用聲發(fā)射和電機(jī)電流檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)刀具破損的監(jiān)測(cè)

???? 摘　要　采用聲發(fā)射(AE)和電機(jī)電流多特征參數(shù)融合檢測(cè)的方法，研制了具有獨(dú)自特點(diǎn)的刀具破損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，建立了實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型。并用實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)刀具破損的可行性。
　　關(guān)鍵詞在線監(jiān)測(cè)　刀具破損　聲發(fā)射　電機(jī)電流
　　切削刀具破損的實(shí)時(shí)監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化、無(wú)人化，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減少設(shè)備故障的重要手段。在刀具破損監(jiān)測(cè)的研究中，各國(guó)學(xué)者提出了很多方案，如采用監(jiān)測(cè)加工部件的表面粗糙度以及尺寸，加工過程中切削力、振動(dòng)等的變化，以判斷刀具的破、磨損狀況。研究的很多方法尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，少數(shù)方法如監(jiān)測(cè)電機(jī)電流、主軸扭矩等開始用于生產(chǎn)實(shí)際。本文提出采用AE信號(hào)和監(jiān)測(cè)主軸電機(jī)電流的雙參數(shù)綜合方法來(lái)判斷切削刀具的破損狀態(tài)，該方法受切削條件的影響小，具有監(jiān)測(cè)精度高、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)顯示直觀、靈敏度高、可以實(shí)時(shí)在線檢測(cè)且使用方便等特點(diǎn)。
　　1　刀具破損的監(jiān)測(cè)原理
　　本系統(tǒng)采用聲發(fā)射(AE)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)刀具破損的監(jiān)測(cè)。聲發(fā)射是指伴隨固體材料在斷裂時(shí)釋放儲(chǔ)存的能量產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象，AE信號(hào)由傳感器檢測(cè)，得到相應(yīng)的電信號(hào)，它分為突發(fā)型和連續(xù)型兩類，前者是伴隨固體材料的微小裂紋和龜裂而產(chǎn)生的，后者是材料在塑性變形時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的。刀具破損檢測(cè)以突發(fā)型AE信號(hào)為對(duì)象，用AE信號(hào)檢測(cè)發(fā)射源的位置和強(qiáng)度，了解被測(cè)對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，以實(shí)現(xiàn)切削刀具狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。在切削過程中，由于金屬變形、擠壓、摩擦等的影響以及切削環(huán)境變化，使直接來(lái)源于切削點(diǎn)的AE信號(hào)特征復(fù)雜，頻譜豐富，加深了刀具破損時(shí)AE信號(hào)識(shí)別與測(cè)量的困難，從這些信號(hào)中提取刀具破損的AE信號(hào)是實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。用圖1所示裝置提取切削刀具的AE信號(hào)特征，將AE傳感器裝置在刀架上，將傳感器檢測(cè)的AE信號(hào)經(jīng)前置放大器和主放大器兩級(jí)放大后，由采樣頻率達(dá)MHz的波形記錄儀采集、存儲(chǔ)，送至數(shù)字示波器進(jìn)行時(shí)域特性分析，并由繪圖儀繪出結(jié)果。圖2所示為切削加工中AE信號(hào)的頻率分布，圖中表明，切削加工中機(jī)械噪聲、機(jī)床空轉(zhuǎn)噪聲的頻率在＜100kHz范圍內(nèi)，而刀具破損時(shí)AE信號(hào)的頻率在300～500kHz范圍內(nèi)，且峰值較大，因此，要正確提取刀具破損的AE信號(hào)，應(yīng)選好合適帶寬的AE傳感器以及帶通濾波器的頻率范圍。同時(shí)，應(yīng)采取多參數(shù)實(shí)域頻域綜合處理方法，以利有效抑制各種環(huán)境噪聲，提高監(jiān)測(cè)精度。
　　電機(jī)電流的監(jiān)測(cè)，在切削過程中，刀具破損發(fā)生變化，導(dǎo)致切削力發(fā)生變化，切削力的變化引起主軸轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)電流發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)電機(jī)電流的大小可間接地判斷刀具的狀態(tài)。采用某一時(shí)刻電流值與正常切削時(shí)電流值之差作為刀具破損的特征信號(hào)I＝｜I1－I0｜ΣK閾　（1）
????? 式中：I1——某一時(shí)刻電流的實(shí)測(cè)值；
????? I0——正常切削或切削開始的電流實(shí)測(cè)值。
　　當(dāng)切削條件、刀具材料、工件材質(zhì)等發(fā)生變化時(shí)，I1值發(fā)生變化，I0值也隨之變化，但兩者的差值變化不大，即I值變化主要取決于刀具的破損狀態(tài)，而與切削條件變化的影響關(guān)系不大。但在實(shí)際生產(chǎn)中，較大的電網(wǎng)電壓波動(dòng)和周圍設(shè)備的啟動(dòng)、停機(jī)都會(huì)影響I1值，因此，還應(yīng)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，并去除其對(duì)電機(jī)電流的影響。此時(shí)，用電機(jī)電流監(jiān)測(cè)刀具破損的判別式應(yīng)為I＝｜I1－I0｜－F｜U1－U0｜ΣK閾　（2）
????? 式中：U1——某一時(shí)刻電壓實(shí)測(cè)值；
????? U0——切削開始時(shí)的電壓值；
????? F——電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起電流變化的比率。
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　　2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn)
　　刀具破損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。圖中，電機(jī)電流處理模塊用于處理霍爾傳感器輸出的表示電機(jī)電流大小的電壓信號(hào)，此信號(hào)為時(shí)域幅值信號(hào)，經(jīng)一定運(yùn)算，得到式(2)的I和U值，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由微機(jī)處理，AE信號(hào)處理模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖2所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，切削刀具破損的AE信號(hào)頻率范圍在300～500kHz之間，為有效地放大AE傳感器輸出的mV級(jí)信號(hào)，需采用寬頻高增益的兩級(jí)放大電路。為正確地提取有用的AE信號(hào)，后接100～600kHz帶通濾波器，經(jīng)檢波處理后，與檢波器2輸出的幅值信號(hào)同時(shí)送給計(jì)算機(jī)，作兩路信號(hào)的比較處理，以得到刀具破損的AE信號(hào)的幅值及其頻率分布。計(jì)算機(jī)對(duì)AE傳感器的信號(hào)和霍爾傳感器的信號(hào)進(jìn)行綜合處理、分析，以確定刀具的破損狀態(tài)。
　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理。當(dāng)電源接通后，計(jì)算機(jī)開始工作。對(duì)各輸入、輸出端口初始化后，分別采集電機(jī)電流信號(hào)和AE傳感器信號(hào)，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較等處理，識(shí)別刀具是否發(fā)生破損，如發(fā)生破損，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
　　3　實(shí)　驗(yàn)
　　刀具破損的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)在CA6140車床上進(jìn)行。工件為直徑50mm的45＃鋼棒，車刀為硬質(zhì)合金刀片。切削速度為400r/min，進(jìn)給量為0.2mm/r，為了造成車刀破損，在工件內(nèi)先埋入2mm的鉆頭，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了30次，當(dāng)確認(rèn)刀具破損時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢出率如表1所示。
　　4　結(jié)　論
　　本文以車削為例，介紹了我們研制的刀具破損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用表明，它不僅可以靈敏準(zhǔn)確地檢測(cè)出各種狀態(tài)下的刀具破損，而且適用于鏜、銑、鉆等相近加工過程中的刀具破、磨損的在線檢測(cè)，具有較高的系統(tǒng)檢出率。此系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
　　(1)采用監(jiān)測(cè)電機(jī)電流和AE信號(hào)的多參數(shù)綜合分析判別方法，可有效地提高刀具破損的檢測(cè)成功率。
　　(2)監(jiān)控門檻的外設(shè)定方法，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于各種不同的加工環(huán)境和狀態(tài)，且具有較高的抗干擾能力和工作可靠性。
　　(3)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件、軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于修改、維護(hù)，增加了靈活性和多用性，適合于在線監(jiān)測(cè)。