數(shù)控機床刀具磨、破損狀態(tài)監(jiān)測方法的探討

李大勝，繆鵬程，張輝

（1.蚌埠學(xué)院機械與電子工程系，安徽蚌埠233030；2.西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，四川南充637007）

數(shù)控機床刀具磨、破損狀態(tài)監(jiān)測方法的探討

李大勝1，繆鵬程2，張輝1

（1.蚌埠學(xué)院機械與電子工程系，安徽蚌埠233030；2.西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，四川南充637007）

數(shù)控機床刀具磨、破損狀態(tài)監(jiān)測對于提高機床加工的利用率以及經(jīng)濟效益具有重要的意義.本文在分析各種監(jiān)測方法的基本原理、優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍的基礎(chǔ)上結(jié)合自身的研究指出合理的多信號融合監(jiān)測是目前在線監(jiān)測研究的發(fā)展方向.

數(shù)控機床刀具；磨破損狀態(tài)；在線監(jiān)測；信號融合

1 數(shù)控機床刀具磨、破損狀態(tài)監(jiān)測的意義

刀具既是金屬切削類機床的重要工作原件又屬于耗材，在切削過程中不可避免的出現(xiàn)磨、破損現(xiàn)象.一方面為保證工件的表面質(zhì)量及尺寸精度，目前企業(yè)一般是按刀具的平均壽命作為更換刀具的標(biāo)準(zhǔn)，以減少刀具破損帶來的各種損失，但這種做法往往導(dǎo)致刀具使用壽命偏低.而且頻繁地更換刀具還會帶來加工成本的提高，機床輔助時間的增加以及生產(chǎn)效率的降低.另一方面如果刀具的磨、破損未能及時發(fā)現(xiàn)并更換，可能導(dǎo)致切削過程的中斷、加工工件的報廢甚至昂貴機床設(shè)備的損傷，并且接影響著機械加工的精度及經(jīng)濟效益[1].

隨著自動化、無人化加工技術(shù)的推進，如果可以在工件的加工過程中實時獲得刀具的磨、破損狀態(tài)信息，進而根據(jù)刀具磨、破損程度自適應(yīng)地改變切削參數(shù)則可以大大的優(yōu)化加工過程、降低加工成本提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益.因此刀具磨、破損狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)作為先進制造技術(shù)的重要組成部分，越來越引起業(yè)內(nèi)學(xué)者的重視.隨著研究的深入，出現(xiàn)了很多種刀具狀態(tài)監(jiān)測的方法，但各種刀具監(jiān)控方法使用的情境和監(jiān)控效果存在較大差異，所以對刀具磨、破損狀態(tài)的監(jiān)測技術(shù)進行分類和研究具有現(xiàn)實意義.

2 國內(nèi)外刀具磨、破損狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

圖1 刀具狀態(tài)監(jiān)控流程圖

刀具狀態(tài)監(jiān)測通常是是對刀具磨、破損狀態(tài)的監(jiān)測.這是因為刀具磨、破損狀態(tài)與切削參數(shù)存在特定的函數(shù)關(guān)系，及時以及準(zhǔn)確的監(jiān)測刀具磨、破損狀態(tài)是調(diào)節(jié)切削參數(shù)和決定是否換刀的基礎(chǔ).目前，常用的監(jiān)測方法一般分為兩類：直接監(jiān)測和間接監(jiān)測.刀具狀態(tài)監(jiān)控流程圖如圖1所示.

2.1 直接監(jiān)測法

直接監(jiān)測法的原理是通過直接監(jiān)測切削刃磨損程度及形狀的變化來確定刀具狀態(tài)，根據(jù)國內(nèi)外研究的研究成果常用的磨、破損狀態(tài)的直接監(jiān)測法包括：光學(xué)法、計算機視覺法、電阻法、間距測量法、射線法、放電電流法、微結(jié)構(gòu)鍍層法等.直接監(jiān)測法直接可以獲得刀具的磨損量因此具有測量精度高的優(yōu)點，但是此類方法具有必須停機檢測、監(jiān)測設(shè)備安裝相對不便且設(shè)備費用相對昂貴不能在切削加工中實時監(jiān)測的缺點，在一定程度上制約了此類監(jiān)測方法的發(fā)展.以下介紹幾種直接監(jiān)測法.

2.1.1 光學(xué)法

光學(xué)法主要包括光導(dǎo)纖維法等，它的工作原理通常是基于刀具磨損后磨損區(qū)相對未磨損區(qū)具有更強的光反射能力，且傳感器檢測的光通量隨著磨損區(qū)域的增大而增大，從而識別刀具的磨損程度，光學(xué)法理論上具有可靠性高的優(yōu)點，缺點是其監(jiān)測結(jié)果受到刀刃的清潔狀態(tài)、切削熱引起的刀具膨脹形變以及切削力引起的刀具位移等因素的影響.且傳感器安裝相對困難.

2.1.2 計算機視覺法

計算機視覺法通常由高清攝像機、光源和計算機構(gòu)成，首先使用高清攝像機獲得刀具刃部的圖像，然后經(jīng)過計算機圖像處理運算，分析獲取的刀具表面圖像、工件表面紋理圖像與刀具磨、破損程度間的關(guān)系，達到刀具狀態(tài)監(jiān)測的目的.南京航空航天大學(xué)的楊吟飛基于窗口跟蹤的辦法獲取了磨損區(qū)域的邊緣特征并測量出磨損的幾何形狀，此方法具有傳感器安裝簡便，系統(tǒng)互換性好的優(yōu)點，但通常實際工廠的工作環(huán)境由于冷卻介質(zhì)、切屑等的存在而往往達不到光學(xué)設(shè)備對環(huán)境的要求，使此方法多用于實驗室監(jiān)測而不適合推廣.

2.1.3 電阻法

電阻法通過檢測刀具切削刃與傳感器接觸產(chǎn)生的電信號脈沖，來分析刀具的磨、破損狀態(tài).此方法具有傳感器價格低廉的優(yōu)點，但切屑和刀具上的積屑常導(dǎo)致傳感器接觸部分短路，而使其工作不太可靠.

2.2 間接監(jiān)測法

間接監(jiān)測法通過監(jiān)測切削過程中與刀具磨、破損狀態(tài)具有較為緊密聯(lián)系的某一種或幾種物理信號的變化來監(jiān)測刀具狀態(tài)，間接監(jiān)測方法有很多，目前比較集中的研究信號源主要有：聲發(fā)射、振動、切削力、電機功率及電流、切削溫度、工件表面粗糙度等.間接監(jiān)測法因其能實現(xiàn)在不影響切削過程的情況先實現(xiàn)在線實時監(jiān)測從而成為刀具磨、破損監(jiān)測研究的主流方法，是目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用的重點.間接監(jiān)測法的難點在于如何剔除監(jiān)測中各種干擾信號的影響，隨著計算機技術(shù)、信號分析處理技術(shù)、模式識別技術(shù)的快速發(fā)展、各種傳感器精度的提高，以及多傳感器信號融合監(jiān)測技術(shù)的深入研究，間接監(jiān)測法的可靠性方面有了很大程度的提高.以下介紹常用的幾種間接監(jiān)測信號源及其優(yōu)缺點.

2.2.1 聲發(fā)射信號監(jiān)測

聲發(fā)射(AcousticEmission，AE)是材料在受到外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時，以瞬態(tài)彈性波的形式（頻率一般在50KHz-1MHz）釋放能量的一種物理現(xiàn)象.由高頻壓電式傳感器等組成的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到傳播到材料的表面彈性波，從而有效監(jiān)測刀具磨、破損狀態(tài).由于刀具磨、破損狀態(tài)一般產(chǎn)生的是高頻彈性應(yīng)力波信號，其頻率范圍遠高于加工過程中機械振動和環(huán)境噪聲的低頻區(qū)，因此常用高通濾波器的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)具有靈敏度高、響應(yīng)時間快、使用和安裝方便且不干涉切削加工過程的優(yōu)點.

國外學(xué)者較早的在車削、銑削、鉆削等操作中研究了刀具磨、破損狀態(tài)與聲發(fā)射信號的關(guān)系.Diei等人[2]利用車削實驗，以AE聲發(fā)射為特征量，分析了其與刀具刀具磨破、損狀態(tài)的關(guān)系及其敏感性.I.Tansel等人[3]用窄帶濾波器將聲發(fā)射信號濾波，對得到AE信號的上部包絡(luò)線的編碼特征進行網(wǎng)絡(luò)分類，直接用來估計刀具破損.H.V.Ravidra等人[4]通過將聲發(fā)射信號的上升時間、信號強度、振幅、振鈴計數(shù)、聲發(fā)射事件及能量等特征與對應(yīng)的切削時間繪制成曲線得到了刀具磨、破損狀態(tài)與聲發(fā)射信號間的關(guān)系.

國內(nèi)學(xué)者雖然起步較晚，但也取得了不錯的研究效果.如王忠民等人[5]利用自己研制的高靈敏度雙疊片式流體聲發(fā)射傳感器取得了較高的刀具磨、破損聲發(fā)射信號監(jiān)測靈敏度.董全成等人[6]通過對聲發(fā)射信按低頻帶、中頻帶和高頻帶分別利用統(tǒng)計方法進行功率譜分析的基礎(chǔ)上獲得了特征頻率分量與刀具磨、破損狀態(tài)的變化規(guī)律關(guān)系.謝劍鋒[7]在建立基LabVIEW的聲發(fā)射信號連續(xù)采集與實時監(jiān)測試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了大量的正交銑削試驗，提取并優(yōu)化了各頻段的能量、標(biāo)準(zhǔn)差和峰態(tài)系數(shù)，實現(xiàn)基于支持向量機網(wǎng)絡(luò)對銑刀狀態(tài)的在線監(jiān)測.

但聲發(fā)射信號監(jiān)測方法也存在傳感器的安裝位置不易確定，不易區(qū)分刀具切入切出時與刀具突發(fā)破損的信號等缺陷，更重要的是雖然目前聲發(fā)射在車削過程監(jiān)控中取得了成功的監(jiān)測效果，但是在銑削過程中的監(jiān)控卻因銑削屬于斷續(xù)加工，刀具的每個切削刃輪流切入切出工件而產(chǎn)生脈沖式聲發(fā)射信號，很難與刀齒斷裂時的聲發(fā)射信號進行區(qū)分，從而導(dǎo)致監(jiān)測效果不理想.

2.2.2 振動信號監(jiān)測

機器設(shè)備的運行蘊含著豐富的振動信號，切削過程也不例外.現(xiàn)有的研究表明：正常切削狀態(tài)下的振動信號諧波成分具有較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但隨著刀具磨、破損的加劇振動信號的振幅的變化非常顯著.因此通過對工件與磨、破損的刀刃部側(cè)面摩擦產(chǎn)生的動態(tài)異常振動信號進行監(jiān)測和分析，就能在不停機的狀態(tài)下獲得刀具的磨、破損狀態(tài)信息.基于振動的理論相對成熟、測量信號易于引出、測量方法和測試儀器相對簡單且較為經(jīng)濟的優(yōu)點，使得振動信號監(jiān)測方法已成為刀具的磨、破損監(jiān)測領(lǐng)域的主要方法之一.國內(nèi)外也開展了較多的相關(guān)研究，取得了一系列的研究成果.

Roth等人[8]建立了振動信號與刀具磨、破損狀態(tài)的回歸模型，獲得了振動信號與刀具磨、破損相關(guān)特征變化.鄭建民等人[9]研究發(fā)現(xiàn)監(jiān)測切削過程產(chǎn)生的振動信號具有受環(huán)境條件限制小、頻響范圍寬、檢測裝置簡單、對磨、破損現(xiàn)象敏感、且監(jiān)測裝置安裝與調(diào)整都相對靈活方便等優(yōu)點.楊建璽等人[10]在對振動信號的振幅比值的監(jiān)測與分析的基礎(chǔ)上建立了刀具磨、破損狀態(tài)的監(jiān)測特征函數(shù)，具有較強的直觀性、可靠性和抗干擾能力.

振動信號監(jiān)測使用的是加速度傳感器，由于振動信號與力信號相似，被分解為三個方向的振動，使得傳感器的安裝監(jiān)測位置選擇也較困難，安裝位置的差異會對信號產(chǎn)生較大影響，這是振動信號監(jiān)測法的最大缺陷.

2.2.3 切削力信號監(jiān)測

大量的實驗證明在切削過程中切削力將隨著刀具磨、破損而發(fā)生敏感變化，當(dāng)?shù)毒吣p后使得切削刃變鈍，切削力相應(yīng)增強；當(dāng)?shù)毒咂茡p崩刃或折斷時，切削力通常因為切削深度的突減而急劇下降.因此切削力作為最能直接反映刀具磨、破損狀態(tài)的一種物理現(xiàn)象而被學(xué)術(shù)界廣泛選作刀具狀態(tài)監(jiān)測信號的來源.電阻應(yīng)變式傳感器和壓電晶體式傳感器是常用的切削力監(jiān)測傳感器.監(jiān)測過程是通過力傳感器來監(jiān)測主軸軸承、刀架等在切削時受到的X、Y、Z三個方向互相垂直的反作用切削分力、切削分力比、動態(tài)切削力的頻譜和相關(guān)函數(shù)等的變化.切削力信號監(jiān)測具有信號拾取容易，反應(yīng)迅速、靈敏等優(yōu)點.

S.E.Oraby等人[11]通過建立切削力信號與背吃刀量、進給速度、刀具磨損等證件的函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)了刀具磨損的監(jiān)測.YanW等人[12]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得了刀具磨損與切削力信號之間的對應(yīng)關(guān)系.樊寧等人[13]利用利用頻譜分析方法分析外圓車刀在不同磨損狀態(tài)下的切削力信號并得到了相應(yīng)的切削力功率譜，證明了譜值隨磨損程度增大而增大.陳洪濤等人[14]應(yīng)用六西格瑪原理進行正交切削試驗，找出切削用量對切削力的影響規(guī)律，提出了一種在缺乏切削力經(jīng)驗公式和檢測條件下進行切削力預(yù)測的有效方法.

但切削力信號監(jiān)測法也存在一些不足，主要表現(xiàn)在測力傳感器的安裝通常需要改變機床結(jié)構(gòu)或設(shè)計專用夾具，使得調(diào)整和維修較為不便，且成本較高，另外實際切削過程是一個容易受到刀具、工件、機床及電器系統(tǒng)等的干擾的復(fù)雜過程，切削工件表面的凹凸不平以及硬度的不均勻都會導(dǎo)致切削力的變化從而影響監(jiān)控效果.

2.2.4 其他信號監(jiān)測

除了以上介紹幾種信號監(jiān)測方法，學(xué)術(shù)界還在利用電機功率及電流、切削溫度、工件表面粗糙度等參量的變化作為監(jiān)測信號開展了不少研究.

電動機功率與電流監(jiān)測法主要是基于刀具出現(xiàn)磨、破損狀態(tài)時由于切削力的改變會引起機床電動機功率或電流大小產(chǎn)生變化的原理，通過監(jiān)測功率和電流的變化特征實現(xiàn)刀具磨、破損狀態(tài)識別.此方法具有在不需要改動機床結(jié)構(gòu)的前提下傳感器安裝簡單易行，硬件成本低，可有效避免切屑、冷卻液油、振動等因素的干擾等優(yōu)點，但由于該方法涉及傳動系統(tǒng)的影響，而且實際加工環(huán)境的功率和電流信號常受到瞬時脈沖的干擾而容易出現(xiàn)誤報警.

切削溫度監(jiān)測法主要是基于刀具的磨、破損狀態(tài)的出現(xiàn)會導(dǎo)致切削區(qū)的溫度將會驟增或驟減的原理.理論上利用紅外輻射方法間接檢測切削區(qū)的溫度可以實現(xiàn)刀具的磨、破損狀態(tài)的監(jiān)測，但在實際加工中，刀具被切屑纏繞、切削液的影響、工件或夾具對于切削區(qū)的遮擋都會對切削區(qū)溫度的準(zhǔn)確獲得產(chǎn)生極大影響，因而使得該方法的研究前景受到很大限制.

工件表面粗糙度監(jiān)測法主要是基于刀具的磨、破損的發(fā)生必將導(dǎo)致己加工工件表面粗糙度的變化的原理，通過采用光纖傳感器和激光測試系統(tǒng)獲得己加工工件的表面粗糙度與刀具磨、破損狀態(tài)下的表面粗糙度進行對比實現(xiàn)刀具狀態(tài)的監(jiān)測，同樣因受到切削液、切屑、工件材質(zhì)、振動等因素影響較大而使該方法無法深入研究.

2.2.5 多信號融合監(jiān)測

綜合分析以上各種監(jiān)測常用信號應(yīng)用特點可知，不同的監(jiān)測信號在刀具磨破、損監(jiān)測中互有優(yōu)勢和局限.為解決刀具監(jiān)測中切削加工條件、切削參數(shù)、刀具磨破損形式的多樣性與單一監(jiān)測信號的單調(diào)性、抗干擾能力差等之間的矛盾，有效提高刀具磨破、損監(jiān)測的可靠性和準(zhǔn)確性，多信號融合監(jiān)測因所獲得的信息具有信息冗余性、互補性、實時性、抗干擾能力強等優(yōu)點已經(jīng)成為當(dāng)今刀具磨破、損監(jiān)測領(lǐng)域研究的主流方向[15].常用的組合方式根據(jù)監(jiān)測對象的不同常選擇聲發(fā)射與振動信號，聲發(fā)射與切削力信號，振動切削力與功率信號融合等多種方式.筆者也基于聲發(fā)射與振動信號融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展了數(shù)控車床刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究并取得了較好的研究效果，監(jiān)控流程圖如圖2所示.

圖2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聲發(fā)射與振動信號融合的刀具狀態(tài)監(jiān)測流程圖

3 結(jié)語

隨著刀具磨破、損狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究的深入，學(xué)術(shù)界已經(jīng)認(rèn)識到大多數(shù)單一監(jiān)測信號因其所能提供的監(jiān)測信息可能是不完整的而不能完全滿足工程實際的監(jiān)測需要.在對實際監(jiān)測對象的分析的基礎(chǔ)上，進行合理的多信號融合監(jiān)測將能有效的提高刀具磨損監(jiān)測的精確度與可靠性，必將成為工業(yè)化在線刀具狀態(tài)監(jiān)測的研究方向.

〔1〕龔?fù)?王細(xì)洋.刀具監(jiān)控技術(shù)在金屬切削過程中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2009(13):98-101.

〔2〕E.N.Diei,D.A.Dornfeld.AcousticEmissionFromthe FaceMillingProcess—theEffectsof ProcessVariables[J].JournalofEngineeringMaterialsand Technology.1987(109):92-99.

〔3〕I.Tansel,M.Trujillo,A.Nedbouyanetal.Micro-endmilling—III.Wearestimationandtoolbreakagedetection usingacousticemissionsignals[J].InternationalJournalof MachineTools&Manufacture.1998(38):1449-1466.

〔4〕H.V.Ravidra,Y.G.Srinivasa,R.Krishnamurthy.Acousticemissionfortoolconditionmonitoringinmetalcutting [J].wear.1997(212):78-84.

〔5〕王忠民,王信義,陳愛弟等.基于分形維數(shù)的刀具狀態(tài)在線監(jiān)測新方法[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2000,20(4):441-444.

〔6〕董全成,艾長勝,樊寧.刀具磨損聲譜特征的分析[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2006(3):35-38.

〔7〕謝劍鋒.基于聲發(fā)射的銑刀破損監(jiān)測研究[D].上海:上海交通大學(xué),2011.

〔8〕Roth,JohnT,Pandit,SudhakarM.Usingmultivariate modelstomonitorend-millwearandpredicttoolfailure[J].TechnicalPaper-SocietyofManufacturingEngineers.1999(6):119-123.

〔9〕鄭建民,李言,黃玉美.刀具磨損切削力功率譜特征多分辨分析[J].機床與液壓,2002(4):189-191.

〔10〕楊建璽,周錦國,崔風(fēng)奎.用振幅比檢測刀具磨損狀況[J].精密制造與自動化,2001(4):41-45.

〔11〕S.E.Oraby,D.R.Hayhurst,Toolwearsandforcerelationshipinmetalcutting[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,1991,330(1):125-138.

〔12〕YanW,LeeK.S,WongY.S.Investigationofindicesbasedonmillingforcefortoolwearinmilling[J]. JournalofMaterialsProcessingTechnology,1999,8(9): 245-253.

〔13〕樊寧,郭培全.刀具磨損過程切削力頻譜特性的研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2008(5):69-71.

〔14〕陳洪濤,黃遂.數(shù)控車削加工切削力的預(yù)測研究[J].現(xiàn)代制造工程,2010(9):36-39.

〔15〕陳侃.基于多模型決策融合的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2012.

TH164

A

1673-260X（2013）11-0052-03

安徽高等學(xué)校省級自然科學(xué)研究項目（KJ2013B134）及蚌埠學(xué)院自然科學(xué)研究重點項目（2011ZR01zd）