刀具磨損、破損的聲發(fā)射監(jiān)控法的研究

摘要：本文討論了聲發(fā)射監(jiān)控法在線監(jiān)控刀具磨損、破損的原理及實(shí)現(xiàn)方法。描述了聲發(fā)射信號的產(chǎn)生及特征以及系統(tǒng)硬件原理圖。實(shí)驗(yàn)及結(jié)果證明了此方法的可行性。
關(guān)鍵詞：刀具磨損破損；在線監(jiān)測；聲發(fā)射傳感器
1引言
刀具磨損和破損的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測是自動化加工生產(chǎn)線中一個困難而又重要的問題。它是實(shí)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。但由于實(shí)際切削過程中環(huán)境惡劣、刀具和工件的多樣性、采集數(shù)據(jù)離散性大等因素，使得實(shí)際監(jiān)測存在很大的困難。監(jiān)測刀具磨損和破損的方法目前很多，大致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(xué)法、接觸電阻法、放射性法等。間接測量法主要有：溫度測量法，振動分析法，聲發(fā)射(AE)法，主電機(jī)功率或電流監(jiān)測法等。這里主要討論AE監(jiān)控法。
2聲發(fā)射(AE)信號的產(chǎn)生
物體在狀態(tài)改變時(shí)自動發(fā)出聲音的現(xiàn)象，常稱為聲發(fā)射。如材料或構(gòu)件受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，就以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能量，這是一種聲物理現(xiàn)象，用AE(acoustic emission)表示。在金屬切削過程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號的信號源有：工件的斷裂，工件與刀具的磨損，切削的變形，刀具的破損及工件的塑性變形等，因此，在切削過程中產(chǎn)生非常豐富的聲發(fā)射信號。AE信號可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種。突發(fā)型AE信號是在表面上開裂時(shí)產(chǎn)生的，其信號幅值較大，各聲發(fā)射事件之間間隔較長；如刀具的異常磨損、破損時(shí)釋放的彈性波能量轉(zhuǎn)換成聲音傳播，主要發(fā)出非周期的AE信號。連續(xù)型聲發(fā)射信號幅值較低，事件發(fā)生的頻率較高，以致難以分為單獨(dú)事件，比如由固體材料的彈塑性變形和正常切削發(fā)出的AE信號等[1]
由于AE信號提供了工件、刀具等狀態(tài)變化的有關(guān)信息，所以，可以根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波來判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷程度。AE信號的監(jiān)測是一種動態(tài)無損監(jiān)測技術(shù)，聲發(fā)射源往往就是材料破損的位置。
3 AE信號監(jiān)測的特點(diǎn)
(1)AE信號是反映刀具磨損或破損的動態(tài)信息，而超聲波、紅外探傷等得到的只是靜態(tài)的信息。
(2)AE信號不受物體位置的限制，所以，對傳感器安裝位置限制較少。
(3)AE信號只接收由材料本身所發(fā)射的超聲波。
(4)靈敏度高，故障在萌芽時(shí)期就有AE信號發(fā)射出來。
(5)不受材料的限制。
4 AE信號的基本特征和分析方法
AE信號的基本特征表現(xiàn)在：
(1)AE信號上升時(shí)間很短，約llμs左右。
(2)AE信號有很寬的頻率范圍，從次聲到超聲(30MHz)。
(3)AE信號一般是不可逆的，即具有不復(fù)現(xiàn)性。
(4)AE信號的產(chǎn)生不僅與宏觀因素有關(guān)，還跟微觀因素有關(guān)，具有隨機(jī)性。
(5)抗干擾能力強(qiáng)，AE信號受切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)的影響較小。
AE信號一般是用壓電式傳感器拾取，經(jīng)放大、濾波后由計(jì)算機(jī)或波形分析儀進(jìn)行分析。
5刀具磨損、破損AE信號監(jiān)測系統(tǒng)的組成
(1)AE傳感器
由于刀具破損的AE信號頻率分布范圍很窄，因此可選諧振式窄帶傳感器。對于一般數(shù)控車削加工來說，可以直接安裝在車刀刀桿的后端部，但對于銑削、鉆削和加工中心來說，就不能安裝在刀具上了，這時(shí)，必須解決AE信號的傳播問題，即必須將AE信號從動態(tài)旋轉(zhuǎn)刀具上過渡到靜止的傳感器上。實(shí)踐證明，磁流體作為AE信號的傳導(dǎo)介質(zhì)，用于檢測刀具旋轉(zhuǎn)及自動換刀的加工中心上刀具破損時(shí)的AE信號是最理想的。
(2)前置放大器、濾波器和檢測器
從AE傳感器來的AE信號是很微弱的電信號，其幅值約幾微伏至幾十微伏，應(yīng)進(jìn)行前置放大，并用帶通濾波器選取需要的AE信號，濾掉干擾信號，通帶范圍約為80~300kHz。包絡(luò)檢波電路的作用是將AE信號的頻率降下來得到一個低頻的AE包絡(luò)信號，以適應(yīng)A／D轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)時(shí)間，進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理。A／D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率根據(jù)檢波后的AE信號頻率來定，一般采樣周期為10μs。
(3)環(huán)境電參數(shù)監(jiān)測
對機(jī)床周圍電網(wǎng)及機(jī)床電機(jī)信號監(jiān)測，輔助判別由刀具不工作時(shí)產(chǎn)生的AE信號來源并將此AE信號區(qū)別出來，對減少誤判有重要意義。
(4)計(jì)算機(jī)
計(jì)算機(jī)是監(jiān)控系統(tǒng)的控制心臟，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，選擇工業(yè)控制機(jī)或單片機(jī)。在計(jì)算機(jī)中配有與數(shù)控機(jī)床交互的通訊接口，并可以得到數(shù)控機(jī)床加工程序使用的刀具狀態(tài)信息[2]。
6 刀具磨損、破損監(jiān)控過程及結(jié)果
在刀具監(jiān)控儀與數(shù)控機(jī)床連通后，將刀具參數(shù)存入刀具數(shù)據(jù)庫中，將加工用量及其他相應(yīng)信息存人加工過程隨機(jī)數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控儀根據(jù)該信息選擇放大倍數(shù)和閥值。
在監(jiān)控工作階段，系統(tǒng)根據(jù)上述選擇的放大倍數(shù)和閥值，控制并調(diào)節(jié)AE信號的大小，將閥值與計(jì)算機(jī)采樣值進(jìn)行比較并判斷刀具狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)刀具異常時(shí)，將記錄下來的AE信號波形及刀具數(shù)據(jù)等信息顯示在顯示器上，并輸出報(bào)警信號及控制信號。
7結(jié)論
上述聲發(fā)射法監(jiān)控刀具破損儀可用于普通車、銑、鉆床，也可用于數(shù)控車床及加工中心，試驗(yàn)表明：其車刀破損報(bào)警成功率95％，銑刀破損報(bào)警成功率90％，鉆頭磨損報(bào)警成功率95％，破損報(bào)警響應(yīng)時(shí)間3ms。AE信號檢測技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)正逐步走向?qū)嵱没?/FONT>