刀具磨损监测方法综述

1、刀具磨损监测方法综述一、刀具磨损状态监测的意义及研究现状1、刀具状态监测的意义加工过程中刀具的磨损将造成工件的精度及粗糙度变差，甚至造成工件的报废、昂贵设备的损伤、机床停机等故障，直接影响着机械加工的精度、效率及经 济效益。据统计生产工程中75恕上的设备故障是由于刀具失效引起的，因此对 刀具状态进行在线监测显得尤为重要。 随着生产自动化程度的提高，特别是柔性 制造系统（FMS股术的出现，人们越来越重视对加工过程的在线监测。2、国内外研究现状及成果随着新方法、新理论、新技术的不断应用，国内外学者在信号选取、信号分 析、特征提取和状态诊断等方面进行了广泛而深入的研究。多年来，国内外学者在刀具监控方

2、面作了大量的工作， 并在检测方法、监控参数的选择、信号处理及 识别领域取得了显著成果，有些监控系统已经用于生产。日本、美国、德国及瑞 典等国家处于领先地位，并拥有一批成果及专利。国内的多所大学及研究单位也 对刀具监控系统进行了一定的研究工作，且有一批产品问世。80年代以前，刀具实时监控仪的研究多以单传感参数刀具磨损监视仪为主，典型的传感参数是声 发射、切削力、主轴功率和红外图像等，典型的监控仪有：日本的EMT-IO0QCHIP-55A乙美国的ATMAKTA和Cincinnati 的功率监视系统，丹麦的HZK系统 及中国的DJ-101, DZJ-101和TM-8000等。80年代后期，美国率先研

3、究多传感 参数融合的车刀磨损监测系统，利用人工神经网络 （ANN）进行多传感参数特征信 号并行输入的融合识别。活华大学在深入研究ANN GMD薛融合识别基础上开展 了声发射和切削振动两种传感信号多特征参数并行输入的：“主-从”融合识别车 刀与立铁刀磨损及车刀、立铁刀、钻头、丝锥破 /折损综合监控仪的研究开发和 适用化研究，开发了 TM-9000型刀具磨/破损监控仪。哈尔滨工业大学、西北工 业大学及上海交通大学都有相应的刀具状态监控系统。二、国内外刀具状态监测方法概述刀具状态检测方法可分为直接测量法和间接测量法。1. 直接测量法直接测量法能够识别刀刃外观、表面质量或几何形状的变化，一般只能在不

4、切削时进行，它有两个明显的缺点：一是要求停机检测；二是不能检测出加工过 程中出现的刀具突然破损。国内外采用的刀具磨损量的直接测量法有：电阻测量法、刀具工件间距测量法、光学测量法、放电电流测量法、射线测量法、微结构 镀层法及计算机图像处理法。(1) 电阻测量法该方法利用待测切削刃与传感器接触产生的电信号脉冲， 来测量待测刀具的 实际磨损状态。该方法的优点在于传感器价格低廉，缺点是传感器的选材必须十 分注意，既要有良好的可切削性，乂要对刀具寿命无明显的影响，而且工作不太 可靠，因为切屑和刀具上的积屑可能引起传感器接触部分短路，从而影响精度。(2) 刀具工件间距测量法切削过程中随着刀具的磨损，刀具与

5、工件间的距离减小，此距离可用电子千 分尺、超声波测量仪、气动测量仪、电感位移传感器等进行测量。但是这种方法 的灵敏度易受工件表面温度、表面品质、冷却液及工件尺寸等因素的影响， 使其 应用收到一定限制。(3) 光学测量法光学测量法的原理是磨损区比未磨损区有更强的光反射能力，刀具磨损越 大,刀刃反光面积就越大，传感器检测的光通量就越大。由于热应力引起的变形 及切削力引起的刀具位移都影响检测结果，所以该方法所测得的结果并非真实的 磨损量，而是包含了上述因素在内的一个相对值， 此法在刀具直径较大时效果较 好。(4) 放电电流测量法将切削力刀具与传感器之间加上高压电，在测量回路中流过的(弧光放电) 电流

6、大小就取决于刀刃的几何形状(即刀尖到放电电极问的距离)。该方法的优点是可以进行在线检测，检测崩齿、断刀等刀具几何尺寸的变化，但不能精确地 测量刀刃的几何尺寸。(5) 射线测量法将有放射性的物质掺入刀具材料内，当刀具磨损时，放射性的物质微粒就会 随切屑一起通过一个预先设计好的射线测量器。 射线测量器中所测得的量是同刀 具磨损密切相关的，射线剂量的大小就反映了刀具磨损量的大小。该法的最大弱 点是放射性物质对环境的污染大， 对人体健康非常不利。此外，尽管此法可以测 量刀具的磨损量，并不能准确地测定刀具切削刃的状态。 因此，该法仅适用于某 些特殊场合，不宜广泛采用。(6) 微结构镀层法将微结构导电镀层

7、同刀具的耐磨保护层结合在一起。 微结构导电镀层的电阻 随着刀具磨损状态的变化而变化，磨损量越大，电阻就越小。当刀具出现崩齿、 折断及过度磨损现象时，电阻趋于零。该方法的优点是检测电路简单，检测精度 高，可以实现在线检测。缺点是对微结构导电镀层的要求很高：要具有良好的耐 磨性、耐高温性和抗冲击性能。(7) 计算机图像处理法计算机图像处理法是一种快捷、无接触、无磨损的检测方法，它可以精确地 检测每个刀刃上不同形式的磨损状态。这种检测系统通常由CCLM像机、光源和 计算机构成。但由于光学设备对环境的要求很高， 而实际生产中刀具的工作环境 非常恶劣(如冷却介质、切屑等)，故该方法目前仅适用于实验室自动

8、检测。2. 间接测量法间接测量法利用刀具磨损或将要破损时的状态对不同的工作参数的影响效 果，测量反映刀具磨损、破损的各种影响程度的参量，能在刀具切削时进行检测， 不影响切削加工过程，其不足之处在于检测到的各种过程信号中含有大量的十扰 因素。尽管如此，随着信号分析处理技术、模式识别技术的发展，这一方法己成 为一种主流方法，并取得了很好的效果。国内外采用的刀具磨损的间接测量法有： 切削力测量法、机械功率测量法、声发射、热电压测量法、振动信号及多信息融 合检测。(1) 声发射信号测量法声发射技术用于监测刀具的磨、破损是近年来声发射在无损检测领域方面新 开辟的一个应用领域。其原理是当固体材料在发生变形

9、、断裂和相变时会引起应 变能的迅速释放，声发射就是随之产生的弹性应力波。当刀具破损时可检测到幅 值较高的AE信号。声发射刀具监控技术被公认是一种最具潜力的新型监控技术， 进入80年代以来，国内外致力于开发和应用该技术，已获得较大成果。早在1977 年Iwatak和Moriwaki提出了用声发射技术对刀具磨损进行在线检测。 在此基础 上，Moriwaki提出了声发射刀具破损检测方法。Kannatey-Asibu 和 Dornfeld从理论上研究了声发射信号的频谱特征，并结合模式识别方法实现了对刀具破损 的在线监测。我国声发射监测技术研究尽管起步较晚，但发展迅速。黄惟公采用包络分析法求取刀具磨损中

10、声发射信号的包络线，用时序模型的参数作为特征 值，通过神经网络对刀具磨损方程进行辨识，实验证明效果良好；李晓利对鲤削过程中的典型AE信号进行FFT分析，通过在频域里AE信号幅值的变化反映刀具 磨损状态；袁哲俊对切削过程中的声发射信号进行小波包分解，获取信号各频段的能量分布，以此作为信号特征，并建立基于模糊推理的快速神经网络模型识别 刀具磨损状态。由日本Murakami Giken公司研制的chip-55A型刀具破损监控仪 采用声发射监控技术，实施对加工过程中刀具状态的监控，该产品与其公司 生产的数控铁床配套使用，效果良好。(2) 切削力信号测量法切削力变化是切削过程中与刀具磨、破损状态最为密切

11、相关的一种物理现 象。采用切削力作为检测信号，具有拾取容易，反应迅速、灵敏等优点，是在线 方法中研究较多、很有希望突破的一种方法，所以是加工中心和FMS测量刀具 破损的常用方法。基于切削力的监测方法，采用的监测数据主要有切削分力， 切削分力比，动 态切削力的频谱和相关函数等。当刀具破损时，切削力变化敏感。当刀具破损较 小时，刀具切削刃不锋利，使切削力增强：当产生崩刃或断刀时，切削深度减少 或没有，使切削力剧减。在监测切削力时，在X,Y,Z三个方向上同时对Fx,Fy,Fz 三个分力进行测量，依靠装在每个电机上的伺服放大器测量出进给电机和主轴电 机的电流变化，并把电流变化传给力阀，在显示器上读出被

12、测量的力，从而判断 刀具是否破损。1977年，日本东京电机大学的村幸辰从理论和实验两方面深入 研究了不同加工条件和刀具磨损状态下各切削力的变化规律，发现在一定条件下切削分力比是一个能灵敏反映刀具磨损变化的特征量，据此他提出了切削力比监测法；1984年，Lan和Dornfeld的研究表明，切向力和进给力对刀具破损具有 较高的敏感性；Shiraishi等通过对加工过程的测量、检测和控制技术的对比研 究指出刀具失效的力监测法是最有潜力的方法，有着广阔的工业应用前景，扭矩监测和切削力法一样具有相同的研究价值； 成刚虎采用了频段均方值法通过切削 力监测刀具的磨损状态；万军利用切削力模型和最小二乘法实现模

13、型自动跟踪加 工过程特性变化，从而获取刀具磨损量。在切削力监控技术方面具有代表性的成 果是瑞典Sandvik Coromant公司推出的TM-BU-1001型刀具监控仪，该系统采用 的力传感器可安装于主轴轴承、进给丝杠，可设置三个门限，一旦超限自动报警。(3) 功率测量法功率测量法也是工业生产中应用潜力很大的方法。 该方法是通过测定主轴负 荷功率或电流电压相位差及电流波形变化等来确定切削过程中刀具是否破损。该方法具有信号检测方便，可以避免切削环境中切屑、油、烟、振动等因素的十扰， 易于安装。潘建岳在对加工中心钻削过程功率信号分析的基础上，提出并采用功率数据的归原处理方法，以此建立了钻头磨损在线

14、监控系统；刘晓胜将回归分析 技术和模糊分类相结合，建立了鲤削切削参数与电流之间的数学模型，间接的反映刀具磨损量与鲤削切削参数的内在联系，并利用功率信号识别刀具磨损量；郭兴提出一种基于人工神经网络的铁刀破损功率监控方法，建立了一个铁刀破损功 率监控系统，实验表明该系统能够灵敏的检测出刀具破损并实施监控。袁哲俊系 统的研究了切削过程中刀具异常对主电机功率影响的规律，提出了用主电机功率的瞬时值、导数值、静态平均值和动态均方值等多个参数综合监控钻削过程刀具异常状态；万军利用离散自回归 AR模型对功率信号进行处理，其模型参数通过 适应算法在每个信号采样时刻进行递归修正， 以适应切削状况，同时为了区别刀

15、具磨损和切削条件改变引起的功率信号变化，文章引入了归一化偏差处理，当刀 具切出工件时其归一化偏差明显比刀具磨损时归一化偏差的变化要小，监控时设报警门限，当归一化偏差超限时，即刻报警，具有良好的效果。成功应用电机功 率监控技术具有代表性的厂家是美国 Cincinnati milacron公司，该公司开发的 刀具监控系统与本公司生产的马刀系列立式加工中心配套使用。(4) 工件尺寸测量法加工中刀尖磨损或破损必然会引起工件尺寸发生变化，通过测量工件己加工表面的尺寸变化量，可以间接判断出刀具的磨损、破损情况。从测量方式看，有 接触工件测量的接触式和测量刀具工件之间间隙的非接触式两类。测量工件尺寸方法的优

16、点在于能直接定量给出刀具径向磨损或破损值，并可与加工精度的在 线、实时补偿结合起来，保证加工质量，实现精加工中刀具磨损、破损监测的最 终目标。其缺点在于，实时测量易受测试环境十扰，冷却液、切屑等影响测量结 果；加工中工件、刀具的热膨胀和受力变形、主轴回转精度、进给运动精度、振 动等因素也会直接影响测量的精度。 此外，在加工变截面工件时，要求传感器进 行准确的跟踪定位，由此也会带来定位的误差，并增加了实现的难度。(5) 切削温度测量法切削热也是金届切削过程中的一个重要物理现象， 刀具的磨损和破损将导致 切削温度的骤增。测量切削温度有三种方式：(1)刀具一工件组成的自然热电偶， 可以测出切削区的平

17、均温度，不同的刀具、工件材料需进行标定；(2)固定在刀体 内某点，由两种金届丝组成的热电偶，测出的是距离刀刃一定距离处某点的温度， 存在温度变化时响应慢、事先准备费时的问题。(3)红外摄像系统，可测出切削区温度场分布，具有灵敏度高，响应时间短的特点，但仪器复杂、成本高，聚焦 困难，难以测出切削覆盖处的刀具温度。(6) 刀具与工件接触处电阻测量法测量原理可分为两种：一种是根据刀具磨损使刀具与工件接触面积增大而引 起接触电阻减小的效应，这种方法受切削用量影响较大并有绝缘要求；二是在刀 具后刀面上贴一层薄膜导体，它随着刀具磨损而消耗，根据其电阻的变化可知刀 具后刀面的磨损量。此方法精度高，但需每把刀

18、具都粘贴薄膜电阻，且在高温、 高压下薄膜电阻易脱落。该方法应用于实际工况，目前还不太现实。(7) 振动频率测量法刀具在切削过程中，工件与磨损的刀刃部侧面摩擦，会产生不同频率的振动对这种振动的监测有两种方法：一是把振幅分成高低两部分，在切削过程中对此 两部分振幅进行对比；二是把振幅分成几个独立的幅带，用微处理机对这些幅带 进行不断地记录及分析，即能监测出刀具后刀面的磨损程度。 美国国家标准局自 动化研究所在钻削加工中利用振动信息方面取得了成功的经验。研制成的系统是利用装在工件上的加速度传感器对振动信息进行时效分析，识别钻头的磨损并判 断钻头的折断。(8) 工件表面粗糙度测量法随着刀具磨损程度的增加或破损的发生，工件己加工表面的粗糙度将呈增大 趋势，据此可间接评价出刀具的磨损或破损状况。测量工件表面粗糙度的方法也 可分为两类。一类是划针式接触测量，可直接得出表面粗糙度的评价参数R。此类方法仅适于静态测量。目前，绝大多数此类方法仅适用于计量室或实验室环境。 另一类是非接触式光学反射测量，得出的是工件表面粗糙度的相对值，自