自动化制造技术第五章 第三节 刀具的自动识别和监测刘帆

1、 第三节 刀具的自动识别和监测 一、 一刀具的自动化识别 刀具的自动化识别是指对刀具的切削 状态的识别。刀具的自动化识主要要 是指在加工过程中能在线识别出切削 状态：刀具磨损、破损、切削缠绕以 及切削颤振等等 刀具状态识别的方法 基于时序分析的刀具破损状态识别 基于小波分析的刀具破损状态识别 基于电流信号的刀具磨损状态识别 基于人工神经网络的刀具磨损状态识别 刀具磨损状态识别模型 1、钻头磨损状态划分 A类、0.2mm B类、0.5mm C类、0.8mm 电流信号模型 电流信号I 切削速度v 进给量f 刀具直径d 刀具磨损量w IsKs va1 fa2 da3 IfKf vb1 fb2 db3

2、 刀具尺寸测量控制系统 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%以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)技术的出现，人们越来越重视对加 工过程的在线监测。 刀具磨损的测试方法 方法方法传感方式传感方式应用场合应用场合主要特征主要特征 直接法 光学图像法砂轮磨损、离线或在线，非实 时监测多种刀具 分辨率0.1um-0.2um尚未实用化，设备昂 贵 接触法车削、钻削刀具灵

3、敏度10um，受切削与切削温度变化影 响 放射线法各种切削工艺灵敏度10um，不受切削与切削温度变化 影响 切削力车、钻、钻削等灵敏度20um，切削分力比功率发有应用 价值 功率发车、铣、镗削等灵敏度不高，响应慢，安装使用方便 间接法 切削温度法车削等预测无应用前途 刀具工件距离探 测法 车削等处于试验阶段 声发射法、噪声、 震动分析 车、钻、铣、拉、镗、攻螺纹 等 尚未建立不同程度磨损的判断，有极大 的应用前景 刀具状态监测方法刀具状态监测方法概述概述 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，一般只能在不切削时进行，它有两个明 显的缺点：一是要求停机检测；二是

4、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 刀具状态监测方法概述刀具状态监测方法概述 （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，又要对 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，刀具与工 件间

5、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 刀具状态监测方法概述刀具状态监测方法概述 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

6、回路中流过的（弧光放电）电流大小就取决于刀刃的几何形 状（即刀尖到放电电极间的距离）。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。 刀具状态监测方法概述刀具状态监测方法概述 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

7、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 刀具状态监测方法概述刀具状态监测方法概述 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干扰因素。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。 刀具状态监测方法概述刀具状态监测方法概述 （