單臺機床的加工,對刀具磨損和破損的監(jiān)測,憑工人的經(jīng)驗,尚能進行正常的生產,而對FMS、CIMS、無人化工廠,必須解決刀具磨損與破損的在線實時監(jiān)測及控制問題。因為及時確定刀具磨損和破損的程度并進行在線實時控制,是提高生產過程自動化程度及保證產品質量,避免損壞機床、刀具、工件的關鍵要素之一。
監(jiān)測原理監(jiān)測參量的選取監(jiān)測原理監(jiān)測原理框圖監(jiān)測刀具磨損和破損的方法很多,可分為直接測量法和間接測量法兩大類。直接測量法主要有:光學法、接觸電阻法、放射性法等。間接測量法主要有:切削力或功率測量法,刀具和工件測量法,溫度測量法,振動分析法,AE法,電機電流或功率測量法等。
比較現(xiàn)有的刀具磨損和破損的監(jiān)測方法,各有優(yōu)缺點,我們選取聲發(fā)射(AE)和電機電流信號作為監(jiān)測參量。這是因為AE信號能避開機加工中噪聲影響最嚴重的低頻區(qū),受振動和聲頻噪聲影響小,在感興趣區(qū)信噪比較高,便于對信號進行處理。響應速度快,靈敏度高;但重負荷時,易受干擾。而電機電流信號易于提取,能適應所有的機加工過程,對正常的切削加工沒有影響,但易受干擾,時間響應慢,輕負荷時,靈敏度低。這樣,同時選AE和電機電流為監(jiān)測信號,就能利用這2個監(jiān)測量的各自長處,互補不足,拓寬監(jiān)測范圍,提高監(jiān)測精度和判別成功率。
切削過程中,當?shù)毒甙l(fā)生磨損和破損時,切削力相應發(fā)生變化,切削力的變化引起電機輸出轉矩發(fā)生變化,進而導致電機電流發(fā)生相應的變化,電流法正是通過監(jiān)測電機電流的變化,實現(xiàn)間接在線實時判斷刀具的磨損和破損。AE是材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂時,以彈性波形的形式釋放出應變能的現(xiàn)象。它具有幅值低,頻率范圍寬的特點。試驗及頻譜分析發(fā)現(xiàn):正常切削產生的AE信號主要是工件材料的塑性變形,其功率譜分布,100kHz以下數(shù)值很大,100kHz以上較小。
當?shù)毒吣p和破損時,100kHz以上頻率成分的AE信號要比正常切削時大得多,特別是100-300kHz之間的頻率成分更大些。為此,應通過帶通濾波器,監(jiān)測100-300kHz頻率成分AE信號的變化,對刀具磨損和破損進行監(jiān)測。
利用AE、電機電流信號綜合對刀具磨損和破損進行判別的原理是:輕負荷區(qū),依靠AE包絡信號,用閾值的方法進行判別;在中負荷區(qū),這時電機電流和AE信號都起作用,用兩者結合的方法進行判別,提高判別的成功率,具體方法是:如果AE信號超過AE閾值,則置延時常數(shù)為ds(d的數(shù)值依賴于系統(tǒng)構成),如果在ds時間內,電流信號也超過電流信號的閾值,則判刀具極限磨損或破損。如果在ds時間內,電流信號未超過電流信號的閾值,則不報警,由延時常數(shù)繼續(xù)監(jiān)測。這種以AE為先導,AE信號和電機電流信號進行“與”的判別模式,既利用了AE信號具有實時、靈敏的特點,又考慮了電機電流信號具有滯后的性質,具有較強的抗干擾能力,提高了判別成功率。在大負荷區(qū),則以電機電流信號為主,AE信號為輔進行判別。下圖為監(jiān)測系統(tǒng)的線路框圖。
中間一路為電網(wǎng)電壓監(jiān)測線路,通過對電源的波動進行監(jiān)測,消除由于電網(wǎng)電壓波動對監(jiān)測的影響,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖中虛線部分為自動減去首切電流線路,目的是自動減去首切電流,以電流的變動量為判別量,提高電流信號監(jiān)測的靈敏度。