典Sandvik Coromant公司推出的TM-BU-1

13、001型刀具監(jiān)控儀，該系統(tǒng)采用的力傳感器可安裝于主軸軸承、進給絲杠，可設置三個門限，一旦超限自動報警。 （3）功率測量法功率測量法也是工業(yè)生產中應用潛力很大的方法。該方法是通過測定主軸負荷功率或電流電壓相位差及電流波形變化等來確定切削過程中刀具是否破損。該方法具有信號檢測方便，可以避免切削環(huán)境中切屑、油、煙、振動等因素的干擾，易于安裝。潘建岳在對加工中心鉆削過程功率信號分析的基礎上，提出并采用功率數據的歸原處理方法，以此建立了鉆頭磨損在線監(jiān)控系統(tǒng)；劉曉勝將回歸分析技術和模糊分類相結合，建立了鏜削切削參數與電流之間的數學模型，間接的反映刀具磨損量與鏜削切削參數的內在聯(lián)系，并利用功率信號識別刀具磨

14、損量；郭興提出一種基于人工神經網絡的銑刀破損功率監(jiān)控方法，建立了一個銑刀破損功率監(jiān)控系統(tǒng)，實驗表明該系統(tǒng)能夠靈敏的檢測出刀具破損并實施監(jiān)控。袁哲俊系統(tǒng)的研究了切削過程中刀具異常對主電機功率影響的規(guī)律，提出了用主電機功率的瞬時值、導數值、靜態(tài)平均值和動態(tài)均方值等多個參數綜合監(jiān)控鉆削過程刀具異常狀態(tài)；萬軍利用離散自回歸AR模型對功率信號進行處理，其模型參數通過適應算法在每個信號采樣時刻進行遞歸修正，以適應切削狀況，同時為了區(qū)別刀具磨損和切削條件改變引起的功率信號變化，文章引入了歸一化偏差處理，當刀具切出工件時其歸一化偏差明顯比刀具磨損時歸一化偏差的變化要小，監(jiān)控時設報警門限，當歸一化偏差超限時，即

15、刻報警，具有良好的效果。成功應用電機功率監(jiān)控技術具有代表性的廠家是美國Cincinnati milacron公司，該公司開發(fā)的刀具監(jiān)控系統(tǒng)與本公司生產的馬刀系列立式加工中心配套使用。 （4）工件尺寸測量法加工中刀尖磨損或破損必然會引起工件尺寸發(fā)生變化，通過測量工件己加工表面的尺寸變化量，可以間接判斷出刀具的磨損、破損情況。從測量方式看，有接觸工件測量的接觸式和測量刀具工件之間間隙的非接觸式兩類。測量工件尺寸方法的優(yōu)點在于能直接定量給出刀具徑向磨損或破損值，并可與加工精度的在線、實時補償結合起來，保證加工質量，實現(xiàn)精加工中刀具磨損、破損監(jiān)測的最終目標。其缺點在于，實時測量易受測試環(huán)境干擾，冷卻液

16、、切屑等影響測量結果;加工中工件、刀具的熱膨脹和受力變形、主軸回轉精度、進給運動精度、振動等因素也會直接影響測量的精度。此外，在加工變截面工件時，要求傳感器進行準確的跟蹤定位，由此也會帶來定位的誤差，并增加了實現(xiàn)的難度。 （5）切削溫度測量法切削熱也是金屬切削過程中的一個重要物理現(xiàn)象，刀具的磨損和破損將導致切削溫度的驟增。測量切削溫度有三種方式:(l)刀具一工件組成的自然熱電偶，可以測出切削區(qū)的平均溫度，不同的刀具、工件材料需進行標定;(2)固定在刀體內某點，由兩種金屬絲組成的熱電偶，測出的是距離刀刃一定距離處某點的溫度，存在溫度變化時響應慢、事先準備費時的問題。(3)紅外攝像系統(tǒng)，可測出切削

17、區(qū)溫度場分布，具有靈敏度高，響應時間短的特點，但儀器復雜、成本高，聚焦困難，難以測出切削覆蓋處的刀具溫度。 （6）刀具與工件接觸處電阻測量法測量原理可分為兩種:一種是根據刀具磨損使刀具與工件接觸面積增大而引起接觸電阻減小的效應，這種方法受切削用量影響較大并有絕緣要求；二是在刀具后刀面上貼一層薄膜導體，它隨著刀具磨損而消耗，根據其電阻的變化可知刀具后刀面的磨損量。此方法精度高，但需每把刀具都粘貼薄膜電阻，且在高溫、高壓下薄膜電阻易脫落。該方法應用于實際工況，目前還不太現(xiàn)實。 （7）振動頻率測量法刀具在切削過程中，工件與磨損的刀刃部側面摩擦，會產生不同頻率的振動。對這種振動的監(jiān)測有兩種方法:一是把

18、振幅分成高低兩部分，在切削過程中對此兩部分振幅進行對比;二是把振幅分成幾個獨立的幅帶，用微處理機對這些幅帶進行不斷地記錄及分析，即能監(jiān)測出刀具后刀面的磨損程度。美國國家標準局自動化研究所在鉆削加工中利用振動信息方面取得了成功的經驗。研制成的系統(tǒng)是利用裝在工件上的加速度傳感器對振動信息進行時效分析，識別鉆頭的磨損并判斷鉆頭的折斷。 （8）工件表面粗糙度測量法隨著刀具磨損程度的增加或破損的發(fā)生，工件己加工表面的粗糙度將呈增大趨勢，據此可間接評價出刀具的磨損或破損狀況。測量工件表面粗糙度的方法也可分為兩類。一類是劃針式接觸測量，可直接得出表面粗糙度的評價參數R。此類方法僅適于靜態(tài)測量。目前，絕大多數此類方法僅適用于計量室或實驗室環(huán)境。另一類是非接觸式光學反射測量，得出的是工件表面粗糙度的相對值，自動監(jiān)測中通常采用光