基于聲音和圖像的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

1、浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要基于聲音和圖像的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究要摘在大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)中，對(duì)刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)控是保證生產(chǎn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵。本論文在分析現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從切削聲信號(hào)和工件表面紋理這兩個(gè)方面對(duì)刀 具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。第一章闡述了本文的研究背景，概述了刀具磨損狀態(tài)技術(shù)的研究情況，分析了各種技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和目前狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀，提出問(wèn)題。第二章對(duì)刀具的磨損的機(jī)理以及磨損形式、磨鈍標(biāo)準(zhǔn)選擇進(jìn)行了概述，并 對(duì)刀具的磨損對(duì)切削聲音和工件表面紋理的影響做了初步的分析，且提出了實(shí)驗(yàn) 方案。第三章在闡述信號(hào)分析理論的基礎(chǔ)上，對(duì)采集的切削聲信號(hào)從時(shí)域和頻域分別進(jìn)行了分析。在時(shí)域?qū)r(shí)序

2、模型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，在頻域進(jìn)行了頻譜估計(jì) 并對(duì)不同的方法進(jìn)行了比較得出了較為理想的刀具磨損狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。第四章在闡述圖像紋理分析理論的基礎(chǔ)上，從像素空間投影、灰度共生矩陣和等歡度行程長(zhǎng)度這三個(gè)方面的若干個(gè)特征參數(shù)對(duì)工件表面紋理圖像進(jìn)行了分析，篩選出反映刀具磨損狀態(tài)較為理想的參數(shù)。第五章在闡明多信息融合技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了單獨(dú)用切削聲信號(hào)和工件表面紋理進(jìn)行刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將兩者進(jìn)行信息融 合，得到了結(jié)果收斂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。第六章總結(jié)與展望?？偨Y(jié)本課題所做的工作，并分析了刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的前景以及進(jìn)一步的研究工作。關(guān)鍵詞：刀具磨損，狀態(tài)監(jiān)測(cè)，切削聲信號(hào)，紋理皇!坐塑

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8、etcjng the cons耐n伊nts眥吼ary and prospectsthenlis researchThe sixmchaptcr百vesonmoIIitoring；cutting sound signal；texturcWbrds：toolwear；conmtionKeyll浙江丁業(yè)人學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論第一章緒論【摘要】本章介紹了論文的研究背景，對(duì)刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析討論提出了本論文研究的目的、意義及主要研究?jī)?nèi)容。§11機(jī)械制造過(guò)程中工況與故障診斷的特點(diǎn)【l】在傳統(tǒng)的機(jī)械加工環(huán)境中，以人為主體，對(duì)于機(jī)械制造過(guò)程工況狀態(tài)的判斷很容易迸行。通常

9、是對(duì)加工過(guò)程中產(chǎn)生的異常噪音或者所得產(chǎn)品的質(zhì)量對(duì)工況進(jìn)行估計(jì)。隨著柔性制造系統(tǒng)(FMS)和集成制造系統(tǒng)的發(fā)展，機(jī)械加工的自動(dòng)化程度日益提高，對(duì)于工況的監(jiān)測(cè)與故障診斷也日漸重視并成為實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造自動(dòng)化、少人化或無(wú)人化的重要技術(shù)保證。機(jī)械制造系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有以下特點(diǎn)： (1)離散性與斷續(xù)性。就加工過(guò)程而言，在一次走刀中的切削加工可以是連續(xù)的(如車、鉆、磨等)，也可以是斷續(xù)的(如銑)。從一個(gè)零件的制造過(guò)程麗言，工序與工序是兩個(gè)相互獨(dú)立的過(guò)程，而對(duì)加工質(zhì)量來(lái)說(shuō)，工序與工序是相關(guān)的。(2)緩變性與突變性。在固定的加工條件下，一臺(tái)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性是緩變的如機(jī)床的溫升、零件磨損、應(yīng)力的分布等；而刀具的損壞和折

10、斷等往往是在瞬問(wèn)出現(xiàn)的，屬于突變性故障。(3)隨機(jī)性與趨向性。由于機(jī)械加工中各種隨機(jī)因素干擾大，因此機(jī)械加工過(guò)程中各種物理量的變化如切削力、切削溫度、刀具磨損與刀具壽命和切削條件的關(guān)系往往是含有趨向性的隨機(jī)過(guò)程。(4)模糊性。在現(xiàn)象與因素關(guān)系上，大部分呈模糊性，即一部分因果關(guān)系是透明的，而另一部分是黑色的。在工況分析中需要用到各種建模方法，沒(méi)有適用于各種情況的通用數(shù)學(xué)模型。§12刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)的意義【2】【習(xí)隨著生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高特別是柔性制造系統(tǒng)(FMs)技術(shù)的出現(xiàn)，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)加工過(guò)程的在線監(jiān)鍘。刀具破損在線監(jiān)測(cè)是最早提出的研究方向。破損是刀具主要失效形式之一，特別是脆性

11、較大的刀具(如硬質(zhì)合金、陶瓷 刀具等)進(jìn)行斷續(xù)切削或者切肖#難加工材料時(shí)。刀具破損的在線識(shí)別可以降低或浙江_T業(yè)大學(xué)項(xiàng)=E學(xué)位論文第一章緒論者避免程度不同的損失，如工件報(bào)廢、機(jī)床損害等?，F(xiàn)在，有些刀具破損監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)成熟，并用于生產(chǎn)中。后來(lái)人們又將目光放在刀具磨損的監(jiān)測(cè)上。在切削 過(guò)程中刀具的磨損在所難免。刀具磨損是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，變化較緩慢，在常 規(guī)的操作工單機(jī)床加工時(shí)，工人可以根據(jù)機(jī)床的振動(dòng)或噪聲及切削情況等估計(jì)刀 具磨損程度；在自動(dòng)化加工過(guò)程中，則需要系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷刀具的磨損程度并 及時(shí)換刀，以避免由于刀具磨損量過(guò)大造成的加工質(zhì)量下降或其他損失。由于刀 具的破損、磨損將影響整個(gè)加工過(guò)程

12、，所以通過(guò)對(duì)刀具狀態(tài)改變的監(jiān)測(cè)可以直接 反映出加工過(guò)程中其他因素的變化，如加工質(zhì)量(工件表面粗糙度、形狀位置精度等)、機(jī)床狀態(tài)(如機(jī)床的振動(dòng))等。這樣，刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象不再只 局限于刀具，而是向更寬的范圍拓展。在現(xiàn)代制造技術(shù)中，刀具破損、磨損的在 線監(jiān)測(cè)及通過(guò)刀具監(jiān)測(cè)來(lái)控制其他過(guò)程因素構(gòu)成了刀具監(jiān)測(cè)技術(shù)的全部。隨著技 術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)自動(dòng)化程度、加工精度越來(lái)越高，難加工材料和新材料越來(lái)越多， 零件的形狀越來(lái)越復(fù)雜所以需要在自動(dòng)化加工過(guò)程中對(duì)刀具進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。另外，在競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越強(qiáng)的市場(chǎng)中，勞動(dòng)力價(jià)格和投資的增加要求提高生產(chǎn)率，減少生產(chǎn)投入和生產(chǎn)時(shí)間。過(guò)去，在大批量生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了高效率，但是隨著

13、零件 的設(shè)計(jì)壽命下降，也必須進(jìn)行中小批量的生產(chǎn)。為了減少檢驗(yàn)和試驗(yàn)的費(fèi)用所 生產(chǎn)的零件必須具有完全可控制的穩(wěn)定質(zhì)量。人們要求排除瑣碎的以及危險(xiǎn)的工 作，而普遍認(rèn)為高自動(dòng)化能滿足上述要求，而且是解決或減少這些問(wèn)題的最主要 的方法之一。在試驗(yàn)FMS的過(guò)程中，有許多技術(shù)問(wèn)題有待于解決，特別是在過(guò)程模擬和傳感技術(shù)領(lǐng)域。金屬切削加工是最重要的繼續(xù)制造方法。在這些加工過(guò)程中不能通過(guò)基本切削參數(shù)(刀具幾何參數(shù)、切削用量等)很精確預(yù)測(cè)切削加工的狀態(tài)(切削形式、 刀具壽命等)。刀具壽命和狀態(tài)對(duì)加工的經(jīng)濟(jì)性和工具質(zhì)量有很大的影響。在金 屬切削加工的過(guò)程中，刀具的磨、破損如未能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致切削過(guò)程的中 斷，引

14、起工件的報(bào)廢、機(jī)床損壞、甚至整個(gè)FMs停止運(yùn)行，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。雖然刀具壽命管理可以防止刀具的磨損和破損但因?yàn)榈毒邏勖碾S機(jī)性 其壽命極限估計(jì)往往過(guò)于保守，以致大部分刀具未能充分利用。在無(wú)人化加工系 統(tǒng)中這將意味著換刀次數(shù)和刀具費(fèi)用的增加。因此，機(jī)加工過(guò)程中，定量、定 時(shí)地掌握刀具狀態(tài)，監(jiān)測(cè)與診斷刀具磨損、崩刃等損傷故障，對(duì)于延長(zhǎng)機(jī)床設(shè)備無(wú)故障運(yùn)行，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。§13刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法概述14J州J刀具的磨損監(jiān)測(cè)是計(jì)算機(jī)與傳感技術(shù)的綜合。多年來(lái)，眾多學(xué)者在刀具磨損、破損的監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了大量的研究。目前，監(jiān)測(cè)方法根據(jù)切削加工工程和傳感器 類型一般可分為直接法和間接

15、法兩大類。浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論幽1一I刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)分類§131直接測(cè)量法直接法是直接監(jiān)測(cè)刀刃的形狀、位置等參量，一般只能離線測(cè)量。(1)測(cè)量刀刃位置該方法采用的是接觸觸發(fā)式傳感器，以英國(guó)Rellishew公司的產(chǎn)品為代表，該傳感器三個(gè)方向都可觸發(fā)，其工作原理是停機(jī)后退出刀架至原位，回轉(zhuǎn)臂在測(cè) 頭接觸刀具后會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)鎖住測(cè)頭刀刀具瞬問(wèn)機(jī)床上的坐標(biāo)位置， 根據(jù)兩次坐標(biāo)之間的讀數(shù)差，可知刀具的磨損量。利用這一方法可測(cè)出刀尖的磨損、破損尺寸的改變量，但比較麻煩，對(duì)形狀復(fù)雜的工件更是無(wú)能為力。(2)直接測(cè)量刀具損耗面這是應(yīng)用光學(xué)技術(shù)監(jiān)測(cè)刀具損耗面大小的方法。其中，

16、一種方法是基于刀具 側(cè)面磨損后反光度增大的現(xiàn)象，對(duì)側(cè)面的發(fā)射光進(jìn)行分析就可判斷刀具的磨損情 況。另一種方法是采用工業(yè)電視監(jiān)視電視攝像機(jī)接收刀刃部分的圖像，將圖像 數(shù)字化后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，在屏幕上直接顯示出刀具磨損面的形狀和尺寸。采用光學(xué)方法直觀性強(qiáng)，但大部分只能在切削完畢后，把刀具移至固定位置進(jìn)行觀察，在出現(xiàn)積削瘤或其它沉積物時(shí)，分析耗損部位就有困難。§132間接測(cè)量法問(wèn)接法是間接測(cè)量正在切削狀態(tài)中的某些參數(shù)，將它與給出的正式切削參數(shù) 進(jìn)行比較，從而推斷出刀具是否已磨損或者刀具就要發(fā)生破損的先兆，達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。(1)測(cè)量切削力切削力是切削過(guò)程中與刀具磨損、破損狀態(tài)最為密切相關(guān)的

17、一種物理現(xiàn)象。浙江T業(yè)人學(xué)頌一I：學(xué)位論文第一章緒論采用切削力作為監(jiān)測(cè)信號(hào)，具有拾取信號(hào)容易，反映迅速、靈敏等優(yōu)點(diǎn)，是在線實(shí)時(shí)法中研究較多，被認(rèn)為很有希望突破的一種方法，所以是加工中心和FMs 測(cè)量刀具破損的常用方法之一。切削力的測(cè)量成分包括靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力兩部分。采用的監(jiān)測(cè)參數(shù)主要有切削 分力大小及其導(dǎo)數(shù)，切削力之比，動(dòng)態(tài)切削力的時(shí)序分析、頻譜、相關(guān)函數(shù)等。 其中信號(hào)處理技術(shù)包括了時(shí)域和頻域兩大類。采用切削力監(jiān)測(cè)方法的主要障礙在于，由于切削過(guò)程的復(fù)雜性，影晌切削力 變化的因素很多，較難與刀具磨損、破損性質(zhì)區(qū)分開(kāi)，使得設(shè)置監(jiān)測(cè)閾值非常困難。(2)測(cè)量主軸電機(jī)功率(或扭矩)，此方法是基于刀具磨損或

18、破損時(shí)，切削力將增大造成切削功率(或扭矩)的增加，使得機(jī)床驅(qū)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載功率變大的現(xiàn)象，一般是通過(guò)測(cè)量負(fù)荷功率或電流和電壓間相位及電流波形變化等來(lái)達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。該方法具有測(cè)量信號(hào)簡(jiǎn)便、可避免切削環(huán)境中切屑、油煙、振動(dòng)等干擾監(jiān)測(cè) 裝置易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種監(jiān)測(cè)方法。其缺點(diǎn)是在小尺寸 刀具或切削用量比較小時(shí)，電機(jī)功耗變化不明顯，一般僅適合于粗加工場(chǎng)合。此 外，電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定、電磁噪聲等干擾都對(duì)監(jiān)測(cè)效果有直接影響。(3)測(cè)量工件尺寸加工中刀尖磨損或破損必然會(huì)引起工件尺寸發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量工件已加工 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(cè)量方式看，有 接觸

19、工件測(cè)量的接觸式和測(cè)量刀具工件之間間隙的非接觸式兩類。測(cè)量工件尺寸方法的優(yōu)點(diǎn)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(shí)時(shí)補(bǔ)償結(jié)合起來(lái)，保證加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)精加工中刀具磨損、 破損監(jiān)測(cè)的最終目標(biāo)。其缺點(diǎn)在于，實(shí)時(shí)測(cè)量易受測(cè)試環(huán)境干擾，冷卻液、切屑 等影響測(cè)量結(jié)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(jìn)給 運(yùn)動(dòng)精度、振動(dòng)等因素也會(huì)直接影響測(cè)量的精度。此外，在加工變截面工件時(shí)， 要求傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤定位，由此也會(huì)帶來(lái)定位的誤差，并增加了實(shí)現(xiàn)的難度。(4)測(cè)量切削溫度切削熱也是金屬切削過(guò)程中的一個(gè)重要物理現(xiàn)象，刀具的磨損和破損將導(dǎo)致 切削溫度的驟增。測(cè)量切削溫度有

20、三種方式：(1)刀具一工件組成的自然熱電偶， 可以測(cè)出切削區(qū)的平均溫度不同的刀具、工件材料需進(jìn)行標(biāo)定；(2)固定在刀 體內(nèi)某點(diǎn)由兩種金屬絲組成的熱電偶，測(cè)出的是距離刀刃一定距離處某點(diǎn)的溫度，存在溫度變化時(shí)響應(yīng)慢、事先準(zhǔn)各費(fèi)時(shí)的問(wèn)題。(3)紅外攝像系統(tǒng)，可測(cè)出4浙j工丁業(yè)火學(xué)i|i|士學(xué)位論文第章緒論切削區(qū)溫度場(chǎng)分布，具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，但儀器復(fù)雜、成本高，聚焦困難，難以測(cè)出切削覆蓋處的刀具溫度。(5)測(cè)量刀具與工件接觸處電阻測(cè)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(yīng)，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(dǎo)

21、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(yīng)用于實(shí)際工況，目前還不太現(xiàn)實(shí)。(6)測(cè)量振動(dòng)頻率刀具在切削過(guò)程中，工件與磨損的刀刃部側(cè)面摩擦，會(huì)產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)。對(duì)這種振動(dòng)的監(jiān)測(cè)有兩種方法：一是把振幅分成高低兩部分，在切削過(guò)程中對(duì)此 兩部分振幅進(jìn)行對(duì)比；二是把振幅分成幾個(gè)獨(dú)立的幅帶，用微處理機(jī)對(duì)這些幅帶 進(jìn)行不斷地記錄及分析，即能監(jiān)測(cè)出刀具后刀面的磨損程度。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局自動(dòng)化研究所在鉆削加工中利用振動(dòng)信息方面取得了成功 的經(jīng)驗(yàn)。研制成的系統(tǒng)是利用裝在工件上的加速度傳感器對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行時(shí)效

22、分 析，識(shí)別鉆頭的磨損并判斷鉆頭的折斷。(7)測(cè)量聲發(fā)射(AE)聲發(fā)射(AcousticEmission)技術(shù)用于監(jiān)鍘刀具的磨損、破損是在無(wú)損監(jiān)測(cè)方面新開(kāi)辟的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。目前國(guó)外已經(jīng)用在加工中心上。聲發(fā)射是在金屬加工中分子晶格發(fā)生位錯(cuò)、裂紋擴(kuò)展及塑性變形時(shí)釋放出的 一種超高頻應(yīng)力波脈沖信號(hào)，其頻率范圍在100kHz以上。刀具破損時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的某些特征參數(shù)如包絡(luò)曲線的有教值、突發(fā)脈沖幅值、脈沖計(jì)數(shù)器、功率譜 等將發(fā)生變化。聲發(fā)射的優(yōu)越性在于它避開(kāi)了切削過(guò)程中振動(dòng)和音頻噪聲污染嚴(yán)重的低頻區(qū)在所感興趣的頻率范圍內(nèi)靈敏度較高：能抵御一定范圍內(nèi)切削用量的變化； 同時(shí)，由于監(jiān)測(cè)信號(hào)反映的是金屬材料內(nèi)部

23、晶格變化情況，故有可能較早地對(duì)刀 具破損進(jìn)行預(yù)報(bào)。其不利之處是特征參數(shù)易受工件和刀具材料的影響，實(shí)際環(huán)境 下的高頻噪聲往往造成其誤判；由于聲發(fā)射信號(hào)在接觸界面?zhèn)鞑r(shí)損耗很大， 般要求將傳感器安裝在刀桿上；聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求有超高頻信號(hào)處理儀及與之 相應(yīng)的計(jì)算機(jī)，故成本相對(duì)較高。(8)測(cè)量工件表面粗糙度隨著刀具磨損程度的增加或破損的發(fā)生，工件已加工表面的粗糙度將呈增大趨勢(shì)，據(jù)此可間接評(píng)價(jià)出刀具的磨損或破損狀況。測(cè)量工件表面粗糙度的方法也塑望三些查堂堡主簍垡絲塞墨二塑墮堡可分為兩類。一類是劃針式接觸測(cè)量，可直接得出表面粗糙度的評(píng)價(jià)參數(shù)矗?；虺撸?。此類方法僅適于靜態(tài)測(cè)量。目前，絕大多數(shù)此類方法僅適用

24、于計(jì)量室或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境。另一類是非接觸式光學(xué)反射測(cè)量，得出的是工件表面粗糙度的相對(duì)值， 自動(dòng)監(jiān)測(cè)中通常采用光纖傳感器和激光測(cè)試系統(tǒng)兩種類型。此類方法測(cè)試效率高，可以不留痕跡地測(cè)量軟質(zhì)材料的工件表面，但事先需采用樣品標(biāo)定。受切削液、切屑、工件材質(zhì)、振動(dòng)等的影響較大。當(dāng)前還達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用水平。通過(guò)以上的分析可知，在寓接監(jiān)測(cè)刀具磨損量比較困難的情況下，當(dāng)前針對(duì)與刀具磨損狀態(tài)密切相關(guān)的物理量，提出了許多的間接刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)并且各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用的場(chǎng)合，在監(jiān)測(cè)的精度和準(zhǔn)確率上也有一定的差異。§14刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)當(dāng)前刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究水平和應(yīng)用狀況，該技術(shù)將向以

25、下幾個(gè)方向發(fā)展：(1)硬件方面當(dāng)前不同精度、不同大小、價(jià)格優(yōu)廉的傳感器的研制，以及高分辨率的圖像采集系統(tǒng)的出現(xiàn)，將使刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)向更高水平發(fā)展。只有這樣才能提高分析精度，加快分析速度，縮短分析時(shí)閫，從而適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的需要。(2)軟件方面開(kāi)發(fā)綜合各種監(jiān)測(cè)手段的智能化故障診斷專家系統(tǒng)在知識(shí)獲取和表達(dá)方面、推理機(jī)制方面和控制策略方面比傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)更優(yōu)異、更合理以便解決先前的知識(shí)獲取“瓶頸”和知識(shí)難于維護(hù)的缺點(diǎn)。新開(kāi)發(fā)的專家系統(tǒng)界面將更友好，其使用范圍也更寬廣。(3)方法和理論方面f9H7J新方法、新理論、新技術(shù)應(yīng)用于刀具磨損監(jiān)鍘中是目前許多高等院校和科研機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)數(shù)據(jù)處理方面，線

26、性回歸、多元線性回歸、灰色理論， 時(shí)間序列分析和矩陣變換等方法不斷被引入；在分析方法上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)方法、分形理論、小波分析等也同時(shí)被采用：基于多傳感器的信息融合系統(tǒng)、數(shù)據(jù)模型和結(jié)構(gòu)的研究也應(yīng)用于刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。關(guān)于這些方法和理論的研究必定是該領(lǐng)域目前和將來(lái)研究的一個(gè)重要方面。§15以聲信號(hào)和圖像為刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)象的研究現(xiàn)狀(1)對(duì)切削過(guò)程中的聲信號(hào)，在90年代以前研究得比較多。文獻(xiàn)18在研究切削聲信號(hào)的聲學(xué)特性的基礎(chǔ)，采用傳聲器和精密聲級(jí)計(jì)作浙江工業(yè)大學(xué)頂士學(xué)位論文第一章緒論為聲音采集設(shè)備，將信號(hào)記錄在磁帶上進(jìn)行放大，提取了頻帶聲壓級(jí)作為特征量，并建立了相應(yīng)的判

27、別函數(shù)。文獻(xiàn)19】對(duì)車削加工中的切削聲信號(hào)進(jìn)行了功率譜多參數(shù)分析。在數(shù)字濾波的基礎(chǔ)上，計(jì)算了功率譜幅值之和、功率譜頻率重心、功率譜教度等特征量。證 明了在諸多影響參數(shù)中，濾波功率譜值之和隨著刀具磨損量VB的變化規(guī)律最為 顯著，且譜散度分析對(duì)處于正常磨損階段的刀具磨損程度估計(jì)與預(yù)報(bào)有一定的價(jià) 值。文獻(xiàn)20】在實(shí)驗(yàn)條件下，用麥克風(fēng)對(duì)切削聲信號(hào)進(jìn)行了采集。將采集到的聲信號(hào)用小波變換進(jìn)行多尺度分解，得到了不同頻率成分的波形，將尺度因子作為 反映刀具磨損狀態(tài)的特征量。文獻(xiàn)21研究了切削過(guò)程中的噪音形成機(jī)理，不同工件材料的塑性變形、工 件材料和刀具之間的摩擦、工件的振動(dòng)、切削過(guò)程的非線性以及刀具材料的剮度

28、 等都對(duì)切削過(guò)程中的聲音產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)【22】將切削中的聲音特性和振動(dòng)特性相結(jié)合，提出了一種新的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。當(dāng)前研究比較熱門的是聲發(fā)射，研究的主要是頻率大于100kHz的切削聲信號(hào)，避免了背景噪音形成的干擾【23卜【261。但是實(shí)驗(yàn)條件要求比較高，使用專門的聲發(fā)射傳感器，而且一般都要安裝在刀具上迸行信號(hào)采集。因此需要對(duì)車床系統(tǒng) 進(jìn)行改造，成本很高。(2)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)在刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用是隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬 件技術(shù)的發(fā)展而不斷得到應(yīng)用和完善的。它能在一定程度上克服現(xiàn)有刀具狀態(tài)監(jiān) 測(cè)方法，例如基于聲發(fā)射、切削力、振動(dòng)、溫度、應(yīng)力、電機(jī)電流功率等監(jiān)測(cè)方 法所存在的缺陷，因此逐步成為

29、刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一類重要監(jiān)測(cè)手段27】【28】。當(dāng)前該方法主要用與對(duì)刀具磨損圖像的直接監(jiān)測(cè)。根據(jù)刀具磨損的位置和形式的不同，分為后刀面磨損圖像、月牙洼磨損圖像、刀具破損圖像。文獻(xiàn)29】將裝有光學(xué)器件的Tv照相機(jī)安裝在機(jī)床上當(dāng)切削暫停時(shí)，獲取由光導(dǎo)纖維束照明的切削刀具的圖像。使用三個(gè)不同的分割算法進(jìn)行圖像分割。 但沒(méi)有標(biāo)定測(cè)量裝置以提供精確的測(cè)量單位在所使用的分割技術(shù)之間也沒(méi)有進(jìn) 行比較。文獻(xiàn)30】利用可調(diào)節(jié)的觀測(cè)儀基于后刀面磨損模式的觀測(cè)技術(shù)和遞歸最小平方參數(shù)估計(jì)算法的組合測(cè)量后刀面磨損。由于照相機(jī)分辨率的限制，只有磨損 區(qū)域的中央部分可以被攝取。在閩值處理后，磨損區(qū)域的頂部和底部之間的距離

30、 作為磨損的寬度。從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，在不變的切削條件及變化的切削條件下- 這種一體化的方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。文獻(xiàn)31】提出了一種更復(fù)雜的試驗(yàn)配置方法記錄月牙洼磨損圖像。激光束經(jīng)浙江T業(yè)大學(xué)項(xiàng)士學(xué)位論文第一章緒論過(guò)衍射光柵，合成的干涉條紋投射到刀具的傾角面上。條紋的偏轉(zhuǎn)標(biāo)示傾角面上的變形量，如月牙洼磨損。這種布置在提供月牙洼磨損的3維視圖很有優(yōu)勢(shì)，但是，照明條件的控制要求額外的硬件復(fù)雜性。文獻(xiàn)32】通過(guò)計(jì)算最近的刀具邊緣點(diǎn)與刀具尖端的差并把它與預(yù)置的閩值 進(jìn)行比較來(lái)確定刀具是否破損。如果超過(guò)了閾值就認(rèn)為刀具已經(jīng)破損。閩值從對(duì) 銳利刀具的系列測(cè)試而得到。閩值的設(shè)置要能夠容納允許的刀具尖端圓

31、度和非圓 誤差。選擇恰當(dāng)?shù)钠茡p閾值是非常重要的，如果破損的刀具被誤認(rèn)為是合格的刀 具，則可能會(huì)使加工質(zhì)量達(dá)不到要求。當(dāng)前對(duì)于工件表面狀況主要集中于對(duì)粗糙度的測(cè)量，分為針式接觸測(cè)量和光學(xué)反射式非接觸測(cè)量。通過(guò)粗糙度的變化情況來(lái)反映刀具磨損的狀態(tài)。直接用 圖像處理中的紋理分析方法還不是很多?；诠ぜ砻婕y理信息的監(jiān)測(cè)方法，它不能實(shí)時(shí)地在線監(jiān)測(cè)，需要等待車床 停車時(shí)才能進(jìn)行檢測(cè)相當(dāng)于準(zhǔn)在線系統(tǒng)，它不但能夠反映出刀具的磨損狀態(tài) 而且I_包直接反映了工件表面質(zhì)量的好壞該方法還能夠間接地用于表面質(zhì)量監(jiān)測(cè)。§16本文研究的目的和主要內(nèi)容本課題在進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研和資料研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有的故障診斷技術(shù)

32、和刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，進(jìn)行了方案論證，確定了以下研究?jī)?nèi)容：(1)本論文研究對(duì)象為切削聲信號(hào)和工件表面紋理，作為問(wèn)接反映刀具磨損狀態(tài)的物理量。(2)針對(duì)切削加工過(guò)程的切削參數(shù)的多樣性和工況條件的復(fù)雜性，提出一個(gè)適合于對(duì)比分析的理想的切削實(shí)驗(yàn)方案，該方案要不失一般性，又要將許多 復(fù)雜的條件簡(jiǎn)單化。(3)考慮到刀具在切削過(guò)程中，其狀態(tài)從鋒利到遲鈍，刀具和工件的接觸面積不斷增大，將使工件的表面質(zhì)量下降，同時(shí)切削狀況發(fā)生變化，從加工之 后工件表面紋理(靜態(tài))和切削過(guò)程中工件和刀具作用產(chǎn)生的聲音(動(dòng)態(tài))著 手，借助于信號(hào)分析和計(jì)算機(jī)圖像處理理論，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理和分析，建立基于

33、工件紋理和切削聲音估計(jì)刀具磨損狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，并將 該模型應(yīng)用于刀具狀態(tài)的分析和評(píng)價(jià)。根據(jù)以上的研究?jī)?nèi)容，本文共分六章，整個(gè)體系結(jié)構(gòu)如圖l一2所示。塹堅(jiān)三些查蘭堡蘭蘭竺墮苧苧=童墮鯊ll；l(第四章)在闡述圈像紋理分析理論的基礎(chǔ)上，從像素空間投影、灰度l共生矩陣和等灰度行程長(zhǎng)度這蘭個(gè)方面的若干個(gè)特征參數(shù)對(duì)工件表面紋ll理圖像進(jìn)行了分析篩選出較為理想的反映刀具磨損狀態(tài)的參數(shù)。lI(第六章)全文工作總結(jié)與今后的工作展望。圖12全文的體系結(jié)構(gòu)安排9浙江工業(yè)大學(xué)硬士學(xué)位論文第二章刀具磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)第二章刀具磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)【摘要】本章首先闡明了刀具磨損形態(tài)的特征、磨損過(guò)程和磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，從理

34、論上描述了利用后刀面磨損寬度()作為刀具磨損狀態(tài)評(píng)價(jià)的直接指標(biāo)的合理性。同時(shí)分析了影響切削聲信號(hào)和工件表面紋理的主要因素并提出實(shí)驗(yàn)方案，為后續(xù)章節(jié)的研究奠定基礎(chǔ)。§21刀具磨損的基本特征和形態(tài)分析37】【38】在切削過(guò)程中，不論刀具材料和工件材料的力學(xué)性能如何，刀具的前刀面、后刀面與工件材料接觸部分總會(huì)不斷磨損。由于在接觸區(qū)內(nèi)有很高的溫度和壓力，因此在前刀面和后刀面上都將隨著切削時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸產(chǎn)生磨損。對(duì)于不 同的切削條件，主要磨損可能發(fā)生在前刀面、后刀面或前、后面同時(shí)發(fā)生磨損。 圖2一l是典型的車刀磨損形態(tài)的示意圖。潮郴嘴¨渤勘t蔓毆釉圖21車刀的磨損形態(tài)車刀主要出現(xiàn)下

35、列幾種磨損情況：(1)主后刀面磨損(n觚k we哪VB即在切削刃下面的主后面上產(chǎn)生的磨損，這是一種幾乎在所有材料的切削中都能見(jiàn)到的磨損。如圖21所示，后刀面的磨損帶往往不均勻，通常分為三個(gè)區(qū)：靠近刀尖部分的c區(qū)、靠近工件外表面處的N區(qū)和中間部分的B區(qū)。刀尖部分的c區(qū)由10浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章刀具磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)于強(qiáng)度較低、散熱條件較差、磨損比較嚴(yán)重，最大值以Vc表示。在靠近工件外表面的N區(qū)磨損，屬于邊界磨損，由于工件毛坯表面的硬皮或上道工序的加工 硬化層等因素的影響，使得磨損劇烈，產(chǎn)生較大深溝，該區(qū)的寬度以vN表示。在磨損帶中間部位的B區(qū)，磨損比較均勻，常以平均寬度VB來(lái)表示，

36、有時(shí)也用最大磨損寬度表示。(2)前刀面(月牙洼)磨損(刪ng)KT這是一種因排出的切屑和刀具前刀面相摩擦產(chǎn)生高熱而發(fā)生的熔焊磨損。如圖2一l所示，從切削刃略微后退的地方發(fā)展成凹狀，再逐漸發(fā)展到切削刃。在切削鋼材之類比較粘的材料，就容易發(fā)生這種現(xiàn)象。(3)邊界磨損(cndwe盯)切削時(shí)，常在主切削刃與待加工表面或副切削刃與工件已加工表面接觸的后 刀面上磨出較深的溝紋，這種磨損溝紋稱為邊界磨損。(4)打刀這是在切削刃上產(chǎn)生的一連串小“碎片”，往往在切削開(kāi)始不就后開(kāi)始發(fā)生。主要是在工件材質(zhì)和被切削材料的配合惡劣或切削條件不適的場(chǎng)合發(fā)生。(5)偶爾發(fā)生的損傷刀具在沒(méi)有達(dá)到壽命之前，突然發(fā)生大的破損，刀

37、具材料的基層處于暴露狀 態(tài)。刀具的損傷和被切削材料中硬物質(zhì)的存在是其原因，且者器是偶然發(fā)生性損傷。 屬于非正常磨損。上述幾種磨損形態(tài)在切削加工過(guò)程中往往同時(shí)存在，且多數(shù)情況下都會(huì)發(fā)生后刀面磨損，并且后刀面的磨損帶寬度值測(cè)量方便，所以一般多用VB值來(lái)衡量刀具的磨損程度。§22刀具的磨損過(guò)程和磨鈍標(biāo)準(zhǔn)§221刀具的磨損過(guò)程、fs圖22刀具的典型磨損衄線刀具的磨損量隨切削時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)，可得到如圖2浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章刀具磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一2所示的刀具的典型磨損曲線，該圖的橫坐標(biāo)為切削時(shí)間，縱坐標(biāo)為后刀面磨損量VB(或前刀面月牙洼磨損深度KT)

38、。刀具的磨損過(guò)程大致上可分為三個(gè)階段：(1)初期磨損階段該階段磨損曲線斜率較大，即刀具磨損較快。這是因?yàn)樾氯心サ牡毒弑砻娲嬖谥植诓黄揭约拔⒘鸭y、氧化或脫炭層等缺陷，且切削刃口較鋒利，后刀面與 加工表面接觸面積較小，壓應(yīng)力較大，故很快就在后刀面上磨出一個(gè)寬度，一般初期磨損量為o05姍一01脅，其大小與刀具的刃磨質(zhì)量直接有關(guān)。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)仔細(xì)研磨的刀具初期磨損量較小。(2)正常磨損階段經(jīng)過(guò)初期磨損后，刀具的粗糙不平表面已經(jīng)被磨平，刀具進(jìn)人正常磨損階段。這個(gè)階段的磨損比較緩慢均勻，后刀面的磨損量隨切削時(shí)間的增長(zhǎng)而近似比例增 加。該階段是刀具的有效工作階段，刀具的使用不應(yīng)超過(guò)這一階段。正常切削時(shí)，

39、 該階段的時(shí)間較長(zhǎng)。(3)急劇磨損階段當(dāng)磨損帶寬度增加到一定限度時(shí)，加工表面粗糙度值加大，切削力與切削溫 度均迅速升高，刀具磨損速度也急尉加快，以致失去切削能力。§222刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)35】【3s】刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用，否則將降低工件的尺寸精度和表面質(zhì)量，增加刀具材料的消耗及加工成本，刀具的這個(gè)磨損限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。在評(píng)定刀具材料的切削性能和試驗(yàn)研究時(shí)，都以后刀面磨損量作為衡量刀具磨損程度的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橐话愕毒叩暮蟮睹娑紩?huì)發(fā)生磨損，而且測(cè)量也較方便。因此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS0統(tǒng)一規(guī)定以l，2切削深度處后刀面上測(cè)定的磨損帶寬度作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。制定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，既要考慮刀具的合理

40、使用，又要考慮保證工件加工表面粗糙度和尺寸精度。因此，不同加工條件下，刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。例如，精 加工時(shí)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)可制訂低些，而粗加工磨鈍標(biāo)準(zhǔn)可制訂高些；機(jī)床工藝系統(tǒng)的剮 度較低時(shí)，應(yīng)考慮在磨鈍標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)是否會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)；此外，工件材料的切削加工性、刀具制造及刃磨的難易程度等都是磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)予以考慮的因素。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)瑕0推薦的車刀耐用度試驗(yàn)的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)高速鋼或陶瓷刀具，可以是下列任何一種：破損；如果后刀面在B區(qū)內(nèi)(見(jiàn)圖21)是有規(guī)則的磨損，取=o3咖；如果后刀面在B區(qū)內(nèi)是無(wú)規(guī)則的磨損、劃傷、剝落或嚴(yán)重的溝痕，浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章刀具磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)取VB=O6mm：(2)

41、硬質(zhì)合金刀具，可以是下列任何一種：VB=O3mm；如果后刀面是無(wú)規(guī)則的磨損，=06mm；前刀面磨損量KT=O06+03f，其中f為進(jìn)給量。§23切削聲信號(hào)和工件紋理的基本形態(tài)§231切削聲信號(hào)的波形特征在切削加工中，刀具的磨損直接導(dǎo)致了刀具和工件表面的接觸面積的增大， 在摩擦面積的增大的過(guò)程中，切削聲信號(hào)在波形上表現(xiàn)出了一定的差異，如下所示：Ik岫岫湎Ii蕊婦吐眥蹦至il礎(chǔ)洫?jiǎng)h岫I婦ik孵照冊(cè)阿唧鄹唧堆冊(cè)取唧一刪舯!|J!ji；L圖23初期磨損_【 礎(chǔ)8 孵il 】l 蛐齜 Jj J礎(chǔ)j幽II。I I 曲l 孵J。l隔l；。隔 l嗍腓嘲I圖24正常磨損“ 虹豳It!i I擊

42、主_jlI“刪 山lJk甜l叩唧，|1 P姍 啊H。I研HP”'-蔓II_|_I t_ m1f盯”二÷圖25急劇磨損可以清晰地看出，在刀刃鋒利時(shí)切削，刀具與工件接觸幾乎是以刀刃為主的第二章刀具磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文線接觸，阻力較小，聲音聽(tīng)起來(lái)比較犀利，在波形上看來(lái)幅值較小，整個(gè)過(guò)程比較平穩(wěn)。當(dāng)磨損帶出現(xiàn)一定的寬度之后，幅值開(kāi)始增大，但整個(gè)過(guò)程仍舊是平穩(wěn)的。最后當(dāng)?shù)毒吣p超過(guò)到一定值時(shí)，波形開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)高時(shí)低的跳變，表現(xiàn)為不平穩(wěn)狀態(tài)。§232工件表面紋理的形態(tài)工件表面紋理指對(duì)已加工表面形貌或幾何特征等參數(shù)的定義，包括一些呈現(xiàn)在表面輪廓中的一些特征

43、，如粗糙度，波形和缺陷等等。工件表面紋理是刀具刀 刃狀態(tài)的映像。刀刃鋒利時(shí)切削出的工件紋理清晰，連續(xù)性好。刀鈍時(shí)切削出的工件紋理紊亂，不連續(xù)且有斷痕。不同的加工方式和刀具具有不同的紋理特性。(a)(c)圖26車削工件紋理圖像圖26給出了幾種車削形成的工件表面顯微紋理圖。(a)為刀刃鋒利時(shí)切削出的工件紋理圖，(b)為刀刃磨損時(shí)切削出的工件紋理圖，(c)為刀刃破損時(shí)切 削出的工件紋理圖，區(qū)別比較明顯。從以上簡(jiǎn)要對(duì)比分析中可以看出，切削聲信號(hào)和工件表面紋理這兩方面對(duì)于刀具的不同磨損情況均有反映，但是要使計(jì)算機(jī)自動(dòng)定量的對(duì)此進(jìn)行分析，必須有合理的模式識(shí)別方法，提取有效的特征參數(shù)。§24影響切

44、削聲信號(hào)的因素在傳統(tǒng)的非自動(dòng)化生產(chǎn)中，操作工人通?？梢愿鶕?jù)切削過(guò)程中所產(chǎn)生的聲音來(lái)對(duì)刀具的磨損情況作出大致的判斷，尤其是在磨損比較劇烈或者崩刃的情況切削聲音信號(hào)的突變是非常明顯。切削過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，伴隨這一過(guò)程的聲輻射也十分復(fù)雜，切削時(shí)的聲源很多，電機(jī)聲、傳動(dòng)系統(tǒng)聲、工具與工件的撞擊摩擦聲以及金屬破裂聲等交混在一起B(yǎng)”。研究表明，切削聲的低頻成分與主軸箱的振動(dòng)頻率相對(duì)應(yīng)，而其高頻成分與刀具的振動(dòng)頻率能很好地吻合，表21說(shuō)明了切削聲高頻段的峰值頻率與刀桿的懸升長(zhǎng)度的關(guān)系u。塑堅(jiān)些盔蘭堡主學(xué)墮堡塞第二章刀具磨損機(jī)理分析硬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)§25影響工件表面紋理的因素【39】一411在切削

45、過(guò)程中，影響工件表面紋理的因素較多，主要有以下幾點(diǎn)：(1)后刀面磨損和刀刃半徑對(duì)表面紋理的影響后刀面磨損越大，則刀具和工件產(chǎn)生的切削力越大，切削過(guò)程越不穩(wěn)定，工 件表面紋理縱向紋理的規(guī)則性也越差。刀具磨損后，刀刃鈍圓半徑將增大，這導(dǎo) 致工件和刀具的摩擦增大，切削溫度升高，對(duì)表面有一定的燒蝕作用。同時(shí)由于 接觸面積的增大，它也會(huì)刮擦工件表面紋理。(2)積屑瘤對(duì)表面紋理的影響積屑瘤是指粘附在前刀面與刀尖上的一塊硬度很高的金屬它是由于刀具前 面的外摩探阻力大于切屑底層內(nèi)結(jié)合力而形成的。如果在切削過(guò)程中產(chǎn)生了積屑 瘤，則一方面，積屑瘤的粗糙突出部分就會(huì)代替切削刃切人工件，在已加工表面 上劃出深淺不一、

46、斷斷續(xù)續(xù)的縱向淘紋來(lái)，另一方面它還會(huì)在破碎脫落時(shí)粘附在 已加工表面上。要避免積屑瘤的產(chǎn)生要合理地控制切刖速度，切削速度一般在60Irnlin以上。c3)鱗刺對(duì)表面紋理的影響一般認(rèn)為是由于前刀面、后刀面上的摩擦造成的。因?yàn)樵诘退佘囅鲿r(shí)，雖然 沒(méi)有積屑瘤，但會(huì)出現(xiàn)鱗刺，鱗刺的形成過(guò)程大致是：切削時(shí)。切屑在前刀面抹 掉潤(rùn)滑膜后，與前刀面的摩擦力增大了，切屑就暫時(shí)粘結(jié)在前刀面上，并代替前 刀面擠壓切削層，使切屑與加工表面之間出現(xiàn)裂口，擠壓到一定程度后切削力 增大，切屑克服了與刀具前刀面問(wèn)的摩擦與粘結(jié)又開(kāi)始沿前刀面流動(dòng)這時(shí)刀刃已刮過(guò)去，導(dǎo)致部分就殘留在已加工表面上成為鱗刺。浙江工業(yè)大學(xué)礤士學(xué)位論文第=章

47、刀具磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)f4I切削過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)表面紋理的影響切削過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)使表面紋理的規(guī)則性顯著下降。振動(dòng)般是由于徑向切削力太大或工件系統(tǒng)的阿i度小而引起的。振動(dòng)分強(qiáng)追振動(dòng)和自激振動(dòng)。在切削時(shí)， 由于周期性變化的外力所引起的振動(dòng)稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。在沒(méi)有周期性變化的外力情 況下，由切削過(guò)程本身的切削力的周期性變化所引起的振動(dòng)，稱為自激振動(dòng)。例 如，切削時(shí)摩擦力的變化、積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生與消失等都會(huì)引起自激振動(dòng)。在 切削過(guò)程中，隨著刀具磨損的加尉，切削力也會(huì)相應(yīng)的增大，導(dǎo)致振動(dòng)加劇，這 時(shí)表面紋理的形態(tài)會(huì)發(fā)生變化。f5)切削速度對(duì)表面紋理的影響切削速度對(duì)工件表面紋理有較大的影響，這是因?yàn)榍行荚?/p>

48、刀刃的作用下與工件分離的狀態(tài)取決于切削速度。當(dāng)以較低速度切削時(shí)，切屑與工件分離不完善， 極易產(chǎn)生鱗刺，并開(kāi)始形成積屑瘤；中速時(shí)積屑瘤高度達(dá)到最大值，故中低速加 工時(shí)工件表面質(zhì)量較低。在較高速度切削時(shí)。若加工系統(tǒng)剛性足、刀具材料性能 好、不產(chǎn)生振動(dòng)，切屑與工件分離比較完善，已加工的工件表面紋理質(zhì)量就較好。因此切削速度越高，工件表面質(zhì)量越好。§26實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)切削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由車床、空氣噴嘴、光源、顯微鏡、ccD顯微攝像頭、指向性話筒、A巾采樣卡和微機(jī)系統(tǒng)等組成如圖27所示。光源選用x114冷光源，它的亮度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。xll_4冷光源所產(chǎn)生的光經(jīng)過(guò)光導(dǎo)纖維傳送至一環(huán)形透射裝置

49、，這樣在被測(cè)物表面形成均勻柔和的光照，可獲得良好的 被測(cè)物圖像。顯微鏡是1，l型體式顯微鏡，物鏡的直徑d=2cm，放大倍數(shù)可 在40至160調(diào)節(jié)。被溯物和鏡頭之間要保持合適的距離，避免鏡頭陰影對(duì)被測(cè) 物光照的影響。cCD顯徽攝像頭為分辨率為320×240的USB接口型的傳感器。微機(jī)系統(tǒng)采用P4系列處理器，它要從USB口接收來(lái)自ccD顯微攝像頭的每幀被測(cè)物圖像的數(shù)字信號(hào)。圖27刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)切削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)16浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章刀具磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)以上的分析，我們已經(jīng)知道刀具的磨損形態(tài)影響到了切削聲信號(hào)和工件 表面紋理的一些基本特征，但是如果要做進(jìn)一步的對(duì)比分析，那么切

50、削條件就必 須保持一定的穩(wěn)定性，也就是說(shuō)，對(duì)比分析必須建立在同樣的條件之下。在cA6140車床上進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，切削時(shí)工件用尾架頂住?；厩闆r如下：(1)工件材料為45群鋼，切削直徑為503瓶， (2)刀具為YTl5可轉(zhuǎn)位刀片和刀架相組合， (3)切削條件：轉(zhuǎn)速n=760r，曲，進(jìn)給量f=0。196刪n，r，切削用量為aD=05mm，干式切削。用指向性話筒和ccD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其中聲音信號(hào)的采樣頻率：24KHz， 量化精度：16bit；圖像信息分為兩部分：工件紋理和刀具磨損圖像(J三l后刀面為主)。切削聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集間隔為5分鐘，工件表面紋理圖像采集間隔為5分鐘，后刀面圖像的采集間隔為10分鐘

51、。20分鐘lO分鐘o分鐘50分鐘加分鐘30分鐘分鐘70分鐘60分鐘圖28后刀面磨損變化圖在該實(shí)驗(yàn)方案中，采用了空氣泵基本上可以避免在圖像采集中切屑對(duì)采集工第二章刀具磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)浙江工業(yè)大學(xué)研士學(xué)位論文件表面紋理圖像的影響；采用刀架+可轉(zhuǎn)位刀片的形式，刀具的懸升長(zhǎng)度為定值， 可降低切削中高頻中心頻率的偏移量。工件材料最初用其它刀具進(jìn)行粗切，以獲 得比較均勻的表面，工件和車床主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)達(dá)到同軸，切削直徑的范圍為50。3m，最終所獲得的后刀面圖像如圖28所示，標(biāo)號(hào)是以分鐘為單位的切削時(shí)間。在研究切削聲信號(hào)、工件表面紋理與刀具磨損狀態(tài)之間的關(guān)系之前，必須對(duì)其直接的評(píng)價(jià)指標(biāo)即后刀面磨損寬度

52、VB進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表2一l，變化趨勢(shì)如圖29?？梢钥闯鲈贠10分鐘值增加很快，在1050分鐘之間vB變化又比較緩慢，過(guò)了50分鐘以后VB又開(kāi)始急劇增大，這基本上和理想的刀具磨損曲線相似。表2一lvB值，60708020304050車削時(shí)問(wèn)(mm)VB(衄)O10o6405l073(L941130_33O38O460“佳”¨¨一EE五>¨雌¨HmIn)圖29VB趨勢(shì)圖1B浙江工業(yè)大學(xué)硬士學(xué)位論文第二章刀具磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)§27本章小結(jié)本章首先概述了刀具磨損形態(tài)的特征、磨損過(guò)程以及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，從理論上說(shuō)明了以刀具后刀面磨損帶寬度(vB

53、)作為刀具磨損狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性和可行性，并簡(jiǎn)要分析了刀具的磨損和切削聲信號(hào)、工件表面紋理的之間的聯(lián)系。 同時(shí)對(duì)影響切削聲信號(hào)和工件表面紋理的主要因素進(jìn)行了分析，為后續(xù)各章節(jié)研 究基于聲音和紋理的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。主要工作如下：分析了刀具磨損的三種主要形態(tài)：前刀面磨損、后刀面磨損和邊界磨損。隨著刀具切削時(shí)間的增加，后刀面主要表現(xiàn)為磨損寬度值增加，前刀面主要是月牙洼磨損深度KT值增加。刀具的磨損過(guò)程分為初期磨損、正常磨損和劇烈磨損三個(gè)階段。初期磨損階段vB值增長(zhǎng)較快，正常磨損階段值增長(zhǎng)較緩慢并且大致與切削時(shí)間呈 線性關(guān)系，劇烈磨損階段值增長(zhǎng)很快，并且不久將喪失切削能力。以加工精度和

54、表面質(zhì)量為主要指標(biāo)的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)稱為工藝磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)一般定在劇烈磨損階段之前。分析了切削聲信號(hào)和工件表面紋理在初期磨損，正常磨損和急劇磨損時(shí)的基本特征，指出必須使用合理的模式識(shí)別方法，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)定量分析。在指出影響切削聲信號(hào)瓤工件表面紋理的主要因素的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)驗(yàn)方案，并獲得了后刀面的實(shí)際磨損曲線。浙江T業(yè)大學(xué)碳士學(xué)位論文第三章基于時(shí)頻特征的切削聲信號(hào)分析第三章基于時(shí)頻特征的切削聲信號(hào)分析【摘要】刀具的切削聲信號(hào)從本質(zhì)上來(lái)講是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，因此可以用隨機(jī)信號(hào)的處理方法對(duì)此進(jìn)行分析本章從信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征、相關(guān)性(時(shí)域)和功率譜估計(jì)(頻域)對(duì) 不同磨損狀態(tài)下的切削聲信號(hào)進(jìn)行

55、估計(jì)和特征分析。在隨機(jī)信號(hào)的處理與分析中，決定應(yīng)用什么方法處理夾雜在大量隨機(jī)信號(hào)中的故障信號(hào)是十分重要的。對(duì)數(shù)據(jù)(或信號(hào))進(jìn)行處理，可用很多方法，基本上可 以分為時(shí)域和頻域兩大類，在時(shí)域主要是一些統(tǒng)計(jì)分析如方差、均值、均方值等， 而在頻域主要是對(duì)頻率成分進(jìn)行分析和估計(jì)，如時(shí)一頻分析、小波分析等，但從 實(shí)用、有效、成熟的角度來(lái)講，最基本的方法是頻譜分析，其理論基礎(chǔ)為傅立葉 變換，為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算，必須把連續(xù)的傅立葉變換變成離散的傅立葉變換，即使如此，用驚人的速度來(lái)計(jì)算離散傅立葉變換所用的時(shí)間還是相當(dāng)長(zhǎng)，滿足不Fourier Tr姐sfonn)的出現(xiàn)了信號(hào)實(shí)時(shí)分析的需要?？焖俑盗⑷~變換FFT(FaSt大大縮短了計(jì)算時(shí)間。一旦監(jiān)視發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)的對(duì)象異常(即有故障)，要判斷到底是什么類型的故障，故障發(fā)生的部位、產(chǎn)生原因以及嚴(yán)重程度等比較準(zhǔn)確的信 息，就要對(duì)