刀具磨損、破損的聲發(fā)射監控法的研究

刀具磨損、破損的聲發(fā)射監控法的研究

摘要：本文討論了聲發(fā)射監控法在線(xiàn)監控刀具磨損、破損的原理及實(shí)現方法。描述了聲發(fā)射信號的產(chǎn)生及特征以及系統硬件原理圖。實(shí)驗及結果證明了此方法的可行性。
關(guān)鍵詞：刀具磨損破損；在線(xiàn)監測；聲發(fā)射傳感器
1引言
刀具磨損和破損的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測是自動(dòng)化加工生產(chǎn)線(xiàn)中一個(gè)困難而又重要的問(wèn)題。它是實(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。但由于實(shí)際切削過(guò)程中環(huán)境惡劣、刀具和工件的多樣性、采集數據離散性大等因素，使得實(shí)際監測存在很大的困難。監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(lèi)。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(dòng)分析法，聲發(fā)射(AE)法，主電機功率或電流監測法等。這里主要討論AE監控法。
2聲發(fā)射(AE)信號的產(chǎn)生
物體在狀態(tài)改變時(shí)自動(dòng)發(fā)出聲音的現象，常稱(chēng)為聲發(fā)射。如材料或構件受外力或內力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，就以彈性波的形式釋放出應變能量，這是一種聲物理現象，用AE(acoustic emission)表示。在金屬切削過(guò)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(guò)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)型和連續型兩種。突發(fā)型AE信號是在表面上開(kāi)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(cháng)；如刀具的異常磨損、破損時(shí)釋放的彈性波能量轉換成聲音傳播，主要發(fā)出非周期的AE信號。連續型聲發(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A(yíng)E信號提供了工件、刀具等狀態(tài)變化的有關(guān)信息，所以，可以根據機床結構內部發(fā)出的應力波來(lái)判斷結構內部的損傷程度。AE信號的監測是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損監測技術(shù)，聲發(fā)射源往往就是材料破損的位置。
3 AE信號監測的特點(diǎn)
(1)AE信號是反映刀具磨損或破損的動(dòng)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(lái)。
(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，即具有不復現性。
(4)AE信號的產(chǎn)生不僅與宏觀(guān)因素有關(guān)，還跟微觀(guān)因素有關(guān)，具有隨機性。
(5)抗干擾能力強，AE信號受切削參數和刀具幾何參數的影響較小。
AE信號一般是用壓電式傳感器拾取，經(jīng)放大、濾波后由計算機或波形分析儀進(jìn)行分析。
5刀具磨損、破損AE信號監測系統的組成
(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。對于一般數控車(chē)削加工來(lái)說(shuō)，可以直接安裝在車(chē)刀刀桿的后端部，但對于銑削、鉆削和加工中心來(lái)說(shuō)，就不能安裝在刀具上了，這時(shí)，必須解決AE信號的傳播問(wèn)題，即必須將AE信號從動(dòng)態(tài)旋轉刀具上過(guò)渡到靜止的傳感器上。實(shí)踐證明，磁流體作為AE信號的傳導介質(zhì)，用于檢測刀具旋轉及自動(dòng)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(lái)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(lái)得到一個(gè)低頻的AE包絡(luò )信號，以適應A／D轉換器的相應時(shí)間，進(jìn)行計算機處理。A／D轉換器的采樣頻率根據檢波后的AE信號頻率來(lái)定，一般采樣周期為10μs。
(3)環(huán)境電參數監測
對機床周?chē)娋W(wǎng)及機床電機信號監測，輔助判別由刀具不工作時(shí)產(chǎn)生的AE信號來(lái)源并將此AE信號區別出來(lái)，對減少誤判有重要意義。
(4)計算機
計算機是監控系統的控制心臟，根據應用環(huán)境的不同，選擇工業(yè)控制機或單片機。在計算機中配有與數控機床交互的通訊接口，并可以得到數控機床加工程序使用的刀具狀態(tài)信息[2]。
6 刀具磨損、破損監控過(guò)程及結果
在刀具監控儀與數控機床連通后，將刀具參數存入刀具數據庫中，將加工用量及其他相應信息存人加工過(guò)程隨機數據庫中，監控儀根據該信息選擇放大倍數和閥值。
在監控工作階段，系統根據上述選擇的放大倍數和閥值，控制并調節AE信號的大小，將閥值與計算機采樣值進(jìn)行比較并判斷刀具狀態(tài)。當發(fā)現刀具異常時(shí)，將記錄下來(lái)的AE信號波形及刀具數據等信息顯示在顯示器上，并輸出報警信號及控制信號。
7結論
上述聲發(fā)射法監控刀具破損儀可用于普通車(chē)、銑、鉆床，也可用于數控車(chē)床及加工中心，試驗表明：其車(chē)刀破損報警成功率95％，銑刀破損報警成功率90％，鉆頭磨損報警成功率95％，破損報警響應時(shí)間3ms。AE信號檢測技術(shù)由于其獨特的優(yōu)點(diǎn)，現正逐步走向實(shí)用化。