刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀淺析

季宏宇

摘 要： 本文主要針對(duì)刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了論述，闡述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于刀具磨損檢測(cè)的諸多方法，包括直接監(jiān)測(cè)和間接監(jiān)測(cè)法，對(duì)諸多方法進(jìn)行了分析，并就多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞： 刀具 磨損 監(jiān)測(cè)技術(shù)

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)方式的改變和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，促使以計(jì)算機(jī)輔助的自動(dòng)化加工得到迅速發(fā)展。刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為自動(dòng)化加工系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，日益受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。綜合國(guó)內(nèi)外刀具磨損檢測(cè)的諸多方法，根據(jù)刀具磨損量檢測(cè)原理的不同，主要分為兩種：直接監(jiān)測(cè)方法和間接監(jiān)測(cè)方法[1]。

1.直接監(jiān)測(cè)方法

直接測(cè)量刀具磨損量或刀具破損的方法，稱為刀具狀態(tài)的直接監(jiān)測(cè)方法。常用的方法主要有接觸法、放射線法和光學(xué)檢測(cè)方法，直接檢測(cè)刀具磨損的傳感器有接觸探測(cè)傳感器、光學(xué)顯微鏡，高速攝像機(jī)等。

（1）接觸檢測(cè)方法

接觸探測(cè)傳感器于1974年由Renishaw發(fā)明，能夠檢測(cè)刀具磨損和破損。在檢測(cè)刀具磨損和破損程度時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀具，讓刀具后刀面接觸傳感器，根據(jù)刀具加工前后的直徑變化獲得刀具的磨損量，并根據(jù)刀具的接觸力判斷刀具的破損程度。該方法有較高的檢測(cè)精度。其缺點(diǎn)是只能在停車時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，不能用于實(shí)時(shí)監(jiān)控。德國(guó)Malto公司利用該方法研制的刀具破損監(jiān)測(cè)裝置，能夠成功監(jiān)測(cè)刀具的破損[4]。

（2）放射線檢測(cè)方法

由Massachusetts技術(shù)研究所開發(fā)的放射線檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)刀具是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)先指定的磨損狀態(tài)。此方法是預(yù)先在刀具后刀面設(shè)置一個(gè)位置，在該位置放置少量放射性物質(zhì)，定期在切削周期的間隙中用蓋革一彌勒離子管檢查放射物質(zhì)是否存在。如果該物質(zhì)不存在，就說(shuō)明已經(jīng)達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。此方法的缺點(diǎn)是不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且具有放射性污染。

（3）光學(xué)檢測(cè)法

通過(guò)光學(xué)傳感器獲得刀具磨損區(qū)域的圖形，利用圖像處理技術(shù)得到刀詈具的磨損狀態(tài)。和其他檢測(cè)方法相比，采用光學(xué)法檢測(cè)刀具磨損的優(yōu)點(diǎn)是：不受切削條件和工件材料影響，能夠同時(shí)獲得刀具多個(gè)磨損模式的圖形，便于整體了解刀具的磨損形態(tài)。其缺點(diǎn)是易受加工方式的影響，許多加工方法無(wú)法采用光學(xué)法監(jiān)測(cè)其刀具狀態(tài)。

2.間接監(jiān)測(cè)方法

通過(guò)監(jiān)測(cè)與刀具磨損或破損密切相關(guān)的傳感器信號(hào)，利用建立的刀具磨損或破損和信號(hào)特征之間的數(shù)學(xué)模型，間接獲得刀具磨損狀態(tài)的方法稱為刀具狀態(tài)的間接監(jiān)測(cè)方法。間接監(jiān)測(cè)刀具磨損的傳感器以下幾種，與直接監(jiān)測(cè)刀具磨損的方法相比，間接測(cè)量方法具有不影響加工過(guò)程，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，更適宜于加工中的在線監(jiān)測(cè)。因此，大多數(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者都利用這種方法研究刀具磨損監(jiān)測(cè)中的相關(guān)技術(shù)難題[2]。

（1）切削力監(jiān)測(cè)技術(shù)

研究表明，切削力信號(hào)作為加工過(guò)程中最穩(wěn)定和最可靠的信號(hào)[3]，和刀具磨損和破損密切相關(guān)。此外，測(cè)力傳感器在工業(yè)上的成功應(yīng)用，使得切削力監(jiān)測(cè)技術(shù)在刀具磨損監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛，也是最具優(yōu)勢(shì)的一種方法。

（2）基于聲發(fā)射的監(jiān)測(cè)技術(shù)

自1955年德國(guó)科學(xué)家Kaiser發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象以來(lái)，聲發(fā)射技術(shù)在工程應(yīng)用方面得到迅速發(fā)展，被公認(rèn)為是一種最具潛力的新型檢測(cè)技術(shù)。聲發(fā)射是一種物理現(xiàn)象，是指固體材料在變形、破裂和相位改變時(shí)迅速釋放應(yīng)變能而產(chǎn)生的一種彈性應(yīng)力波。研究表明，在金屬切削過(guò)程中，工件材料的塑性變形、切屑的塑性變形、切屑與刀具表面摩擦、刀具后刀面與已加工表面的摩擦、第一剪切區(qū)和第二剪切區(qū)的塑性變形、刀具破損和切屑的破裂等現(xiàn)象都會(huì)引起聲發(fā)射現(xiàn)象。

（3）基于振動(dòng)（加速度）的監(jiān)測(cè)技術(shù)

切削過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)包含豐富的與刀具狀態(tài)密切相關(guān)的信息，它主要由切削力中的動(dòng)態(tài)分量引起，且和刀具—工件—機(jī)床構(gòu)成的切削系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。在具體應(yīng)用過(guò)程中，振動(dòng)信號(hào)和力信號(hào)一樣，被分解為三個(gè)方向的振動(dòng)。根據(jù)不同的加工方式，選擇不同方向的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)刀具的磨損。

（4）基于電流和功率的監(jiān)測(cè)技術(shù)

刀具磨損時(shí)，由于切削力增強(qiáng)，造成切削功率和扭矩增加，使得機(jī)床電機(jī)電流增大，負(fù)載功率隨之增大，因此部分研究人員采用監(jiān)測(cè)電流或功率的方法識(shí)別刀具磨損狀態(tài)的變化。電流監(jiān)測(cè)方法和功率監(jiān)測(cè)方法具有安裝簡(jiǎn)易，測(cè)量信號(hào)簡(jiǎn)便，成本低，不受加工條件限制，不干擾加工過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)，因此成為廣泛采用的一種監(jiān)測(cè)方法。此外，導(dǎo)軌的誤差和傳動(dòng)系統(tǒng)的精度也會(huì)造成電機(jī)電流和功率的改變。

（5）表面光潔度監(jiān)測(cè)法

刀具的磨損必將導(dǎo)致零件表面尺寸精度和表面光潔度的改變，這是監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)的直接原因，因此可以通過(guò)檢測(cè)零件表面光潔度的方法監(jiān)測(cè)刀具磨損。

（6）超聲波監(jiān)測(cè)法

用來(lái)檢測(cè)刀具狀態(tài)的超聲波傳感器是一套超聲波發(fā)射和接收裝置。在機(jī)械加工過(guò)程中，將一束超聲波打在刀具磨損表面或工件已加工表面上，隨著刀具磨損程度的變化，由刀具反射回的超聲波能量也隨之變化。另外，刀具磨損變化也引起已加工表面的光潔度發(fā)生變化，因此由已加工表面反射回來(lái)的超聲波能量也發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)接收到的能量變化進(jìn)行檢測(cè)，就可間接獲得刀具磨損狀態(tài)。

（7）基于溫度的監(jiān)測(cè)方法

由金屬切削機(jī)理可知，隨著刀具磨損量的增加，切削溫度明顯升高，溫度升高的同時(shí)會(huì)加速刀具的磨損，因此刀具磨損和溫度變化密切相關(guān)，這一因素可以用作監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)。

傳統(tǒng)測(cè)量溫度的傳感器是熱電偶，然而，在實(shí)際加工中幾乎沒(méi)有一種工件允許在其內(nèi)部埋置熱電偶，且其熱慣性大，響應(yīng)慢，因此不適合在線監(jiān)測(cè)。

3.多傳感器融合技術(shù)

多傳感器信息融合技術(shù)是指充分合理地選擇多種傳感器，提取對(duì)象的有效信息，充分利用多傳感器資源，通過(guò)對(duì)它們的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在時(shí)間或空間上的冗余信息或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。多傳感器信息融合是刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛采用的方法，通過(guò)對(duì)不同傳感器信號(hào)信息進(jìn)行不同層次的融合，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得對(duì)象更全面的信息，多傳感器信息融合與經(jīng)典信號(hào)處理方法間存在本質(zhì)區(qū)別。由于數(shù)據(jù)融合缺乏一致性檢驗(yàn)準(zhǔn)則，因此數(shù)據(jù)合成主要作為單一特征進(jìn)行門限檢測(cè)，而很難建立監(jiān)測(cè)模型，刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有應(yīng)用。

總之，使用多傳感器信息融合技術(shù)提高了刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)精度和可靠性，不同的傳感器組合取得的監(jiān)測(cè)效果各不相同。

參考文獻(xiàn)：

[1]王忠民，王信義，楊大勇，等.刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù).制造技術(shù)與機(jī)床，2000，6：39-41.

[2]陳愛弟，王信義，王忠民，等.基于模糊聚類的刀具磨損量在線監(jiān)測(cè)方法.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20（3）：276-280.

[3]李勁松.銑削過(guò)程刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[博士學(xué)位論文].北京：北京航空航天大學(xué)，1998.

[4]吳道全，萬(wàn)光珉，林樹興，等.金屬切削原理及刀具[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1994：46-59.