自動(dòng)化制造技術(shù)第五章 第三節(jié) 刀具的自動(dòng)識(shí)別和監(jiān)測(cè) 劉帆

第三節(jié)刀具的自動(dòng)識(shí)別和監(jiān)測(cè)一、刀具的自動(dòng)識(shí)別刀具狀態(tài)監(jiān)控是產(chǎn)品質(zhì)量保證及加工系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一.刀具磨損直接影響工件的加工度和表面粗糙度,而刀具破損不僅影響工件質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)甚至影響整個(gè)加工系統(tǒng)的正常運(yùn)行,造成很大的損失.因此,刀具狀態(tài)的識(shí)別和監(jiān)控對(duì)保證切削加工系統(tǒng)的安全、切削的順利進(jìn)行、降低生產(chǎn)成本以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等方面具有重要的意義。一刀具的自動(dòng)化識(shí)別刀具的自動(dòng)化識(shí)別是指對(duì)刀具的切削狀態(tài)的識(shí)別。刀具的自動(dòng)化識(shí)主要要是指在加工過(guò)程中能在線識(shí)別出切削狀態(tài)：刀具磨損、破損、切削纏繞以及切削顫振等等刀具狀態(tài)識(shí)別的方法基于時(shí)序分析的刀具破損狀態(tài)識(shí)別基于小波分析的刀具破損狀態(tài)識(shí)別基于電流信號(hào)的刀具磨損狀態(tài)識(shí)別基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刀具磨損狀態(tài)識(shí)別刀具磨損狀態(tài)識(shí)別模型1、鉆頭磨損狀態(tài)劃分A類(lèi)、0.2mmB類(lèi)、0.5mmC類(lèi)、0.8mm電流信號(hào)模型電流信號(hào)I切削速度v進(jìn)給量f刀具直徑d刀具磨損量wIs∞Ksva1fa2da3If∞Kfvb1fb2db3刀具尺寸測(cè)量控制系統(tǒng)

加工過(guò)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(bào)廢、昂貴設(shè)備的損傷、機(jī)床停機(jī)等故障，直接影響著機(jī)械加工的精度、效率及經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)工程中75%以上的設(shè)備故障是由于刀具失效引起的，因此對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。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)測(cè)。刀具磨損的測(cè)試方法方法傳感方式應(yīng)用場(chǎng)合主要特征直接法光學(xué)圖像法砂輪磨損、離線或在線，非實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多種刀具分辨率0.1um-0.2um尚未實(shí)用化，設(shè)備昂貴接觸法車(chē)削、鉆削刀具靈敏度10um，受切削與切削溫度變化影響放射線法各種切削工藝靈敏度10um，不受切削與切削溫度變化影響切削力車(chē)、鉆、鉆削等靈敏度20um，切削分力比功率發(fā)有應(yīng)用價(jià)值功率發(fā)車(chē)、銑、鏜削等靈敏度不高，響應(yīng)慢，安裝使用方便間接法切削溫度法車(chē)削等預(yù)測(cè)無(wú)應(yīng)用前途刀具工件距離探測(cè)法車(chē)削等處于試驗(yàn)階段聲發(fā)射法、噪聲、震動(dòng)分析車(chē)、鉆、銑、拉、鏜、攻螺紋等尚未建立不同程度磨損的判斷，有極大的應(yīng)用前景刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法概述

1.直接測(cè)量法

直接測(cè)量法能夠識(shí)別刀刃外觀、表面質(zhì)量或幾何形狀的變化，一般只能在不切削時(shí)進(jìn)行，它有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：一是要求停機(jī)檢測(cè)；二是不能檢測(cè)出加工過(guò)程中出現(xiàn)的刀具突然破損。國(guó)內(nèi)外采用的刀具磨損量的直接測(cè)量法有：電阻測(cè)量法、刀具工件間距測(cè)量法、光學(xué)測(cè)量法、放電電流測(cè)量法、射線測(cè)量法、微結(jié)構(gòu)鍍層法及計(jì)算機(jī)圖像處理法刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法概述（1）電阻測(cè)量法

該方法利用待測(cè)切削刃與傳感器接觸產(chǎn)生的電信號(hào)脈沖，來(lái)測(cè)量待測(cè)刀具的實(shí)際磨損狀態(tài)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于傳感器價(jià)格低廉，缺點(diǎn)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(duì)刀具壽命無(wú)明顯的影響，而且工作不太可靠，因?yàn)榍行己偷毒呱系姆e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(cè)量法

切削過(guò)程中隨著刀具的磨損，刀具與工件間的距離減小，此距離可用電子千分尺、超聲波測(cè)量?jī)x、氣動(dòng)測(cè)量?jī)x、電感位移傳感器等進(jìn)行測(cè)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(yīng)用收到一定限制刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法概述3）光學(xué)測(cè)量法

光學(xué)測(cè)量法的原理是磨損區(qū)比未磨損區(qū)有更強(qiáng)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(cè)的光通量就越大。由于熱應(yīng)力引起的變形及切削力引起的刀具位移都影響檢測(cè)結(jié)果，所以該方法所測(cè)得的結(jié)果并非真實(shí)的磨損量，而是包含了上述因素在內(nèi)的一個(gè)相對(duì)值，此法在刀具直徑較大時(shí)效果較好。4）放電電流測(cè)量法

將切削力刀具與傳感器之間加上高壓電，在測(cè)量回路中流過(guò)的（弧光放電）電流大小就取決于刀刃的幾何形狀（即刀尖到放電電極間的距離）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行在線檢測(cè)，檢測(cè)崩齒、斷刀等刀具幾何尺寸的變化，但不能精確地測(cè)量刀刃的幾何尺寸。刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法概述5）射線測(cè)量法

將有放射性的物質(zhì)摻入刀具材料內(nèi)，當(dāng)?shù)毒吣p時(shí)，放射性的物質(zhì)微粒就會(huì)隨切屑一起通過(guò)一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的射線測(cè)量器。射線測(cè)量器中所測(cè)得的量是同刀具磨損密切相關(guān)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(diǎn)是放射性物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染大，對(duì)人體健康非常不利。此外，盡管此法可以測(cè)量刀具的磨損量，并不能準(zhǔn)確地測(cè)定刀具切削刃的狀態(tài)。因此，該法僅適用于某些特殊場(chǎng)合，不宜廣泛采用6）微結(jié)構(gòu)鍍層法

將微結(jié)構(gòu)導(dǎo)電鍍層同刀具的耐磨保護(hù)層結(jié)合在一起。微結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)崩齒、折斷及過(guò)度磨損現(xiàn)象時(shí)，電阻趨于零。該方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度高，可以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。缺點(diǎn)是對(duì)微結(jié)構(gòu)導(dǎo)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刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法概述2.間接測(cè)量法

間接測(cè)量法利用刀具磨損或?qū)⒁茡p時(shí)的狀態(tài)對(duì)不同的工作參數(shù)的影響效果，測(cè)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(shí)進(jìn)行檢測(cè)，不影響切削加工過(guò)程，其不足之處在于檢測(cè)到的各種過(guò)程信號(hào)中含有大量的干擾因素。盡管如此，隨著信號(hào)分析處理技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)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(guó)內(nèi)外采用的刀具磨損的間接測(cè)量法有：切削力測(cè)量法、機(jī)械功率測(cè)量法、聲發(fā)射、熱電壓測(cè)量法、振動(dòng)信號(hào)及多信息融合檢測(cè)。刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法概述（1）聲發(fā)射信號(hào)測(cè)量法