刀具磨損監(jiān)測技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀淺析

季宏宇

摘 要： 本文主要針對刀具磨損監(jiān)測技術(shù)進行了論述，闡述了國內(nèi)外關(guān)于刀具磨損檢測的諸多方法，包括直接監(jiān)測和間接監(jiān)測法，對諸多方法進行了分析，并就多傳感器融合技術(shù)進行了初步探討。

關(guān)鍵詞： 刀具 磨損 監(jiān)測技術(shù)

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

1.直接監(jiān)測方法

直接測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)測方法。常用的方法主要有接觸法、放射線法和光學檢測方法，直接檢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。

（1）接觸檢測方法

接觸探測傳感器于1974年由Renishaw發(fā)明，能夠檢測刀具磨損和破損。在檢測刀具磨損和破損程度時，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)刀具的接觸力判斷刀具的破損程度。該方法有較高的檢測精度。其缺點是只能在停車時進行檢測，不能用于實時監(jiān)控。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[4]。

（2）放射線檢測方法

由Massachusetts技術(shù)研究所開發(fā)的放射線檢測裝置，用于檢測刀具是否已經(jīng)達到預先指定的磨損狀態(tài)。此方法是預先在刀具后刀面設(shè)置一個位置，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，就說明已經(jīng)達到磨鈍標準。此方法的缺點是不能進行實時監(jiān)控，并且具有放射性污染。

（3）光學檢測法

通過光學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)。和其他檢測方法相比，采用光學法檢測刀具磨損的優(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)。其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.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，利用建立的刀具磨損或破損和信號特征之間的數(shù)學模型，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)測方法。間接監(jiān)測刀具磨損的傳感器以下幾種，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，可以連續(xù)監(jiān)測加工過程的優(yōu)點，更適宜于加工中的在線監(jiān)測。因此，大多數(shù)國內(nèi)外學者都利用這種方法研究刀具磨損監(jiān)測中的相關(guān)技術(shù)難題[2]。

（1）切削力監(jiān)測技術(shù)

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

（2）基于聲發(fā)射的監(jiān)測技術(shù)

自1955年德國科學家Kaiser發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象以來，聲發(fā)射技術(shù)在工程應用方面得到迅速發(fā)展，被公認為是一種最具潛力的新型檢測技術(shù)。聲發(fā)射是一種物理現(xiàn)象，是指固體材料在變形、破裂和相位改變時迅速釋放應變能而產(chǎn)生的一種彈性應力波。研究表明，在金屬切削過程中，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)象都會引起聲發(fā)射現(xiàn)象。

（3）基于振動（加速度）的監(jiān)測技術(shù)

切削過程中的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，且和刀具—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)。在具體應用過程中，振動信號和力信號一樣，被分解為三個方向的振動。根據(jù)不同的加工方式，選擇不同方向的振動信號監(jiān)測刀具的磨損。

（4）基于電流和功率的監(jiān)測技術(shù)

刀具磨損時，由于切削力增強，造成切削功率和扭矩增加，使得機床電機電流增大，負載功率隨之增大，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，因此成為廣泛采用的一種監(jiān)測方法。此外，導軌的誤差和傳動系統(tǒng)的精度也會造成電機電流和功率的改變。

（5）表面光潔度監(jiān)測法

刀具的磨損必將導致零件表面尺寸精度和表面光潔度的改變，這是監(jiān)測刀具狀態(tài)的直接原因，因此可以通過檢測零件表面光潔度的方法監(jiān)測刀具磨損。

（6）超聲波監(jiān)測法

用來檢測刀具狀態(tài)的超聲波傳感器是一套超聲波發(fā)射和接收裝置。在機械加工過程中，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的超聲波能量也發(fā)生變化。通過對接收到的能量變化進行檢測，就可間接獲得刀具磨損狀態(tài)。

（7）基于溫度的監(jiān)測方法

由金屬切削機理可知，隨著刀具磨損量的增加，切削溫度明顯升高，溫度升高的同時會加速刀具的磨損，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)測刀具狀態(tài)。

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

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，提取對象的有效信息，充分利用多傳感器資源，通過對它們的合理支配和使用，把多個傳感器在時間或空間上的冗余信息或互補信息依據(jù)某種準則進行組合，以獲得被測對象的一致性解釋或描述。多傳感器信息融合是刀具監(jiān)測系統(tǒng)廣泛采用的方法，通過對不同傳感器信號信息進行不同層次的融合，使監(jiān)測系統(tǒng)獲得對象更全面的信息，多傳感器信息融合與經(jīng)典信號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準則，因此數(shù)據(jù)合成主要作為單一特征進行門限檢測，而很難建立監(jiān)測模型，刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)幾乎沒有應用。

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

參考文獻：

[1]王忠民，王信義，楊大勇，等.刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù).制造技術(shù)與機床，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)測方法.北京理工大學學報，2000，20（3）：276-280.

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

[4]吳道全，萬光珉，林樹興，等.金屬切削原理及刀具[M].重慶：重慶大學出版社，1994：46-59.