自動化制造技術第五章 第三節(jié) 刀具的自動識別和監(jiān)測 劉帆

第三節(jié)刀具的自動識別和監(jiān)測一、刀具的自動識別刀具狀態(tài)監(jiān)控是產品質量保證及加工系統(tǒng)可靠運行的關鍵技術之一.刀具磨損直接影響工件的加工度和表面粗糙度,而刀具破損不僅影響工件質量,嚴重時甚至影響整個加工系統(tǒng)的正常運行,造成很大的損失.因此,刀具狀態(tài)的識別和監(jiān)控對保證切削加工系統(tǒng)的安全、切削的順利進行、降低生產成本以及提高勞動生產率等方面具有重要的意義。一刀具的自動化識別刀具的自動化識別是指對刀具的切削狀態(tài)的識別。刀具的自動化識主要要是指在加工過程中能在線識別出切削狀態(tài)：刀具磨損、破損、切削纏繞以及切削顫振等等刀具狀態(tài)識別的方法基于時序分析的刀具破損狀態(tài)識別基于小波分析的刀具破損狀態(tài)識別基于電流信號的刀具磨損狀態(tài)識別基于人工神經網絡的刀具磨損狀態(tài)識別刀具磨損狀態(tài)識別模型1、鉆頭磨損狀態(tài)劃分A類、0.2mmB類、0.5mmC類、0.8mm電流信號模型電流信號I切削速度v進給量f刀具直徑d刀具磨損量wIs∞Ksva1fa2da3If∞Kfvb1fb2db3刀具尺寸測量控制系統(tǒng)

加工過程中刀具的磨損將造成工件的精度及粗糙度變差，甚至造成工件的報廢、昂貴設備的損傷、機床停機等故障，直接影響著機械加工的精度、效率及經濟效益。據統(tǒng)計生產工程中75%以上的設備故障是由于刀具失效引起的，因此對刀具狀態(tài)進行在線監(jiān)測顯得尤為重要。隨著生產自動化程度的提高，特別是柔性制造系統(tǒng)(FMS)技術的出現，人們越來越重視對加工過程的在線監(jiān)測。刀具磨損的測試方法方法傳感方式應用場合主要特征直接法光學圖像法砂輪磨損、離線或在線，非實時監(jiān)測多種刀具分辨率0.1um-0.2um尚未實用化，設備昂貴接觸法車削、鉆削刀具靈敏度10um，受切削與切削溫度變化影響放射線法各種切削工藝靈敏度10um，不受切削與切削溫度變化影響切削力車、鉆、鉆削等靈敏度20um，切削分力比功率發(fā)有應用價值功率發(fā)車、銑、鏜削等靈敏度不高，響應慢，安裝使用方便間接法切削溫度法車削等預測無應用前途刀具工件距離探測法車削等處于試驗階段聲發(fā)射法、噪聲、震動分析車、鉆、銑、拉、鏜、攻螺紋等尚未建立不同程度磨損的判斷，有極大的應用前景刀具狀態(tài)監(jiān)測方法概述

1.直接測量法

直接測量法能夠識別刀刃外觀、表面質量或幾何形狀的變化，一般只能在不切削時進行，它有兩個明顯的缺點：一是要求停機檢測；二是不能檢測出加工過程中出現的刀具突然破損。國內外采用的刀具磨損量的直接測量法有：電阻測量法、刀具工件間距測量法、光學測量法、放電電流測量法、射線測量法、微結構鍍層法及計算機圖像處理法刀具狀態(tài)監(jiān)測方法概述（1）電阻測量法

該方法利用待測切削刃與傳感器接觸產生的電信號脈沖，來測量待測刀具的實際磨損狀態(tài)。該方法的優(yōu)點在于傳感器價格低廉，缺點是傳感器的選材必須十分注意，既要有良好的可切削性，又要對刀具壽命無明顯的影響，而且工作不太可靠，因為切屑和刀具上的積屑可能引起傳感器接觸部分短路，從而影響精度。（2）刀具工件間距測量法

切削過程中隨著刀具的磨損，刀具與工件間的距離減小，此距離可用電子千分尺、超聲波測量儀、氣動測量儀、電感位移傳感器等進行測量。但是這種方法的靈敏度易受工件表面溫度、表面品質、冷卻液及工件尺寸等因素的影響，使其應用收到一定限制刀具狀態(tài)監(jiān)測方法概述3）光學測量法

光學測量法的原理是磨損區(qū)比未磨損區(qū)有更強的光反射能力，刀具磨損越大，刀刃反光面積就越大，傳感器檢測的光通量就越大。由于熱應力引起的變形及切削力引起的刀具位移都影響檢測結果，所以該方法所測得的結果并非真實的磨損量，而是包含了上述因素在內的一個相對值，此法在刀具直徑較大時效果較好。4）放電電流測量法

將切削力刀具與傳感器之間加上高壓電，在測量回路中流過的（弧光放電）電流大小就取決于刀刃的幾何形狀（即刀尖到放電電極間的距離）。該方法的優(yōu)點是可以進行在線檢測，檢測崩齒、斷刀等刀具幾何尺寸的變化，但不能精確地測量刀刃的幾何尺寸。刀具狀態(tài)監(jiān)測方法概述5）射線測量法

將有放射性的物質摻入刀具材料內，當刀具磨損時，放射性的物質微粒就會隨切屑一起通過一個預先設計好的射線測量器。射線測量器中所測得的量是同刀具磨損密切相關的，射線劑量的大小就反映了刀具磨損量的大小。該法的最大弱點是放射性物質對環(huán)境的污染大，對人體健康非常不利。此外，盡管此法可以測量刀具的磨損量，并不能準確地測定刀具切削刃的狀態(tài)。因此，該法僅適用于某些特殊場合，不宜廣泛采用6）微結構鍍層法

將微結構導電鍍層同刀具的耐磨保護層結合在一起。微結構導電鍍層的電阻隨著刀具磨損狀態(tài)的變化而變化，磨損量越大，電阻就越小。當刀具出現崩齒、折斷及過度磨損現象時，電阻趨于零。該方法的優(yōu)點是檢測電路簡單，檢測精度高，可以實現在線檢測。缺點是對微結構導電鍍層的要求很高：要具有良好的耐磨性、耐高溫性和抗沖擊性能刀具狀態(tài)監(jiān)測方法概述2.間接測量法

間接測量法利用刀具磨損或將要破損時的狀態(tài)對不同的工作參數的影響效果，測量反映刀具磨損、破損的各種影響程度的參量，能在刀具切削時進行檢測，不影響切削加工過程，其不足之處在于檢測到的各種過程信號中含有大量的干擾因素。盡管如此，隨著信號分析處理技術、模式識別技術的發(fā)展，這一方法己成為一種主流方法，并取得了很好的效果。國內外采用的刀具磨損的間接測量法有：切削力測量法、機械功率測量法、聲發(fā)射、熱電壓測量法、振動信號及多信息融合檢測。刀具狀態(tài)監(jiān)測方法概述（1）聲發(fā)射信號測量法