刀具磨损、破损的声发射监控法的研究
摘要：本文讨论了声发射监控法在线监控刀具磨损、破损的原理及实现方法。描述了声发射信号的产生及特征以及系统硬件原理图。实验及结果证明了此方法的可行性。
关键词：刀具磨损破损；在线监测；声发射传感器
1引言
刀具磨损和破损的在线实时监测是自动化加工生产线中一个困难而又重要的问题。它是实现生产过程自动化、无人化，保证产品质量，提高生产效率，减少设备故障的重要手段。但由于实际切削过程中环境恶劣、刀具和工件的多样性、采集数据离散性大等因素，使得实际监测存在很大的困难。监测刀具磨损和破损的方法目前很多，大致可分为直接测量法和间接测量法两大类。直接测量法主要有：光学法、接触电阻法、放射性法等。间接测量法主要有：温度测量法，振动分析法，声发射(AE)法，主电机功率或电流监测法等。这里主要讨论AE监控法。
2声发射(AE)信号的产生
物体在状态改变时自动发出声音的现象，常称为声发射。如材料或构件受外力或内力作用产生变形或断裂时，就以弹性波的形式释放出应变能量，这是一种声物理现象，用AE(acoustic emission)表示。在金属切削过程中产生声发射信号的信号源有：工件的断裂，工件与刀具的磨损，切削的变形，刀具的破损及工件的塑性变形等，因此，在切削过程中产生非常丰富的声发射信号。AE信号可分为突发型和连续型两种。突发型AE信号是在表面上开裂时产生的，其信号幅值较大，各声发射事件之间间隔较长；如刀具的异常磨损、破损时释放的弹性波能量转换成声音传播，主要发出非周期的AE信号。连续型声发射信号幅值较低，事件发生的频率较高，以致难以分为单独事件，比如由固体材料的弹塑性变形和正常切削发出的AE信号等[1]
由于AE信号提供了工件、刀具等状态变化的有关信息，所以，可以根据机床结构内部发出的应力波来判断结构内部的损伤程度。AE信号的监测是一种动态无损监测技术，声发射源往往就是材料破损的位置。
3 AE信号监测的特点
(1)AE信号是反映刀具磨损或破损的动态信息，而超声波、红外探伤等得到的只是静态的信息。
(2)AE信号不受物体位置的限制，所以，对传感器安装位置限制较少。
(3)AE信号只接收由材料本身所发射的超声波。
(4)灵敏度高，故障在萌芽时期就有AE信号发射出来。
(5)不受材料的限制。
4 AE信号的基本特征和分析方法
AE信号的基本特征表现在：
(1)AE信号上升时间很短，约llμs左右。
(2)AE信号有很宽的频率范围，从次声到超声(30MHz)。
(3)AE信号一般是不可逆的，即具有不复现性。
(4)AE信号的产生不仅与宏观因素有关，还跟微观因素有关，具有随机性。
(5)抗干扰能力强，AE信号受切削参数和刀具几何参数的影响较小。
AE信号一般是用压电式传感器拾取，经放大、滤波后由计算机或波形分析仪进行分析。
5刀具磨损、破损AE信号监测系统的组成
(1)AE传感器
由于刀具破损的AE信号频率分布范围很窄，因此可选谐振式窄带传感器。对于一般数控车削加工来说，可以直接安装在车刀刀杆的后端部，但对于铣削、钻削和加工中心来说，就不能安装在刀具上了，这时，必须解决AE信号的传播问题，即必须将AE信号从动态旋转刀具上过渡到静止的传感器上。实践证明，磁流体作为AE信号的传导介质，用于检测刀具旋转及自动换刀的加工中心上刀具破损时的AE信号是最理想的。
(2)前置放大器、滤波器和检测器
从AE传感器来的AE信号是很微弱的电信号，其幅值约几微伏至几十微伏，应进行前置放大，并用带通滤波器选取需要的AE信号，滤掉干扰信号，通带范围约为80~300kHz。包络检波电路的作用是将AE信号的频率降下来得到一个低频的AE包络信号，以适应A／D转换器的相应时间，进行计算机处理。A／D转换器的采样频率根据检波后的AE信号频率来定，一般采样周期为10μs。
(3)环境电参数监测
对机床周围电网及机床电机信号监测，辅助判别由刀具不工作时产生的AE信号来源并将此AE信号区别出来，对减少误判有重要意义。
(4)计算机
计算机是监控系统的控制心脏，根据应用环境的不同，选择工业控制机或单片机。在计算机中配有与数控机床交互的通讯接口，并可以得到数控机床加工程序使用的刀具状态信息[2]。
6 刀具磨损、破损监控过程及结果
在刀具监控仪与数控机床连通后，将刀具参数存入刀具数据库中，将加工用量及其他相应信息存人加工过程随机数据库中，监控仪根据该信息选择放大倍数和阀值。
在监控工作阶段，系统根据上述选择的放大倍数和阀值，控制并调节AE信号的大小，将阀值与计算机采样值进行比较并判断刀具状态。当发现刀具异常时，将记录下来的AE信号波形及刀具数据等信息显示在显示器上，并输出报警信号及控制信号。
7结论
上述声发射法监控刀具破损仪可用于普通车、铣、钻床，也可用于数控车床及加工中心，试验表明：其车刀破损报警成功率95％，铣刀破损报警成功率90％，钻头磨损报警成功率95％，破损报警响应时间3ms。AE信号检测技术由于其独特的优点，现正逐步走向实用化。
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