數(shù)控加工中心的刀具監(jiān)控技術(shù)

摘 要:數(shù)控加工已成為現(xiàn)代制造業(yè)的核心性技術(shù)，其中的安全性問題顯得日益重要，因此，刀具監(jiān)控技術(shù)在其發(fā)展過程中發(fā)揮著不可替代的作用。尤其是隨著數(shù)控加工中心自動化程度的不斷提高，對刀具監(jiān)控技術(shù)也提出了更高的要求。本文主要針對數(shù)控加工中心的刀具監(jiān)控技術(shù)展開研究和探討。

關(guān)鍵詞:數(shù)控加工中心刀具監(jiān)控

中圖分類號:TH12文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0109-01

在傳統(tǒng)切削加工過程中，刀具狀態(tài)的識別是通過加工人員辨別切削聲音、切屑顏色、切削時間等來判斷，或根據(jù)在加工工序之間拆卸刀具后實測其破損程度和磨損量來判斷。然而上述傳統(tǒng)人工判別刀具狀態(tài)的方法明顯不能滿足現(xiàn)代化機械制造技術(shù)要求，已經(jīng)成為制約先進制造技術(shù)發(fā)展的嚴重瓶頸。解決這些問題的關(guān)鍵在于實現(xiàn)對刀具磨損狀態(tài)的實時監(jiān)控，這也是近年來刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)再次獲得廣泛關(guān)注及研究的原因。刀具監(jiān)控技術(shù)作為先進制造技術(shù)的重要組成部分，是在現(xiàn)代制造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)，它推動切削加工過程向自動化和無人化方向發(fā)展起了極其重要的作用。

1 數(shù)控加工中心的刀具監(jiān)控原理

刀具監(jiān)控是指在產(chǎn)品切削加工過程中，通過檢測各類傳感器信號變化，測算刀具的磨損量，控制系統(tǒng)根據(jù)刀具監(jiān)控結(jié)果自動控制刀具進給，補償?shù)毒吣p產(chǎn)生的零件尺寸和形狀精度的變化。當?shù)毒吣p到一定程度，發(fā)生崩刃、破損、卷刃，喪失其切削能力或無法保障加工質(zhì)量的情形，及時報警停機，達到保證加工安全的目的。

圖1為刀具監(jiān)控系統(tǒng)的原理圖，數(shù)據(jù)采集處理模塊的傳感器將刀具加工過程中諸如電流、聲響、形狀、表面粗糙度等信息進行采集和數(shù)據(jù)變換，并將這些表示加工實時狀態(tài)的傳感數(shù)據(jù)輸送給數(shù)據(jù)決策判定模塊，數(shù)據(jù)決策判定模塊對比刀具切削數(shù)據(jù)庫中的各種工況數(shù)據(jù)進行實時診斷，輸出控制信號給數(shù)控加工中心NC系統(tǒng)，對加工過程進行實時控制調(diào)整，完成刀具的監(jiān)控管理。

2 刀具監(jiān)控方法

目前，國內(nèi)外學者對刀具監(jiān)控的方法進行了大量的研究。根據(jù)刀具磨損量監(jiān)測原理的不同，刀具磨損監(jiān)測主要分為直接監(jiān)測方法和間接監(jiān)測方法。

2.1 直接監(jiān)測方法

直接測量刀具磨損量或刀具破損狀態(tài)的方法稱為刀具的直接監(jiān)測方法。常用的主要有接觸監(jiān)測法和光學監(jiān)測法。直接監(jiān)測刀具磨損的傳感器有接觸探測傳感器、光學顯微鏡、高速攝像機等。

2.1.1 接觸監(jiān)測法

接觸監(jiān)測傳感器發(fā)明于1974年，它能夠監(jiān)測刀具的磨損和破損程度。監(jiān)測時，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)刀具的接觸力大小判斷刀具的破損程度。德國MALTO公司利用該方法研制的刀具破損監(jiān)測裝置，能夠成功監(jiān)測刀具的破損情況。該方法監(jiān)測精度較高，但只能在停車時進行檢測，不能用于實時監(jiān)控。

2.1.2 光學監(jiān)測法

通過光學傳感器獲得刀具磨損區(qū)域的圖形，并利用圖像處理技術(shù)得到刀具的磨損狀態(tài)。和其他檢測方法相比，采用光學法監(jiān)測刀具磨損的優(yōu)點是:不受切削條件和工件材料影響，能夠同時獲得刀具多個磨損模式的圖形，便于整體了解刀具的磨損形態(tài);缺點是易受加工方式的影響，許多加工方法無法采用光學法監(jiān)測其刀具狀態(tài)。

2.2 間接監(jiān)測方法

通過監(jiān)測與刀具磨損或破損密切相關(guān)的傳感器信號，并利用建立的刀具磨損量或破損狀態(tài)與傳感器信號特征關(guān)聯(lián)的數(shù)學模型，間接獲得刀具磨損量或刀具破損狀態(tài)的方法稱為刀具的間接監(jiān)測方法。常用的主要有振動監(jiān)測法、切削力監(jiān)測法、電流功率監(jiān)測法和聲發(fā)射監(jiān)測法。間接監(jiān)測刀具磨損的傳感器有:振動傳感器、測力儀、聲發(fā)射傳感器、扭矩傳感器、電流傳感器和功率傳感器等。與直接監(jiān)測刀具磨損的方法相比，間接測量方法具有不影響加工過程、可連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點，更適宜實時監(jiān)測。

2.2.1 基于振動的監(jiān)測法

切削過程中，振動信號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態(tài)分量引起，且與刀具-工件-機床構(gòu)成的切削系統(tǒng)本身的動態(tài)特性密切相關(guān)。在具體應(yīng)用過程中，與力信號分解方式一樣，振動信號被分解為3個方向的振動。根據(jù)不同的加工方式，可選擇不同方向的振動信號來監(jiān)測刀具磨損。測量振動信號的傳感器是加速度傳感器，傳感器通過磁力直接吸附在工件表面，安裝非常簡便，但是不同的安裝位置對信號也會產(chǎn)生不同的影響，這也是使用振動信號監(jiān)測刀具狀態(tài)實用化進程的一個障礙。

2.2.2 基于切削力的監(jiān)測法

作為加工過程中最穩(wěn)定、最可靠的信號，切削力信號與刀具磨損量或破損狀態(tài)密切相關(guān)。此外，測力傳感器在工業(yè)上的成功應(yīng)用，使得切削力監(jiān)測技術(shù)成為刀具磨損監(jiān)控研究領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最具優(yōu)勢的方法。

2.2.3 基于電流和功率的監(jiān)測法

刀具磨損時切削力增大，從而造成切削功率和扭矩的增加，使得機床電機電流增大，負載功率也隨之增大，因此部分研究人員采用監(jiān)測電流或功率的方法識別刀具磨損狀態(tài)的變化。

電流監(jiān)測方法和功率監(jiān)測方法具有安裝簡易、測量信號簡便、成本低、不受加工條件限制、不干擾加工過程等優(yōu)點，因此成為一種廣泛采用的監(jiān)測方法。而分辨率低和響應(yīng)慢的問題成為限制該方法發(fā)展的關(guān)鍵，尤其在精加工時，進給量和切削深度的改變對機床功率和電流的改變影響很小，識別精度無法提高嚴重影響了它的應(yīng)用范圍。

2.2.4 聲發(fā)射監(jiān)測法

聲發(fā)射(Acoustic Emission，A E)信號是金屬材料在受力后發(fā)生品格位錯、裂紋擴展和斷裂時釋放出一種超高頻應(yīng)力波(一般為0.1～1MHz)的脈動信號。聲發(fā)射監(jiān)測法的優(yōu)點是:避開了切削過程中振動音頻噪聲污染嚴重的低頻區(qū)，受切削條件變動影響比較小，抗環(huán)境干擾的聲發(fā)射-溫度傳感器監(jiān)測系統(tǒng)能力較強。由于聲發(fā)射信號能直接反映金屬材料內(nèi)部晶格的變化，所以有可能對刀具破損進行預(yù)報，被認為是一種很有前途的刀具磨損與破損監(jiān)控方法。

具監(jiān)控技術(shù)已成為當代先進制造技術(shù)應(yīng)用中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一，它還將隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展繼續(xù)進步。

參考文獻

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