0 引言

　　刀具磨損和破損的在線實時監測是自動化加工生產線中一個困難而又重要的問題，它是實現生產過程自動化和無人化、保證產品質量、提高生產效率、減少設備故障的重要手段。但由于實際切削過程中環境惡劣、刀具和工件多樣性、采集數據離散性大等因素，使得實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。直接測量法主要有光學法、接觸電阻法、放射性法等。間接測量法主要有溫度測量法、振動分析法、聲發射(AE)法、主電機功率或電流監測法等。本文主要討論AE監測法在刀具磨損與破損監測中的應用。

1 切削過程中發生的物理現象及刀具監控原理

　　在數控機床的切削過程中，工件在切削力的作用下會產生剪切斷面，這樣便會在刀具的前刀面和后刀面產生摩擦磨損，于是就產生切削力，從而產生振動噪聲，在剪切斷面與刀具前刀面產生聲發射波。與此同時，切削力的大部分轉變成切削過程的熱量，這部分熱量再通過工藝系統傳遞給刀具，于是刀具產生高溫等物理現象。上述這些不正常現象，將使被加工工件的尺寸及表面粗糙度都發生變化，為了縮小這種變化對工件加工精度的影響，就需要對刀具的切削狀態進行在線監測。

　　刀具磨損量可以通過適當的檢測方式測得，如測量刀具與切屑接觸長度的變化及刀具和被切削材料接觸長度的變化都可直接測出刀具的磨損量。

　　刀具在破裂時會產生一種彈性波，這種彈性波是以固體在產生塑性變形和破裂時釋放出的能量轉換成聲波的形式傳播出來的。可以通過在刀具主軸內部裝一聲發射傳感器，將刀具破損時產生的特有聲波電壓信號拾取下來，作為刀具狀態的監測信號。

　　此外，反映刀具狀態的切削力(扭矩)、主電機功率、電流、切削振動噪聲等參數也都可以通過安裝在機床上的相應傳感器測得。將這種傳感信號作為檢測監視系統的輸入信號，并進一步轉換為電壓或電流信號，然后輸人信號處理單元進行預處理和特征量提取，形成表征刀具工況的低維特征量結合，作為識別決策單元的輸入集，最后輸出診斷決策信息。

2 數控機床切削過程中聲發射(AE)信號的產生

　　物體在狀態改變時自動發出聲音的現象稱為聲發射。如材料或構件受外力或內力作用產生變形或斷裂時，就以彈性波的形式釋放出應變能量，這是一種聲物理現象。在金屬切削過程中產生聲發射信號的信號源有工件的斷裂、工件與刀具的磨損、切削變形、刀具的破損及工件的塑性變形等，因此，在切削過程中產生非常豐富的聲發射信號。AE信號可分為突發型和連續型兩種。突發型AE信號是在表面開裂時產生的，其信號幅值較大，各聲發射事件之間間隔較長，如刀具的異常磨損、破損時釋放的彈性波能量轉換成聲音傳播，主要發出非周期的AE信號。連續型聲發射信號幅值較低，事件發生的頻率較高，以致難以分為單獨事件，如由固體材料的彈塑性變形和正常切削發出的AE信號等。

　　由于AE信號提供了工件、刀具等狀態變化的有關信息，所以可以根據機床結構內部發出的應力波來判斷結構內部的損傷程度。AE信號的監測是一種動態無損監測技術，聲發射源往往就是材料破損的位置。

3 刀具磨損、破損的聲發射監測

　　3.1 刀具磨損、破損的AE信號監測系統

　  3.1.1 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。對于一般數控車削加工來說，可以直接安裝在車刀刀桿的后端部，但對于銑削、鉆削和加工中心來說，就不能安裝在刀具上了，這時，必須解決AE信號的傳播問題，即必須將AE信號從動態旋轉刀具上過渡到靜止的傳感器上。實驗表明，磁流體作為AE信號的傳導介質，用于檢測刀具旋轉及自動換刀的加工中心上刀具破損時的AE信號是最理想的。

　　3.1.2前置放大器、濾波器和檢波器

　　從AE傳感器來的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80kHz-300kHz。包絡檢波電路的作用是將AE信號的頻率降下來得到一個低頻的AE包絡信號，以適應A/D轉換器的相應時間，進行計算機處理。A/D轉換器的采樣頻率根據檢波后的AE信號頻率來定，一般采樣周期為10us。

　　3.1.3環境電參數監測

　　對機床周圍電網及機床電機信號進行監測，輔助判別刀具不工作時產生的AE信號的來源，并將此AE信號區別出來，對減少誤判有重要意義。

　　3.1.4 計算機

　　計算機是監控系統的控制核心，根據應用環境的不同，選擇工業控制機或單片機。在計算機中配有與數控機床交互的通訊接口，可以得到數控機床加工程序使用的刀具狀態信息。

　　3.2刀具磨損、破損監控過程及結果

　　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行比較并判斷刀具狀態。當發現刀具異常時，將記錄下來的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。

4 結論

　　本文闡述的刀具磨損與破損的聲發射檢測法可用于普通車、銑、鉆床，也可用于數控車床及加工中心。實驗表明：車刀破損報警成功率大于95％，銑刀破損報警成功率大于90％，鉆頭磨損報警成功率大于95％，破損報警響應時間為3ms。