刀具磨損監(jiān)測方法綜述

1、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(jīng) 濟效益。據(jù)統(tǒng)計生產(chǎn)工程中75恕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(chǎn)自動化程度的提高，特別是柔性 制造系統(tǒng)（FMS股術的出現(xiàn)，人們越來越重視對加工過程的在線監(jiān)測。2、國內(nèi)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(nèi)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，國內(nèi)外學者在刀具監(jiān)控方

2、面作了大量的工作， 并在檢測方法、監(jiān)控參數(shù)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(jīng)用于生產(chǎn)。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(nèi)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(chǎn)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(shù)刀具磨損監(jiān)視儀為主，典型的傳感參數(shù)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-IO0QCHIP-55A乙美國的ATMAKTA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，美國率先研

3、究多傳感 參數(shù)融合的車刀磨損監(jiān)測系統(tǒng)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡 （ANN）進行多傳感參數(shù)特征信 號并行輸入的融合識別?；钊A大學在深入研究ANN GMD薛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(shù)并行輸入的：“主-從”融合識別車 刀與立鐵刀磨損及車刀、立鐵刀、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(nèi)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(zhì)量或幾何形狀的變化，一般只能在不

4、切削時進行，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(nèi)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(chǎn)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，乂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

5、工件間的距離減小，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(zhì)、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(nèi)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

6、大小就取決于刀刃的幾何形狀(即刀尖到放電電極問的距離)。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(zhì)摻入刀具材料內(nèi)，當?shù)毒吣p時，放射性的物質(zhì)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(zhì)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

7、同刀具的耐磨保護層結合在一起。 微結構導電鍍層的電阻 隨著刀具磨損狀態(tài)的變化而變化，磨損量越大，電阻就越小。當?shù)毒叱霈F(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CCLM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(chǎn)中刀具的工作環(huán)境 非常惡劣(如冷卻介質(zhì)、切屑等)，故該方法目前僅適用于實驗室自動

8、檢測。2. 間接測量法間接測量法利用刀具磨損或?qū)⒁茡p時的狀態(tài)對不同的工作參數(shù)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十擾 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(nèi)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

9、、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(chǎn)生的彈性應力波。當?shù)毒咂茡p時可檢測到幅 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(nèi)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

10、聲發(fā)射信號的包絡線，用時序模型的參數(shù)作為特征 值，通過神經(jīng)網(wǎng)絡對刀具磨損方程進行辨識，實驗證明效果良好；李曉利對鯉削過程中的典型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(jīng)網(wǎng)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(chǎn)品與其公司 生產(chǎn)的數(shù)控鐵床配套使用，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

11、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、很有希望突破的一種方法，所以是加工中心和FMS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(shù)據(jù)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(shù)等。當?shù)毒咂茡p時，切削力變化敏感。當?shù)毒咂茡p較 小時，刀具切削刃不鋒利，使切削力增強：當產(chǎn)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

12、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(jù)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

13、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-1001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(chǎn)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、振動等因素的十擾， 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(shù)據(jù)的歸原處理方法，以此建立了鉆頭磨損在線

14、監(jiān)控系統(tǒng)；劉曉勝將回歸分析 技術和模糊分類相結合，建立了鯉削切削參數(shù)與電流之間的數(shù)學模型，間接的反映刀具磨損量與鯉削切削參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，并利用功率信號識別刀具磨損量；郭興提出一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的鐵刀破損功率監(jiān)控方法，建立了一個鐵刀破損功 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(shù)值、靜態(tài)平均值和動態(tài)均方值等多個參數(shù)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(shù)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

15、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?shù)?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(chǎn)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)

16、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(zhì)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)境十擾，冷卻液、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(zhuǎn)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屆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：(1)刀具一工件組成的自然熱電偶， 可以測出切削區(qū)的平

17、均溫度，不同的刀具、工件材料需進行標定；(2)固定在刀體 內(nèi)某點，由兩種金屆絲組成的熱電偶，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(jù)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(jù)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

18、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(chǎn)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(jīng)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(jù)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(shù)R。此類方法僅適于靜態(tài)測量。目前，絕大多數(shù)此類方法僅適用于計量室或?qū)嶒炇噎h(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