基于振动测试的数控机床刀具磨损监测方法

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在数控加工中，刀具磨损的在线监控是柔性制造系统研究工程的-个重要课题，也是先进制造技术的-个重要课题，其工作状态直接影响着机械加工的效率、效益及精度。因此研究刀具磨损将使数控系统可以进行实时补偿，这对提高生产效率、降低加工成本、保证加工质量等具有非常重要的意义。

1 刀具磨损监测方法目前，对于刀具磨损在线监控方法很多，根据检测原理的不同，刀具磨损检测主要分为2种：直接监测方法和间接监测方法。

直接监测方法中常用的主要有接触法、放射线法和光学检测方法。其中接触检测方法只能在停车时进行检测，不能用于实时监控；放射线检测方法虽有-定的监测精度，但既不能进行实时监控，又具有放射性污染，所以未能推广应用；光学检测法通过光学传感器获得刀具磨损区域的图形，并利用图像处理技术全面了解刀具的磨损状态，但其致命的缺点是：易受加工基金项 目：国家科技重大专项资助项目(2009ZX04014-101)收稿 日期：2011-07-06 收修改稿日期：2012-11-06方式及工况条件的影响，使许多加工过程无法采用光学法监测刀具损伤状态。因此，直接监测方法在实际应用时具有很大的局限性 ，不宜推广使用 J。

间接监测刀具磨损的技术包括：切削力监测技术、基于声发射的监测技术、基于振动加速度的监测技术、基于电流和功率的监测技术、表面光洁度监测法、超声波监测法、基于温度的监测方法等。切削力信号作为加工过程中最稳定和最可靠的信号，与刀具磨损和破损密切相关。

切削力监测技术在刀具磨损监测研究领域应用最为广泛，是最具优势的-种方法。声发射信号反映的是金属材料内部晶格的变化，因此包含与刀具磨损密切相关的信息，对刀具磨损和破损有较好的预报特性，声发射监测技术也成为目前应用最广泛的方法之-。与其他检测方法相比，声发射信号的频率很高，-般在50 kHz以上，能够避开加工过程中振动和噪声污染严重的低频段 ，并能抵御-定范围内由于切削用量变化而引起的信号干扰，因此具有灵敏度高，信息量丰富等优点。切削过程中的振动信号包含丰富的与刀具状态密切相关的信息，它主要由切削力中的动态分量引起，且与刀具 -工件-机床构成74 Instrument Technique and Sensor Feb.2013的切削系统本身的动态特性密切相关。通常采用加速度传感器测量振动信号，传感器通过磁座吸附于工件表面，安装简便，但安装方位不同将会对刀具状态监测的效果产生较大影响。

刀具磨损时，由于切削力增大，使得机床电机电流增大，负载功率也随之增大，因此可采用监测电流或功率的方法识别刀具磨损状态的变化。电流监测方法和功率监测方法具有安装测量简便、成本低 、不受加工条件限制、不干扰加工过程等优点，因此成为广泛采用的-种简易监测方法。但限制该技术发展的关键问题在于识别精度低和响应速度慢。此外 ，导轨的误差和传动系统的精度也会造成电机电流和功率的改变 J。

2 刀具磨损刀具磨损过程可以大致非为 3个阶段，如图1所示。

图1 刀具磨损过程简图初期磨损阶段。该阶段刀具磨损较快，主要是因为新刀刃的表面粗糙不平，接触应力较大，以及新刀具表面可能出现的脱碳层、氧化层等表面缺陷。

正常磨损阶段。经初期磨损阶段后，切削刃仍 比较锋利，刀具的切削刃和刀面已比较平整 ，所以在这-阶段 中，刀具的磨损速度相对减慢，切削过程比较平稳。这-阶段也是刀具有效工作阶段，占刀具耐用度的90% ～95%。

剧烈磨损阶段。在刀具正常磨损达到-定程度，刀具与工件的接触情况显著恶化，刀刃钝化，摩擦力急剧增大，刀具磨损发生质的变化，同时刀具的切削性能迅速下降，刀具与工件之间由于接触应力增大而产生高温将可能烧损刀刃或者使刀刃破损 ，此时刀具完全丧失切削能力 。

3 刀具磨损试验背景3.1 试验目的和方法车削加工刀具磨损试验的目的是采用单因素试验方法 ，来研究切削用量的变化对刀具的磨损机理以及磨损强度的影响规律 ，并对试验结果加以理论分析。

试验是建立在振动测试的基础上进行的，将加速度传感器沿垂直于刀面和背向刀面的方向安装在刀架上，所采集的动态信号通过恒流源之后送往采集卡通过动态信号分析系统最后将信号输入计算机进行分析处理。机械设备故障诊断中常用的振动分析方法有时域分析、自谱分析、概率分析、自相关分析、互相关分析、互谱分析等。在某些故障中频域信号并不显著，但是在信号中反映却很明显，如齿轮部分齿的齿面出现损伤，甚至断齿的现象等，所以，仅仅通过频谱分析的方法有时难以诊断。为此，在诊断刀具的磨损试验中采用时域、频域和传递函数相结合的方法，取得了较好的效果 。试验方法框图如图2所示。

图 2 试验方法框 图3.2 试验设备刀具磨损试验是在-台 DI2OMH数控车削中心上进行的；车削工件表面形貌和磨损量 由上海某电器公司生产的 TR240粗糙仪测量；传感器 ：压电式 ICP：INV9822A加速度传感器 ；采集卡：24位 A/DINV3018C，采样频率在5 kHz。

工件材料 ：45号钢；刀具材料：YG8硬质合金刀头；铣削方式：车削；冷却方式：乳化液。

4 试验数据及信号分析2011年4月，在DI2OMH车削中心上进行刀具振动测试试验，进给速度为 0.2 mm/s，背吃刀量(切削深度)为 l mm，切削速度为 100 m/min，加工长度为 150 mm，测得刀具的磨损量数据及比加工工件的粗糙度如表 1-2所示。

表 1 刀具磨损测试结果对振动信号的分析分别采用了时域、频域、和传递函数的 ～6。在显微镜下拍摄的刀具磨损的渐变实图如图7所示。

方法，测试曲线很多，这里只给出了几个典型的曲线图，如图3Instrument Technique and Sensor Feb.20134 结束语提出了柔性组合激励的电容层析成像系统方案，并实现了3种激励工作模式可调 (扩充 ROM，实现并行柔性激励任意模式可调)的 16路 ECT数据获取系统前端设计。系统具有激励柔性组合可调优点，环境适应能力强，但采用并行数据采集方式 ，阵列开关设计所带来的数据冗余性还需要在传输的过程中克服。试验结果表明，所设计的ECT前端满足整体的设计需求 ，性能稳定。