㈠ 刀具磨損的檢測與監控方法
刀具狀態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、表面質量或幾何形狀的變化，一般只能在不切削時進行，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的刀具突然破損。國內外採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感測器接觸產生的電信號脈沖，來測量待測刀具的實際磨損狀態。該方法的優點在於感測器價格低廉，缺點是感測器的選材必須十分注意，既要有良好的可切削性，又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感測器接觸部分短路，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、電感位移感測器等進行測量。但是這種方法的靈敏度易受工件表面溫度、表面品質、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比未磨損區有更強的光反射能力，刀具磨損越大，刀刃反光面積就越大，感測器檢測的光通量就越大。由於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並非真實的磨損量，而是包含了上述因素在內的一個相對值，此法在刀具直徑較大時效果較好。
（4）放電電流測量法
將切削力刀具與感測器之間加上高壓電，在測量迴路中流過的（弧光放電）電流大小就取決於刀刃的幾何形狀（即刀尖到放電電極間的距離）。該方法的優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
將有放射性的物質摻入刀具材料內，當刀具磨損時，放射性的物質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對環境的污染大，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，並不能准確地測定刀具切削刃的狀態。因此，該法僅適用於某些特殊場合，不宜廣泛採用。
（6）微結構鍍層法
將微結構導電鍍層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的變化而變化，磨損量越大，電阻就越小。當刀具出現崩齒、折斷及過度磨損現象時，電阻趨於零。該方法的優點是檢測電路簡單，檢測精度高，可以實現在線檢測。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。這種檢測系統通常由CCD攝像機、光源和計算機構成。但由於光學設備對環境的要求很高，而實際生產中刀具的工作環境非常惡劣（如冷卻介質、切屑等），故該方法目前僅適用於實驗室自動檢測。
2.間接測量法
間接測量法利用刀具磨損或將要破損時的狀態對不同的工作參數的影響效果，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，其不足之處在於檢測到的各種過程信號中含有大量的干擾因素。盡管如此，隨著信號分析處理技術、模式識別技術的發展，這一方法己成為一種主流方法，並取得了很好的效果。國內外採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、聲發射、熱電壓測量法、振動信號及多信息融合檢測。
（1）聲發射信號測量法
聲發射技術用於監測刀具的磨、破損是近年來聲發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生變形、斷裂和相變時會引起應變能的迅速釋放，聲發射就是隨之產生的彈性應力波。當刀具破損時可檢測到幅值較高的AE信號。聲發射刀具監控技術被公認是一種最具潛力的新型監控技術，進入80年代以來，國內外致力於開發和應用該技術，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提出了聲發射刀具破損檢測方法。Kannatey-Asibu和Dornfeld從理論上研究了聲發射信號的頻譜特徵，並結合模式識別方法實現了對刀具破損的在線監測。我國聲發射監測技術研究盡管起步較晚，但發展迅速。黃惟公採用包絡分析法求取刀具磨損中聲發射信號的包絡線，用時序模型的參數作為特徵值，通過神經網路對刀具磨損方程進行辨識，實驗證明效果良好；李曉利對鏜削過程中的典型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；袁哲俊對切削過程中的聲發射信號進行小波包分解，獲取信號各頻段的能量分布，以此作為信號特徵，並建立基於模糊推理的快速神經網路模型識別刀具磨損狀態。由日本Murakami Giken公司研製的chip-55A型刀具破損監控儀採用聲發射監控技術，實施對加工過程中刀具狀態的監控，該產品與其公司生產的數控銑床配套使用，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、破損狀態最為密切相關的一種物理現象。採用切削力作為檢測信號，具有拾取容易，反應迅速、靈敏等優點，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中測量刀具破損的常用方法。
基於切削力的監測方法，採用的監測數據主要有切削分力，切削分力比，動態切削力的頻譜和相關函數等。當刀具破損時，切削力變化敏感。當刀具破損較小時，刀具切削刃不鋒利，使切削力增強:當產生崩刃或斷刀時，切削深度減少或沒有，使切削力劇減。在監測切削力時，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，並把電流變化傳給力閥，在顯示器上讀出被測量的力，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下各切削力的變化規律，發現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徵量，據此他提出了切削力比監測法；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測法是最有潛力的方法，有著廣闊的工業應用前景，扭矩監測和切削力法一樣具有相同的研究價值；成剛虎採用了頻段均方值法通過切削力監測刀具的磨損狀態；萬軍利用切削力模型和最小二乘法實現模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型刀具監控儀，該系統採用的力感測器可安裝於主軸軸承、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生產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，可以避免切削環境中切屑、油、煙、振動等因素的干擾，易於安裝。潘建岳在對加工中心鑽削過程功率信號分析的基礎上，提出並採用功率數據的歸原處理方法，以此建立了鑽頭磨損在線監控系統；劉曉勝將回歸分析技術和模糊分類相結合，建立了鏜削切削參數與電流之間的數學模型，間接的反映刀具磨損量與鏜削切削參數的內在聯系，並利用功率信號識別刀具磨損量；郭興提出一種基於人工神經網路的銑刀破損功率監控方法，建立了一個銑刀破損功率監控系統，實驗表明該系統能夠靈敏的檢測出刀具破損並實施監控。袁哲俊系統的研究了切削過程中刀具異常對主電機功率影響的規律，提出了用主電機功率的瞬時值、導數值、靜態平均值和動態均方值等多個參數綜合監控鑽削過程刀具異常狀態；萬軍利用離散自回歸AR模型對功率信號進行處理，其模型參數通過適應演算法在每個信號采樣時刻進行遞歸修正，以適應切削狀況，同時為了區別刀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，當刀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控技術具有代表性的廠家是美國Cincinnati milacron公司，該公司開發的刀具監控系統與本公司生產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點在於能直接定量給出刀具徑向磨損或破損值，並可與加工精度的在線、實時補償結合起來，保證加工質量，實現精加工中刀具磨損、破損監測的最終目標。其缺點在於，實時測量易受測試環境干擾，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，要求感測器進行准確的跟蹤定位，由此也會帶來定位的誤差，並增加了實現的難度。
（5）切削溫度測量法
切削熱也是金屬切削過程中的一個重要物理現象，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:(l)刀具一工件組成的自然熱電偶，可以測出切削區的平均溫度，不同的刀具、工件材料需進行標定;(2)固定在刀體內某點，由兩種金屬絲組成的熱電偶，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、事先准備費時的問題。(3)紅外攝像系統，可測出切削區溫度場分布，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並有絕緣要求；二是在刀具後刀面上貼一層薄膜導體，它隨著刀具磨損而消耗，根據其電阻的變化可知刀具後刀面的磨損量。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。該方法應用於實際工況，目前還不太現實。
（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，會產生不同頻率的振動。對這種振動的監測有兩種方法: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，即能監測出刀具後刀面的磨損程度。美國國家標准局自動化研究所在鑽削加工中利用振動信息方面取得了成功的經驗。研製成的系統是利用裝在工件上的加速度感測器對振動信息進行時效分析，識別鑽頭的磨損並判斷鑽頭的折斷。
（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生，工件己加工表面的粗糙度將呈增大趨勢，據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R。此類方法僅適於靜態測量。目前，絕大多數此類方法僅適用於計量室或實驗室環境。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，自動監測中通常採用光纖感測器和激光測試系統兩種類型。此類方法測試效率高，可以不留痕跡地測量軟質材料的工件表面，但事先需採用樣品標定，受切削液、切屑、工件材質、振動等的影響較大。當前還達不到實際應用水平。
（9）電流信號測量法
該方法簡稱MCSA，利用感應電動機的定子電流作為信號分析的切入點，研究其特徵與故障的對應關系。其基本原理是：隨著刀具磨損的增大，切削力矩增大，機床所消耗的功率增大或電流上升，故 可實現在線檢測刀具磨損。MCSA具有測試便利、信息集成度高、傳動路徑直接、信號提取方便、不受加工環境的影響、價格低、易於移植等特點，在機床這種傳動系統封閉、一般感測器比較困難安裝的場合，應該是一種值得探索的方法。
（10）熱電壓測量法
熱電壓測量法利用熱點效應原理，即兩種不同導體的接觸點在受熱時，將在兩導體的另一端之間產生一個電壓，這個電壓的大小取決於導體的電特性 及接觸點與自由端之間的溫度差。當刀具和加工工件是由不同材料構成時，在刀具與工件之間就可以產生一個與切削溫度相關的熱電壓。這個電壓就可以作為刀具磨損量的一個度量，因為隨著刀具磨損量的增大，熱電壓也隨之增大。該方法的有點是價格便宜，精度較高，使用簡便，特別適用於高速加工區，缺點是對感測器材料及精度要求高，只能進行間隔式檢測。
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