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檢測刀具磨損和破損的方法

        單臺機(jī)床的加工，對刀具磨損和破損的監(jiān)測，憑工人的經(jīng)驗(yàn)，尚能進(jìn)行正常的生產(chǎn)，而對FMS、CIMS、無人化工廠，必須解決刀具磨損與破損的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測及控制問題。因?yàn)榧皶r(shí)確定刀具磨損和破損的程度并進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制，是提高生產(chǎn)過程自動化程度及保證產(chǎn)品質(zhì)量，避免損壞機(jī)床、刀具、工件的關(guān)鍵要素之一。

        監(jiān)測原理監(jiān)測參量的選取監(jiān)測原理監(jiān)測原理框圖監(jiān)測刀具磨損和破損的方法很多，可分為直接測量法和間接測量法兩大類。直接測量法主要有：光學(xué)法、接觸電阻法、放射性法等。間接測量法主要有：切削力或功率測量法，刀具和工件測量法，溫度測量法，振動分析法，AE法，電機(jī)電流或功率測量法等。

        比較現(xiàn)有的刀具磨損和破損的監(jiān)測方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們選取聲發(fā)射(AE)和電機(jī)電流信號作為監(jiān)測參量。這是因?yàn)锳E信號能避開機(jī)加工中噪聲影響最嚴(yán)重的低頻區(qū)，受振動和聲頻噪聲影響小，在感興趣區(qū)信噪比較高，便于對信號進(jìn)行處理。響應(yīng)速度快，靈敏度高;但重負(fù)荷時(shí)，易受干擾。而電機(jī)電流信號易于提取，能適應(yīng)所有的機(jī)加工過程，對正常的切削加工沒有影響，但易受干擾，時(shí)間響應(yīng)慢，輕負(fù)荷時(shí)，靈敏度低。這樣，同時(shí)選AE和電機(jī)電流為監(jiān)測信號，就能利用這2個監(jiān)測量的各自長處，互補(bǔ)不足，拓寬監(jiān)測范圍，提高監(jiān)測精度和判別成功率。

        切削過程中，當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生磨損和破損時(shí)，切削力相應(yīng)發(fā)生變化，切削力的變化引起電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)電流發(fā)生相應(yīng)的變化，電流法正是通過監(jiān)測電機(jī)電流的變化，實(shí)現(xiàn)間接在線實(shí)時(shí)判斷刀具的磨損和破損。AE是材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，以彈性波形的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。它具有幅值低，頻率范圍寬的特點(diǎn)。試驗(yàn)及頻譜分析發(fā)現(xiàn)：正常切削產(chǎn)生的AE信號主要是工件材料的塑性變形，其功率譜分布，100kHz以下數(shù)值很大，100kHz以上較小。

        當(dāng)?shù)毒吣�損和破損時(shí)，100kHz以上頻率成分的AE信號要比正常切削時(shí)大得多，特別是100-300kHz之間的頻率成分更大些。為此，應(yīng)通過帶通濾波器，監(jiān)測100-300kHz頻率成分AE信號的變化，對刀具磨損和破損進(jìn)行監(jiān)測。

        利用AE、電機(jī)電流信號綜合對刀具磨損和破損進(jìn)行判別的原理是：輕負(fù)荷區(qū)，依靠AE包絡(luò)信號，用閾值的方法進(jìn)行判別;在中負(fù)荷區(qū)，這時(shí)電機(jī)電流和AE信號都起作用，用兩者結(jié)合的方法進(jìn)行判別，提高判別的成功率，具體方法是：如果AE信號超過AE閾值，則置延時(shí)常數(shù)為ds(d的數(shù)值依賴于系統(tǒng)構(gòu)成)，如果在ds時(shí)間內(nèi)，電流信號也超過電流信號的閾值，則判刀具極限磨損或破損。如果在ds時(shí)間內(nèi)，電流信號未超過電流信號的閾值，則不報(bào)警，由延時(shí)常數(shù)繼續(xù)監(jiān)測。這種以AE為先導(dǎo)，AE信號和電機(jī)電流信號進(jìn)行“與”的判別模式，既利用了AE信號具有實(shí)時(shí)、靈敏的特點(diǎn)，又考慮了電機(jī)電流信號具有滯后的性質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，提高了判別成功率。在大負(fù)荷區(qū)，則以電機(jī)電流信號為主，AE信號為輔進(jìn)行判別。下圖為監(jiān)測系統(tǒng)的線路框圖。

        中間一路為電網(wǎng)電壓監(jiān)測線路，通過對電源的波動進(jìn)行監(jiān)測，消除由于電網(wǎng)電壓波動對監(jiān)測的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖中虛線部分為自動減去首切電流線路，目的是自動減去首切電流，以電流的變動量為判別量，提高電流信號監(jiān)測的靈敏度。