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刀具破損的聲發(fā)射傳感監測新技術(shù)
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時(shí)間：2013-11-27
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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刀具破損的聲發(fā)射傳感監測新技術(shù)
隨著(zhù)FMS、CIMS的日益廣泛使用，機械加工正朝著(zhù)自動(dòng)化、無(wú)人化方向迅速發(fā)展，加工過(guò)程中刀具的狀態(tài)監測已成為制約切削加工發(fā)展的重要因素。聲發(fā)射(Acoustic Emission-AE)方法是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的最有前途的監測方法之一，由于它監測的是刀具磨損和破損時(shí)產(chǎn)生的高頻彈性應力波信號，避開(kāi)了加工過(guò)程中振動(dòng)和音頻噪聲污染嚴重的低頻區，在所感興趣的頻率范圍內靈敏度較高，抗干擾能力強，因而，在刀具切削狀態(tài)的監測中得到廣泛采用〔1〕〔2〕。目前，在國內外用聲發(fā)射監測刀具切削狀態(tài)時(shí)，大多使用接觸型聲發(fā)射傳感器，這種傳感器結構簡(jiǎn)單、成本低。不利之處是實(shí)際環(huán)境噪聲干擾易造成其誤判；因聲發(fā)射信號在接觸界面處傳播時(shí)損耗很大，一般要求將傳感器安裝在工作臺或刀桿上，這就帶來(lái)了信號傳輸和傳感器安裝難的問(wèn)題。
針對以上問(wèn)題，作者提出了一種新型非接觸型聲發(fā)射傳感器，此種傳感器利用流體(液體或空氣)傳播聲發(fā)射波，并集寬頻帶、高增益的前置放大器于一體，具有抗干擾和驅動(dòng)能力強，靈敏度高，安裝使用方便的優(yōu)點(diǎn)。傳感器的另一個(gè)特點(diǎn)是前置放大器采用對數放大器，大大地拓寬了傳感器的輸入信號動(dòng)態(tài)范圍。
2 新型非接觸聲發(fā)射傳感器的結構
針對傳統聲發(fā)射方法的不足，在深入研究了金屬材料間的摩擦和磨損聲發(fā)射的機理、聲發(fā)射波傳播和衰減規律的基礎上〔3〕，研制了一種利用液體介質(zhì)傳遞刀具切削狀態(tài)信息的新型非表面接觸式聲發(fā)射傳感器，其結構如圖1所示，使用時(shí)安裝在機床原有的潤滑冷卻管的噴嘴上，刀具破損時(shí)，AE信號通過(guò)潤滑冷卻液，以和潤滑冷卻液流動(dòng)相反的方向傳遞到傳感器，然后進(jìn)入監測儀進(jìn)行分析處理。對于A(yíng)E信號來(lái)說(shuō)，這些液體是良好的媒質(zhì)。傳播頻率范圍大，從幾赫茲到幾十兆赫茲，并且由于液體中只能傳播縱波，所以信號傳播過(guò)程中的干涉損失小，信號失真小，在一定的邊界條件下，還可以保證隨傳播距離變化信號有較小的衰減。這為我們利用流體作為聲發(fā)射信號的傳播提供了保障。圖2所示，是傳感器在加工中心機床上安裝使用示意圖。這種傳感器由于信號傳遞路線(xiàn)短，傳遞路徑中無(wú)其它接觸面，因而靈敏度高、抗干擾能力強。
考慮到在加工鑄鐵材料或高速切削時(shí)不使用冷卻潤滑液，作者還研制了一種空氣傳導聲發(fā)射傳感器，其結構如圖3所示。它的使用方案與液體聲發(fā)射傳感器完全相同，也安裝在潤滑冷卻管的噴嘴上。這種傳感器以自由空氣作為傳播AE信號的介質(zhì)，由于聲波波陣面的擴散且空氣密度小，AE傳播過(guò)程中衰減大。所以，要求傳感器具有高的靈敏度和抗干擾能力。在設計傳感器時(shí)，通過(guò)優(yōu)化結構和選用靈敏度高、信噪比高的敏感元件材料來(lái)克服以上缺點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗驗證〔4〕，此傳感器取得了良好的效果。
為適應多變的工況，作者還研制了將前述兩種傳感器集成于一體的液氣組合傳導聲發(fā)射傳感器，在一個(gè)傳感器上，可以利用液體和空氣來(lái)傳導聲發(fā)射信號。同時(shí)當無(wú)冷卻潤滑液時(shí)，它相當于一個(gè)空氣傳導聲發(fā)射傳感器；當有冷卻潤滑液時(shí)，可以同時(shí)利用兩路信號監測刀具狀態(tài)，提高監測信息的“冗余度”。它的使用方法也和前述兩種傳感器一樣。
3 刀具破損的聲發(fā)射信號處理方法
如圖4所示，刀具破損的聲發(fā)射信號，頻率一般大于100kHz，持續時(shí)間為200微秒～1毫秒左右，比正常切削信號大4～5倍以上，因此需高速信號采集器才能提取到原始AE信號，若對其包絡(luò )信號進(jìn)行采集便可降低采樣頻率，采用成本低廉的采集板。圖5所示為刀具破損的AE信號處理框圖。
來(lái)自傳感器的AE信號經(jīng)過(guò)放大，高通濾波，取包絡(luò )后進(jìn)行閾值比較。這里采用了雙閾值判別法，即既進(jìn)行幅值比較又進(jìn)行脈寬比較的判別方法。先對聲發(fā)射信號的包絡(luò )進(jìn)行幅值比較，當包絡(luò )信號超過(guò)某設定的閾值時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行脈寬比較，當脈寬超過(guò)另一設定閾值時(shí)，認為出現刀具破損的異常狀態(tài)，停機報警。當聲發(fā)射的包絡(luò )幅值信號低于設定的閾值時(shí)，脈寬比較器不工作。當聲發(fā)射的包絡(luò )幅值信號超過(guò)設定的閾值，但脈寬沒(méi)有超過(guò)設定的閾值時(shí)，仍不會(huì )出現異常狀態(tài)
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