张彦明 郭凯 王海明 王超宇 韩世超
首都航天机械有限公司 北京 100076
摘 要：数控机床刀具磨损情况的监测对于降低因刀具的破损而带来的经济损失,提高其在数控机床中的利用率起着非常重要的作用。通过回顾国内外各种关于刀具磨损情况的监测技术与方法研究,大概有以下方法，针对振动监测法、切削力监测法、功率性监测、及基于动态树理论的刀具磨损检测等,分析它们的优势与特点,可以了解到基于动态树理论的刀具而研究磨损监测技术手段是其未来发展的趋势。
关键词：数控机床；刀具磨损；监测方法
前言
刀具的磨损状态在目前我国的各种机械加工中已成为一种常见的情况,刀具磨损以及它的磨损状态直接地影响到了机械加工的准确性、精度和企业的经济效益，降低其刀具加工的费用,对于提高企业的社会经济效益很有利。近几年来,随着我国先进的技术如 cims、 cnc 、 fms 机床的广泛应用,极大地改善了机械加工精度与生产设备的加工效率。操纵人机已经从原先的单独或者两台开始进行操纵,变成现在可以同时运行和操纵多个设备。如此，数控机床系统就能够实现自动地监视各种刀具的运转和工作状态,及时掌握正在运行中所需要使用刀具的磨损情况,从而根据各种刀具的断裂程度、刀具寿命、磨损量等各种刀具的故障情况实时地监测各种刀具的运转和工作状态的变化,并且当各种刀具的磨损量已经超过预先设置的磨损程度时发出信号和报警,就会因此变得尤其重要。
一、刀具磨损的监测方法
刀具检测状态的检查技术通常包括传感器信号采集、信号处理及状态特征提取和状态辨认器三个组成部分。刀具运行状态检测传感器系统中的传感器主要是为了接收到在切削工作过程中产生的切削机械信号,例如切削能力、功率、音频发射、震荡、振动、电流等。
1.刀具状态的振动监测法
当工件在切削的过程中,工件和磨损后的刀具刃部侧面发生摩擦,产生不同速度和频率的振动，振动信号已经被认为是一种检测刀具的磨损和破坏敏感性较高的技术。振动的特征检测和处理方法主要分为两种:一种就是把振幅区域划分为几个单独的振幅区域,不断地通过使用计算机电脑和数字化计算机对这些振幅区域的位置进行记录、分析,就已经可以准确检测得出一把刀具在使用后的每一个刀面上受到磨损的严重性程度;二是把振幅划分为高低两个组成部分,在切削过程中分别计算出两个组成部分的振幅。振动信号有几个不同的特点频段,在这几个频段中的信号能量都会因为刀具的磨损而逐渐加剧[1]。
2.刀具状态的切削力监测法
切削力数据,它们能够直观地准确反映加工操作过程中的各种动态和行为,所以通过采用这些切削力数据可以间接而又准确地实时监控刀具的磨损量和正常运转状态,以引起工作人员的关注。但是,已往我们所研究和采用的切削力信号进行监测和控制的刀具磨损变动规律的许多方法(例如方差监测法、平均值监测法、 ar 模具监测法等)又因为它们都没有做到能够准确搞好这些切削力的信号和刀具磨损变动规律以及它们之间的某种内在的相互关联,所以存在了一定的不可靠性以及片面化。在进行金属剪切机械操作的过程中,工艺体系中总会出现较大或微弱震荡。由于这种震荡产生的振动,不仅使得机床切削面积需要产生周期性的改变,而且机床实际运转时的角度也会产生周期性的震荡。一旦这种切削能力产生了较大的波动,将会逆向作用于整个技术体系,使该技术体系的震荡受到了抑制。所以来讲,切削力的频率和幅值波动的周期应该是与系统中的频率和幅值波动的周期相等。
3.刀具状态的功率监测法
当各类刀具在正常工作下切削的时候,其功率和速度变化比例都是增加或者降低的,但是并没有发生任何突变。一旦刀具出现破损,功率的变化速度要远远超过正常剪力时候的功率变化速度。因此,实时地测量切削功率,对切削功率进行微分,通过计算切削功率的改动频率,就能够准确地判别一个刀具有无发生破损。以刀具的切削功率和变化速度为依据所收集到的信号,利用单片机自动进行数据处理和判断,实现加工过程中刀具的破损在线监测,讨论一些有效地提高刀具的破损报警精度和准确性的技术措施[2]。
4.基于动态树理论的刀具磨损监测方法
为了更好地实现刀具状态的自动化加工对刀具状态的可靠监控,国内外研究者把多传感器融合技术、神经网络、模型识别及仿真理论等许多门类的技术理论应用到了刀具运动状态的监测系统中。然而,随着对刀具性能状态的进一步细分以及加工领域的扩展,由于特性的选取困难、使用所需要的样品数量急剧下降,导致识别可靠性和准确度的明显下降、系统设计周期相对较长等问题,无法完全满足现代化工业制造技术应用的要求。针对以上这些特点,有人还研究提出了基于动态树理论的一种新型刀具的磨损量自动检测技术,刀具的磨损量与识别模块主要目的是根据刀具在加工过程中的情况进行动态地识别和生成,识别模块主要目的是通过使用一种带有局部记忆的 b 样条模糊神经网络来准确判断一种刀具的磨损量与识别信号特征之间存在着非线性映射的关系,并且它是通过集成式的神经网络方式来实现融合多个传感器的信号特性以及增强信号系数系统监控的准确性与可靠度。以端铣刀作为主要研究对象的实际试验结果显示,此种检测方法在设计上具有数据抽取简便,系统可扩充性强及监控精度高等优势,能够很好地满足各类工业的需要。
二、各种监测方法比较
由于整个切削工艺流程的复杂性,影响其切削能力的因素也有许多,所以想要帮助我们设计一个精确而又可靠地设计完备的切削能力模型是困难的;即使是已经为我们设计和制定了一套较为完备的切削动力学模型,切削使用量的增加和更换所导致的切削分力发生更换也很困难,因为一个刀具的破损或者说是磨损而导致的各种切削分力发生变化相互地进行区别和划分。另外,在进行设计和安装各种检测机械装置时,由于需要针对机床结构特点进行调整和保养,导致这些调整和维修都很不方便,并且有可能会影响该种检测方法的准确性[3]。
众所周知,刀具的工作运行和状态一旦发生改变时就会直接导致切削能力发生改变,而且这种改变也是一个非常直观的事实,它还能够间接地反映到一台机床使用时所需要消耗的能源和功率。但与其他的切削力方法相比,机床功率计算器测量信号简单,可以有效减少和避免在切削工作环境中对于切屑、油、烟、振动等所造成的影响,监控设备更加易于实际使用。通过实时监测各种刀具驱动电机的加工频率和传感器变动状况等信息来准确地判别各种刀具的运行情况,具有对加工频率和传感器的信号提取方便、传感器的安装简易、不会受到其他刀具所使用环境的变化等特点。
三、小结
随着设备制造、自动化等技术的进一步发展,切削操作过程中刀具运行状态的在线监测技术会得到越来越多的学者及研究机构的认可。尤其是随着生产加工操作流程的更新以及复杂性程度的提高,对于刀具的状态检查也提出了更加严格的要求。研究和开发出一套适宜于多工艺加工环境的刀具状况监控管理系统,这就是将此项技术运用到加工现场上的关键。多个传感器的刀具状态监控系统可以有效地改善刀具的判断精度,这也是未来刀具监控的发展趋势。
参考文献：
[1]孙巍伟,黄民,李康.数控机床刀具磨损监测与保护系统软件设计[J].河南理工大学学报（自然科学版）,2020,039(001):91-100.
[2]朱广文,魏代善,孙佳隆,谭博.基于功率监测的刀具磨损状态识别[J].电子制作,2020,No.408(22):30-31.
[3]马玮,向兵飞,温建林,等.刀具监控在数控机床及加工中的应用[J].航空精密制造技术,2019, v.55;No.315(01):5-9+32.