基于模糊邏輯的刀具磨損狀態(tài)檢測(cè)

胡智鵬（吉林市北華大學(xué)信息技術(shù)與傳媒學(xué)院，吉林　吉林　132013）

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基于模糊邏輯的刀具磨損狀態(tài)檢測(cè)

胡智鵬
（吉林市北華大學(xué)信息技術(shù)與傳媒學(xué)院，吉林吉林132013）

摘要：刀具磨損狀態(tài)分類對(duì)保證工件的尺寸精度和刀具在加工過程中的損傷防護(hù)起著至關(guān)重要的作用。在產(chǎn)品加工過程中，刀具磨損是影響主軸電機(jī)電流、速度、配給速度和切削深度的重要因素之一。本文提出了一種基于模糊邏輯的刀具磨損狀態(tài)檢測(cè)方法。通過分析刀具磨損和切削參數(shù)對(duì)電流信號(hào)的影響，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和回歸分析的基礎(chǔ)上，建立了電流信號(hào)與切削參數(shù)之間的關(guān)系模型。模糊分類方法用于對(duì)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行分類，這有助于技術(shù)人員及時(shí)對(duì)有缺陷的工具進(jìn)行更換。

關(guān)鍵詞：刀具磨損分類； 電流信號(hào)； 回歸分析； 模糊分類

0　引言

對(duì)切削刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)的有效手段研究一直是切削加工自動(dòng)化的熱點(diǎn)話題之一［1］。刀具失效的非檢測(cè)后果則可能導(dǎo)致次品的產(chǎn)生，更為嚴(yán)重還可能損壞工件或機(jī)器。近幾年，許多研究人員已經(jīng)開始尋找方法來檢測(cè)刀具磨損狀態(tài)［2-3］。通過直接設(shè)計(jì)各種傳感器可對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，但多數(shù)都是不可靠或無效的。依據(jù)刀具狀態(tài)和測(cè)量信號(hào)之間的關(guān)系，利用模糊分類規(guī)則對(duì)刀具磨損狀態(tài)檢測(cè)已成為研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。使用電機(jī)電流測(cè)量的主要優(yōu)點(diǎn)是在切削過程中幾乎可以檢測(cè)到任何故障，并且測(cè)量裝置不干擾加工過程，此外，在應(yīng)用過程中幾乎沒有額外的成本。

大多數(shù)的檢測(cè)方法都為系統(tǒng)制定了固定的切削條件，而在實(shí)際應(yīng)用中，切削條件并不固定，主軸轉(zhuǎn)速和配給速度也要根據(jù)控制策略動(dòng)態(tài)變化。因此，磨損估計(jì)策略，在不同的切削條件下的操作是非常必要的［4］。一個(gè)成功的監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地維護(hù)機(jī)床、刀具和工件的穩(wěn)定工作。研究表明，在車削加工過程中，可以使用切削力、聲發(fā)射、電機(jī)電流和振動(dòng)等四個(gè)參數(shù)來監(jiān)測(cè)刀具的磨損情況。

本文討論了如何用主軸電機(jī)的電流來檢測(cè)的刀面磨損狀態(tài)。其中，電流取決于切削參數(shù)：主軸速度、配給速度、切削深度以及刀面磨損程度。實(shí)現(xiàn)了一種在線檢測(cè)的刀面磨損的電流測(cè)量的回歸技術(shù)和模糊分類方法，在一定范圍內(nèi)降低切削條件。該方法的實(shí)質(zhì)是建立一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，在不同的切削條件下，統(tǒng)計(jì)測(cè)量的電流值和刀面磨損狀態(tài)，檢測(cè)切削參數(shù)和電機(jī)電流信號(hào)的相關(guān)數(shù)據(jù)，最后，根據(jù)檢測(cè)刀具磨損狀態(tài)，作出是否需要更換刀具的決定。

1　金屬切削實(shí)驗(yàn)

金屬切削加工實(shí)驗(yàn)需要建立一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，在不同的切削條件下，測(cè)量的電流值和后刀面磨損狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)需要在計(jì)算機(jī)數(shù)值控制車床進(jìn)行，用于實(shí)驗(yàn)的工件材料是鋁、碳化硅，通過攪拌鑄造法制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床用永磁直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。永磁直流電機(jī)類似普通的直流電動(dòng)機(jī)，是由永久磁鐵代替凸極繞線結(jié)構(gòu)構(gòu)成。測(cè)量車床需直流電機(jī)電流，個(gè)人計(jì)算機(jī)與車床連接為切削條件提供有效數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)和切割操作自動(dòng)執(zhí)行，記錄各種切削條件數(shù)據(jù)，其中包括：主軸速度、配給速度和切削深度等。對(duì)于每組的切削實(shí)驗(yàn)，加工都是從一個(gè)新的刀具開始，直到刀具磨損實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到產(chǎn)生滿足不同切削條件下的樣本數(shù)據(jù)為止。

2　基于回歸分析和模糊分類的刀面磨損預(yù)測(cè)

回歸分析是一種統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型，涉及的是一個(gè)給定的變量和一個(gè)或多個(gè)被稱為獨(dú)立變量的變量之間的關(guān)系的描述和評(píng)價(jià)。目前研究表明，回歸方法是利用確定模型的主軸電機(jī)電流作為一個(gè)函數(shù)的主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)）、配給速率（毫米/轉(zhuǎn)速）和深度的切割（毫米）。該模型被近似修改用來描述的后刀面磨損狀態(tài)，如0.30，0.40，0.50，0.60，0.70，0.80和0.90（毫米）。不同的切削條件下的電流值被記作實(shí)驗(yàn)在特定的時(shí)間間隔的相應(yīng)的磨損值。

研究發(fā)現(xiàn)，刀具磨損對(duì)主軸電機(jī)電流影響更為顯著，主軸電機(jī)電流隨著刀具磨損的增加呈指數(shù)增加。結(jié)合刀具磨損、主軸轉(zhuǎn)速、配給速度、切削電流和電流信號(hào)的關(guān)系，我們可以得到主軸電機(jī)電流與金屬切削作為磨損狀態(tài)的函數(shù)關(guān)系。

在異常的刀具磨損階段中觀察到的磨損率的突然上升是值得注意的，系統(tǒng)應(yīng)彈出提示，工人應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)更換刀具。但是實(shí)際中很多因素都會(huì)造成刀具的磨損，刀具磨損曲線通常是波動(dòng)的，并且是不光滑的。本文研究信號(hào)模型可以從測(cè)量電流信號(hào)和其他切削參數(shù)來估計(jì)刀具磨損狀態(tài)。測(cè)量電流和估計(jì)的電流被定義為真正特征值和估計(jì)特征值，用真正特征值對(duì)應(yīng)不同的磨損狀態(tài)估計(jì)特征值評(píng)價(jià)實(shí)際磨損狀態(tài)之間的相似性，任何估計(jì)磨損狀態(tài)的程度。

在不同切削條件下進(jìn)行了55刀具磨損實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選擇35個(gè)樣本作為訓(xùn)練樣本，21個(gè)樣本作為測(cè)試樣本，用上述方法估算刀具磨損值。利用模糊推理方法計(jì)算了不同刀具磨損狀態(tài)下，刀具磨損程度分類的隸屬度函數(shù)，用隸屬函數(shù)對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證該方法的有效性。

3　結(jié)論

本文分析了刀具磨損和切削參數(shù)對(duì)主軸電機(jī)的影響程度，通過實(shí)驗(yàn)研究和回歸分析，建立了不同刀具磨損狀態(tài)下電流信號(hào)與切削參數(shù)之間的關(guān)系。用模糊分類系統(tǒng)隸屬度函數(shù)概念計(jì)算給定的磨損狀態(tài)的隸屬度值，并應(yīng)用于刀具磨損狀態(tài)的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法是有效的。刀具更換的控制要求刀具磨損狀態(tài)的識(shí)別與切削參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速和配給速度有關(guān)，可以根據(jù)控制策略進(jìn)行改變。刀具磨損狀態(tài)的程度為控制刀具的更換提供了有力的科學(xué)依據(jù)。該方法適用于按質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所要求的任何所需閾值的選擇。如何在已有模型基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化算法空間復(fù)雜度，這將是本文接下來的工作。

參考文獻(xiàn)：

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［3］江平，鄧志平.基于BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)刀具磨損的預(yù)測(cè)［J］.煤礦機(jī)械，2012（03）.

［4］葛英飛，徐九華，傅玉燦.高速銑削SiC_p/Al復(fù)合材料時(shí)聚晶金剛石刀具的磨損機(jī)理［J］.光學(xué)精密工程，2011（12）.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.022