用聲發(fā)射和電機電流檢測技術(shù)實(shí)現刀具破損的監測

作者：時(shí)間：2013-11-27 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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用聲發(fā)射和電機電流檢測技術(shù)實(shí)現刀具破損的監測

摘　要　采用聲發(fā)射(AE)和電機電流多特征參數融合檢測的方法，研制了具有獨自特點(diǎn)的刀具破損監測系統。介紹了系統的軟硬件結構，建立了實(shí)現參數檢測的數學(xué)模型。并用實(shí)驗證明了該系統在線(xiàn)監測刀具破損的可行性。
　　關(guān)鍵詞在線(xiàn)監測　刀具破損　聲發(fā)射　電機電流
　　切削刀具破損的實(shí)時(shí)監控是實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、無(wú)人化，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減少設備故障的重要手段。在刀具破損監測的研究中，各國學(xué)者提出了很多方案，如采用監測加工部件的表面粗糙度以及尺寸，加工過(guò)程中切削力、振動(dòng)等的變化，以判斷刀具的破、磨損狀況。研究的很多方法尚處于實(shí)驗室階段，少數方法如監測電機電流、主軸扭矩等開(kāi)始用于生產(chǎn)實(shí)際。本文提出采用AE信號和監測主軸電機電流的雙參數綜合方法來(lái)判斷切削刀具的破損狀態(tài)，該方法受切削條件的影響小，具有監測精度高、系統抗干擾能力強、信號顯示直觀(guān)、靈敏度高、可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測且使用方便等特點(diǎn)。
　　1　刀具破損的監測原理
　　本系統采用聲發(fā)射(AE)和電機轉矩檢測技術(shù)實(shí)現刀具破損的監測。聲發(fā)射是指伴隨固體材料在斷裂時(shí)釋放儲存的能量產(chǎn)生彈性波的現象，AE信號由傳感器檢測，得到相應的電信號，它分為突發(fā)型和連續型兩類(lèi)，前者是伴隨固體材料的微小裂紋和龜裂而產(chǎn)生的，后者是材料在塑性變形時(shí)表現出來(lái)的。刀具破損檢測以突發(fā)型AE信號為對象，用AE信號檢測發(fā)射源的位置和強度，了解被測對象內部結構的變化，以實(shí)現切削刀具狀態(tài)的監測。在切削過(guò)程中，由于金屬變形、擠壓、摩擦等的影響以及切削環(huán)境變化，使直接來(lái)源于切削點(diǎn)的AE信號特征復雜，頻譜豐富，加深了刀具破損時(shí)AE信號識別與測量的困難，從這些信號中提取刀具破損的AE信號是實(shí)現在線(xiàn)監測的關(guān)鍵。用圖1所示裝置提取切削刀具的AE信號特征，將AE傳感器裝置在刀架上，將傳感器檢測的AE信號經(jīng)前置放大器和主放大器兩級放大后，由采樣頻率達MHz的波形記錄儀采集、存儲，送至數字示波器進(jìn)行時(shí)域特性分析，并由繪圖儀繪出結果。圖2所示為切削加工中AE信號的頻率分布，圖中表明，切削加工中機械噪聲、機床空轉噪聲的頻率在＜100kHz范圍內，而刀具破損時(shí)AE信號的頻率在300～500kHz范圍內，且峰值較大，因此，要正確提取刀具破損的AE信號，應選好合適帶寬的AE傳感器以及帶通濾波器的頻率范圍。同時(shí)，應采取多參數實(shí)域頻域綜合處理方法，以利有效抑制各種環(huán)境噪聲，提高監測精度。
　　電機電流的監測，在切削過(guò)程中，刀具破損發(fā)生變化，導致切削力發(fā)生變化，切削力的變化引起主軸轉矩發(fā)生變化，進(jìn)而導致電機電流發(fā)生變化，監測電機電流的大小可間接地判斷刀具的狀態(tài)。采用某一時(shí)刻電流值與正常切削時(shí)電流值之差作為刀具破損的特征信號I＝｜I1－I0｜ΣK閾?。?）
式中：I1——某一時(shí)刻電流的實(shí)測值；
I0——正常切削或切削開(kāi)始的電流實(shí)測值。
　　當切削條件、刀具材料、工件材質(zhì)等發(fā)生變化時(shí)，I1值發(fā)生變化，I0值也隨之變化，但兩者的差值變化不大，即I值變化主要取決于刀具的破損狀態(tài)，而與切削條件變化的影響關(guān)系不大。但在實(shí)際生產(chǎn)中，較大的電網(wǎng)電壓波動(dòng)和周?chē)O備的啟動(dòng)、停機都會(huì )影響I1值，因此，還應監測電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，并去除其對電機電流的影響。此時(shí)，用電機電流監測刀具破損的判別式應為I＝｜I1－I0｜－F｜U1－U0｜ΣK閾?。?）
式中：U1——

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