用聲發(fā)射和電機(jī)電流檢測技術(shù)實現(xiàn)刀具破損的監(jiān)測
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摘 要 采用聲發(fā)射(AE)和電機(jī)電流多特征參數(shù)融合檢測的方法，研制了具有獨(dú)自特點的刀具破損監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，建立了實現(xiàn)參數(shù)檢測的數(shù)學(xué)模型。并用實驗證明了該系統(tǒng)在線監(jiān)測刀具破損的可行性。
關(guān)鍵詞在線監(jiān)測 刀具破損 聲發(fā)射 電機(jī)電流
切削刀具破損的實時監(jiān)控是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、無人化，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)測的研究中，各國學(xué)者提出了很多方案，如采用監(jiān)測加工部件的表面粗糙度以及尺寸，加工過程中切削力、振動等的變化，以判斷刀具的破、磨損狀況。研究的很多方法尚處于實驗室階段，少數(shù)方法如監(jiān)測電機(jī)電流、主軸扭矩等開始用于生產(chǎn)實際。本文提出采用AE信號和監(jiān)測主軸電機(jī)電流的雙參數(shù)綜合方法來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)測精度高、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、信號顯示直觀、靈敏度高、可以實時在線檢測且使用方便等特點。
1 刀具破損的監(jiān)測原理
本系統(tǒng)采用聲發(fā)射(AE)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩檢測技術(shù)實現(xiàn)刀具破損的監(jiān)測。聲發(fā)射是指伴隨固體材料在斷裂時釋放儲存的能量產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象，AE信號由傳感器檢測，得到相應(yīng)的電信號，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表現(xiàn)出來的。刀具破損檢測以突發(fā)型AE信號為對象，用AE信號檢測發(fā)射源的位置和強(qiáng)度，了解被測對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，以實現(xiàn)切削刀具狀態(tài)的監(jiān)測。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，使直接來源于切削點的AE信號特征復(fù)雜，頻譜豐富，加深了刀具破損時AE信號識別與測量的困難，從這些信號中提取刀具破損的AE信號是實現(xiàn)在線監(jiān)測的關(guān)鍵。用圖1所示裝置提取切削刀具的AE信號特征，將AE傳感器裝置在刀架上，將傳感器檢測的AE信號經(jīng)前置放大器和主放大器兩級放大后，由采樣頻率達(dá)MHz的波形記錄儀采集、存儲，送至數(shù)字示波器進(jìn)行時域特性分析，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AE信號的頻率在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，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，應(yīng)采取多參數(shù)實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)測精度。
電機(jī)電流的監(jiān)測，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)。采用某一時刻電流值與正常切削時電流值之差作為刀具破損的特征信號I＝｜I1－I0｜ΣK閾?。?）
式中：I1——某一時刻電流的實測值；
I0——正常切削或切削開始的電流實測值。
當(dāng)切削條件、刀具材料、工件材質(zhì)等發(fā)生變化時，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。但在實際生產(chǎn)中，較大的電網(wǎng)電壓波動和周圍設(shè)備的啟動、停機(jī)都會影響I1值，因此，還應(yīng)監(jiān)測電網(wǎng)電壓的波動，并去除其對電機(jī)電流的影響。此時，用電機(jī)電流監(jiān)測刀具破損的判別式應(yīng)為I＝｜I1－I0｜－F｜U1－U0｜ΣK閾 （2）
式中：U1——
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