刀具磨損、破損的聲發射監控法的研究

摘要：本文討論了聲發射監控法在線監控刀具磨損、破損的原理及實現方法。描述了聲發射信號的產生及特征以及系統硬件原理圖。實驗及結果證明了此方法的可行性。
????? 關鍵詞：刀具磨損破損；在線監測；聲發射傳感器
????? 1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、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、刀具和工件的多樣性、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。這里主要討論AE監控法。
????? 2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，常稱為聲發射。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，用AE(acoustic emission)表示。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，切削的變形，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信號是在表面上開裂時產生的，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，比如由固體材料的彈塑性變形和正常切削發出的AE信號等[1]?
????? 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 AE信號監測的特點?
????? (1)AE信號是反映刀具磨損或破損的動態信息，而超聲波、紅外探傷等得到的只是靜態的信息。
????? (2)AE信號不受物體位置的限制，所以，對傳感器安裝位置限制較少。
????? (3)AE信號只接收由材料本身所發射的超聲波。
????? (4)靈敏度高，故障在萌芽時期就有AE信號發射出來。
????? (5)不受材料的限制。
????? 4 AE信號的基本特征和分析方法
????? AE信號的基本特征表現在：
????? (1)AE信號上升時間很短，約llμs左右。
????? (2)AE信號有很寬的頻率范圍，從次聲到超聲(30MHz)。
????? (3)AE信號一般是不可逆的，即具有不復現性。
????? (4)AE信號的產生不僅與宏觀因素有關，還跟微觀因素有關，具有隨機性。
????? (5)抗干擾能力強，AE信號受切削參數和刀具幾何參數的影響較小。
????? AE信號一般是用壓電式傳感器拾取，經放大、濾波后由計算機或波形分析儀進行分析。
????? 5刀具磨損、破損AE信號監測系統的組成
????? (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。實踐證明，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。
????? (2)前置放大器、濾波器和檢測器
????? 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80~300kHz。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10μs。
????? (3)環境電參數監測?
????? 對機床周圍電網及機床電機信號監測，輔助判別由刀具不工作時產生的AE信號來源并將此AE信號區別出來，對減少誤判有重要意義。
????? (4)計算機??
????? 計算機是監控系統的控制心臟，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，并可以得到數控機床加工程序使用的刀具狀態信息[2]。
????? 6 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。
????? 7結論
???? 上述聲發射法監控刀具破損儀可用于普通車、銑、鉆床，也可用于數控車床及加工中心，試驗表明：其車刀破損報警成功率95％，銑刀破損報警成功率90％，鉆頭磨損報警成功率95％，破損報警響應時間3ms。AE信號檢測技術由于其獨特的優點，現正逐步走向實用化。